實(shí)時(shí)測(cè)試波形采顯技術(shù)的研究

尚磊，李杰

（集成電路測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京自動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究所，北京，100088）

實(shí)時(shí)測(cè)試波形采顯技術(shù)的研究

尚磊，李杰

（集成電路測(cè)試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京自動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究所，北京，100088）

介紹了兩種傳統(tǒng)等效采樣的意義、原理和方法，指出其局限性，在精準(zhǔn)測(cè)量上存在難度并分析了其原因，提出了實(shí)時(shí)測(cè)試波形采顯技術(shù)的研究，通過(guò)找準(zhǔn)跳變點(diǎn)及時(shí)間延兩方面，結(jié)合芯片電學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，快速開(kāi)發(fā)出芯片的測(cè)試程序。

等效采樣；實(shí)時(shí)采樣；波形采顯

0 引言

示波器已經(jīng)在生產(chǎn)、維修、測(cè)試以及科學(xué)研究領(lǐng)域中得到了極其廣泛的應(yīng)用。它可以用來(lái)觀察和測(cè)量隨時(shí)間變化的電信號(hào)圖形，可以定性的觀察電路的動(dòng)態(tài)過(guò)程，如觀察電壓、電流的變化過(guò)程，還可以定量測(cè)量各種電參數(shù)，例如測(cè)量脈沖幅值、上升時(shí)間、重復(fù)周期或者峰值電壓等。能夠直接對(duì)被測(cè)電信號(hào)的波形進(jìn)行顯示和測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算、分析和處理。

隨著超大規(guī)模集成電路工藝的不斷提高，如何省時(shí)省力的做好測(cè)試方面的工作是重中之重，因此迫切需要一種新的技術(shù)來(lái)降低芯片測(cè)試程序開(kāi)發(fā)的難度，并提高效率。基于以上原因，本論文在研究?jī)煞N等效采樣技術(shù)的技術(shù)上，著重研究實(shí)時(shí)測(cè)試波形采顯技術(shù)，通過(guò)對(duì)原有的BC3192V50數(shù)?；旌霞呻娐窚y(cè)試系統(tǒng)上相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)出一款可以應(yīng)用到新的測(cè)試系統(tǒng)上的軟件，對(duì)器件的有關(guān)參數(shù)，如輸出高電平電壓、輸入低電平電流等進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和顯示，進(jìn)而分析處理，最后對(duì)芯片進(jìn)行邏輯功能、電學(xué)性能測(cè)試等，從而提高編程效率，實(shí)現(xiàn)芯片的在線編程與測(cè)試，極大提高編程效率。

1 等效采樣技術(shù)的基本原理

等效采樣技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)過(guò)程，早期的等效采樣技術(shù)一般采用順序等效采樣，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，又提出了隨機(jī)等效采樣的概念。

1.1 順序等效采樣的基本原理

多周期采樣中，采樣點(diǎn)的采集按照一個(gè)固定的次序進(jìn)行。每到來(lái)一個(gè)新的觸發(fā)事件就采集一個(gè)采樣點(diǎn)。并將采樣值填寫(xiě)到當(dāng)次存儲(chǔ)位置上去，為了填滿一個(gè)完整的波形記錄，記錄中有多少個(gè)存儲(chǔ)位置就需要有多少個(gè)觸發(fā)時(shí)間[1]。

其關(guān)鍵之處在于：實(shí)現(xiàn)一種方案，控制多周期采樣中的采樣點(diǎn)與觸發(fā)點(diǎn)的間隔時(shí)間差，并按照采樣次序?qū)⒋藭r(shí)間差等間隔延長(zhǎng)。其原理簡(jiǎn)單，等效速度快，采樣點(diǎn)以時(shí)間為順序，易于實(shí)現(xiàn)波形恢復(fù)。但是這種采樣方式有一定的局限性，只能夠?qū)τ|發(fā)點(diǎn)之后的信號(hào)進(jìn)行采樣，無(wú)法采樣到觸發(fā)點(diǎn)之前的信號(hào)，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)波形的預(yù)采樣，降低了實(shí)用性[2]。

1.2 隨機(jī)等效采樣技術(shù)的基本原理

隨機(jī)等效采樣技術(shù)是在順序等效采樣技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，在采樣信號(hào)連續(xù)工作情況下，輸入信號(hào)在滿足觸發(fā)條件后產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，如果能將觸發(fā)信號(hào)與下一次采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔（這個(gè)時(shí)間間隔小于一個(gè)采樣信號(hào)周期）進(jìn)行測(cè)量，就能得到觸發(fā)點(diǎn)后小于一個(gè)采樣信號(hào)周期的波形點(diǎn)的信息[3]。如果所有時(shí)間點(diǎn)上的采樣事件都發(fā)生，就可以采集完成小于一個(gè)采樣信號(hào)周期的波形的信息，通過(guò)對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生的采樣數(shù)據(jù)的位置重新整理，就能將這段波形進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)等效采樣[4]。隨機(jī)等效采樣的基本原理如圖1所示。

圖1 隨機(jī)等效采樣原理

以上兩種等效采樣技術(shù)都存在一定的局限性，做到精準(zhǔn)測(cè)量有較大難度，因此，對(duì)BC3192V50測(cè)試系統(tǒng)的波形采顯技術(shù)，應(yīng)該找到新的方法。

2 系統(tǒng)資源介紹

BC3192V50系統(tǒng)是基于當(dāng)前國(guó)際先進(jìn)VXI總線的數(shù)字集成電路測(cè)試系統(tǒng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，每通道板可提供32路管腳電路，系統(tǒng)最大配置為8塊通道板，256路測(cè)試通道。最大測(cè)試速率為50MHz(非復(fù)用)，系統(tǒng)具有每4通道一路PMU 的多PMU特性[5]。

采用本系統(tǒng)對(duì)芯片的測(cè)試程序的研發(fā)主要在兩個(gè)方面：驅(qū)動(dòng)比較電壓和響應(yīng)時(shí)間集合。

2.1 驅(qū)動(dòng)/比較電壓

每塊通道卡有32個(gè)測(cè)試通道和8組電壓值（每連續(xù)的四個(gè)測(cè)試通道共用一組電壓，voltage set1對(duì)應(yīng)測(cè)試通道ch0～3，voltage set2對(duì)應(yīng)ch4～7……以此類推）。除voltage set1外，其余所有set的四個(gè)電壓值如果全為零，則默認(rèn)為其余所有set與voltage set1使用相同的定義值；除voltage set1外，其余所有set的四個(gè)電壓值若某一項(xiàng)不為零，則默認(rèn)為其余所有set的四個(gè)電壓值為其所顯示在界面上的值。

驅(qū)動(dòng)/比較電壓的正確設(shè)置與否直接關(guān)系到芯片的功能測(cè)試是否通過(guò)，因此，開(kāi)發(fā)芯片的測(cè)試程序首先要找準(zhǔn)電壓跳變點(diǎn)。如下圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)/比較電壓界面

2.2 響應(yīng)時(shí)間集合

主要用于控制測(cè)試儀對(duì)輸出信號(hào)的采樣時(shí)間，通過(guò)上升沿和下降沿的時(shí)間的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)設(shè)置上升沿下降沿，可以清楚顯示波形圖，方便芯片測(cè)試程序的調(diào)試和開(kāi)發(fā)。如下圖3所示。

圖3 響應(yīng)時(shí)間界面

2.3 矢量定義界面

矢量定義界面主要用于定義所測(cè)芯片的測(cè)試程序的測(cè)試圖形矢量，用以完成芯片的功能測(cè)試。左側(cè)是圖形矢量的矢量號(hào)，表示矢量的相對(duì)地址，界面的頂部按“管腳定義”界面定義的管腳順序顯示各field名稱，列表的第一列“Ins”欄表示的是指令，用于控制矢量圖形的運(yùn)行。中間部分表示矢量圖形，紫色表示輸入矢量，綠色表示輸出矢量。下部的“起始向量”框可以選擇第一行顯示向量的向量號(hào)，“失效顯示”復(fù)選框決定是否顯示測(cè)試后失效的向量，進(jìn)行一次測(cè)試后如果功能測(cè)試失效，可通過(guò)“查看下一失效”按鈕依次查看所有的失效行。

3 實(shí)時(shí)測(cè)試波形采顯技術(shù)的研究

在BC3192V50測(cè)試系統(tǒng)中，開(kāi)發(fā)一個(gè)芯片的測(cè)試程序，主要研究?jī)煞矫鎯?nèi)容：驅(qū)動(dòng)比較電壓以及響應(yīng)時(shí)間。

（1）找出跳變點(diǎn)

在找出跳變點(diǎn)之前，必須對(duì)所測(cè)芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)分析清楚，確定某時(shí)某刻某一管腳輸入輸出的是高電平還是低電平等。測(cè)試方法如下。

設(shè)置比較電壓為0v，對(duì)芯片進(jìn)行功能測(cè)試，保存測(cè)試結(jié)果。在一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)采樣30次，畫(huà)出波形。參照芯片測(cè)試手冊(cè)對(duì)矢量定義界面的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。如果在該電壓下，芯片某管腳本該輸出低（高），結(jié)果輸出高（低），說(shuō)明施加的電壓不夠，設(shè)置0.1V繼續(xù)進(jìn)行功能測(cè)試并分析。直到出現(xiàn)在V1情況下，輸出結(jié)果與預(yù)期結(jié)果相同，那么該電壓V1就是跳變點(diǎn)。

我們以74F138為例，設(shè)置比較電壓都為0，得到如下測(cè)試結(jié)果，芯片功能測(cè)試fail，通過(guò)翻閱芯片測(cè)試手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)管腳～0輸出與實(shí)際不符合，本該輸出低電平，結(jié)果輸出高電平，因此，需要逐步增加驅(qū)動(dòng)比較電壓，使測(cè)試結(jié)果與芯片手冊(cè)一致，最后經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試對(duì)比，確定跳變點(diǎn)為1.4v。

圖4 0v電壓下測(cè)量結(jié)果

（2）設(shè)置比較沿

實(shí)際的芯片測(cè)試程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中總會(huì)遇到各種電磁干擾等，導(dǎo)致測(cè)得波形不夠清晰明了。前文已經(jīng)講到BA3192V50的系統(tǒng)資源，其中時(shí)間沿與波形的清晰度密切相關(guān)。因此，需要找準(zhǔn)合適的上升沿和下降沿。其設(shè)置方式與找跳變點(diǎn)類似，由0～10ns慢慢遞加反復(fù)對(duì)比，找出在某一時(shí)段下的最清晰的波形圖。每10ns遞加，多次測(cè)量。如下圖所示，即為上升沿40ns，下降沿90ns的波形圖。

（3）測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，分別找到跳變點(diǎn)1.4V以及上升沿下降沿40～90ns，如下圖所示即為測(cè)試結(jié)果：

圖5 調(diào)試時(shí)間沿后的波形圖

圖6 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)根據(jù)采樣原理，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)試波形，極大提高了芯片測(cè)試程序的開(kāi)發(fā)速度。通過(guò)尋找跳變點(diǎn)確定芯片的驅(qū)動(dòng)比較電壓，通過(guò)調(diào)試時(shí)間延，確保波形圖更加清晰方便判斷。測(cè)試結(jié)果表明，實(shí)時(shí)測(cè)試波形采顯技術(shù)的研究，可以更好的應(yīng)用于芯片測(cè)試程序的開(kāi)發(fā)。

[1] 沈蘭蓀.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M]．北京.人民郵電出版社.1995．

[2] 石明江.100MHz數(shù)字存儲(chǔ)示波器等效采樣的研究[D].碩士學(xué)位論文.電子科技大學(xué).2006.

[3] 雷武虎.VXI等效采樣示波器模塊的設(shè)計(jì)方法[J].數(shù)據(jù)采集與處理.2001.

[4] 陳峰.實(shí)時(shí)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].上海交通大學(xué),2010.

[5] Robin G. Qiu. RFID-enabled automation in support of factory integration[J].Robotics And Computer-Integrated Manufacyuring.2007.

Real time test waveform extraction technology research

Shang Lei ,Li Jie
(Beijing Key Laboratory of Integrated Circuit Testing Technology, Beijing Institute of Auto-Testing Technology, Beijing,100088)

This paper introduces the significance, principle and method of two traditional equivalent samples, pointing out its limitations, there is difficulty in measuring accuracy and analyzing the reasons,the paper presents the research of the real-time test waveform extraction technology, by looking for the jump and the time delay, combined with the performance and structure of the chip, quickly develop a chip test program.

The equivalent sampling; Real-time sampling; Waveform mining show

尚磊（1989-），碩士研究生，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），研究方向集成電路。