IC測試儀的數據采集及GUI的設計與實現

韓 磊，馬 寧

（電子科技大學 微電子與固體電子學院，四川 成都 610054）

IC測試儀的數據采集及GUI的設計與實現

韓 磊，馬 寧

（電子科技大學 微電子與固體電子學院，四川 成都 610054）

為了快速精確測量模擬芯片總諧波失真，轉換速率等參數指標，設計了一款基于模擬IC測試儀的數據采集系統，模擬信號經過數據采集卡后變成數字信號，根據數字信號進行相關參數的測量，然后將結果通過控制板經過PCI傳給上位機，將結果顯示在GUI中的Datalog中，硬件方面,測量精度為14位，最低采樣頻率為10MHz,誤差精度小于2%，軟件方面,采用多種方式設計AB-MS測試界面的顯示，確保界面使用的多樣性和便捷。通過實際測試芯片表明系統的設計指標符合項目的要求。

模擬IC測試機；DIG；AB-MS界面；數據采集；Datalog;圖形用戶界面

科學是從測量開始的，集成電路(IC)測試是芯片從設計到生產加工成成品環節中的一個重要環節，隨著IC芯片性能和集成度的不斷提高，對測試芯片的技術要求也越來越高，就目前我國的半導體產業的現狀，測試技術是整個流水線中最薄弱的環節[1]。部分公司還在使用上世紀七八十年年代的測試儀，沒有PC機控制整個系統，算不上真正意義的自動測試儀，我國集成電路測試技術的研發設計起步較晚，但是經歷了幾十年的發展取得了較大的發展，逐步從單一的硬件和軟件系統到整機系統，現在我國的測試機系統主要還是集中在中低端及消費電子中，如MP3，MP4，音頻處理器等等，高端的測試機比例還是較小并且在價格和可靠性方面和美國，日本還是有不小的差距[2]。公司今年剛購入的美國CAT8200測試儀系統可以同時測試32 site，是高性能測試機的典型代表；因此我國的集成電路測試技術還有很大的發展空間來滿足功能和集成度日益復雜的soc芯片[3]。

利用模擬IC測試機進行芯片測試是目前芯片測試的重要手段;數字化儀是測試機系統的其中一個功能模塊[4]?？梢詫⑿酒敵龅哪M信號給數字化，從而使信號可以在計算機中進行分析和測量。功能版PCB采用8層板設計，采用Xilinx Spantan-6 FPGA作為邏輯控制器;利用其資源豐富，功能強大的特點，可以確保設計的冗余性和可靠性。

1 采集卡硬件設計框架圖

采集卡硬件總體設計框架如圖1所示。

圖1 采集卡硬件總體設計框架Fig.1 The frame of data acquisition card

1.1 硬件設計原理

本文設計的數據采集卡，輸入是兩路差分或者四路單端信號；上位機發送給功能板的不僅有指令還有數據。采集卡的指令是32位，數據是32位。所謂的指令就是32位的地址，范圍： 當指令為 時， 執行峰峰值測量（Peak to Peak Voltage）；當指令為F001時,DIG執行壓擺率也叫轉換速率（SR）測量，當指令為F002時,DIG執行總諧波失真（THD）測量，依次類推；所謂的數據，是控制功能版上DAC產生相應的電壓，用以控制觸發電平，及PGA的增益。

系統的工作原理：1)根據模擬芯片要測試的項，在VC++6.0界面中調用功能板的指令編寫相應的測試程序，編譯成功，保存。2)在GUI的生產界面中選擇1中編譯通過的測試程序，然后選擇運行，那么指令和數據就可以發送到功能幫上進行相應的測量動作，同時將測量結果讀到界面顯示出來。功能板接收到指令后動作的過程：模擬信號經過交直流耦合選擇開關后，進入差分接收端，實現差分信號到單端信號的轉換。測量中采樣頻率不可能無限高也不需要無限高，因為我們只關心一定頻率范圍內的信號成份。為防止發生頻率的混疊，在對模擬信號進行離散化采集前，輸入信號經過抗混疊濾波器，實質上就是一個低通濾波器濾，濾去高于1/2采樣頻率的頻率成份。因為PGA的輸入阻抗較小，會導致前一級的輸出電壓下降，所以要經過一級隔離器后輸出到PGA(增益可編程)模塊，該模塊調節模擬信號的大小以匹配ADC芯片的輸入范圍的同時，使信號的幅度盡量達到ADC芯片的輸入最大范圍，這樣可以確保較高的采樣精度。ADC中的數據再輸入到FPGA中的FIFO中，再到存儲器SDRAM中。

至此，模擬信號的調理，濾波，采樣，數字化和存儲已經完成。接下來根據存儲在SDRAM中的數據在FPGA中計算信號的峰峰值測量（Peak to Peak Voltage），壓擺率也叫轉換速率（SR）及總諧波失真（THD）參數的測量。然后，將測量參數的結果傳給控制板，控制板通過PCI傳給上位機，在GUI界面上的Datalog顯示出測試結果并保存。

1.2 數據采集卡的測量結果

模擬信號經過ADC采樣后的數據送入到FPGA中的FIFO后存入SDRAM里面，從SDRAM里讀出的數據，如下表所示，誤差＜2%。滿足設計精度要求。如表1所示。

表1 采樣后得到的數據Tab.1 The sample data

2 軟件設計內容

2.1 GUI設計框架

本設計屬于模擬測試儀的應用層圖形界面設計。并與公司目前在用的AB-X用戶交互界面在運行速度和占用資源上進行了 對比。本程序包括自檢模式，工程模式，生產模式3個主要流程，下面重點介紹生產模式的設計，生產模式包含測試信息的顯示，測試結果的保存及定時器計時[5]。核心技術和創新點在測試信息的顯示和測試結果保存兩個方面。GUI設計架構如圖2。

圖2 GUI設計流程圖Fig.2 The diagram of GUI design

2.2 核心技術的創新

1 )Datalog是芯片參數測試結果顯示窗口，國外的測試界面AB-X的Datalog顯示只有文本方式，且多顆測試芯片的信息均顯示在一個richTextbox文本中，對于信息的查找造成了困難。本設計Datalog顯示方式有兩種，一種保留的文本的方式，但是做了以下改進，測試信息分Site顯示，這樣芯片的測試參數顯示就被清晰的分隔開，方便查找每顆芯片的參數。另一種就是表格的形式，使參數和單位，數值在表格中對應起來，這樣更為直觀，使用效率極高。

2 )芯片設計廠商需要測試數據進行分析，從而找出設計缺陷進而幫助芯片設計的完善。AB-X測試界面的Datalog在測試完一個晶圓片上的芯片后再保存，保存格式只有txt格式，信息量混雜，不便于用軟件進行數據分析而且測試過程中一旦出現死機，測量結果并不能保存，就不能給廠商提供信息反饋；為了解決此問題，本設計Datalog保存有兩種格式，一種保留了txt格式并且是實時保存，這樣即使死機，也會有測試結果保存。還有一種是excel格式，也是實時保存，用excel進行數據分析，十分便捷。

2.3 核心技術的實現

1 )進程是操作系統結構的基礎，Datalog顯示，需要開辟一個測量信息顯示線程，同時添加一個Timer空間來實現實時顯示功能[6]。PC與探針臺是通過串口或者GPIB[7]進行通信，以串口為例，首先，在該線程里再開辟一個進程vProcess用來打開cmd命令窗口用來執行測試程序。C#代碼:

將測量結果讀到string類型的變量feedback中，最后Timer控件實時將feedback中的信息傳遞到richTextbox顯示給用戶，Timer的間隔時間設置為1ms。對比結果如圖3和圖4所示。

圖3 AB-X的Datalog界面Fig.3 The interface of AB-X Datalog

圖4 創新的Datalog界面Fig.The creative interface of Datalog

2）Datalog保存，主要完成對芯片測量信息的的保存。txt文件格式保存方法比較方便，直接調用C#中的Savefile類即可。保存為excel，就要調用C#中的Regex類的Match進行字符的甄別選擇，讓有效的字符顯示和保存。

string name2=Rname2.Match(re).Value;然后調用 Savefile類中的 openFile，打開創建一個文件，然后 StreamWriter函數將數據寫進文件中，最后調用Close函數關閉文件。如圖5所示。

圖5 創新的保存格Fig.5 The creative save format

3 結束語

通過基于模擬測試機的系統設計，詳細闡述了硬件部分和軟件部分的工作原理和實現方法，實際使用表明，硬件指標：THD:＜-80dBc，SNR:＞ 80dBc，測量精度為 14位滿足指標要求，軟件指標：多顆并行測試，實時顯示和保存測試信息，速度提高20%滿足指標要求。系統工作穩定，性能可靠。隨著芯片集成度的不斷增加及集成電路的發展速度越來越快，對硬件功能和測試機的速度提出了更高的要求，下一步工作目標是：硬件方面添加溫度傳感器，把溫漂帶來的誤差考慮在內一起校準，軟件方面把現在能同時測4顆芯片的測試系統提高到同時測8顆芯片，使測試速度提高一倍。

[1]俞建峰，陳翔，楊雪英.我國集成電路測試技術現狀及發展策略[J].中國測試,2009,35(3):1-5.

YU Jian-feng,CHEN Xiang,YANG Xue-ying.Integrated circuit testing technology situation and development strategy of Chia[J].Chia Measurement&Test,2009,35(3):1-5.

[2]孫波.基于PCI總線的高速數據采集卡的設計[D].成都：電子科技大學，2007.

[3]吳敏，張成遷，唐曉平，等.基于DP105高速數據采集卡的虛擬示波器設計[J].科技信息，2008（22）：71-72.

WU Min,ZHANG Cheng-qian,TANG Xiao-ping,et al.Design of virtual oscilloscope based on DP105 high-speed data acquisition card[J].Science Technology Information,2008(22):71-72.

[4]陳利彬，吳來萍，門濤.PCI Express接200MSps實時數據采集卡的設計[C]//2011中國儀器儀表與測控技術大會論文集，2011.

[5]向征，馬爭鳴.嵌入式人臉識別器的GUI設計[J],計算機工程與應用，2012,48(14):79-83.

XIANG zheng,MA Zheng-ming.GUI design of embedded face recognizer[J],Computer Engineering and Applications,2012,48(14):79-83.

[6]Nefian A V,Hayes M H.Face recognition using an embedded HMM[C]//IEEE International Conference on Audio Video Biometric based Person Authentication,1999:19-22.

[7]馬輝，邢超.基于LabVIEW的GPIB總線測控系統研究[J].現代電子技術，2012（24）：128-130.

MA Hui，XING Chao.Research of GIPB bus test and control system based on LabVIEW [J].Modern Electronics Technique，2012（24）：128-130.

Design and implementation of data acquisition card and GUI based on IC tester

HAN Lei，MA Ning
（School of Microelectronics and Solid-state Electronics,University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，china）

Data acquisition card is used to measure important parameters of analog chip automatically such as Total Harmonic Distortion and Slew Rate.Designed a data acquisition system based on analog IC tester Data acquisition card can convert analog signal to digital signal and according to the digital signal we can calculate parameters,the results send to principal computer through PCI Bus and show in Datalog of the GUI.Hardware index,measuring accuracy for 14,the minimum sampling frequency for 10 MHZ,error precision is less than 2%.Software index:measure multiple Site at the same time and include manual and automatic test.According to test chip actually,the system design indexes meet the requirements.

analog IC test machine;DIG;AB-MS interface;data acquisition;Datalog;GUI

TN06

A

1674-6236（2014）13-0091-03

2013-09-10 稿件編號：201309076

韓 磊（1987—），男，安徽亳州人，碩士研究生。研究方向：大規模集成電路系統。