一種集成電路測試用程控信號源的設計

王 鑫， 李力軍

（北京自動測試技術研究所，100088）

0 引言

隨著電路設計的不斷發展，集成電路測試對保證電路可靠性的作用日益增加。集成電路測試不僅對確保電路的可靠性有重要作用，而且可以降低電路與系統的制造成本。這就對集成電路測試系統的功能和技術指標提出了更高的要求。

在以往的測試中，一般只關心器件的直流參數，對于交流參數不進行測試。但隨著電路集成度的提高，運行速度的加快，系統整機對于芯片在動態條件下的運行也提出了更高的要求。這就要求芯片在生產時對于交流參數進行測試。

近些年來，基于DDS技術的信號發生器在正弦信號中的應用變得日益廣泛。與以往的射頻信號源、鎖相信號源和模擬頻率合成信號源相比較，它頻率分辨率高，范圍寬。并且其體積小、功耗低、而且易于程序控制。目前在工程應用領域采用DDS技術的信號源大多集中在高頻，低壓小信號方面。所以將DDS技術應用于自動測試設備(Automatic Test Equipment，ATE)領域具有較大的理論意義和工程價值。

1 信號源的設計與實現

本文研究內容主要是為了對自主研發的國產模擬集成電路測試系統進行完善。信號源將按照IC芯片手冊中各種交流參數的測試條件對芯片施加激勵信號，模擬芯片在實際使用中的環境，對芯片進行測試，從而保證芯片的品質達到規定要求，保證整機設備運行的穩定與安全，并為維修提供依據，信號源的功能要求與技術指標如下：

（1）輸出波形：正弦波、方波

（2）交流源精度：±0.1% (FS)

（3）輸出頻率：0.1KHz～20MHz

（4）偏置電壓范圍：±10V，DAC分辨率為12位

圖1 信號源硬件設計框圖

（5）最大峰峰值：±10V

（6）輸出濾波器：LPF（低通濾波）(20KHz)或LPF(100KHz)

信號源的硬件設計：

信號源在硬件上主要有以下幾個部分組成：FPGA控制模塊、DDS信號發生模塊、幅度調節模塊、濾波模塊以及驅動模塊組成，具體硬件設計框圖如圖1所示。

系統采用電腦上位機控制結構，通過計算機的PCI插槽，由專用的PCI接口芯片向系統接口板發送命令，接口板接到命令后再經由系統總線協議把上位機命令轉換成系統總線中的控制命令，并向信號源功能板發送命令，功能板的可編程邏輯控制器（FPGA），在接到總線發來的控制命令后，將相關控制字寫入DDS芯片對應的寄存器端口，DDS信號發生模塊是系統的核心部分，產生的信號通過幅度調節、功率放大后就得到了所需激勵信號。

1.1 DDS信號發生模塊設計

DDS模塊是整個信號源系統的核心部分。硬件結構主要由接口電路、譯碼控制電路、以及隔直放大電路組成。

本信號發生模塊是圍繞AD9850為核心設計的，AD9850是AD公司生產的最高時鐘為125MHz、采用先進的CMOS技術的直接頻率合成器，主要由可編程DDS系統、高性能模數變換器（DAC）和高速比較器三部分構成，能實現全數字編程控制的頻率合成。

AD9850內含可編程DDS 系統和高速比較器，可實現全數字編程控制的頻率合成。可編程DDS系統的核心是相位累加器，由一個加法器和一個N位相位寄存器組成，N一般為24～32。每來一個外部參考時鐘，相位寄存器便以步長M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數字幅度信息，每一個地址對應正弦波中0°～360°范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅動DAC 輸出模擬量。相位寄存器每過2N/ M個外部參考時鐘后返回到初始狀態一次，相應地正弦查詢表每經過一個循環也回到初始位置，從而使整個DDS系統輸出一個正弦波。輸出的正弦波頻率fout=M*fc/ 2的N次方，fc為外部參考時鐘頻率。

AD9850采用32位的相位累加器將信號截斷成14位輸入到正弦查詢表，查詢表的輸出再被截斷成10位后輸入到DAC，DAC再輸出兩個互補的電流。DAC滿量程輸出電流通過一個外接電阻RSET調節，典型值3.9千歐。將DAC的輸出經低通濾波后接到AD9850 內部的高速比較器上即可直接輸出方波。在125MHz的時鐘下,32位頻率控制字可使AD9850輸出頻率分辨率達0.0291Hz 。

為減少軟件開銷，提高系統可靠性應用，采用FPGA來完成各芯片的地址譯碼和控制信號的編譯，增加電路的可靠性，減小整個系統的體積。DDS信號發生模塊的硬件框圖如圖2所示。

圖2 DDS信號發生模塊的硬件框圖

1.2 幅度調節模塊

幅度調節模塊由高精度、高速乘法器AD734為核心設計的，AD734與同類產品相比，具有直接除法模式，可以利用外部輸入電壓直接控制除法模式中的分母電壓，使用起來相當靈活方便。AD734是一個高精度、高速四象限模擬乘法器/觸發器，其傳遞函數為W=XY/U+Z。具有以下特點：（1）高精度：0.1%的典型誤差。（2）高速：10MHz滿功率帶寬，450V/us的回轉率。（3）低失真：任意輸入信號的失真均為-80dB。（4）低噪聲：10Hz～20KHz，信噪比為94dB；10Hz～10MHz時，信噪比為70dB。（5）直接除法模式。（6）增益為100時，帶寬為2MHz。傳遞函數中Y和Z的電壓由數模轉換器AD5724提供，AD5724是四通道、12位、串行輸入、電壓型輸出數模轉換器。采用+4.5V至+16.5V雙電源供電。標稱滿量度輸出范圍可通過FPGA控制模塊向相應的寄存器寫入控制字來選擇，選項有+5V、+10 V、+10.8 V、±5 V、±10 V和±10.8 V。同時還內置輸出放大器、基準電壓緩沖器以及專有上電/省電控制電路。這些器件可保證單調性，最大積分非線性(INL)誤差為±16 LSB，噪聲很低，最大建立時間為10 us。AD5724采用串行接口，能夠以最高30 MHz的時鐘速率工作，并且與DSP和FPGA接口標準兼容。

在模塊中，AD5724由FPGA控制模塊發出的串行數據控制，輸出相應的電壓值，滿量程范圍±10 V，與DDS信號發生模塊輸出的原始信號一起通過AD734比較后得到了幅值可調、頻率相位可調的正弦信號。再通過程控低通濾波器，就得到了低噪聲、低失真的激勵信號。但此時的信號沒有驅動能力，想要作為真正的測試信號，還要通過驅動模塊，進行功率放大。幅度調節模塊硬件設計如圖3所示。

圖3 幅度調節模塊硬件設計框圖

1.3 驅動模塊的設計

功率放大電路主要將前面模塊提供的初級信號再進行功率放大，最后隔離輸出所需的測試信號。本驅動模塊的核心是BUF634，它是一款高速、不放大（增益為一）、開環緩沖器，在高速、高帶寬應用中被廣泛推薦使用。BUF634具有以下特點：(1)高輸出電流：最高250mA，（2）高壓擺率：2000V/uS。(3)帶寬達到180MHz。（4）內部過流保護。

2 信號源的校準與測試數據

本信號源的軟件是整個模擬集成電路測試系統的系統軟件中的一部分，主要是由信號源的校準和用戶測試程序兩部分組成。系統所有的信號源和測量單元都要通過標準的數字電壓表來校準，以達到系統設計要求的精度指標，還要有專門的檢測機構進行計量。

本系統的校準是通過一塊外接的高精度數字電壓表KEITHLEY2000（六位半）來完成的，系統可以通過接口板模擬GPIB協議來控制電壓表的測量與回讀，操作人員只要裝上系統的自檢板，把電壓表表筆固定在相應位置，接上GPIB連接排線，就可以在上位機的校準界面中點擊“校準”按鍵來自動完成校準過程。信號源的校準原理是通過系統的自檢板，把交流信號施加在精度為千分之一的電阻上，再由KEITHLEY2000數字電壓表（六位半）回讀，就得到實際施加出的電壓值，再與理論值進行比較，得到差值，再通過系統中的一套線性補償算法，把差值補到原始的DA設置值中，這樣校準后的信號就能達到設計的精度要求。表1中是校準后的數據。

表1 信號源校準數據

以上就完成了信號源的全部設計，圖4分別顯示了峰峰值為1V、5V和10V頻率在1KHz的實驗波形，從圖4可以看出，信號源具有工作穩定、頻率精確度高、幅值調節方便等優點，并成功應用于實際的測試工作中。

圖4 實驗波形

3 信號源在實際測試中的應用

本課題中研發的信號源最重要的是在實際中得到驗證，也就是提供給用戶用來測試IC器件，用戶可以調用用戶層的函數，設置信號源的頻率、幅值、輸出模式，以達到IC芯片交流參數對于測試條件的要求。表2和表3分別是AD711和LM7805的測試數據，數據中的增益帶寬積(GBWP)、壓擺率（SR）和紋波抑制比（RR）參數就是在本信號源作為激勵源的條件下進行測試得到的結果。表中的數據是同一個芯片分別測試三遍，從數據中可以看出，測試重復性很好，完全達到測試要求的精度。

表2 AD711測試數據

表3 LM7805測試數據

4 結束語

在實際應用中，基于DDS技術的數字合成信號源與傳統測試模擬頻率合成信號源相比，具有明顯的優勢。除了頻率分辨率高之外，還能在全數字模式控制，能夠對輸出頻率和相位進行調整，更有利于實現信號的同步。目前，本文所設計的信號源已順利通過相關部門的計量。該信號源在實際的使用中，體現了良好的實用性與穩定性，完全可以滿足各種測試環境的要求。同時，它使整個模擬集成測試系統具備了交流參數測試能力，使系統的全參數測試功能得到了完善。隨著數字技術的進一步發展，DDS技術的不斷發展，基于DDS技術的模塊在實際應用中也將日益受到重視。

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