模擬集成電路測試儀的設計

謝義建，陳躍東

模擬集成電路測試儀的設計

*謝義建，陳躍東

（安徽工程大學安徽省電氣傳動與控制重點實驗室，安徽 蕪湖 241000）

針對學校的集成電路教學實驗，設計了一款模擬集成電路的測試儀。以單片機為控制核心，對幾種常用測試電路進行處理、比較，并輸出判斷結(jié)果。使用按鍵進行測試數(shù)據(jù)的輸入，并通過液晶顯示器顯示輸出結(jié)果。同時輔以發(fā)光二極管對測試儀的狀態(tài)進行顯示。介紹了測試儀的硬件設計和軟件流程，實驗證明，設計方案合理有效。

模擬集成電路;芯片測試;單片機;液晶顯示器

0 引言

在信息化時代，以集成電路技術支撐的電子信息系統(tǒng)已成為電子信息化發(fā)展的根基和關鍵技術。隨著數(shù)字電路的發(fā)展，其在現(xiàn)代信息技術中的優(yōu)勢得到了充分體現(xiàn)，應用越來越廣。關于數(shù)字電路的測試技術也隨其應用得到充分發(fā)展，并且由于數(shù)字電路模型相對簡單，因此，數(shù)字電路測試儀是比較常見的[1]。由于模擬電路的輸入和輸出都是連續(xù)的變化量，而且電路中元件的參數(shù)是連續(xù)量，同時各元件具有容差，這使得故障模型模糊化、復雜化，難以進行簡單的量化。最后，電流是模擬電路中的一個重要參數(shù)，但在實際測量中，除了輸入和輸出端口外，其他的節(jié)點電流并不可測，這也使得用于故障診斷的有關信息量減少，文獻[2]提出了直流測試法和交流測試法，很好的解決了故障診斷問題，并能判斷電路的功能是否正常。

現(xiàn)有的集成電路檢測儀大多數(shù)都是數(shù)字電路檢測儀，模擬電路檢測儀比較少，針對學生實驗經(jīng)常用到的0809，0832，2114，3524，LM324和LM347等幾種芯片的專門檢測儀更是基本沒有，因此開發(fā)一種針對這幾種常用芯片的測試儀是很有必要的。本文介紹了一種模擬集成電路測試儀可用于檢測這六種芯片的正常與否[3]。

1 測試儀硬件設計

圖1 測試儀結(jié)構(gòu)框圖

模擬集成電路測試儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該測試儀包括：單片機、按鍵電路、液晶顯示電路、指示燈電路和6種芯片測試電路。測試該芯片的電路是從各芯片的功能入手，給每個芯片都搭接了一個能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的電路，然后給電路輸入一定的數(shù)字量或模擬量，再把輸出量經(jīng)過檢測設備處理后送回單片機，與單片機中預設的正確值進行比較，如果結(jié)果一致或者接近，則證明芯片功能正常，否則芯片出錯。該單片機中預先存放了6種芯片在給定輸入量并且正常工作時的輸出值，在接受到檢測設備輸入的被測芯片數(shù)據(jù)量時，會將2組數(shù)據(jù)進行比較。如果2組數(shù)據(jù)結(jié)果一直或者基本接近，則控制液晶顯示電路顯示出OK。如果2組數(shù)據(jù)不一致或者差別很大，則控制液晶顯示電路顯示出NO。

1.1 CPU的選擇

采用Atmel公司的8位單片機89C55作為主CPU[4]，單片機輸入輸出接口圖如圖2所示，液晶顯示電路連接于單片機的P0輸出端，用于顯示單片機的檢測結(jié)果（OK或者NO）。按鍵電路包括選擇芯片按鈕、確認按鈕和復位按鈕，分別接于單片機P1.0、P1.1和P1.2口，用于選擇測試芯片、確認測試芯片和復位測試電路。指示燈電路為6個發(fā)光二極管，分別接于單片機P2.0~P2.5口，當選中某個測試芯片時，該芯片對應的指示燈亮起。

圖2 單片機的輸入輸出接口圖

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX197

MAX197 無需外接元器件就可獨立完成A/D轉(zhuǎn)換功能。它可分為內(nèi)部采樣模式和外部采樣模式，采樣模式由芯片的控制寄存器D5位決定。MAX197在本測試儀中的連接如圖3所示。

圖3 MAX 197管腳圖

1.3 基準源電路

在高精度高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，一個精確的高電源抑制與溫度抑制的基準電壓的設計是至關重要的，其基準電壓源的精度直接影響到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度。本測試儀中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準源電壓為5 V，由以MAX875為核心的基準電路提供，電路圖如圖4所示。

MAX875是一種能提供精準5 V基準電壓的模擬芯片，線性度好，功耗低，并且輸入電壓范圍非常廣，可以是4.5 V～18 V的任意值。本測試儀中MAX875的輸出電壓被用作MAX197、0809和0832的參考電壓，為A/D、D/A轉(zhuǎn)換提供了高精度的基準，保證了測試的準確性。

1.4 地址譯碼器和地址鎖存器

地址譯碼器選用的是74LS138，另外配合一些或非門、或門一起構(gòu)成控制端，如圖5所示。

圖 4 基準源MAX875

圖5 138控制圖

圖中A10、A11和A12接單片機的三個端口，由單片機編程選擇某一個芯片的控制端置低。/CS1和/CS2為顯示器控制端，/CS3為MAX197控制端，/CS4為0832控制端，/CS5和74LS32

構(gòu)成2114的讀寫控制端口，/CS8和74LS02構(gòu)成0809的控制端口，控制0809的啟動轉(zhuǎn)換口START和使能端OE。地址鎖存器選用74HC373，如圖6所示。

圖6 373引腳圖

1.5 電源部分

測試儀中所需電源（除基準源外）共有三種，分別是＋24 V，±12 V和＋5 V，其中＋24 V為3524測試電路的輸入電壓，±12 V為運放的工作電壓，＋5 V為芯片的工作電壓。＋24 V電壓是由一個AC/DC電壓轉(zhuǎn)換器得到的，經(jīng)過轉(zhuǎn)換器把日常生活用的220 V交流電轉(zhuǎn)換成＋24 V直流電。±12 V電壓是由一個DC/DC電源模塊提供的，它把＋24 V電壓轉(zhuǎn)換成±12 V。＋5 V電壓是由一個以LM2576為核心的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換得到的，它把24 V轉(zhuǎn)換成＋5 V。＋24 V轉(zhuǎn)±12 V和＋24 V轉(zhuǎn)＋5 V的電路圖分別如圖7和圖8所示。在一定輸入電壓和輸出負載條件下，保證輸出電壓的±4%誤差，以及振蕩器頻率的±10%誤差。

Fig. 7 24 to ±12 circuit diagram

圖 8 24轉(zhuǎn)5電路圖

2 芯片檢測電路

2.1 3254測試電路

3524內(nèi)部方框圖如圖9所示。

圖9 3524內(nèi)部方框圖

輸入直流電壓U1從15腳進入分兩路：一路加到或非門；另一路送到基準電源穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的＋5 V基準電壓。＋5 V再送到電路其他部分作為電源，＋5 V也可從16腳引出作為其他用途。在振蕩器部分的7腳上外接電容C，6腳外接電阻R，通過調(diào)節(jié)C和R的數(shù)值即可得到所需的振蕩頻率。振蕩器的輸出分為兩路：一路以時鐘脈沖的形式送到雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及或非門；另一路以三角電壓的形式送到比較器的一個輸入端。誤差放大器實際上是一個差分放大器，它有兩個輸入端：1腳為反相輸入端；2腳為正相輸入端，這兩個輸入端根據(jù)開關電路的具體情況，一端連到電源輸出電壓的取樣電路上（取樣電壓約為2.5 V），另一端連到16腳的分壓電路上（取得約為2.5 V），誤差放大器的9腳可外接電容及電阻進行頻率補償。誤差放大器的輸出送到比較器的一個輸入端，與比較器的另一個輸入端的三角波電壓比較，從而在比較器的輸出端出現(xiàn)一個隨誤差放大器的輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的另一個輸入端。最后在輸出晶體管1和2上分別出現(xiàn)二串寬度變化相同但相位相隔180°的脈沖。

3524測試原理圖如圖10所示。

圖10 3524測量原理圖

3524的測試主要是根據(jù)它的芯片原理搭接以上電路圖，通過測量輸出端電壓值，來判定芯片的正常與否。

2.2 0809的測試電路

0809的管腳功能表如表1所示。

表1 ADC0809功能表

模擬輸入通道與地址對照表如表2所示。

表2 模擬輸入通道與地址碼對照表

0809測試電路圖如圖11所示。

圖11 0809測試原理圖

給0809的八個模擬量輸入端輸入一個相同的電壓值，經(jīng)過單片機送控制信號，使A、B、C三個端口從000變化到111，即依次選通八個模擬量輸入口，分別進行轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)換后的值送回單片機。該值與單片機中預存的標準值進行比較。如果返回值和標準值的差值在0809轉(zhuǎn)換的誤差之內(nèi)，則芯片正常，否則出錯。

3 測試儀軟件設計

圖12 軟件流程圖

測試軟件流程圖如圖12所示。以LM324測試為例具體說明。如圖13所示為LM324測試電路，通過改變可變電阻器的阻值調(diào)節(jié)輸入LM324的電壓值的大小。芯片中四個放大器通過電阻和導線相連成一個整體的放大器，輸入電壓通過此放大器處理后，輸出一定電壓值。圖中R11至R14，R17至R20都設成10 K，即每個運放都變成一個跟隨器，如果芯片正常，最后芯片輸出電壓值應與輸入值相等。14管腳的輸出值通過模數(shù)轉(zhuǎn)化器MAX197轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字量送入單片機，與單片機中預存的正確值相比較，如果一致則芯片正常；否則，芯片出錯。其余5種芯片也均有一個能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的電路，通過在單片機中對接收到的數(shù)據(jù)進行驗證比較測試出芯片的正常與否[5]。

圖13 模擬集成電路測試儀中的LM324測試電路

4 實驗結(jié)果

本文設計的模擬電路測試儀能對幾款常用芯片的功能進行測試，并通過指示燈判斷芯片的正常與否。在常溫（26 ℃）狀態(tài)下，使用UT55萬用表對ADC0809、SG3524兩款芯片進行了測量，測試結(jié)果如表3所示。

表3 實驗測試結(jié)果

測量數(shù)據(jù)表明，當用萬用表檢測ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電壓值時，理想的電壓值為5 V，誤差范圍為±0.3，因此ADC0809中的第一組數(shù)據(jù)在誤差范圍之內(nèi)，芯片能正常工作；第二組數(shù)據(jù)超出誤差范圍，不能正常工作。同理可得，使用SG3524來產(chǎn)生穩(wěn)定的5 V基準電壓，誤差范圍為±0.1，第一組所測數(shù)據(jù)4.96 V滿足要求，芯片正常；第二組數(shù)據(jù)誤差太大，芯片已損壞。

5 結(jié)束語

設計了一款針對實驗室常用的模擬芯片檢測儀，繪制了硬件電路的原理圖和PCB，編寫了軟件程序，對3524、0809、LM324等幾款芯片進行了測試。測試結(jié)果表明，設計正確合理，基本能滿足實驗室的常用需求，同時給教學實驗的進一步研究提供了一個基礎平臺。

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DESIGN OF THE TEST INSTRUMENT FOR ANALOG INTEGRATED CIRCUIT

*XIE Yi-jian，CHEN Yue-dong

(Anhui Polytechnic University，Anhui Key Laboratory of Electric Drive and Control，Wuhu , Anhui 241000, China)

In view of the teaching experiment in school, an analog integrated circuit tester is designed. Using the micro controller unit as the core, several kinds of commonly used test circuit are dealt with, compared, with the output displaying. Using keys for test data input, and through the LCD display shows the output. At the same time, led is complementary to display the tester’s status. Hardware design and software flow of test instrument are introduced, the experiment proves that the design scheme is reasonable and effective.

analog integrated circuit; chip test; micro controller unit (MCU); LCD.

G 642. 423

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.06.015

1674-8085(2014)06-0070-07

2014-03-28；

2014-07-18

安徽高校省級自然科學研究重點項目（KJ2013A041）；安徽省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(AH201310363005).

*謝義建(1990-)，男，安徽安慶人，碩士生，主要從事運動控制系統(tǒng)的分析與設計研究(E-mail: xieyijian123@163.com);

陳躍東(1956-)，男，湖北宜昌人,教授，碩士生導師, 主要從事電力拖動控制系統(tǒng)與檢測技術研究(E-mail: ydchen@ahpu.edu.cn).