數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在故障檢測(cè)和定位中的應(yīng)用

劉芳

摘要：基于對(duì)采樣電流或電壓的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，提出了一種檢測(cè)和定位故障和缺陷的測(cè)試方法，該方法可應(yīng)用于具有顯著靜止電流的技術(shù)，也是一種尋找準(zhǔn)塑性電阻接點(diǎn)的簡單方法，并探討了該方法在故障原因診斷方面的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：故障檢測(cè);數(shù)字信號(hào);診斷

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.01.089

1引言

本文的主要研究目的是縮短投放市場的時(shí)間，因?yàn)檫@一點(diǎn)對(duì)集成電路制造商至關(guān)重要，由于測(cè)試已經(jīng)成為整個(gè)過程中的一個(gè)主要任務(wù)，為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，提出了合適的測(cè)試策略。

目前，已經(jīng)有很多關(guān)于測(cè)試方法的研究，這些方法大多是為了故障檢測(cè)而開發(fā)的，也就是說，測(cè)試一個(gè)給定的電路是否是可測(cè)電路，其中很多方法是用于定位或診斷失敗原因的。故障檢測(cè)是生產(chǎn)測(cè)試中最急需解決的問題，同時(shí)，定位或檢測(cè)到故障的原因也是很關(guān)鍵的，因?yàn)橥瑯涌梢钥s短新產(chǎn)品投放市場的時(shí)間。的確，有助于識(shí)別那些需要設(shè)計(jì)或過程改變的不可接受的低收益率電路的主要產(chǎn)量流，特別是在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段?？纱龠M(jìn)激光切割和焊接技術(shù)的使用，進(jìn)而對(duì)原型做進(jìn)一步的優(yōu)化。包括容錯(cuò)機(jī)制在內(nèi)的電路是故障定位的另一個(gè)要求。

同時(shí)，也有很多關(guān)于診斷方法的研究，如基于電壓輸出值的診斷法，這些方法都存在電壓測(cè)試無法檢測(cè)（也就無法診斷）到某些故障的問題。還有一些方法是電流測(cè)試法，這些方法進(jìn)適用于靜止電流小的技術(shù)。

本文的目的是提出一種能夠檢測(cè)和定位故障和缺陷的測(cè)試方式。該方法是基于對(duì)采樣電流或電壓的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，可應(yīng)用于靜態(tài)電流。本項(xiàng)研究由以下幾部分組成：（1）描述了該方法的理論基礎(chǔ);（2）概述了該方法的檢測(cè)能力;（3）探索其故障定位和診斷的潛力;（4）介紹了該方法的可行性;（5）結(jié)論。

2方法

該方法的理論基礎(chǔ)如下：

（1）通過給定的敏感傳遞路徑，刺激的傳遞包括至少一次躍遷（0-1或1-0）;

（2）對(duì)輸出信號(hào)、輸出電流或輸出電壓，每小時(shí)進(jìn)行一次取樣;

（3）用信號(hào)處理對(duì)數(shù)字化轉(zhuǎn)換后的樣品進(jìn)行分析。

這個(gè)方法主要是使給定的路徑變得敏感，以刺激缺陷并使其消耗能量或停止傳遞。在停止傳遞時(shí)，產(chǎn)生顯著功耗的缺陷會(huì)改變供電電流波形，從而影響電壓輸出。為了檢測(cè)和定位故障和缺陷，將使用輸出信號(hào)中存在或不存在的轉(zhuǎn)換，比如波形變化。在故障檢測(cè)和故障診斷方面的過渡刺激的潛力，已經(jīng)在電壓輸出測(cè)試法中得到了認(rèn)可。結(jié)果顯示過渡也是當(dāng)前測(cè)試環(huán)境下的良好刺激。

輸出信號(hào)的過度采樣，可以從這些信號(hào)波形中提取更多的信息。這種提取是通過對(duì)輸出信號(hào)的頻譜進(jìn)行一些信號(hào)處理來估計(jì)的。不同類型的分析導(dǎo)致頻譜估計(jì)。在本項(xiàng)研究中，采用一個(gè)8點(diǎn)快速傅里葉變換法（FFT）進(jìn)行頻譜估計(jì)，可以檢測(cè)到因故障或缺陷引起的顯著波形變化，甚至，僅僅是頻譜的一小部分（DC，第一次諧波）都可以檢測(cè)到。迄今為止，該分析法比其他任何信息提取方法都簡單。

在本文中，通過一般輸入向量創(chuàng)建的轉(zhuǎn)換。此外，探討了該方法的定位潛力及其在消費(fèi)技術(shù)上的適用性。本文也減少了快速傅里葉變換法有效樣本的數(shù)量，從16減少到了8。

3檢測(cè)

文中的所有結(jié)果，包括FFTs，都是通過HSPICE仿真獲得的，F(xiàn)FTs是在一個(gè)40ns區(qū)間（不允許穩(wěn)定時(shí)間）內(nèi)進(jìn)行評(píng)估的，繼電器觸點(diǎn)的寄生電容是采用電阻建立模型的。

3.1橋接

信號(hào)和電線接地端（GND）之間的橋接會(huì)導(dǎo)致固定0故障時(shí)，往往會(huì)將電路轉(zhuǎn)換成電流電壓轉(zhuǎn)換器。

事實(shí)上，信號(hào)和電線接地端之間的寄生橋接，很容易檢測(cè)到大量的值，即使這些值不會(huì)導(dǎo)致固定0故障，因此，在邏輯輸出值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行故障檢測(cè)存在困難。

對(duì)信號(hào)和數(shù)字電源（VDD）之間的寄生橋接，按電流分量振幅計(jì)算的結(jié)果，與上一組與GND橋接的結(jié)果相似。

其他模型結(jié)果顯示，非VDD或GND信號(hào)之間的寄生電阻橋接點(diǎn)，也可以在很大范圍內(nèi)檢測(cè)到。比如，在接點(diǎn)15和19之間，或者10和14之間的橋接點(diǎn)。只需要兩個(gè)相反的邏輯值接點(diǎn)足夠長，導(dǎo)致的電流消耗足以被檢測(cè)到，這種橋接即使并沒有引起較差的邏輯值，也是可以被檢測(cè)到的。

3.2開路

造成浮柵的開路故障通常不會(huì)導(dǎo)致電流頻譜的顯著改變。但是會(huì)將轉(zhuǎn)換傳遞到輸出引腳，通過觀察電壓，可以檢測(cè)到內(nèi)在的轉(zhuǎn)換。即使通過觀察邏輯值，也可以檢測(cè)到轉(zhuǎn)換，其他信息可以通過8點(diǎn)位快速離散傅里葉變換法（FFT）算得，的確，我們可以采用第一諧波相位分量來估計(jì)延遲。

3.3完善技術(shù)

為了解釋這項(xiàng)顯著靜態(tài)電流技術(shù)法，我們考慮一種簡單PSEUDO-NMOS 2輸入 NAND，接著是一個(gè)CMOS靜態(tài)邏輯電路，模擬三種不同情況：無故障;在NAND輸出和GND之間有一個(gè)10 千歐的電容橋;在NAND輸出和VDD之間有一個(gè)10千歐的電容橋;在每一種情況下，一個(gè)NAND輸入被應(yīng)用提升轉(zhuǎn)換，另一個(gè)被設(shè)置為邏輯轉(zhuǎn)換，無故障的一組，波形中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)換，而且都被設(shè)置為邏輯輸入時(shí)，會(huì)產(chǎn)生顯著得消耗。NAND輸出和GND之間得橋接，在第一部分得刺激下，會(huì)通過增加消耗，在第一諧波振幅內(nèi)造成顯著減弱。因此，橋接很容易被檢測(cè)到。在NAND輸出和VDD之間得橋接，也可以被檢測(cè)到，這種檢測(cè)會(huì)改變NAND p-Network的阻抗結(jié)果，但是這種改變不足以改變逆變器的邏輯輸出值。

4定位和診斷

在這一節(jié)中，主要研究定位探測(cè)電位節(jié)點(diǎn)，并診斷原因。

基于以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)定位程序：

（1）轉(zhuǎn)換激發(fā)的寄生接觸會(huì)顯著影響電流的第一諧波振幅;

（2）非轉(zhuǎn)換激發(fā)的寄生接觸可能只會(huì)造成DC消耗，而不會(huì)影響電流的第一諧波振幅;

（3）檢測(cè)只取決于第一諧波振幅的變化。

逐步探索從輸入到輸出的網(wǎng)絡(luò)組合，在轉(zhuǎn)換傳遞路徑中每次增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣就可以通過觀察電流第一諧波振幅變化來定位節(jié)點(diǎn)。因此，一個(gè)定位程序可以從轉(zhuǎn)換得輸入節(jié)點(diǎn)開始，每一步轉(zhuǎn)換傳遞步驟，都采用FFT算法檢測(cè)第一諧波振幅的顯著變化。傳遞遇到缺陷節(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)及時(shí)的產(chǎn)生變化。最好在一個(gè)電路中只傳遞一個(gè)轉(zhuǎn)換。

5結(jié)論和下一步工作

本文主要提出一種故障檢測(cè)和定位的測(cè)試方法，采用這種方法，電路是通過在敏感路徑中傳播過渡來刺激的。為了在這些樣本上執(zhí)行一個(gè)簡單得8點(diǎn)FFT，對(duì)電源電流和輸出電壓進(jìn)行采樣，8點(diǎn)FFT對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行頻譜估計(jì)。結(jié)果顯示轉(zhuǎn)換刺激在電流測(cè)試中很有用，該方法適用于顯著靜態(tài)電流技術(shù)。

結(jié)果顯示寄生電容觸電可以在很大范圍內(nèi)被檢測(cè)到，即使這些觸點(diǎn)不會(huì)引起任何不好的邏輯行為，通過分析供應(yīng)電流頻譜，在分析輸出電壓頻譜的同時(shí)，允許檢測(cè)開路和近似的傳播延遲。

提出了一種確定寄生電阻接觸點(diǎn)得簡便方法，這種方法是基于由轉(zhuǎn)換模擬缺陷引起的第一諧波振幅的變化可以被檢測(cè)到，因此也可以根據(jù)這些變化的性質(zhì)對(duì)缺陷原因進(jìn)行診斷。

下一步工作包括順序電路開發(fā)策略，以及改善現(xiàn)有的測(cè)試生成算法，使之更好的適用于該方法。

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