【文章內(nèi)容簡介】 試成為 VLSI 設計費用中最高，難度最大的一個環(huán)節(jié)。據(jù)報道，測試費用可占到芯片制造成本的 50%以上，為了提高測試效率，近十年來，測試方法學的研究日益受到重 視。 在集成電路產(chǎn)品開發(fā)的整個流程中，可測試性設計對于提高產(chǎn)品可靠性和成品率是不可忽略的。因此，正確的設計并不能保證制造出來的芯片就一定能夠正常的工作。在制造過程中由于制造工藝和制造環(huán)境等多種原因，可能會使制造后的電D/A 芯片測試系統(tǒng)的設計 3 路出現(xiàn)各種各樣的物理缺陷問題，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)開路等，這些都會導致制造后的電路與預期的 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，可能會造成整個 PCB 維修甚至更換，這種更換的成本是相當大的，所以出場前進行完整的測試是相當重要的，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 芯片測試方法發(fā)展現(xiàn)狀 當前，數(shù)字處理系統(tǒng)正在飛速發(fā)展，在通信領域，過去無線通信系統(tǒng)的設計都是靜態(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。而軟件無線電技術 (SDR)能更加靈活、有效地利用頻譜，并能方便地升級和跟蹤新技術，大大地推動了 無線通信系統(tǒng)的發(fā)展。在高精度測量領域，高級儀表的分辨率在不斷提高，電流到達 μA量級，電壓到達 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，高級儀表的最小可測值在不斷地減小，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，在同一塊芯片上既有模擬電路又有數(shù) 字電路。為了完成復雜的系統(tǒng)功能，大系統(tǒng)中每個子模塊的功耗應盡可能地 。 課題研究內(nèi)容和研究方法 通過本設計所研究與設計基于 LabVIEW 的 D/A 芯片測試系統(tǒng)，針對 工業(yè)環(huán)境中各種干擾與沖擊的影響，在 D/A 芯片的設計投入使用前，需要對其進行模擬干擾環(huán)境下的測試 這一問題，進行數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。不但利用虛擬儀器技術開發(fā)出一種基于 LabVIEW 的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以對壓力、溫度、頻率移等參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集和處理，而且利用 LabVIEW 平臺的數(shù)據(jù)采集和測試系統(tǒng)來實現(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 芯片的測試系統(tǒng)設計，D/A 芯片測試系統(tǒng)的設計 4 其中主要包括靜態(tài)電壓參數(shù)的設計、動態(tài)電壓參數(shù)的設計、基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的設計。 在 LabVIEW 語言程序設計的過程中包括三個部分 :前面板、框圖程序和硬件電路，因此一個 VI 程序的設計主要包括前面板的設計、框圖程序的設計以及 DAQ卡的連接和調(diào)試。 1. 前面板 虛擬儀器的面板設計都在這個窗口中完成，并且在前面板中執(zhí)行對儀器的操作。應根據(jù)實際中的儀器面板以及該虛擬儀器所要實現(xiàn)的功能來設計前面板。前面板中主要由輸入控制器和輸出指示器組成。利用工具 模板來添加輸入控制器和輸出指示器。控制器使用戶可以輸入數(shù)據(jù)到程序 ,而指示器則用來顯示程序產(chǎn)生的數(shù)值。 2. 框圖程序 實現(xiàn)虛擬發(fā)生器的所有程序都在這個窗口中完成。程序相當于源代碼 ,只有在創(chuàng)建了框圖程序以后該程序才能真正運行。所以在設計好前面板以后 ,就要根據(jù)各個框圖之間的關系以及對數(shù)據(jù)的處理方法等設計框圖程序。對框圖程序的設計主要是對節(jié)點、數(shù)據(jù)端口和連線的設計。 3. DAQ 卡的連接和調(diào)試 DAQ 系統(tǒng)的基本任務是物理信號的產(chǎn)生或測量。但是要使計算機系統(tǒng)能夠測量物理信號，必須要使用傳感器把物理信號轉(zhuǎn)換成電信號（電壓或者電流信號）。有時不能把被測信號直接連接到 DAQ 卡，而必須使用信號調(diào)理輔助電路，先將信號進行一定的處理。總之，數(shù)據(jù)采集是借助軟件來控制整個 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。所以在設計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 DAQ 卡完成數(shù)據(jù)采集。 D/A 芯片測試系統(tǒng)的設計 5 第二章 總體方案設計 本設計所研究與設計是基于 LabVIEW的 D/A芯片測試系統(tǒng)， 針對 工業(yè)環(huán)境中各種干擾與沖擊的影響，在 D/A芯片的設計投入使用前，需要對其進行模擬干擾環(huán)境下的測試 這一問題，進行數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng) 。課題的研究內(nèi)容 主要包括靜態(tài)參數(shù)的設計、動態(tài)參數(shù)的設計、基于 LabVIEW的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的設計。 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換的設計 D/A 轉(zhuǎn)換的原理 D/A 是指數(shù)模轉(zhuǎn)換，就是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。將輸入的二進制數(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)換器實質(zhì)上是一個譯碼器。其輸出模擬電壓 0U 和輸入數(shù)字量 D 之間成正比關系。 REFU 為參考電壓。模擬電壓0U 與參考電壓 REFU 關系式如公式 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 基準參考電壓源 在 D/A 轉(zhuǎn)換器中，基準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 ? %，則基準電壓源至少滿足 ? %的要求。 D/A 芯片測試系統(tǒng)的設計 6 模擬開關要求斷開時電阻無限大，導通時電阻非常小，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算放大器，其作用有兩個：一個是對網(wǎng)絡中各支路電流進行求和，另一個是為 D/A 提供一個阻抗低、負載能力強的輸出。 DAC 的主要參數(shù)技術指標 1． 分辨率 —— 定義是最小輸出電壓（對應的輸入數(shù)字量只有最低有效位“ 1”） 最大輸出電壓（對應的輸入數(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)換特性是在零點及滿量程校準以后建立的。 圖 22 線性誤差 4．建立時間 建立時間是指 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 芯片測試系統(tǒng)的設計 7 時，其輸出模擬量值達到 LSB21? 范圍所需的時間。 當輸入數(shù)碼增加時， 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? ，輸出變化的百分數(shù)定義為溫度系數(shù)。 不同型號的 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 24～ 30V。 有二進制碼， BCD 碼 ，二進制補碼等。 輸入數(shù)字電平分別為“ 1”和“ 0”時所對應的輸入高低電平的起碼數(shù)值。 D/A芯片測試系統(tǒng)的設計 D/A 芯片外部連線如下圖 23 所示 D/A 芯片測試系統(tǒng)的設計 8 圖 23 D/A芯片外部連線 D/A芯片測試系統(tǒng)的設計步驟 實際設計中選用的方案， 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，通過十進制與二進制的轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字控制信號通過采集面板 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 。 D/A 芯片測試系統(tǒng)的設計 9 （ 3）：檢測端采集到的數(shù)字信號通過 D/A轉(zhuǎn)換出模擬信號與最初給定的模擬信號做對比，得出結(jié)論。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的介紹 一個典型的數(shù)據(jù)采集 卡 的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字 I/O、計數(shù)器 /計時器等，這些功能分別由相應的電路來實現(xiàn)。 模擬輸入是 采集 最基本的功能。它一般由多路開關 （ MUX）、放大器、采樣保持電路以及 A/D 來實現(xiàn)，通過這些部分，一個模擬信號就可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。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)實際需要的精度來選擇合適的 A/D。 數(shù)字輸出通常是為 采集 系統(tǒng)提供激勵。輸出信號受數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （ D/A） 的建立時間、轉(zhuǎn)換率、分辨率等因素影響。建立時間和轉(zhuǎn)換率決定了輸出信號幅值改變的快慢。建立時間短、轉(zhuǎn)換率高的 D/A 可以提供一個較高頻率的信號。應該根據(jù)實際需要選擇 D/A 的參數(shù)指標。 數(shù)字 I/O 通常用來控制過程、產(chǎn)生測試信號、與外設通信等。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)動能力等。如果輸出去驅(qū)動電機、燈、開關型加熱器等用電器，就不必用較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率。路數(shù)要能同控制對象配 合，而且需要的電流要小于采集卡所能提供的驅(qū)動電流。但加上合適的數(shù)字信號調(diào)理設備，仍可以用采集卡輸出的低電流的 TTL 電平信號去監(jiān)控高電壓、大電流的工業(yè)設備。數(shù)字 I/O 常見的應用是在計算機和外設如打印機、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”能力都是應理解的重要參數(shù)，應依據(jù)具體的應用場合而選擇有合適參數(shù)的數(shù)字I/O。 許多場合都要用到計數(shù)器，如定時、產(chǎn)生方波等。計數(shù)器包括三個重要信號：門限信號、計數(shù)信號、輸出。門限信號實際上是觸發(fā)信號 —— 使計數(shù)器 工作或不工作；計數(shù)信號也即信號源，它提供了計數(shù)器操作的時間基準；輸出是在輸出線上產(chǎn)生脈沖或方波。計數(shù)器最重要的參數(shù)是分辨率和時鐘頻率，高分辨率意味著計數(shù)器可以計更多的數(shù)，時鐘頻率決定了計數(shù)的快慢，頻率越高，計數(shù)速度就越快。 D/A 芯片測試系統(tǒng)的設計 10 一般說來，數(shù)據(jù)采集卡都有自己的驅(qū)動程序，該程序控制采集卡的硬件操作，當然這個驅(qū)動程序是由采集卡的供應商提供，用戶一般無須通過低層才能與采集卡硬件打交道 [13]。 NI 公司還提供了一個數(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)測試和診斷、增加新通道和虛擬通道、設置測量系統(tǒng)的方式、察看所連接的設備等。 圖 25 數(shù)據(jù)采集應用的結(jié)構(gòu) 1． 緩沖（ Buffers） 這里的緩沖指的是 PC 內(nèi)存的一個區(qū)域（不是數(shù)據(jù)采集卡上的 FIFO 緩沖），它用來臨時存放數(shù)據(jù)。例如，你需要每秒采集幾千個數(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起來，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。如果你的卡有 DMA 性能，模擬輸入操作就有一個通向計算機內(nèi)存的高速硬件通道，這就意味著所采集的數(shù)據(jù)可以直接送到計算機的內(nèi)存。不使用 Buffer意味著對所采集的每一個數(shù)據(jù)你都必須及時處理（圖形化、分析等），因為這里沒有一個場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。 下列情況需要使用 Buffer I/O： ① 需要采集或產(chǎn)生許多樣本，其速率超過了實際顯示、存儲到硬件，或?qū)崟rD/A 芯片測試系統(tǒng)的設計 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），并且要同時分析或顯示某些 數(shù)據(jù)。 ③ 采樣周期必須準確、均勻地通過數(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，例如每秒只從兩個通道之一采集一個數(shù)據(jù)點。 ②需要縮減存儲器的開支。 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)器通常是一個數(shù)字或模擬信號，其狀態(tài)可確定動作的發(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 /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間分配，有很高的精確度。硬件觸發(fā)可進一步分為外部觸發(fā)和內(nèi)部觸發(fā)。當某一模 擬通道發(fā)生一個指定的電壓電平時，讓卡輸出一個數(shù)字脈沖，這是內(nèi)部觸發(fā)。采集卡等待一個外部儀器發(fā)出的數(shù)字脈沖到來后初始化采集卡，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)動程序和數(shù)據(jù)采集函數(shù)幾個部分組成。 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)具體的應用場合并考慮到自己現(xiàn)有的技術資源。 本設計中的數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)設計要求選用 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 －