一種數字電路單粒子翻轉試驗系統設計

邢澤全

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

隨著科技發展，半導體工藝水平不斷精進，芯片的尺寸越來越小，從而導致器件對單粒子效應更為敏感[1-3]。單粒子效應是由于空間帶電粒子穿過時與器件材料發生互相作用而產生電子-空穴對所引發的，包括單粒子翻轉（SEU）、單粒子閂鎖（SEL）等等[4-8]。目前對單粒子效應的測試都是采用在地面模擬空間環境，用重離子轟擊器件的方法。其中以單粒子翻轉效應的測試條件最為苛刻，需要真空環境，而每次抽真空需要很長的時間。因此需要單粒子翻轉試驗系統具備多器件輪流工作、同時可以檢測每一只器件的翻轉次數的能力。由于每款器件的工作方式、輸入激勵、輸出模式都不相同，在傳統的設計中，每款器件都要單獨設計一套單粒子翻轉輻照試驗系統，這就導致在試驗過程中需要解決各個器件的電路連接調試以及拆裝等問題，嚴重影響試驗效率。針對這一問題，在此設計一種通用的數字電路測試系統，一次拆裝可進行3款器件、9只芯片（每款3只）的單粒子翻轉試驗。基于本系統，只需改動FPGA程序即可方便地開發新器件的試驗程序。

2 系統方案設計

2.1 試驗環境

因單粒子翻轉輻射源的特殊要求，試驗靶室內需要真空環境，并通過特定接口將電源與信號引出，由試驗人員在觀察室遠程監控試驗情況。具體實驗環境布置如圖1所示。

圖1 單粒子翻轉試驗環境

2.2 方案設計

2.2.1 接口設計

真空靶室內能夠固定試驗板的面積有限，按照實際經驗，同時安裝3種器件的試驗板進行試驗時，位置分配比較合理。試驗板與外部通信需要經過轉接線連接。真空靶室對外部的轉接線的現有接口類型和數量如表1所示。

表1 真空靶室對外接口

試驗過程中，接線調試需要耗費大量時間。為了提高效率，采用1根DB50線來連接試驗板與外部監控板。DB50線纜實物圖片如圖2所示。因同時有3塊試驗板，須為每塊試驗板分配2根網線，再將6根網線通過集線轉接板合并為DB50接口線。集線轉接板實物圖片如圖3所示。

圖2 DB50連接線實物圖

圖3 集線轉接板實物圖

2.2.2 試驗方案

單粒子翻轉測試方法主要有四種：靜態偏置測試法、黃金芯片比較法、準黃金芯片比較法和松散式耦合系統法。對于輸入信號并不復雜的數字電路而言，最常用的方法是黃金芯片法。它采用動態測試，有效避免了在真空環境中建立一套測試儀的麻煩。測試系統中，兩只相同器件被給予同步的輸入信號，一只器件被輻照，另一只（黃金芯片）避開輻照，用來和被輻照器件進行比較。當兩者輸出信號不一致時，則認為發生了單粒子翻轉現象。

單粒子翻轉試驗系統框圖如圖4所示。控制器為被輻照器件和對比器件提供同步的輸入信號，同時對兩組輸出信號進行對比，對比結果與輸出波形通過集線器傳輸到監控板上。監控板對波形與翻轉情況進行采集，將結果通過串口發送至上位機。上位機同時連接電源、示波器、萬用表。試驗人員在監控室通過遠程控制對器件的工作電流、輸出波形與翻轉次數進行監測。

圖4 單粒子翻轉試驗系統

3 硬件設計

3.1 監控板設計

試驗系統監控板位于真空靶室外部，板載一個JTAG下載口、兩路電源接口、一個DB9串口和一個DB50線纜接口。其中DB50線纜接口與內部集線轉接板相連。監控板實物圖片如圖5所示。

圖5 監控板實物圖

監控板的電源接口，一路為待測器件單獨供電，可通過試驗板上繼電器在3只待測器件間切換；另一路為所有外圍電路供電，包括監控板與試驗板上除待測電路外的電路。電源部分采用LMZ12003與AMS1117來得到穩定的5V、3.3V電壓。使用16個單刀雙置繼電器來實現3塊試驗板間6路網線的切換，原理圖如圖6所示。

圖6 繼電器切換網線原理圖

監控板使用ARM作為主控制器，通過串口實現上位機與試驗板之間的通信：負責網線的切換，將上位機的指令傳給試驗板，并將試驗板返回的數據傳給上位機。

3.2 試驗板設計

試驗板安裝在真空靶室內，通過2路網線與集線轉接板相連，板載一個JTAG下載口、一個USB_BLASTER下載口、一組80針插座。電源部分同樣采用LMZ12003與AMS1117，控制器選用STM32+Altera CycloneⅣ系列FPGA的組合。FPGA的PLL可為器件提供同步的輸入信號，同時對需要比較的兩組輸出信號設計翻轉比較邏輯。當發生翻轉時，指定一個I/O輸出一次高電平，將翻轉的波形連同被測器件的波形一同傳輸給監控板；同時STM32將翻轉次數詳情通過串口發送給監控板。試驗板與監控板間DB50線纜較長，因此使用SN65LVDS3486、3487增強驅動能力。試驗板實物圖片如圖7所示。

圖7 試驗板實物圖

3.3 子板設計

子板通過80針插座與試驗板連接，除電源、地外，其余通道都是數字I/O，可方便地為器件提供時鐘與電平信號。其中的一種型號子板如圖8所示。

圖8 一種子板實物圖

子板設計簡單、開發便捷，可滿足各類數字電路試驗需求，只需要適配相應的FPGA程序即可。

4 軟件設計

單粒子翻轉試驗系統軟件由兩部分組成。監控板部分的軟件負責識別上位機發送的指令，判斷是否需要切換試驗板，如不需要，則將該指令發送給試驗板，同時將試驗板返回的數據信息發送給上位機；試驗板部分的軟件識別從監控板發來的指令，判斷是否需要切換器件，同時將單粒子翻轉數據信息發送回試驗板。軟件總體設計流程如圖9所示。

圖9 軟件總體流程圖

上位機軟件則由5部分組成：

1）萬用表軟件：監測被測器件電源電流，數據可保存為Excel格式。

2）電源軟件：配置電源電壓、限流大小等相關參數。

3）示波器軟件：監測器件輸出波形與翻轉計數波形。

4）串口軟件：發送指令、接收數據。

5）屏幕錄制軟件：錄制電腦桌面全部信息。

5 結束語

在單粒子翻轉試驗過程中，試驗效率的提升有助于節約大量時間成本。研究從單粒子翻轉試驗需求出發，完成了通用數字電路單粒子翻轉試驗系統的新設計。該系統在實際應用中已適配多種數字電路，體現出其拆裝簡單、使用便捷的特點，能夠有效地縮短系統開發周期，提高試驗效率。