【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 試成為 VLSI 設(shè)計(jì)費(fèi)用中最高，難度最大的一個(gè)環(huán)節(jié)。據(jù)報(bào)道，測(cè)試費(fèi)用可占到芯片制造成本的 50%以上，為了提高測(cè)試效率，近十年來(lái)，測(cè)試方法學(xué)的研究日益受到重 視。 在集成電路產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)流程中，可測(cè)試性設(shè)計(jì)對(duì)于提高產(chǎn)品可靠性和成品率是不可忽略的。因此，正確的設(shè)計(jì)并不能保證制造出來(lái)的芯片就一定能夠正常的工作。在制造過(guò)程中由于制造工藝和制造環(huán)境等多種原因，可能會(huì)使制造后的電D/A 芯片測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 路出現(xiàn)各種各樣的物理缺陷問(wèn)題，比如線與線之間或者層與層之間出現(xiàn)短路，線與線之間出現(xiàn)開(kāi)路等，這些都會(huì)導(dǎo)致制造后的電路與預(yù)期的 結(jié)果不一樣，而不能正確的工作。 如果故障芯片已經(jīng)裝在了 PCB 上，可能會(huì)造成整個(gè) PCB 維修甚至更換，這種更換的成本是相當(dāng)大的，所以出場(chǎng)前進(jìn)行完整的測(cè)試是相當(dāng)重要的，雖然為提高芯片制作質(zhì)量做出了很大的努力，卻不可避免的出現(xiàn)制作故障和生產(chǎn)出廢品。 D/A 芯片測(cè)試方法發(fā)展現(xiàn)狀 當(dāng)前，數(shù)字處理系統(tǒng)正在飛速發(fā)展，在通信領(lǐng)域，過(guò)去無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是靜態(tài)的，只能在規(guī)定范圍內(nèi)的特定頻段上使用專用調(diào)制器、編碼器和信道協(xié)議。而軟件無(wú)線電技術(shù) (SDR)能更加靈活、有效地利用頻譜，并能方便地升級(jí)和跟蹤新技術(shù)，大大地推動(dòng)了 無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展。在高精度測(cè)量領(lǐng)域，高級(jí)儀表的分辨率在不斷提高，電流到達(dá) μA量級(jí)，電壓到達(dá) mV 甚至更低 。 為了滿足數(shù)字系統(tǒng)的發(fā)展要求， D/A 轉(zhuǎn)換器的性能也必須不斷提高，它將主要向以下幾個(gè)方向發(fā)展 : 高轉(zhuǎn)換速度 ： 現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度越來(lái)越快，要求獲取數(shù)據(jù)的速度也要不斷提高。 高精度：現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的分辨率在不斷提高，比如，高級(jí)儀表的最小可測(cè)值在不斷地減小，因此， D/A 轉(zhuǎn)換器的分辨率也必須隨之提高。 低功耗：片上系統(tǒng) (SOC)已經(jīng)成為集成電路發(fā)展的趨勢(shì)，在同一塊芯片上既有模擬電路又有數(shù) 字電路。為了完成復(fù)雜的系統(tǒng)功能，大系統(tǒng)中每個(gè)子模塊的功耗應(yīng)盡可能地 。 課題研究?jī)?nèi)容和研究方法 通過(guò)本設(shè)計(jì)所研究與設(shè)計(jì)基于 LabVIEW 的 D/A 芯片測(cè)試系統(tǒng)，針對(duì) 工業(yè)環(huán)境中各種干擾與沖擊的影響，在 D/A 芯片的設(shè)計(jì)投入使用前，需要對(duì)其進(jìn)行模擬干擾環(huán)境下的測(cè)試 這一問(wèn)題，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。不但利用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)出一種基于 LabVIEW 的測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以對(duì)壓力、溫度、頻率移等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，而且利用 LabVIEW 平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集和測(cè)試系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)字控制。課題的研究主要內(nèi)容是基于 LabVIEW的 D/A 芯片的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，D/A 芯片測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 其中主要包括靜態(tài)電壓參數(shù)的設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)電壓參數(shù)的設(shè)計(jì)、基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 在 LabVIEW 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中包括三個(gè)部分 :前面板、框圖程序和硬件電路，因此一個(gè) VI 程序的設(shè)計(jì)主要包括前面板的設(shè)計(jì)、框圖程序的設(shè)計(jì)以及 DAQ卡的連接和調(diào)試。 1. 前面板 虛擬儀器的面板設(shè)計(jì)都在這個(gè)窗口中完成，并且在前面板中執(zhí)行對(duì)儀器的操作。應(yīng)根據(jù)實(shí)際中的儀器面板以及該虛擬儀器所要實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)設(shè)計(jì)前面板。前面板中主要由輸入控制器和輸出指示器組成。利用工具 模板來(lái)添加輸入控制器和輸出指示器?？刂破魇褂脩艨梢暂斎霐?shù)據(jù)到程序 ,而指示器則用來(lái)顯示程序產(chǎn)生的數(shù)值。 2. 框圖程序 實(shí)現(xiàn)虛擬發(fā)生器的所有程序都在這個(gè)窗口中完成。程序相當(dāng)于源代碼 ,只有在創(chuàng)建了框圖程序以后該程序才能真正運(yùn)行。所以在設(shè)計(jì)好前面板以后 ,就要根據(jù)各個(gè)框圖之間的關(guān)系以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理方法等設(shè)計(jì)框圖程序。對(duì)框圖程序的設(shè)計(jì)主要是對(duì)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)端口和連線的設(shè)計(jì)。 3. DAQ 卡的連接和調(diào)試 DAQ 系統(tǒng)的基本任務(wù)是物理信號(hào)的產(chǎn)生或測(cè)量。但是要使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠測(cè)量物理信號(hào)，必須要使用傳感器把物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓或者電流信號(hào)）。有時(shí)不能把被測(cè)信號(hào)直接連接到 DAQ 卡，而必須使用信號(hào)調(diào)理輔助電路，先將信號(hào)進(jìn)行一定的處理?？傊?，數(shù)據(jù)采集是借助軟件來(lái)控制整個(gè) DAQ 系統(tǒng)，包括采集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、給出結(jié)果等。所以在設(shè)計(jì)好前面板和框圖程序后，就要連接 DAQ 的硬件電路，使其軟件通過(guò) DAQ 卡完成數(shù)據(jù)采集。 D/A 芯片測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 5 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)所研究與設(shè)計(jì)是基于 LabVIEW的 D/A芯片測(cè)試系統(tǒng)， 針對(duì) 工業(yè)環(huán)境中各種干擾與沖擊的影響，在 D/A芯片的設(shè)計(jì)投入使用前，需要對(duì)其進(jìn)行模擬干擾環(huán)境下的測(cè)試 這一問(wèn)題，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng) 。課題的研究?jī)?nèi)容 主要包括靜態(tài)參數(shù)的設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)參數(shù)的設(shè)計(jì)、基于 LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì) D/A 轉(zhuǎn)換的原理 D/A 是指數(shù)模轉(zhuǎn)換，就是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。將輸入的二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，以電壓或者電流的形式輸出 [6]。 D/A 轉(zhuǎn)換器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)譯碼器。其輸出模擬電壓 0U 和輸入數(shù)字量 D 之間成正比關(guān)系。 REFU 為參考電壓。模擬電壓0U 與參考電壓 REFU 關(guān)系式如公式 21 所示： REFKDUU ?0 公式 （ 21） DAC 方框圖 22 如下： 圖 21 DAC 方框圖 D/A 轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成 1 基準(zhǔn)參考電壓源 在 D/A 轉(zhuǎn)換器中，基準(zhǔn)電壓源的精度直接影響到 D/A 轉(zhuǎn)換器的精度。如果要求 D/A 轉(zhuǎn)換器精度到滿量程的 ? %，則基準(zhǔn)電壓源至少滿足 ? %的要求。 D/A 芯片測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 模擬開(kāi)關(guān)要求斷開(kāi)時(shí)電阻無(wú)限大，導(dǎo)通時(shí)電阻非常小，即要求有很高的電阻斷通比值。 3 求和放大電路 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出端一般都接有運(yùn)算放大器，其作用有兩個(gè)：一個(gè)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各支路電流進(jìn)行求和，另一個(gè)是為 D/A 提供一個(gè)阻抗低、負(fù)載能力強(qiáng)的輸出。 DAC 的主要參數(shù)技術(shù)指標(biāo) 1． 分辨率 —— 定義是最小輸出電壓（對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量只有最低有效位“ 1”） 最大輸出電壓（對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量所有有效 位全為“ 1”）之比。 (1) 用輸出的電壓值表示如 公式（ 22） 所示 [6]： 12239。 ????nomnREF uUR 公式（ 22） (2) 用百分比表示： 該比值即分辨率如公 式（ 23） 所示 分辨率 = 121?n 公式（ 23） 2．轉(zhuǎn)換精度 D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的是基于理想之間的誤差。該偏差一般應(yīng)小于 LSB21? 3．線性誤差 線性誤差是指 D/A 轉(zhuǎn)換器芯片的轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性之間的最大偏差。如下圖 22 所示，理想轉(zhuǎn)換特性是在零點(diǎn)及滿量程校準(zhǔn)以后建立的。 圖 22 線性誤差 4．建立時(shí)間 建立時(shí)間是指 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)碼滿量程 變化（即從全“ 0”編程全“ 1”）D/A 芯片測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 時(shí)，其輸出模擬量值達(dá)到 LSB21? 范圍所需的時(shí)間。 當(dāng)輸入數(shù)碼增加時(shí)， D/A 轉(zhuǎn)換器輸出模擬量也增加或至少保持不變 . 在滿量程輸出條件下，溫度每升高 1 C? ，輸出變化的百分?jǐn)?shù)定義為溫度系數(shù)。 不同型號(hào)的 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出電平相差很大，一般為 5～ 10V，有的高壓輸出型的 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出電平高達(dá) 24～ 30V。 有二進(jìn)制碼， BCD 碼 ，二進(jìn)制補(bǔ)碼等。 輸入數(shù)字電平分別為“ 1”和“ 0”時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入高低電平的起碼數(shù)值。 D/A芯片測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) D/A 芯片外部連線如下圖 23 所示 D/A 芯片測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 圖 23 D/A芯片外部連線 D/A芯片測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 實(shí)際設(shè)計(jì)中選用的方案， D/A芯片外部連線如下圖 24所示 圖 24 D/A芯片外部連線 （ 1） ： 連接給定模擬數(shù)值，通過(guò)十進(jìn)制與二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字控制信號(hào)通過(guò)采集面板 A的 Line0～ 3位數(shù)字輸出端口與 Line4～ 7位端 口相連。 （ 2）： 采集卡在其內(nèi)部做 D/A轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)化出 數(shù)字 信號(hào) 。 D/A 芯片測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 （ 3）：檢測(cè)端采集到的數(shù)字信號(hào)通過(guò) D/A轉(zhuǎn)換出模擬信號(hào)與最初給定的模擬信號(hào)做對(duì)比，得出結(jié)論。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的介紹 一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集 卡 的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字 I/O、計(jì)數(shù)器 /計(jì)時(shí)器等，這些功能分別由相應(yīng)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 模擬輸入是 采集 最基本的功能。它一般由多路開(kāi)關(guān) （ MUX）、放大器、采樣保持電路以及 A/D 來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)這些部分，一個(gè)模擬信號(hào)就可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。A/D 的性能和參數(shù)直接影響著模擬輸入的 質(zhì)量，要根據(jù)實(shí)際需要的精度來(lái)選擇合適的 A/D。 數(shù)字輸出通常是為 采集 系統(tǒng)提供激勵(lì)。輸出信號(hào)受數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （ D/A） 的建立時(shí)間、轉(zhuǎn)換率、分辨率等因素影響。建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號(hào)幅值改變的快慢。建立時(shí)間短、轉(zhuǎn)換率高的 D/A 可以提供一個(gè)較高頻率的信號(hào)。應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要選擇 D/A 的參數(shù)指標(biāo)。 數(shù)字 I/O 通常用來(lái)控制過(guò)程、產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)、與外設(shè)通信等。它的重要參數(shù)包括：數(shù)字口路數(shù) （ line） 、接收 (發(fā)送 )率、驅(qū)動(dòng)能力等。如果輸出去驅(qū)動(dòng)電機(jī)、燈、開(kāi)關(guān)型加熱器等用電器，就不必用較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率。路數(shù)要能同控制對(duì)象配 合，而且需要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動(dòng)電流。但加上合適的數(shù)字信號(hào)調(diào)理設(shè)備，仍可以用采集卡輸出的低電流的 TTL 電平信號(hào)去監(jiān)控高電壓、大電流的工業(yè)設(shè)備。數(shù)字 I/O 常見(jiàn)的應(yīng)用是在計(jì)算機(jī)和外設(shè)如打印機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀等之間傳送數(shù)據(jù)。另外一些數(shù)字口為了同步通信的需要還有“握手”線。路數(shù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率、“握手”能力都是應(yīng)理解的重要參數(shù)，應(yīng)依據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合而選擇有合適參數(shù)的數(shù)字I/O。 許多場(chǎng)合都要用到計(jì)數(shù)器，如定時(shí)、產(chǎn)生方波等。計(jì)數(shù)器包括三個(gè)重要信號(hào)：門限信號(hào)、計(jì)數(shù)信號(hào)、輸出。門限信號(hào)實(shí)際上是觸發(fā)信號(hào) —— 使計(jì)數(shù)器 工作或不工作；計(jì)數(shù)信號(hào)也即信號(hào)源，它提供了計(jì)數(shù)器操作的時(shí)間基準(zhǔn)；輸出是在輸出線上產(chǎn)生脈沖或方波。計(jì)數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時(shí)鐘頻率，高分辨率意味著計(jì)數(shù)器可以計(jì)更多的數(shù)，時(shí)鐘頻率決定了計(jì)數(shù)的快慢，頻率越高，計(jì)數(shù)速度就越快。 D/A 芯片測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 一般說(shuō)來(lái)，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動(dòng)程序，該程序控制采集卡的硬件操作，當(dāng)然這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序是由采集卡的供應(yīng)商提供，用戶一般無(wú)須通過(guò)低層才能與采集卡硬件打交道 [13]。 NI 公司還提供了一個(gè)數(shù)據(jù)采集卡的配置工具軟件 —— Measurement amp。 Automation Explorer ,它可以配置 NI 公司的軟件和硬件，比如執(zhí)行系統(tǒng)測(cè)試和診斷、增加新通道和虛擬通道、設(shè)置測(cè)量系統(tǒng)的方式、察看所連接的設(shè)備等。 圖 25 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的結(jié)構(gòu) 1． 緩沖（ Buffers） 這里的緩沖指的是 PC 內(nèi)存的一個(gè)區(qū)域（不是數(shù)據(jù)采集卡上的 FIFO 緩沖），它用來(lái)臨時(shí)存放數(shù)據(jù)。例如，你需要每秒采集幾千個(gè)數(shù)據(jù)，在一秒內(nèi)顯示或圖形化所有數(shù)據(jù)是困難的。但是將采集卡的數(shù)據(jù)先送到 Buffer，你就可以先將它們快速存儲(chǔ)起來(lái)，稍后再重新找回它們顯示或分析。需 要注意的是 Buffer 與采集操作的速度及容量有關(guān)。如果你的卡有 DMA 性能，模擬輸入操作就有一個(gè)通向計(jì)算機(jī)內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。不使用 Buffer意味著對(duì)所采集的每一個(gè)數(shù)據(jù)你都必須及時(shí)處理（圖形化、分析等），因?yàn)檫@里沒(méi)有一個(gè)場(chǎng)合可以保持你著手處理的數(shù)據(jù)之前的若干數(shù)據(jù)點(diǎn)。 下列情況需要使用 Buffer I/O： ① 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過(guò)了實(shí)際顯示、存儲(chǔ)到硬件，或?qū)崟r(shí)D/A 芯片測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 分析的速度。 ② 需要連續(xù)采集或產(chǎn)生 AC 數(shù)據(jù)（ 10 樣本／秒），并且要同時(shí)分析或顯示某些 數(shù)據(jù)。 ③ 采樣周期必須準(zhǔn)確、均勻地通過(guò)數(shù)據(jù)樣本。 下列情況可以不使用 Buffer I/O： ①數(shù)據(jù)組短小，例如每秒只從兩個(gè)通道之一采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。 ②需要縮減存儲(chǔ)器的開(kāi)支。 2．觸發(fā)（ Triggering） 觸發(fā)涉及初始化、終止或同步采集事件的任何方法。觸發(fā)器通常是一個(gè)數(shù)字或模擬信號(hào)，其狀態(tài)可確定動(dòng)作的發(fā)生。軟件觸發(fā)最容易，你可以直接用軟件，例如使用布爾面板控制去啟動(dòng) /停止數(shù)據(jù)采集。硬件觸發(fā)讓板卡上的電路管理觸發(fā)器，控制了采集事件的時(shí)間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進(jìn)一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)。當(dāng)某一模 擬通道發(fā)生一個(gè)指定的電壓電平時(shí)，讓卡輸出一個(gè)數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。采集卡等待一個(gè)外部?jī)x器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來(lái)后初始化采集卡，這是外部觸發(fā)。許多儀器提供數(shù)字輸出（常稱為“ trigger out”）用于觸發(fā)特定的裝置或儀器，在這里，就是數(shù)據(jù)采集卡 [11]。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集硬件、硬件驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)采集函數(shù)幾個(gè)部分組成。 數(shù)據(jù)采集硬件有多種多樣的形式。數(shù)據(jù)采集硬件的選擇要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合并考慮到自己現(xiàn)有的技術(shù)資源。 本設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用 National Instruments 多功能 I/O采集卡 NI PCI6221。 如下圖 26： 其性能指標(biāo)如下： － 16路單端模擬輸入 － 16bit分辨率 － 200kS/s采樣率 － 200kS/s磁盤寫入速度 －