（检测技术与自动化装置专业论文）集成电路动态特性的时域参数测试.pdf

1 y f 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：挞氢数日期：z 。i o 年易月f 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：丛盖盐 导师签名：盔耋茎 日期：2 。i o 年i 月5 - 日 ， 1 ， 摘要 摘要 随着集成电路的发展，航空，交通，国防装备等各行个业对集成电路的需求更 大，它们的电路运行速率不断提高，对集成电路芯片的时域响应也提出了更严格 的要求。集成电路的时域参数测试作为集成电路芯片时域响应的检测手段，已经 成为集成电路自动测试系统中不可缺少的一部分，越来越受到集成电路测试行业 的重视。本文实现了一种对集成电路时域参数的测试仪器的研制，可以实现集成 电路时域相关参数的工业化测量，具有很好的通用性。 本文首先介绍集成电路测试发展状况以及集成电路测试中对时域参数测量的 意义，然后分析了集成电路测试系统中，对于时域参数测量的特殊性，并根据几 种通用的时域参数测试方法，选取了适当的测量方案，在此基础上，按照测量需 求，构件并实现了测量的硬件电路。根据硬件电路实现的功能，设计了底层驱动 函数，提供方便的硬件资源调用接口给用户和上层函数。为了方便用户对集成电 路芯片进行测量，本文设计了用于工程测量的操作界面程序。最后，文章给出了 测量数据报告，并对报告进行了分析，表明测量性能达到比较好的效果。此外， 本文总结了在设计中遇到的一些问题和采取的解决方案，为进一步的研究提供了 便利的条件。 本文设计的集成电路时域参数测量模块，已被某集成电路芯片制造企业使用， 使用效果表明测试稳定，效率高，通用性能好，成本低，适合国内集成电路生产 企业采用，具有较高使用价值。 关键词：自动化测试设备，时间数字转换，频率测量，时间间隔测量 a b s t r a c t 一- l - _ - - - - - _ - - - _ - - - _ _ _ _ _ _ - _ _ - - l - - - - _ _ - _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ 一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i t s ，t h ed e m a n df o ri cf o r ma v i a t i o n , t r a n s p o r t a t i o n d e f e n s ee q u i p m e n ta n do t h e ri n d u s t r ya r ei n c r e a s i n ga n dc i r c u i tr u n r a t e s c o n t i n u et oi n c r e a s e b e c a u s eo fa b o v e ，t h et i m ed o m a i nr e s p o n s eo fi n t e g r a t e dc i r c u i t c h i p sh a sb e e nm a d em o r es t r i n g e n tr e q u i r e m e n t s a s o n eo fi n t e g r a t e dc i r c u i tt e s t i n g a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ，t i m ed o m a i np a r a m e t e r so fi ch a sa t t r a c t e dm o r e a t t e n t i o n o n e o ft i m e d o m a i np a r a m e t e r so fi ct e s te q u i p m e n th a sb e e nr e a l i z e di nt h i sa r t i c l e ，w h i c h h a sag o o dv e r s a t i l i t y f i r s to fa l l ，b a s e do ni n t r o d u c e s t h ed e v e l o p m e n to fi cm e a s u r e m e n t ，t h e s i g n i f i c a n c eo f t i m ed o m a i np a r a m e t e r sm e a s u r e m e n th a sb e e n i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e n ，t h ea n a l y s i s o ft h es p e c i f i cp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s o ft i m e 。d o m a i n m e a s u r e m e n t si ni ct e s t i n gi sa l s of i n i s h e d a n d ，a c c o r d i n gt os e v e r a lc o m m o n l yu s e d t e s tm e t h o di nt i m ed o m a i np a r a m e t e r s ，t h ec o r r e c tm e t h o di ss e l e c t e dw i t ht h ea n a l y s i s b e s i d e s t h eh a r d w a r ec i r c u i ti sa l s oi m p l e m e n t e da sw e l la st h ed r i v e rf u n c t i o nw h i c h w i l lb ec a l l e db y1 , 1 s e to ro t h e rf u n c t i o n s t of a c i l i t a t eu s e r s ，au s e ri n t e r f a c ep r o g r a ml s a l s od e s i g n e di nt h i sp a p e r f i n a l l y , t h ep a p e rp r e s e n t st h em e a s u r e m e n td a t ar e p o r t i n g ， a n a l y s i sa n dr e p o r t sw h i c hs h o wt h a tt h em e a s u r e m e n t o fp e r f o r m a n c et og o o de f f e c t i n a d d i t i o n t h es u m m a r i z i n go fs o m ep r o b l e m sa n ds o l u t i o n si nt h ed e s i g na d o p t e df o r f u r t h e rs t u d i e sp r o v i d ec o n v e n i e n tc o n d i t i o n s t h ed e s i g n ，d e s c r i b e di nt h i sp a p e r , h a sb e e nu s e di np r o d u c ti no n eo fi c m a n u f a c t u r e r s ，a n dh a sag o o dp e r f o r m a n c ei ns t a b i l i t y , e f f i c i e n c y , v e r s a t i l i t ya n dl o w c o s t t h a ti st os a y , t h ed e s i g ni ss u i tf o rd o m e s t i ci cm a n u f a c t u r i n gf a c t o r y k e yw o r d s ：a u t o m a t e dt e s te q u i p m e n t ，t h et i m e - a i g i t a l c o n v e r t e r , f r e q u e n c y m e a s u r e m e n t ，t i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n t 一 目录 目录 第一章绪论l 1 1 集成电路产业发展1 1 2 集成电路测试发展2 1 3 集成电路自动测试系统功能简介3 1 4 集成电路时间参数测试3 1 5 本课题研究4 1 6 本文结构5 第二章设计分析6 2 1 集成电路测试系统设计6 2 2 时间测量部分设计9 2 2 1 测量时间的基本概念9 2 2 1 1 上升下降时间9 2 2 1 2 周期频率1 0 2 2 1 3 传输延迟1 0 2 2 2 时间间隔测量1 1 2 2 2 1 电子计数法1 l 2 2 2 2 模拟内插法1 1 2 2 2 3 延迟线法1 2 2 2 3 频率测量部分设计1 3 2 2 3 1 电子计数法测量频率1 4 2 2 3 2 频率电压转换法测量信号频率1 4 2 2 3 3 拍频法测量信号频率1 5 2 2 4 集成电路时间参数测量1 6 2 3 小结1 7 第三章时间测量的硬件设计1 8 3 1 信号激励设计1 8 3 2 通道设计2 0 1 目录 3 2 1 高阻抗通道设计2 0 3 2 2 测试通道设计2 1 3 3 比较电平设置2 l 3 4 控制逻辑设计2 4 3 5 时间测量部分设计2 6 3 6 频率测量2 8 3 7 信号高速采集部分3 0 3 8 通信控制3 2 3 9 小结3 4 第四章软件设计3 5 4 1 底层软件设计3 5 4 1 1 频率测量3 5 4 1 2 时间间隔测量3 6 4 1 3 信号采集4 0 4 2 软件校准4 1 4 2 1d a 的校准4 2 4 2 2a d 校准4 3 4 3 软件界面设计4 4 4 4 小结4 7 第五章结果分析4 8 5 1a d 采样结果分析4 8 5 2 频率测量结果分析5 0 5 3 信号周期测量5 1 5 4 上升下降时间测量5 2 5 5 延迟时间测量5 4 5 6 结果误差分析5 5 5 6 1 原理误差5 5 5 6 2 信号传输误差5 5 5 6 3 信号抖动误差5 6 目录 5 7 小结5 8 第六章总结与展望5 9 致谢6 0 文献资料6 1 攻硕期间取得研究成果：6 3 v ，。，_ l 4f：；。， 第一章绪论 第一章绪论弟一草绪化 1 9 5 8 年，美国德克萨斯仪器公司发明全球第一块集成电路后 4 】，随着硅平面技 术的发展，2 0 世纪6 0 年代先后发明双极型和m o s 型两种重要电路，创造了一个 前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴产业集成电路产业。 1 1 集成电路产业发展 美国、日本、韩国和台湾地区是当今世界集成电路产业的佼佼者，尤其美、日 和欧洲等国家占据产业链的上游，掌握着设计、生产、装备等核心技术。随着信 息产品市场需求的增长，尤其通过通信、计算机与互联网、电子商务、数字视听 等电子产品的需求增长，世界集成电路市场在其带动下高速增长【5 】。 近几年，中国集成电路产业取得了飞速发展。中国集成电路产业已经成为全球 半导体产业关注的焦点，即使在全球半导体产业陷入有史以来程度最严重的低迷 阶段时，中国集成电路市场仍保持了两位数的年增长率，凭借巨大的市场需求、 较低的生产成本、丰富的人力资源，以及经济的稳定发展和宽松的政策环境等众 多优势条件，以京津唐地区、长江三角洲地区和珠江三角洲地区为代表的产业基 地迅速发展壮大，制造业、设计业和封装业等集成电路产业各环节逐步完善【6 】。 2 0 0 6 年，中国集成电路市场销售额为4 8 6 2 5 亿元，其中i c 设计业年销售额为 1 8 6 2 亿元，比2 0 0 5 年增长4 9 8 。到2 0 0 7 年，中国集成电路产业规模达到1 2 5 1 3 亿元，同比增长2 4 3 ，集成电路市场销售额为5 6 2 3 7 亿元，同比增长1 8 6 。而 计算机类、消费类、网络通信类三大领域占中国集成电路市场的8 8 1 t 7 】。 随着集成电路的发展，集成电路芯片往往作为各种系统中关键部分使用，对于 芯片的好坏，对于系统的稳定性和可靠性有直接的影响。 良好的测试流程，可以使不合格的产品在投放市场之前就已经被淘汰，可以有 效果的提高产品质量，保证集成电路生产厂商信誉，树立企业的良好形象。对于 不合格产品的损失，也可以在被验证是合格的产品的售价里得到相应的补偿，用 户使用合格产品，也能减少损失，满足用户使用。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 集成电路测试发展 为了保证芯片的质量和性能，在集成电路的各个阶段都要进行检验和测试，以 保证每一步的正确性，大大节省了集成电路的开发设计周期，因此，集成电路测 试技术成为集成电路产业的三大支撑技术之一哺1 。 ， 二十年代六十年代，可以实现1 6 管脚数的测试，它采用手动或者开关的方式， 改变线路，器件连接，测试小型的芯片，它只能测量简单的直流参数，它是集成 电路生产中，一个简单的环节，对产品进行检测。对于生产厂商来说，都是自己 设计测试方案，自行设计测试仪器，只能简单测试，这个时期的测试产业还未形 成。 随后几年，随着计算机的发展，它逐渐运用于自动测试行业，测试芯片范围得 到相当大的扩展，开始大量测量中小规模集成电路，测量芯片的管脚数目得到扩 展，达到几十个。同时，随着计算机图形方面的研究深入，实现了少量管脚的数 字器件的低速图形测试的功能，可以快速，高效的设定器件测试条件，控制器件 工作。这个时期的集成电路测试仪，可以对芯片进行直流测试，也可以进行逻辑 测试，是集成电路测试行业的一次巨大进步。 七十年代末，大规模集成电路的广泛运用，推进了集成电路测试系统的进步。 需要测试大规模集成电路芯片，图形化测试速率得到提高，操作更为简单，测量 管脚突破到百，对c o m s ，t t l ，e c l 等各种不同电平电路，芯片，都可以进行测试。 进入八十年代，集成电路自动测试系统取得了更进一步的发展，这是集成电路 发展的第四代，可测量管脚数目的突飞猛进，测试速率不断提高。在这样的一个 环境下，集成电路测试的智能化水平得到长足发展，具备了计算机一些辅助设计 的方法，可以按照用户需要自动设定测试状态和测试向量圃。 随着现代集成电路测试仪器的发展，产生了b c 3 1 7 0 、i c t 一2 、3 1 9 0 等几大系统 的几十种型号，而国内的集成电路产品测试仪器，在测试技术和测试工艺上，与 国外同类产品仍然存在教大差距，而采用国外集成电路测试仪器，价格普遍偏高， 导致测量成本高居不下，对于集成电路生产产生了阻碍。作为第二大集成电路生 产国家，集成电路测试技术还相对落后，还有待于进一步的提高归1 。 2 第一章绪论 1 3 集成电路自动测试系统功能简介 集成电路自动测试系统测试电子芯片，是当今芯片测试行业的主要方式。采用 自动测试系统测量电子器件，可以有效提高测量效率，保证测量精度，有效提高 电子器件使用的稳定性和可靠性。现代集成电路自动测试系统应该包含几点功能： 1 ) 用户可以针对被测器件进行测试设计。 2 ) 对测量结果，可以有效分析处理。 3 ) 可以测量多种性能参数。 4 ) 可以测试出被测器件工作参数。 5 ) 测试速率快和定时器精度高。 随着集成电路从小规模集成电路到大规模集成电路，超大规模集成电路，到现 在发展成为芯片系统，集成度不断发展提高，对于集成电路测试系统也提出了新 的难题。 1 ) 集成电路设计规模迅速提升，测试向量数目的急剧增加，迫切需要有效的 测试设计，采用什么样的硬件电路和快速的测试算法以较小的硬件开销和 分析出所有的故障。 2 ) 芯片体积的减小，集成密度提高，要求测试系统能更好的处理故障模型， 串扰、电迁移和信号完整性问题。 3 ) 芯片的工作速度不断提升，数字信号在高速的数字通道上表现出复杂的模 拟特性，噪声随之引入，因而对测试系统提出了更高的设计要求。 4 ) 芯片测试的复杂度上升，需要测量的参数更多，精度要求更高。 1 4 集成电路时间参数测试 从集成电路芯片诞生开始，集成电路运行的频率飞速提高，从1 9 8 5 年的英特 尔8 0 3 8 6 问世，运行频率达到2 0 m h z ，到1 9 8 9 年4 8 6 微处理器达到2 5 m h z ，2 0 世 纪末，奔腾诞生，运行频率达到4 5 0 m i - i z 。芯片运行速率的提高，有效提高了 芯片的使用方便性，促进了相关技术的发展，也对集成电路芯片有了新的要求1 0 1 。 图卜1 采样点对信号结果影响 采样点】 意f 兰裟裟嚣慨啪醐张鳓意义，是系统正常运行，资源最优化利用的1 磊足口埕刚电蹭，具有很重要的 1 5 本课题研究 霉点褒爱辫一嚣裂鬻茎 ? 目。由于国外同级别的测试设备造价都相爵嘉；9 “毒三：言三要目竺竺 掣尊系统 萎量重兰麦三箬勰，一雷显蛊蔫篙嘉篡 统，可以有效满足国内公司测试需求，有效亲赢善：? 刷果础电婿目动测试系 ! 测量。在研制过程中，参阅了相关资料，分崭；菇￥i ：叼竺? 雪兰数进 翟誊产品的性能指标和测量原理，完成了对藁磊三矗关翟三喜羔二：! 竺之竺空外 竺竺硬件构成和软件界面设计。通过测试数嘉：磊；筹：茹：! 翟孽曼篓测量平 4 第一章绪论 1 6 本文结构 本文基于集成电路测试系统，介绍了对集成电路的时域相关参数的测试原理， 硬件设计构成和软件处理，校准等问题，为进一步研究如何高性能的测量集成电 路西指标，提供了一定经验和处理方法。 本文主要结构如下 第二章介绍集成电路测试仪的总体结构，以及对于时间间隔和频率测量的几 种测量方法，并确定在本系统中，对时域参数测试中所采用的测量方法。 第三章主要介绍了在集成电路测试中，对时域参数测量的主要硬件架构和主 要期间工作状态，另外，还介绍了系统的控制逻辑，分析了对各种时域参数测量 时的时序结构以及f p g a 实现等。 第四章主要介绍系统的软件，包括低层的驱动函数流程，软件对数据的传输 和数据的解析，也介绍了对一些硬件产生误差的校准。最后，简单介绍了测试软 件的界面和使用方法，以及它们的具体实现。 第五章对系统测量结果进行了统计，对误差的形成原因做了一定分析，对于 在实际工作中遇到的问题和解决方案做了归纳，为进一步研究提供了条件。 电子科技大学硕士学位论文 第二章设计分析 集成电路产业中，设计，制造，封装，构成了产业主体，而作为封装中最重要 的部分测试，则是集成电路生产中的最后一关。专业化的测试，是产品有效性和 稳定的保证。 2 1 集成电路测试系统设计 在集成电路测试中，需要测量模拟集成电路芯片，也需要测量数字集成电路芯 片，需要测量电压，电流等参数，也需要测量逻辑，时间等参数，为了保证各种 参数测量的准确，减少相互之间的影响，决定采用板卡式结构架构系统。即在背 板上插入不同板卡测量不同种参数，通过矩阵板与用户板相连接。在用户板上构 建芯片的工作电路，保证芯片工作在特定状态。如图2 1 示意 图2 - i 测量系统测量部分结构图 通过板卡式的结构，将测量系统设计成分可拆分形式，可以方便的实现各种测 量，将各个部分工作分开，便于对每种测量板卡的设计，保证各种参数测量之间 产生不会影响。通过不同板卡式的组合，可以方便的配制系统工作测量各种不同 芯片的多项性能指标。同时，由于采用板卡式的设计，也为系统提供了比较好的 扩展空间，通过对测量板卡的升级，可以更好的测量待测器件。 6 第二章设计分析 通信设计 在系统设计中，需要提供与上位机进行通讯，保证测量系统得到的结果，能准 确反映给用户，这里，我们采用p c i 插卡进行连接。如图2 2 集 成 用户 内电 操作 p c i 板 部路 界面 总 测 卡 线试 系 统 图2 - 2 测试系统整体结构图 在系统中，采用p c i 9 0 3 0 芯片将电脑数据线转换成为内部总线，内部总线选用 1 6 为数据总线和2 6 位地址总线，通过对高位地址译码，作为板块的选通信号，将 各个板卡在内部地址中影射为统一地址，便于上位机操作。在每块板卡上，输入 2 2 根地址线，用于每块板内数据的传输，这样的设计，可以在各个板卡的插槽中， 完成对任意板卡的控制，完成系统使用的通用性。 模拟参数测量 在系统构成中，对于模拟电路相关的参数的测量，采用模拟测量板进行。它可 以施加电压测量返回电流，施加电流测量电压，施加电压测量电压等多种模拟测 试模式，适合多个档位，多种精度要求。 出 图2 - 3 模拟参数测量硬件原理图 如图2 3 ，由数字信号输入，通过d a 转化为模拟信号，经过信号跟随，增大 7 电子科技大学硕士学位论文 驱动能力，然后经过档位设定信号放，驱动功率放大器放大信号功率后由驱动引 脚输出。为了保证信号输出的正确，稳定，防止外部电路电阻过小，引起电流过 大等问题，采用反馈采样的方式保证输出的稳定。 通过信号采样通道，采样输入信号，经过信号跟随，然后由分压电阻分压，传 输至a d 转换单元，取得测量结果的数字信号输出，最后传回用户。 数字逻辑测量 对于数字芯片来说，需要考虑的输入输出电流，阻抗大小，更重要的是，逻辑 功能的正确，为了保证芯片逻辑功能的正确，需要进行逻辑功能的验证。 为了保证用户逻辑正确施加，芯片输出逻辑被用户正确读取，选择使用电子引 脚的方案来实现。即用户编辑施加向量，然后存储于向量存储器中，然后按照时 钟，将解码后的向量由电子引脚输出。然后从芯片的输出引脚采集回信号，确保 芯片工作正常。由于不同的芯片对于每个引脚的定义不同，因此将引脚设计成为 可输出激励信号也可采集输入信号的双口模式，如图2 - 4 i 时钟发f _ 1 竺竺i 图2 4 数字电路测试系统设计 在对芯片进行测量的时候，第一步，通过对待测芯片的功能和性能分析，利 用向量编辑器编辑好向量。第二步，将编辑好的向量下载到向量存储器中，等待 时钟发生电路，按照预定格式，电压标准，通过k 1 输出到电子引脚产生激励信号， 第三步，激励信号和被测器件输出信号通过k 1 ，由引脚电路采集信号，然后输出 到逻辑比较器，与预先存储的向量进行比较，得到测量结果，存储于结果存储器， 最后将测量结果传输至计算机，提供用户使用 3 】。 第二章设计分析 2 2 时间测量部分设计 系统设计采用板卡式的结构，因此对于时间测量部分来说，需要独立设计时间 参数测量部分板卡，在这部分，需要测量由用户板传回信号的时间间隔，信号周 期等相关时间参数。 2 2 1 测量时间的基本概念 集成电路产品的时间参数测量主要体现在以下几个方面【l l 】： 上升下降时间 周期频率 传输延迟 2 2 1 1 上升下降时间 集成电路的上升下降时间，主要关系到芯片在产生逻辑变化的时候，信号跳 变边沿的陡峭程度，它在很大程度上依靠产品设计，制造工艺等影响，在实际工 作中，可能由于信号跳变边沿斜率不够，导致错误逻辑产生，抖动，甚至不震荡， 引起结果的错误输出，器件的损毁。 在集成电路中，上升沿定义为：信号由逻辑低电平跳变到逻辑高所耗费的时间。 在实际工作中，一般设定为低电平到高电平的1 0 到9 0 的电压变换时间，如图 2 5 ( 左) 。 下降时间定义为：信号由逻辑高电平跳变到低电平所耗费的时间。一般设定为 高电平的9 0 下降到1 0 所需要的时间，如图2 5 ( 右) 。 图2 - 5 上升下降时间示意图 9 电子科技大学硕士学位论文 信号的上升下降时间，直接影响都芯片在实际工作中的工作频率和外部接口 器件之间信号传输的速率，比较快速的跳变信号，可以有效提高电路工作频率， 提高工作效率【1 2 1 。 2 2 1 2 周期，频率 一个周期连续信号x ( t ) 具有这样的性质， 存在 x ( t ) = 工( f + 丁) 即存在一个正值t ，对于全部t 来说， ( 2 - 1 ) 我们称t 为x ( f ) 的周期。 在测量过程中，我们定义周期为：定义为当信号两次从相同相位穿越过同一电 平的时间。如图2 6 l 八八八八t uuvv 7 图2 - 6 周期信号示意图 频率定义：一个周期信号在1 秒时间内完成周期性变化的次数。如图2 7 l 八八八八八八t 一 ，、v v ，v ，u ，v v 一一 一1 秒时间内，信号振动的次数 一： l 图2 7 信号频率示意图 因此，存在关系 厂= ； ( 2 2 ) 2 - 2 1 3 传输延迟 信号传输延迟指的是信号从发送方传播到接收方所需要花费的时间。在实际测 1 0 第二章设计分析 量集成电路芯片延迟过程中，我们定义传输延迟为当信号输入芯片到芯片产生正 确逻辑输出的时间。 比如一个反向门，输入上升沿的话，输入将会产生一个下降沿。传输延迟时间 则可以认为是上升边沿有效至芯片输出下降边沿有效所耗费的时间。 2 2 2 时间间隔测量 时间间隔测量技术各个领域都有着非常重要的作用，因此，如何高精度测量出时 间间隔是测量领域一直关注的问题n 扣。各种方法也在时间间隔测量中得到广泛应 用。主要包括：电子计数法，模拟内插法，延迟线法等。 2 - 2 2 1 电子计数法 电子计数法是时间间隔测量中很通用的一种方法，它利用电子计数器对同步时 钟脉冲时间间隔进行计时，根据计数的个数得到时间间隔。它的优点是线性度好， 测量范围宽，但其精度主要受到同步脉冲时钟频率影响n 钔。测量原理如图2 8 所 示 待测量时间长度 厂 计数脉冲r r r nnn 门几! r 几r r 几厂 | 图2 8 电子计数法测量时间间隔 从图中可以看出，电子计数法测得的时间间隔t 和计数脉冲个数n ，以及计数脉 冲周期t 的关系为： t = 行t ( 2 3 ) 在计数的时候，存在需要计量时间长度并非标准脉冲的整周期情况，因此存在 1 个周期原理误差，即所计量时间t 和标准计量时间长度存t o 在+ l x t 的误差n 5 3 。 2 - 2 2 2 模拟内插法 模拟内插法广泛应用于短时间间隔测量。它通过短时间大电流对电容充电，然 后利用小电流放电的方式，将短时间内插扩展成为一段比较长的时间，对较长的 一段时间进行计数，最后得到短时间的长度n 引，原理如图2 9 。 电子科技大学硕士学位论文 待测量时间 电容电压 待测量时间长度t o lii 圹昆岳时问：r 孑丽磊磊再i 瓦夏_ 扩展后时间 i i 卫腱胭口 j 删区厘。 i 计数脉冲ir n 几几nn 几7 r n 厂 几厂 f 图2 - 9 模拟内插法测量时间间隔 在f 。时间，恒定的大电流，。对容易进行充电，然后再以恒定小电流，对电容 放电，花费时间为t ，那么，就有关系 t i = t o x i o t i o 一= 一 t i p ：t o i 为： 对于电流厶，i ，可以由外部电路控制，令其关系为： ( 2 _ 4 ) ( 2 - 5 ) j = mx l o ( 2 - 6 ) 将公式2 6 带入公式2 5 ，得到扩展后的时间长度f 与待测量时间长度f 。的关系 t = m f o ( 2 - 7 ) 模拟内插法，将短时间扩展成为较长时间进行测量，虽然对于扩展后的时间长 度f 的测量，也存在1 丁的误差，但是，转化为待测量时间如的误差为1 刍， 因此提高了时间测量的精度1 7 3 。 2 2 2 3 延迟线法 延迟线法测量时间延迟，是基于数字延迟单元的一种方法。具有数字化，集成 化，语言化，软核化等众多优点n 8 1 。 1 2 第二章设计分析 开始 停止 图2 一1 0 延迟线法测量时间 如图2 - 1 0 所示，测量时间的时候，将时间间隔转化为开始脉冲和停止脉冲。 开始脉冲到来的时候，脉冲在延时单元中传递，当停止脉冲到来的时候，由数据 锁存单元保存延时单元状态，然后由该状态得到时间间隔的长度n 钔。 在延迟测量中，延迟测量的最小分辨率由延迟单元决定。为了达到更高的分辨 率，必须使用更高精度的延迟单元啪1 。 另一种延迟线法为，使用开始脉冲在一路较慢延迟线中传递，然后采用停止信 号在另一路较快延迟线中传递，当停止信号追赶上开始脉冲时，将开始脉冲传递 状态锁定，通过开始脉冲被锁定状态，计算出时间间隔晗。 图2 1 1 双线延迟数据锁定不意图 这种延迟线锁定的方法，可以有效提高测量精度，它的最小分辨率为两个延迟 单元的差。如果开始脉冲传递的最小延迟单位为2 2 n s ，在停止脉冲传递中，延迟 单元为1 8 n s ，则该模块理论上可以分辨出0 4 n s 的误差。 采用该方式进行时间模块测量，需要使用大量的延迟单元乜剁，测量时间的长度 有限，并且不容易扩展，因此，在测量较长时间时，不益采用。 2 2 3 频率测量部分设计 频率定义为在单位时间内信号振动的次数，它和周期存在关系 厂= 吾( 2 - 8 ) 因此, - - p a 采用测量周期取倒数的方法得到。但是，对于周期不稳定的信号，在 电子科技大学硕士学位论文 测量过程中，会因为测量的偶然性等，导致测量误差过大，因此需要采用其他方 式进行测量。 2 2 3 1 电子计数法测量频率 采用电子计数法测量频率，即根据频率定义：在时间t 内，信号震动的次数为n ， 则信号的频率为 厂= 譬 ( 2 - 9 ) 设定一个标准的门控时间t ，然后通过计数器计量输入的脉冲个数为n ，然后可 以计算出信号的频率，如图2 1 2 输入信号 r 几几n 几几几几! r 几几n 几n 胎时间厂 一 图2 1 2 电子计数法测量信号频翠 采用电子计数法测量信号频率，因为门控信号与输入信号的不匹配和非整周期 的存在汹3 ，因此在计量过程中存在1 的计数脉冲误差，即计量得到结果存在误差 为 1 = 去 ( 2 1 0 ) 其中，t 为门控信号。由此可知：当门控信号越长，测量结果越精确，花费时 间也就更长。 2 - 2 3 2 频率电压转换法测量信号频率 频率电压转换法测量信号频率，采用信号每次通过比较电平时，触发一次脉冲， 通过脉冲控制单稳态电路对积分器进行充电，通过高精度a d 测量积分器电压，可 以得到输入信号通过比较器的次数，最后计算出输入信号频率，如图2 1 3 1 4 第二章设计分析 输入信号 脉冲信号 单稳态 输出信号 图2 - 1 3 频率电压转换 当信号输入后，形成的脉冲控制单稳态电路形成电压为v ，宽度为f ，频率为丘 的矩阵脉冲列u ( t ) ，通过积分电路后，可以知道积分输出的平均电压 忙吾班= 竿- v x z x 州( 2 - 因此，当单稳态电路一定时，积分输出平均电压u o 正比于信号输入频率f x 。 2 - 2 3 3 拍频法测量信号频率 将频率为厂的待测正弦信号与频率为届的标准信号直接叠加到线性元件上，合 成信号为u 的信号，则信号“的幅度随时间变化，而变化的频率等于信号尼与信号 厂之间的频率差，这种现象叫做拍频。利用这样的方法，测量信号u 的幅度变化频 率，可以得到待测信号与标准信号之间的频率关系，最后计算出待测信号频率。 如图2 - 1 4 l v 一fl | 图2 1 4 叠加信号频谱( 左) ，相近频率信号叠加包络( 右) 采用拍频法测量信号频率，测量精度很高，绝对误差为零点几赫兹，当测量信 电子科技大学硕士学位论文 号频率为1 0 k h z 时，测量精度可以达到1 0 - 5 以上。但是这样的测量方法，测量周期 长，测量仪器复杂，不易实现。 2 2 4 集成电路时间参数测量 集成电路时间参数测量，需要注意几个方面乜钔 高精度 随着集成电路发展，对集成电路时间参数要求越来越高，因此，对集成电路芯 片的测试工作，要求精度也更高。实现高精度的测量，是时间参数测量系统所急 待解决的问题。 高稳定，高可靠性 对于测试系统来说，高稳定性和高可靠性是一个测试系统正常工作的必须要 求。高稳定，高可靠性，在集成电路生产过程中，保证了芯片的优等率，减少了 在后期工作中，因为芯片工作的不正确，产生的各种不必要的损失。 高效率 集成电路的发展，极大的促进了社会的发展，对于集成电路的需求，也越来越 大，在每一个芯片上花费的时间，基本上在1 秒以内，必须完成直流，交流，数字 逻辑，时间参数等各方面的参数的测量，因此，测量的高效性能有效提高集成电 路生产的效率。 对于模拟内插法，能将测量精度有效提高，保证芯片的高精度，但因为对于电 容的充电中，存在非线性，无法完成连续性测量口钉，位于高效，高稳定等方面， 存在一定缺陷，因此，在测量系统中，不能使用。 对于延迟线法测量时间间隔，它的精度完全依赖于延迟单元的精度，测量效率 高，容易时间连续测量，但现在的延迟单元基本由可编程逻辑器件构成，对于温 度的太过于敏感，并且在恶劣环境下工作，会出现延迟不稳定等情况，在长时间 工作中，也无法胜任高可靠性的工作。 对于直接计数法测量时间间隔，逻辑简单，容易实现，可以有效提高测量速率， 在系统中，采用高达1 gh z 信号的计数器，其测量精度可以达至1 i n s ，足够时间对 于一般通用器件的时间参数测试。由于使用了外部高速计数器，因此可以实现长 时间，高稳定工作，可以有效保证测量结果的正确性。 集成电路测试中，对于频率信号的测量，要求在很短时间内测量出结果，并将 1 6 1 7 一 一 电子科技大学硕士学位论文 。- = 二一一 第三章时间测量的硬件设计 时间测量板，作为时间测量的主要测量部分，需要完成信号采集，通道构建， 逻辑控制和结果输出等方面功能。系统结构设计如图3 - 1 图3 一l 时间测量工作图 由系统发出激励信号，传输给待测器件，然后通过信号采集通道采集有效信号， 经过一系列的逻辑控制，转换为时间间隔，用于控制时间测量部分计数，最后计 数结果通过内部总线传输至电脑，提供用户使用。 3 1 信号激励设计 激励信号用于保证待测量芯片正常工作，并按照需要输出用户需要测试的逻 辑。在实际工作中，采用电子引脚的方式输出激励信号。 冈 1 生嚣r _ 一 i - j 1 储器广1 ，一 图3 - 2 激励信号引脚设计 第三章时间测量的硬件设计 如图3 - 2 所示，计算机通过最高运行速率为3 3 m h z 的p c i 总线与自动测试系统进 行通信，采用时钟发生器控制产生定时脉冲。从预存储的向量模块中格式化后的 向量输出到引脚电路，然后驱动被测器件，保证被测器件正常工作。其中，向量 存储器中保存向量预存储向量保证被测量器件能输出预定波形。 在对芯片进行测量的时候，第一步，通过对待测芯片的功能和性能分析，利用 向量编辑器编辑好向量。第二步，将编辑好的向量下载到向量存储器中，等待时 钟发生电路，按照预定格式，电压标准，通过k 1 输出到电子引脚产生激励信号， 第三步，激励信号和被测器件输出信号通过k 2 经过信号采集通道，传递至时间测 量单元，最后将测量结果传输至计算机，提供用户使用。 在该设计中，激励信号发出主要分为 时序产生模块 该模块主要用于产生精确的定时时钟，通过设置定时寄存器，控制各个定时时 钟的精确相位。该模块主要包含计数器和比较器。系统选择的向量执行的主时钟 和向量定时的高频时钟，计数器不断的加一计数，计数值与时沿寄存器的数值进 行比较，当相等是比较器输出高电平，否则为低。 测试向量格式化模块 该模块主要用于将测试向量按照一定格式输出到驱动引脚电路。测试向量的设 计主要用于控制芯片工作的状态和工作时序等。可以正确保证芯片产生正常的工 作逻辑。 e l k 囡e x c i t a t i o ns i g a d p i 耻v t 图3 3 单通道向量格式化模块输出 如图3 - 3 所示为单通道向量格式化输出。当向量数据为0 0 0 0 的时候，时钟触发 产生高电平输出，当数据为0 0 0 1 的时候，时钟触发产生低电平输出。 激励输出模块 在该部分，引脚电路将按照用户设定的有效电平，将格式化后的向量按照时序 模块产生的时钟进行输出。 1 9 电子科技大学硕士学位论文 3 2 通道设计 时间测量，特别是短时间测量，信号的采集相当重要，一般的信号传输，需要 保证通道中输入的信号完整的传递到信号的输出端，但在时间测量模块中，需要 保证各个信号在传递过程中耗费的时间严格相等，并且对通道信号不产生过大的 影响。 图3 _ 4 时间测量模块通道设计 如图3 - 4 所示，信号从通道1 ，通道2 进入，通过多路选择开关，确定该通道 信号作为启动时间测量模块或者停止时间测量模块。在工作中，通过设定启动电 压和停止电压，可以确定通道信号产生的有效电压，当达到有效电压的时候，发 出启动脉冲或者停止脉冲。 3 2 1 高阻抗通道设计 为了正确设定比较电压，保证测试的正确性，需要确定信号的电压范围，但是 由于信号采集的阻抗问题，很有可能引起信号的畸变，因此，设计高阻抗通道， 即通道3 用于信号采集，如图3 4 所示。 信号从高阻通道进入，采用2 m 电阻和2 0 k ，l o o k ，2 m 等3 个档位电阻分压采样 得到需要跟随的信号。保证输入阻抗5 v 档位阻抗为4 m ，2 0 v 档位阻抗也保证在 2 2 m ，高电压阻抗保证2 m 。 经过采样电阻得到采样电压后，由跟随电路增加驱动，然后放大，经过a d 驱 动电路，将单端信号转换为差分双端信号，提供a d 采样单元，保证采集，如图3 5 第三章时间测量的硬件设计 图3 - 5 高阻通道设计 通过信号跟随，可以有效果减少对外界信号的影响，并且，提供足够的驱动能 力，保证在后面的电路正常运行。并且，可以将跟随后的信号传输至比较器，提 供触发。 3 2 2 测试通道设计 测试通道用于测量信号的上升下降沿，时间延迟等时间参数的信号采集。为 了保证信号上升和下降的快速性，设计通道阻抗为2 k 欧姆，采用1 5 k 和0 5 k 欧 姆电阻分压采样，提供1 0 v 和2 5 v 两种量程。如图3 - 4 所示。 当测量上升下降时间的时候，信号从通道1 或者通道2 单独进入，然后同时 进入启动比较器和停止比较器，因为预先设定的不同的启动停止电压，可以从两 个比较器发出的不同脉冲得到上升下降时间的准确时间间隔，并由时间测量模块 测量。 当测量延迟时间的时候，信号从通道l ，通道2 同时进入，通过预先设定开始 电压和停止电压，确定有效工作电平，当信号经