VXI数模混合信号集成电路测试系统

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VXI数模混合信号集成电路测试系统

新闻出处：冯建科，张生文，郭士瑞发布时间： 2007年08月22日

摘　要：数模混合集成电路测试系统是当前我国的主流测试系统，本文以信息产业部电子信息产业发展基金重点招议标项目(VXI数模混合集成电路测试系统研究开发及产业化)为例进行了介绍。论述基于VXI总线的高速、高密度、多通道、低功耗新型ATE IC测试系统，介绍了系统的软硬件设计。详细论述了全面提高系统开放性、标准化的设计思想。

        关键词：VXI总线；数模混合集成电路；测试系统

        国内外ATE发展现状

        21世纪是技术高度发达的信息化世纪。全球信息化的发展正在加快步伐。在这里起关键性作用的技术是以集成电路为核心的电子信息技术。集成电路测试技术是集成电路产业的重要基础技术，它贯穿集成电路设计、生产、应用的全过程。2003年最大的自动测试设备(Automated Test Equipment)应用市场为混合信号集成电路测试，其次为存储器测试，分别占市场比重30%与26%。根据我国台湾地区的数据显示混合信号集成电路测试占的比例最大。

        国际上先进的测试设备制造商都针对主流测试市场推出中、高档测试设备，但任何一款测试设备都不能满足不断更新的测试需求。为解决性能、价格的矛盾，适应性和复杂性的矛盾，各大测试设备制造商(如泰瑞达、爱德万公司)都先后提出测试系统的开放性和标准化，使系统具有灵活配置，不断升级，快速编程，以适应各种测试需求，构造出最优性/价比的系统。

注：资料引自：电子仪器|仪表信息，2004.7.8

        由于目前国内测试系统的研发技术水平、科研经费、企业规模与国际先进水平有较大差距，我们采用国际通用的开放性、标准化VXI，PXI总线，使我们研发的自动测试设备从低端到中高端都建立在统一的开放性、标准化总线结构上，保证了产品的兼容性、延续性、开放性及标准化的特点，加快了产品的升级换代。利用其开放性、标准化特点，可方便插入各仪器制造商提供的通用VXI，PXI测量、测试模块灵活配置系统。这对今后大量涌现的数模混合、SOC芯片测试提供了大量测试资源。能够根据测试需求，以最优性/价比配置系统。

        研发内容

        VXI数模混合信号集成电路测试系统涉及的主要内容

        (1)主控计算机子系统的研制。

        (2)高速通道控制子系统的研制。

        (3)高速图形产生子系统的研制。

        (4)直流参数测试子系统研制。

        (5)机柜子系统研制。

        (6)高速、高密、超密封装、多层pcb板设计技术研究。

        (7)软件方案。

        (8)系统集成方案。

        测试系统组成
        测试系统组成见图1

        主控计算机子系统
        (1)主控计算机P4微机

        CPU Pentium4 Processor；基本配置：1024X768分辨率，17 ”彩显；256MDDR内存，32M显存；Ethernet网，USB，打印机接口，1394高速火线接口；操作系统：WindowS9X/WindowS2000；开发环境：NILabVIEW和LabWindows/CVI虚拟仪器开发平台；总线标准：PCI标准总线，USB通用串行总线，1394高速火线及Ethernet网。

        (2)零槽控制器/高速总线接口
        零槽控制器通过1394高速火线与主控计算机进行通讯(40Mb/S)，执行初始化、自检命令，并加载测试激励图形及处理响应向量。系统中各模块通过VXI寄存器基高速总线接口，实现高速数据通讯。零槽控制器还提供高速触发总线、ECL 时钟等用于系统同步、触发信号。

        高速图形控制子系统
        图2是高速图形控制子系统框图，由PG时钟产生器、起/停控制器、高速指令译码控制电路及指令存储器(指令码+操作数)组成。系统实现了高速测试系统必备的全部指令集。所有指令都是无缝的(seamless)单测试周期。具有循环、跳转、子程序调用，且循环、子程序调用可嵌套(2级嵌套、64K寻址范围)。系统测试周期及激励、响应沿均可在单测试周期内设置(on the fly)。

        PG时钟产生器由锁相环构成的高稳定度、高分辨率数字频率合成器产生一100MHz-200MHz 高稳定系统时钟，由20bit高速定时器产生100Hz 到50MHz 的测试周期。此高速定时器可根据时钟选择存储器设置的16种测试周期动态改变(on the fly)。起/停控制器由一16bit失效计数器及一24bit步进计数器控制测试周期停止状态。起/停控制器可由测试程序及由外触发信号控制测试周期产生。

        高速指令译码控制电路由一高速22bitPC记数器产生4M循址范围，16bit循环记数器由循环指令加载循环次数。PC记数器及循环记数器匀有一2X16bit堆栈存储器，用于循环及子程序调用嵌套功能。指令译码逻辑控制根据高速指令存储器中的指令码、操作数及失效状态、循环记数器进位状态实时地产生各种控制信号，控制PC记数器、循环记数器、堆栈指针、堆栈存储器的加载、记数及保持状态。

　　起/停控制器、高速指令译码控制电路、22bitPC记数器、16bit循环记数器、PC、循环堆栈存储器及指针控制电路均设计在两块大规模、高速、高密度门阵列中。在此门阵列中对高速指令译码进行优化设计：减少指令译码链级数，增加并行电路，实现高速译码时序1由于各记数器及堆栈存储器均在片内实现，从而减少了线延迟及门阵列I/O延迟。PG为单独模块设计，以便灵活配置及升级。系统时钟T0、系统测试周期TCLK作为整个测试系统的高速(100MHz-200MHz)定时参考源，必须确保其稳定、低延时特性。采用ECL 差分驱动且利用VXI底板信号作为整个测试系统的定时总线。22bit PC地址及失效信号、控制信号由专用总线传送。

高速通道控制子系统
高速通道板见图3。

        主要由时间产生器(TG)、时间沿选择矩阵(MUX)、驱动、响应格式化器及测试向量存储器组成。

        每块高速通道板产生16个时间沿，供32路测试通道使用。其中8个激励沿、4个响应沿、2个I/O控制沿及两个通道复用沿。128pin系统由1块图形板、4块高速通道板组成。可产生32个激励沿、16个响应沿。256piN系统由1/2块图形板、8块高速图形板组成。可产生64个激励沿、32个响应沿。每块高速通道板TG由4块高速门阵列组成，每块门阵列产生4个时间沿。其内部由16bit高速定时器(由T0时钟倍频产生200MHz 定时时钟)产生分辨率为2.5 nS的定时沿。每一测试周期的定时沿均可由定时存储器动态设置(on the fly)1高速通道板的时间沿选择矩阵(MUX)、驱动、响应格式化器由4块门阵列组成。每块门阵列内实现8个激励沿、4个响应沿多路选择矩阵(MUX)，根据格式化定义数据及F、D、M数据产生8路驱动、响应、I/O格式化图形。

        高速通道板的PE 卡设计为子模块形式。由4片PE 电路组成，每片电路提供8路高速可编程I/O(含有高速8驱动/比较(窗口比较)器)。高速通道板中提供每路4bit(F、D、M、R)最大4M深度的测试向量存储器，R存储器可用于存储失效结果也可用于存储响应向量，便于自学习法及逻辑分析。测试向量存储器采用通用12-15nS大容量SRAM。

        高速通道板中设计有算法图形产生器(APG)，产生14行X14列(64M)图形地址，用于动态RAM，静态RAM，FLASH RAM等存储器测试。可产生(WALK，MARCH ，CHECK，ADCOM，BFLY，DUALWC，GALPAT，SLID，RCCGAL ，MASEST，IMAG，RTICK，PM2CHECK)13种测试图形。

        板中还设计有Active SerieSSCAN模式，可将并行数据转为串行数据，每模块最大串行存储深度为32M1如果将模块串行数据级联，最大串行存储深度为256M。系统硬件资源中，PG、TG均设计为每一测试周期可编程(on the fly)，且具有较多的TG沿。能够满足IC验证CAD到CAT测试时序匹配要求。由于设计了Active SerieSSCAN模块，可将并行数据转为串行数据。用于支持边界扫描及内建自测试。

        直流参数测试子系统
        直流参数测试子系统用于精密参数测试。本测试系统针对快速、并行测试需求，设计了多PMU功能。64管脚配备一个4PMU模块，128管脚配备二个8PMU模块，提供每16管脚/PMU。

        (1)精密测量单元(PMU)
        PMU具有4象限电压、电流施加和测试能力。PMU和测试头之间的通道采用“Kelven”连接，以保证施加和测量的准确度。

        PMU有以下工作方式：
        *加压/测流，加流/测压
        *4量程电流(±40mA，±1mA，±100uA，±10uA)
        *+7V/-5V电压范围。
        *短路保护、箝位功能。
        *快速GO/NGO测量。可并行测试多PMUGO/NGO参数。

        (2)器件电源|稳压器(DPS)
        每模块可提供2路{DPS+(0到+40V)，DPS-(0到-40V)}器件电源，为DUT供电(200mA电流驱动能力)。用“Kelvin”方法连接到测试头。每模块还提供4路参考辅助双向电源(±10V，±10mA)。用于多电源器件测试及提供参考电平。每个DPS都具有电流测试能力，其值可以通过PMU读出。

        机箱、电源
        本测试系统主要采用大规模、高密度CMOS门阵列及专用电路，使系统功耗大为降低。系统电源功率<600W。机箱散热采用风冷散热。由于集成密度提高，使得整个测试系统集成在一个标准VXI13槽机箱中。系统底板为10层PCB板。遵循VXI协议，保证了底板信号的完整性和电/磁兼容性。

        高速、高密、超密封装、多层PCB板设计技术研究
        *该系统的测试速度可达到50MHz。在VXI标准C尺寸的PCB板上集成了多达十几块大容量、高密度、超密封装的FPGA/CPLD，PCB板的设计层数达到了8层。
        *其核心是高性能新型设计的高速数字图形子系统，将采用最新的CMOS电路，高速、高密度现场可编程门阵列(时钟速率> 200MHz)，采用专用高速管脚驱动电路。
        *系统设计测试速率最高为50MHz ，测试通道最高配置256PIN，测试时间沿精度<±2ns。

        系统软件方案
        我们采用面向对象的可视化编程环境LabWindows/CVI作为系统软件的开发平台，依据VPP(VXIPlug&Play)协议，对仪器的各模块(如PMU、DPS、波形产生器等)设计独立的驱动程序和软面板，通过虚拟仪器软件体系结构(VISA)实现仪器模块的控制和通信。仪器驱动程序由初始化函数、应用函数、配置函数、行为/状态函数、数据函数、辅助函数、结束函数等组成，实现仪器资源的分配、管理和通讯。

        系统软件示意图见图5。
        测试程序生成：
        测试程序可分为两大部分(见图6)：系统资源定义和测试过程定义。测试指令和测试向量组成测试码，测试码序列构成测试过程，测试程序中包含至少一个或多个测试过程。测试码是测试程序的核心，是对测试对象施加测试方法的载体。对于复杂的测试对象，可能需要用多种测试方法进行测试，用多个测试过程来实现。系统资源定义指测试对象所用到的系统资源，如电压源、系统时钟、通道、驱动/比较电压、时间沿格式、参数设置等。

        系统集成方案
        系统硬件结构如图1所示。系统中各子系统及模块硬件、软件相对独立，均可作为一个独立的单元使用。由于VXI总线开放性及标准化对扩展、升级测试系统以满足用户的特殊配套和研发服务所提供的快速、简便的优越性。在系统测试功能、技术规范、硬件方案的设计中也考虑了系统扩展、升级方法，针对SOC及数模混合测试需求，利用VXI开放式系统提供的高速数字控制、触发、测试能力，结合其他厂商提供的高性能模拟测试模块或通过GPIB、PXI总线与其它模拟测试仪集成，构成高速数模混合测试系统。

        主要性能与参数

        主要性能指标
        *VXI零槽控制器、13槽标准机箱；3Windows98/2000操作系统，LabWindows/CVI开发环境；
        *最大管脚数64-128PIN；或更大，视客户需求；
        *最高测试速率25MHz(50MHz)，定时精度±2nS；
        *数据格式：
        激励：不归零(NRZ)、归零、(RZ)、归一(RO)、反码环绕(SBC)、归三态。
        响应：沿比较、窗口比较。
        *测试向量深度：256K/1M(F-DATA、D-Drive 、M-Mask、R-Result)
        *I/O特性：
        上升/下降时间(tr/tf )：1.5nS/V(SwinG10% -90%)，SKEW：2.5nS
        输出驱动：
        高电平(Voh)-1.5VtO+7.0V(-2.0V-15V高压选择)
        低电平(Vol)-2.5 VtO+5.5V，输出摆幅0.0V tO 9.5V
        输出电流(Iol oRIoh)±50mA，max1
        输出阻抗50ohmS，±10%
        输入接收：
        输入高电平门限：-2.5V tO 5.5V(-2.0V-15V高压选择)
        输入低电平门限：-2.5V tO 5.5V
        分辨率：0.01V，精度：0.05V
        *4路程控电源；
        *一个高精度、高压精密测量单元。

        结　语
        根据电子生产发展基金招标合同中技术指标，以典型器件兆位存储器HM628128、现场可编程门阵列XC3090及8051、8096微控制器等器件逐项测试，结果全部达到了规定的要求。

        本测试系统由于采用CMOS高速、高容量门阵列电路及高速驱动、比较电路，使系统结构紧密、功耗低、稳定性好、成本低。能够提供从10MHz、25MHz、50MHz 测试速率，64、128、256路测试通道的高速、大容量、多通道的数字系统及扩展的数/模混合系统。测试能力及精度、稳定度都达到国际中、高档同类测试系统水平，且具有更高的性/价比及技术支持。

        信息产业部电子生产发展基金组织的验收会指出，研发的“VXI数模混合集成电路测试系统”，达到原定各项技术指标，产品功能较强，界面友好，用户反馈满意，该项目带动了国内集成电路测试仪器的产业化。通过测试系统的开发、生产，必将满足大部分国内集成电路测试需求，替代国外同类测试系统，可节省大量外汇资源，在中高速测试系统中引入竞争，迫使国外中高档测试系统降价，将产生良好的社会效益和经济效益。有力地促进我国集成电路产业的发展。

作者：冯建科，张生文，郭士瑞

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