數(shù)字ATE上內(nèi)部示波器的實現(xiàn)

李 杰， 劉林生

（北京自動測試技術(shù)研究所， 北京 100088）

0 引言

內(nèi)部示波器是ATE測試設(shè)備上的一個調(diào)試工具模塊，在大多數(shù)進口ATE設(shè)備上都配備了這個模塊。內(nèi)部示波器的主要功能就是可以動態(tài)地顯示ATE被測芯片某個輸出管腳的實時波形，它極大豐富了ATE設(shè)備的調(diào)試手段、降低了測試成本、縮短了編程和調(diào)試的周期，是ATE測試設(shè)備進入中高端市場必備的一個模塊。

1 內(nèi)部示波器

內(nèi)部示波器從主要功能上看與我們現(xiàn)在使用的外部示波器沒有本質(zhì)的區(qū)別，一些基本的示波器功能它都可以提供。但對于測試工程師來說，在編寫測試程序或者調(diào)試測試程序時，相對于外部示波器來說，內(nèi)部示波器的優(yōu)點是非常明顯的。首先，內(nèi)部示波器相對外部示波器最大的優(yōu)點在于采樣點的不同，外部示波器的采樣點一般都在芯片的管腳上，內(nèi)部示波器的采樣點在管腳電路驅(qū)動/比較器的輸出端，這就決定了內(nèi)部示波器能更精確地顯示輸出的波形；其次，外部示波器即使內(nèi)阻再大在某些情況也是不能被忽視的，這就導(dǎo)致了測試準(zhǔn)確度的下降，而內(nèi)部示波器是不涉及內(nèi)阻問題的；第三，在某些特殊場合，比如中測的時候，看不到被測的圓片，所以根本沒有條件使用外部示波器，這也是內(nèi)部示波器的優(yōu)勢；綜上所述，內(nèi)部示波器對于中高端ATE設(shè)備來說是一個必不可少的模塊。

2 內(nèi)部示波器的實現(xiàn)原理

對于數(shù)字ATE設(shè)備來說，它沒有配備波形采集的模塊，那要如何實現(xiàn)對被測芯片輸出波形的采集呢？我們看圖1所示的一個波形，它看起來雖然是連續(xù)的，但我們同樣可以把它看成是由無數(shù)個點組成的，把這些點連起來就成了連續(xù)的圖形了。而數(shù)字ATE設(shè)備對輸出管腳的輸出電壓是可以采集到的，所以在一個測試周期內(nèi)，每間隔一定的時間對輸出管腳采集一次輸出電壓，并把這些采集到的電壓值進行作圖處理，只要間隔時間足夠小，那么最終做出的就是該管腳的連續(xù)輸出波形了。

圖1 典型輸出波形

數(shù)字ATE設(shè)備采集輸出管腳電壓值有兩種常見的方法，一種方法是通過直流參數(shù)測試，對輸出管腳加流測壓測得輸出電壓值。這種方法顯然不適合用于此處，因為直流參數(shù)測試加流測壓的方法實際上是對輸出管腳加入負(fù)載的情況下測得的輸出電壓值，這個電壓值是和負(fù)載有關(guān)的，不能準(zhǔn)確地反映輸出管腳的波形情況。另一種方法是功能測試得到管腳輸出電壓值，通過對輸出高/低電平比較電壓的設(shè)置，以及功能測試是否通過來得到管腳輸出電壓的值。這個電壓值是和負(fù)載無關(guān)的，能夠準(zhǔn)確地反映輸出波形。

3 內(nèi)部示波器在測試儀上的實現(xiàn)

下面以我所研制的BC3192V50數(shù)字集成電路測試系統(tǒng)為例，詳細(xì)說明內(nèi)部示波器模塊的實現(xiàn)方法以及需要解決的一些技術(shù)難點。

首先來看一下如何用功能測試的方法來采集輸出管腳的輸出電壓。對于一個芯片的輸出管腳來說，輸出波形與功能測試的測試圖形是一一對應(yīng)的，如圖2所示，測試圖形的每一拍對應(yīng)輸出波形的一個周期，右圖所示的波形在測試圖形文件上顯示的就是“LHLHL”，功能測試實際上就是檢驗輸出管腳的輸出狀態(tài)是否正確。如果在測試圖形文件上某輸出管腳的內(nèi)容是“LHLHL”，功能測試又顯示“通過”，則可判斷該管腳的輸出波形如圖2所示。ATE上的“H”和“L”是由輸出高/低比較電平（VOH/VOL）這兩個參數(shù)決定的，管腳輸出電壓大于VOH，ATE判定為“H”狀態(tài)，小于VOL判定為“L”狀態(tài)，這就不難看出，如果把VOH和VOL設(shè)定為同一個電壓值，并且從0V（或者VCC）開始以一個很小的1V遞增（或遞減），每次都進行功能測試，則在功能測試結(jié)果變化的那個點對應(yīng)的VOH和VOL的電壓值就是輸出管腳此刻的輸出電壓值。

圖2 典型輸出波形詳解

通過上面的介紹可以看出，要得出輸出電壓值，必須在功能測試結(jié)果變化的跳變點上才可以，那么問題又出現(xiàn)了，功能測試是對所有輸出管腳做判斷的，如何才能得到所需輸出管腳的功能跳變點呢？常規(guī)方法是對功能測試的測試圖形做屏蔽處理，也就是說將所有無關(guān)輸出管腳的測試圖形文件內(nèi)容改為“X”（輸出不關(guān)心狀態(tài)），這就保證了只對關(guān)心的輸出管腳做功能測試。但這種方法既麻煩又費時，還容易產(chǎn)生錯誤，這里我們采用BC3192測試系統(tǒng)自帶的失效存儲器來完成這個操作。失效存儲器在每次功能測試結(jié)束后自動存儲，它存儲的內(nèi)容是所有輸出管腳功能測試的結(jié)果，失效為“1”，通過為“0”，我們要判斷某個管腳在測試圖形某一拍的功能測試結(jié)果，只需讀出失效存儲器對應(yīng)位的內(nèi)容就可以了。圖3顯示了BC3192失效存儲器的內(nèi)容，該測試圖形有8拍，前14拍是流水。

圖3 失效存儲器內(nèi)容

通過BC3192測試系統(tǒng)的VOH和VOL電平的設(shè)定以及失效存儲器內(nèi)容的讀取，我們現(xiàn)在可以采集到輸出管腳在時鐘周期某一點上的輸出電壓了，但如何在整個時鐘周期的不同點上采集輸出電壓呢？數(shù)字ATE設(shè)備上驅(qū)動/響應(yīng)格式化器是必不可少的模塊，而響應(yīng)格式化器的功能之一就是讓用戶自行決定在一個時鐘周期內(nèi)何時進行功能比較，它一般提供兩種比較方——沿比較和窗口比較。窗口比較需要設(shè)定一個時間窗口，比如時鐘周期100 ns，窗口設(shè)定為【60 ns，80 ns】，則功能測試會在【60 ns，80 ns】這個窗口內(nèi)對輸出電平進行比較，只要出現(xiàn)了正確的電平，就判斷功能測試通過。而沿比較只需要設(shè)定一個比較沿，比如時鐘周期100 ns，比較沿設(shè)定為80 ns，則功能測試會在80 ns時對輸出電平進行比較，80ns時的輸出電平正確功能測試才會判斷通過。BC3192測試系統(tǒng)響應(yīng)沿的分辨率為1 ns，所以只需要使用沿比較的方式進行功能測試，每間隔1 ns采集一次輸出管腳的輸出電壓，就可以在整個時鐘周期內(nèi)采集到足夠多的輸出電壓值了。

通過上面的分析，我們使用軟件編程，把周期數(shù)作為第一循環(huán)，采樣時間作為第二循環(huán)，VOH和VOL電壓值作為第三循環(huán)，對芯片進行功能測試，把得到的輸出電壓值作圖就可以得到輸出波形了。但這并不是實際的波形，它和實際波形還有一定的差距，下面我們來討論內(nèi)部示波器實現(xiàn)中的一些難點和波形優(yōu)化的問題。

首先我們不能忽視的一點是所關(guān)心輸出管腳的測試圖形文件上如果出現(xiàn)了“X”（輸出不關(guān)心）和“T”（輸出三態(tài)）這兩個狀態(tài)，在VOH和VOL相等的情況下，功能測試是不會出現(xiàn)跳變點的，這就導(dǎo)致輸出電平采集的失敗。為了避免這種狀態(tài)的產(chǎn)生，在電壓采集之前，對測試圖形文件還要進行一定的處理，將文件中的“X”和“T”狀態(tài)任意改為“H”或者“L”，以保證功能測試跳變點的出現(xiàn)，從而能順利地采集到輸出電壓值。

其次對于內(nèi)部示波器模塊來說，采集時間是個敏感問題，從原理來看，3個循環(huán)嵌套，1 ns的分辨率，電壓步進值如果也很小的話，整個的采集時間是很長的，如何能優(yōu)化這個采集時間也是一個難點。要對VOH和VOL電壓循環(huán)優(yōu)化，我們可以首先先確定每個時鐘周期內(nèi)輸出波形的預(yù)期值，這可以通過測試圖形文件得到，預(yù)期值為低，則循環(huán)從VCC開始，預(yù)期值為高，則循環(huán)從0V開始，這就能有效減少給循環(huán)的次數(shù)，同時還可以采取半值比較的方法，比如循環(huán)從VCC開始，下一個點檢測VCC/2，如跳變點沒產(chǎn)生，則檢測VCC/4，如產(chǎn)生了檢測3VCC/4，以此類推，可大大縮短VOH和VOL電壓循環(huán)的次數(shù)，減少采集時間。對采集時間循環(huán)的優(yōu)化可根據(jù)測試周期決定，保持該循環(huán)最大循環(huán)100次較為適宜，也就是說周期大于100 ns的時候，可以相應(yīng)增加采集時間間隔，保證循環(huán)次數(shù)不會太大。

對所得到的輸出管腳波形進行優(yōu)化和平滑是必需的，最主要的原因就是該波形存在過沖問題。過沖一般會出現(xiàn)在輸出波形變化的時候，也就是波形從低變高或者從高變低的時候，過沖的電壓值一般都很高，有可能達到VCC，但它不是真實的，這主要是由采集時間接近0 ns的時候，功能測試結(jié)果不穩(wěn)定造成的。根據(jù)這種情況，把采集的前5-10個點進行優(yōu)化，可以得到比較真實的波形。波形的平滑也是必須的，因為即使是1 ns采集間隔，在作圖的時候間隔也是很大的，如果不進行平滑，做出的波形銳度會很大，看起來很不舒服。我們可以通過軟件的計算，在兩個間隔點之間再取100個點，每個點的增量為間隔的1%，這樣再畫出的波形就較為真實了。

4 結(jié)論

內(nèi)部示波器 作為一個非常實用的調(diào)試模塊，越來越受到測試工程師的歡迎，國產(chǎn)設(shè)備配備該模塊是大勢所趨，也必然是國產(chǎn)設(shè)備進入中高端市場的必備軟件模塊。

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