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模擬集成電路測試算法與平臺構(gòu)建研究

2021-10-21 02:15
信息記錄材料 2021年9期
關(guān)鍵詞:信號源子程序集成電路

張 雪

(無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 無錫 214121)

1 引言

數(shù)字集成電路的誕生和應(yīng)用并不是模擬集成電路的終結(jié)。模擬集成電路是數(shù)字電路世界的基石。自1990年代以來,國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)一直保持高速增長,這在很大程度上影響了我國的電路設(shè)計、工藝制造、測試和封裝領(lǐng)域[1]。經(jīng)過十多年的發(fā)展,最先進(jìn)的CPU、DSP和中國的數(shù)字集成電路在國內(nèi)市場取得了突破,盡管作為輔助產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量模擬集成電路取得了一些進(jìn)展,但集成電路測試計數(shù)還不成熟,其作為一個獨(dú)立的行業(yè),目前主要包括IDM公司、測試機(jī)構(gòu)、封裝和測試制造商,這些公司相對分散且水平較低,大多數(shù)測試產(chǎn)品是數(shù)字集成電路,而大多數(shù)模擬集成電路測試產(chǎn)品針對中低端模擬集成電路。因此,從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度出發(fā),整合不同的模擬集成電路測試資源和使用模擬集成電路都需要加強(qiáng)測試平臺的設(shè)計,不但能夠促進(jìn)模擬集成電路技術(shù)進(jìn)步,還能提高終端產(chǎn)品的質(zhì)量,也可以為整個行業(yè)中高端模擬集成電路的突破做出貢獻(xiàn)。

2 模擬集成電路測試算法分析

在電路測試工程實(shí)踐中,通常要結(jié)合已知或未知的電路。這就要求測試系統(tǒng)能夠進(jìn)行電路故障診斷和定位,本次設(shè)計的模擬集成電路測試系統(tǒng)具有兩個主要功能,即通過單點(diǎn)診斷電路來診斷和定位故障,具體反映在算法的設(shè)計中。

2.1 測試算法概述

本系統(tǒng)的測試基本原理是分別收集有故障和正常電路的測試數(shù)據(jù),通過信號處理和對這些數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)分析來識別有故障的電路并定位故障。具體的實(shí)現(xiàn)過程如下:由于實(shí)驗(yàn)中收集的測試數(shù)據(jù)是基于模擬電路的,因此首先將測試數(shù)據(jù)傳遞到模數(shù)轉(zhuǎn)換器,以方便對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,得到頻帶不同的子信號,并通過運(yùn)算獲得實(shí)驗(yàn)所需的各種特征信息的過程[2]。本次設(shè)計的測試系統(tǒng)使用的帶通濾波器是余弦調(diào)制濾波器,測試算法具體過程見圖1。

圖1 模擬集成電路測試算法

2.2 基帶濾波器設(shè)計

通過濾波器將信號分成多個頻率的子信號,信號之間不能頻率重疊,以免造成信號失真,這增加了濾波器設(shè)計難度。而且由于原始信號在不同頻率范圍內(nèi)的功率譜密度分布不均勻,因此分解后每個頻帶的結(jié)果也產(chǎn)生不同的信號能量,并且這些信號也經(jīng)受不同的對待[3]。本次設(shè)計開發(fā)了基帶濾波器,利用頻譜偏移建立多個頻率的余弦調(diào)制濾波器,具體步驟如下:設(shè)基帶濾波器為H0(z),則有

其中,h0[n]表示濾波器的沖激響應(yīng),假設(shè)Hk(z)為濾波器的傳輸函數(shù),則濾波器的h0[n]在時域范圍內(nèi)以2K為周期時間進(jìn)行抽樣獲取的H1(z),H2(z),…Hn(z)表示頻域內(nèi)濾波器的線性搬移。為了盡量減少相鄰濾波器頻帶重疊造成的信號干擾,濾波器頻帶范圍需有足夠間隔。

每個濾波器的帶寬必須具有特定的間隔范圍,以避免由于相鄰濾波器的頻帶重疊而造成的干擾。根據(jù)本次測試系統(tǒng)必須滿足的要求,時域范圍內(nèi)h0[n]采樣頻率設(shè)置為10 kHz,每個頻域的中心間隔大約10 kHz。為了達(dá)到測試系統(tǒng)的設(shè)計要求,將收集到的數(shù)據(jù)頻譜分為8個頻段,濾波器最小增益為-20 dB時,每個頻譜的帶寬設(shè)置為約0.95 kHz[4]。因此,可以實(shí)現(xiàn)滿足設(shè)計要求的基帶濾波器H0(z),接下來在濾波器的時域中執(zhí)行采樣和調(diào)制,按照上述步驟在頻域中移動基帶濾波器,并最終在每個頻域?yàn)V波器中獲得“余弦調(diào)制濾波器”。

3 模擬集成電路測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

測試系統(tǒng)硬件負(fù)責(zé)收集信息,本次研究的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 模擬集成電路測試系統(tǒng)硬件構(gòu)成

有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)。一種是將其安裝在PCB上,要使用這種方法,PCB需要具備諸如信號激勵、數(shù)據(jù)采集和被測電路等功能。另一種方法是由諸如信號源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和電源模塊之類的模塊單獨(dú)實(shí)現(xiàn)功能后組合成系統(tǒng)。本次設(shè)計使用基于模塊化配置系統(tǒng)的解決方案。其目標(biāo)是使用現(xiàn)有的軟件和硬件資源來提高測試準(zhǔn)確度。

以下是測試系統(tǒng)各模塊的功能介紹。

3.1 信號源模塊

信號源是一種可以生成用于電子測量的激勵信號的設(shè)備,通常稱為信號發(fā)生器。它可以根據(jù)所需的參數(shù)生成信號,并對信號進(jìn)行處理,然后將信號輸出到外部。信號源無法測量某些電氣參數(shù),但它們是電子測量中最常用的基本設(shè)備,例如萬用表和示波器[5]。在該系統(tǒng)中,信號源作為激勵源。輸入信號質(zhì)量對系統(tǒng)可靠性有重要影響,信號源必須具有較強(qiáng)的靈活性,以確保輸入信號質(zhì)量,因此,系統(tǒng)采用靈活性較強(qiáng)的TFG2001BDDS函數(shù)信號發(fā)生器作為信號源。

3.2 數(shù)據(jù)獲取模塊

顧名思義,數(shù)據(jù)獲取模塊是一種以特定方式收集信息的設(shè)備。具體過程如下:在信號源產(chǎn)生的信號輸入到模擬集成電路后,數(shù)據(jù)采集模塊收集電路中特定節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓,并將其從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字。轉(zhuǎn)換完成后,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號將被發(fā)送到計算機(jī)。執(zhí)行信號處理以獲得故障排除所需的特征值。為了滿足對測試系統(tǒng)精度和其他參數(shù)的特定要求,本系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取模塊使用NI USB-6008采集卡,單通道采樣率為10 kS/s,可通過USB、驅(qū)動程序軟件、交互式數(shù)據(jù)記錄軟件快速在設(shè)備之間讀取和寫入信號,從而大大提高系統(tǒng)性能。

3.3 電源模塊

選擇電源模塊時需考慮兩個因素:(1)應(yīng)選擇外部電源作為電源,以避免電源噪聲干擾對測試系統(tǒng)的輸入信號模塊的影響。(2)電源可以提供的電壓范圍必須能夠滿足測試系統(tǒng)的要求。換句話說,它必須能夠提供12 V的最大電壓并確保相對穩(wěn)定的電壓??紤]到上述因素,本次選擇具有穩(wěn)定且連續(xù)電流的XDl723 ADC電源作為系統(tǒng)電源模塊,準(zhǔn)備好每個功能模塊后需要連接這些模塊。首先,將源模塊連接到電路模塊,使用數(shù)據(jù)采集模塊在特定節(jié)點(diǎn)處收集信號,然后通過USB端口將收集的信號發(fā)送到計算機(jī)以進(jìn)行軟件處理和分析以獲取診斷模擬電路故障所需的特征信息。

3.4 電路元件選擇

選擇電路組件時,需要仔細(xì)考慮各種因素,但最重要的是組件選擇必須具有代表性,可以作為模擬集成電路的典型代表而不會損害可靠性?;谏鲜隹紤],本次采用TL084運(yùn)算放大器作為系統(tǒng)中被測電路核心組件,其具有高轉(zhuǎn)換、輸出短路保護(hù)、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn),在12 V的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓和6.5 V的輸入和輸出電壓的情況下,基本上可以滿足測試系統(tǒng)的所有要求。

4 模擬集成電路測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計階段在系統(tǒng)的整體性能中起著非常關(guān)鍵的作用,同樣軟件設(shè)計在整個測試系統(tǒng)中也起著重要作用。測試軟件確定測試數(shù)據(jù)處理的性能。軟件的顯示部分應(yīng)盡可能易于理解。為了實(shí)現(xiàn)測試軟件的整體結(jié)構(gòu),測試系統(tǒng)采用的模式是狀態(tài)機(jī)編程模式,其中定義了子程序的初始化、待機(jī)、終止、執(zhí)行4個狀態(tài)。該例程的設(shè)計從根本上類似于測試軟件總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。此過程首先啟動初始狀態(tài),然后啟動等待狀態(tài)。在待機(jī)狀態(tài)下,使用的結(jié)構(gòu)是事件結(jié)構(gòu)。當(dāng)按任意鍵運(yùn)行該程序時,系統(tǒng)將從子程序的等待狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)。圖3顯示了系統(tǒng)主界面基本運(yùn)行流程。

圖3 模擬集成電路測試系統(tǒng)主界面基本運(yùn)行流程

執(zhí)行子程序時,可以使用動態(tài)調(diào)用VI函數(shù)將子VI的Re輸入到調(diào)用節(jié)點(diǎn),以將程序添加到項(xiàng)目中,并達(dá)到將子程序添加到框架的目的。然后在等待狀態(tài)表添加子程序路徑后就可以開始執(zhí)行子程序。測試系統(tǒng)編寫的程序由許多部分組成,例如測試控制過程和數(shù)據(jù)分析。最重要的是數(shù)據(jù)處理程序,其主要作用是創(chuàng)建子程序。軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計,本次設(shè)計的模塊主要包括以下幾種。

(1)測試控制模塊。配置測試激勵和捕獲程序以處理參數(shù)后,將收集并存儲測試數(shù)據(jù)。

(2)信號處理模塊。在測試響應(yīng)中管理與子帶有關(guān)的工作。

(3)分析模塊。最重要的是收集波形,包括濾波后的波形,并清楚顯示默認(rèn)參數(shù),以便于調(diào)試和維護(hù)。

(4)歷史統(tǒng)計模塊。它的主要功能是計數(shù)和保存測試數(shù)據(jù)。

(5)其他模塊。模塊最終組合成完整的軟件系統(tǒng)。這種設(shè)計模式極大地提高了模塊的可重用性,并便于后續(xù)的軟件調(diào)試。

5 結(jié)語

綜上所述,由于國內(nèi)集成電路的測試尚未形成獨(dú)立的產(chǎn)業(yè),而且國內(nèi)模擬集成電路的測試能力相對較低,因此需要繼續(xù)研究模擬集成電路測試技術(shù)和測試平臺的構(gòu)建。利用可用的硬件和軟件資源快速創(chuàng)建可在整個行業(yè)中使用的領(lǐng)先的專業(yè)模擬集成電路測試平臺,打破國外技術(shù)封鎖,同時促進(jìn)國內(nèi)模擬集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,最終促進(jìn)中國集成電路產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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