模擬集成電路測試算法與平臺構(gòu)建研究

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展，但集成電路測試計數(shù)還不成熟，其作為一個獨立的行業(yè)，目前主要包括IDM公司、測試機構(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測試平臺的設(shè)計，不但能夠促進模擬集成電路技術(shù)進步，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。

2 模擬集成電路測試算法分析

在電路測試工程實踐中，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。具體的實現(xiàn)過程如下：由于實驗中收集的測試數(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)進行處理和分析，得到頻帶不同的子信號，并通過運算獲得實驗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，并最終在每個頻域濾波器中獲得“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)硬件負責收集信息，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實現(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。其目標是使用現(xiàn)有的軟件和硬件資源來提高測試準確度。

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)點的節(jié)點電壓，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。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。考慮到上述因素，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)送到計算機以進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。基于上述考慮，本次采用TL084運算放大器作為系統(tǒng)中被測電路核心組件，其具有高轉(zhuǎn)換、輸出短路保護、內(nèi)部頻率補償?shù)葍?yōu)點，在12 V的標準工作電壓和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)機編程模式，其中定義了子程序的初始化、待機、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)。在待機狀態(tài)下，使用的結(jié)構(gòu)是事件結(jié)構(gòu)。當按任意鍵運行該程序時，系統(tǒng)將從子程序的等待狀態(tài)變?yōu)檫\行狀態(tài)。圖3顯示了系統(tǒng)主界面基本運行流程。

圖3 模擬集成電路測試系統(tǒng)主界面基本運行流程

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，以將程序添加到項目中，并達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，并清楚顯示默認參數(shù)，以便于調(diào)試和維護。

（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，同時促進國內(nèi)模擬集成電路設(shè)計產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，最終促進中國集成電路產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。