集成電路測試是對集成電路或模塊進行檢測,，通過測量集成電路輸出響應(yīng)與預(yù)期輸出進行比較,，以確定或評估集成電路元器件功能和性能的過程，是驗證設(shè)計,、監(jiān)控生產(chǎn),、保證質(zhì)量、分析失效以及指導(dǎo)應(yīng)用的重要手段[1],。數(shù)字集成電路DIC(Digital Integrated Circuit)測試是集成電路測試的一個主要分支,，是一種保障數(shù)字集成化芯片內(nèi)部電路質(zhì)量和邏輯功能完整性的測試，主要應(yīng)用于雙極型數(shù)字集成芯片（TTL系列）和場效應(yīng)型數(shù)字集成芯片（MOS系列）的檢測,。目前世界上高檔集成電路測試系統(tǒng)大都是日本和美國生產(chǎn)的,，如美國Credanceo公司推出的Vanguard系列和SAPPHIRE系列,日本Advantest公司研制的T600系列等。我國在半導(dǎo)體行業(yè)起步晚于發(fā)達國家,，芯片測試行業(yè)也是如此，國內(nèi)的大部分高端測試市場被國外的測試企業(yè)占據(jù),。購買國外的測試設(shè)備一般都價格昂貴,，隨著數(shù)字集成芯片的使用日益頻繁，急需一種應(yīng)用在中小型規(guī)模的數(shù)字集成電路檢測設(shè)備來保障其性能[2],，本文設(shè)計的虛擬數(shù)字集成電路測試儀就是從通用,、快捷、準(zhǔn)確,、廉價等幾個基本優(yōu)勢點出發(fā),，將其集成在吉林大學(xué)自主研發(fā)的VIIS-EM平臺上。VIIS-EM平臺的全稱為虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)(Virtual Instrument Integration System for Electronic Measuring)，它基于模塊化儀器的設(shè)計思想,，采用“一個控制器+多個功能模塊”的構(gòu)建方式,，方便了儀器的可重構(gòu)性，上位機采用LabVIEW軟件作為工具進行圖形化編程,，操作界面友好,自定義功能強大,方便于功能擴展[3],。文中詳細闡述了虛擬數(shù)字集成電路測試儀的設(shè)計理念和實現(xiàn)方案，重點論述了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和軟件處理方法,。并給出了實測結(jié)果,，驗證了儀器測試的可行性。

1 VIIS-EM平臺與DIC測試技術(shù)簡介
    VIIS-EM平臺機箱內(nèi)置了直流穩(wěn)壓電源和系統(tǒng)總線背板,。集成在系統(tǒng)中的功能模塊均采用標(biāo)準(zhǔn)的3U(3.94英寸×6.3英寸)尺寸進行設(shè)計,，各模塊均通過96腳的歐式連接器與系統(tǒng)背板相連，系統(tǒng)背板具有9個插槽,，從左向右依次為0號槽,、1號槽……8號槽。
    在檢測DIC芯片時,，需要依照一定的測試順序?qū)π酒M行檢測,，順序的合理性會使測試變得清晰，高效,。一般的數(shù)字集成電路測試順序為接觸性測試,、功能測試、直流參數(shù)測試及交流參數(shù)測試,。
   （1）接觸性測試,，隸屬于直流參數(shù)測試的范疇，目的是為了驗證芯片的各功能引腳是否正確連接,。測試原理為在被測器件所有管腳都接到地的情況下,，對被測管腳施加電流并測量相應(yīng)的電壓，通過得到的電壓值來判斷其連接性是否完好,。
   （2）功能測試,，驗證DIC芯片的邏輯完整性。通常有兩種方法可供選擇,，一種是金器件法,，一種是存儲響應(yīng)法。金器件即已知無誤的芯片,。測試時,，通過同時檢測被測器件和金器件，來對比判斷芯片的好壞,，這種測試方法具有依賴性,，不能獨立地進行測試操作,，故本設(shè)計采用存儲響應(yīng)法的測試原理，將輸入激勵值和輸出期望值都存入外部數(shù)據(jù)庫中,，測試時通過將實測值與期望值進行對比來判斷芯片的好壞,。
   （3）直流參數(shù)測試，對DIC芯片的管腳進行電壓電流測試,，只要芯片通過了這些測試,，就可保證其基本性能，對時間要求不是十分嚴(yán)格,。測試的項目主要有輸出高/低電平(VOH/VOL)測試,；輸入高/低電流(IIH/IIL)測試；輸入漏電流II測試,；輸出短路電流IOS測試,；電源電流測試等,；
    （4）交流參數(shù)測試,，主要檢測器件內(nèi)部的晶體管在轉(zhuǎn)換狀態(tài)時的時序關(guān)系，包括一些時間常數(shù),。本設(shè)計只針對芯片的功能測試和直流參數(shù)測試,，沒有包括交流參數(shù)測試部分,，故此處只做簡單介紹。
2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
    按層次結(jié)構(gòu)分,，系統(tǒng)可分為軟件應(yīng)用層,、設(shè)備驅(qū)動層和硬件物理層。應(yīng)用層使用LabVIEW軟件進行編程,，用于控制儀器和對采集的數(shù)據(jù)進行分析,、處理及顯示，同時LabVIEW中提供了“互聯(lián)接口”函數(shù)可動態(tài)地調(diào)用儀器驅(qū)動程序,。儀器驅(qū)動程序?qū)儆谏蠈域?qū)動,，在運行時與底層USB驅(qū)動進行交互通信，實現(xiàn)板卡識別,、消息傳遞等功能,。硬件物理層使用“微處理器+FPGA”進行數(shù)據(jù)接收、發(fā)送和譯碼,，并在前端搭建調(diào)理電路,，實現(xiàn)不同邏輯電平的輸出、微安級恒流源的輸出,、數(shù)模信號采集等功能。
3 虛擬數(shù)字集成電路測試儀硬件電路設(shè)計
    根據(jù)模塊化設(shè)計思想,，將整個系統(tǒng)的硬件部分分成總線接口通信模塊,、信號激勵模塊,、數(shù)據(jù)采集模塊三個部分。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。

    系統(tǒng)通過FPGA中自定義的雙口RAM電路實現(xiàn)與總線的接口通信,。系統(tǒng)上電時，微處理器負(fù)責(zé)初始化設(shè)備,，向雙口RAM中寫入配置信息,，配置信息通過系統(tǒng)總線傳輸?shù)娇偩€控制器；在儀器運行過程中,，若更改上位機控制命令,則模塊板卡的微處理器也會通過雙口RAM從總線控制器上讀取相應(yīng)的配置信息,。
3.2 信號激勵模塊
    信號激勵模塊可提供數(shù)字邏輯電平輸出和直流電壓/電流信號輸出。數(shù)字邏輯電平輸出用于驅(qū)動被測DIC芯片,，測試其邏輯功能,，本設(shè)計采用74LVC245A芯片轉(zhuǎn)換LVTTL電平為TTL電平，用來驅(qū)動被測TTL數(shù)字集成芯片,，對于CMOS型數(shù)字集成芯片,，由于其高電平最小輸入電壓大于TTL電路高電平最大輸出電壓，故不能直接用TTL電平激勵CMOS電路,在設(shè)計時采用外接4.7 k?贅上拉電阻將TTL輸出電平拉高,來驅(qū)動被測CMOS芯片,。
     為了對DIC芯片進行接觸性檢測和直流參數(shù)測試,，須對被測芯片提供必要的直流電壓/電流激勵信號。本設(shè)計采用BB公司的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC902搭建直流電壓輸出電路,，此芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù)為12 bit,，數(shù)據(jù)邊沿觸發(fā)鎖存，差分電流輸出,，加負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成直流電壓信號,，外接差分放大電路,將D/A差分輸出的±1 V轉(zhuǎn)為單極性輸出，同時將電壓放大2.5倍,，差分放大電路如圖2所示,。

    測試中所用的直流電流激勵信號要求微安級別，DAC902不滿足測試要求,設(shè)計中采用儀表放大器AD620和OPA602搭建出帶跟隨反饋的高精度微安級數(shù)控恒流源[4],，如圖3所示,。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊分為邏輯電平信號采集部分和直流電壓/電流信號采集部分，它們在FPGA中公用一條8位數(shù)據(jù)總線,，通過多路復(fù)用器進行模式選擇,。邏輯電平信號采集利用74LVC245A進行TTL/LVTTL電平轉(zhuǎn)換，輸出信號符合FPGA輸入電平標(biāo)準(zhǔn),，故直接采用FPGA進行LVTTL電平采樣;直流電壓/電流信號的采集使用ADI公司的雙8 bit高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9288BST-40,，前端調(diào)理電路進行電壓衰減和驅(qū)動放大，使其輸出電壓在A/D的允許范圍內(nèi),。
    采集到的邏輯電平信號和直流電壓/電流信號按每次8 bit數(shù)據(jù)緩存在FPGA的FIFO中,。FIFO緩存電路如圖4所示,，每個FIFO設(shè)置為2.5 KB的存數(shù)空間，寫速率時鐘wclk最高可以達到20 MHz,，即采集系統(tǒng)的最高采樣頻率,，F(xiàn)IFO的輸出端通過一個三態(tài)門實現(xiàn)數(shù)據(jù)的復(fù)用。

4 虛擬數(shù)字集成電路測試儀軟件設(shè)計
    系統(tǒng)上位機部分使用LabVIEW軟件進行編程,，主要分為前面板和程序框圖兩部分,。前面板即用戶界面，定義各種輸入控件和顯示控件,，用來設(shè)置儀器參數(shù)以控制儀器,；程序框圖包含各種功能函數(shù)，可進行數(shù)據(jù)的運算處理和通信,。以模塊來劃分,，本儀器的軟件部分主要分為數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)庫調(diào)用模塊和數(shù)據(jù)處理模塊,。
4.1 數(shù)據(jù)通信
    LabVIEW中集成了功能強大的數(shù)據(jù)接口通信函數(shù),，能實現(xiàn)上位機與硬件模塊的連接控制。本系統(tǒng)軟件通過CLF(Call Library Function)節(jié)點函數(shù)調(diào)用動態(tài)鏈接庫,。在發(fā)送命令消息時將LabVIEW中的數(shù)據(jù)類型映射為DLL文件中定義的數(shù)據(jù)類型,，實現(xiàn)命令參數(shù)的傳遞。同樣,，在數(shù)據(jù)采集時,，通過CLF節(jié)點函數(shù)將硬件模塊采集到的數(shù)據(jù)映射為LabVIEW數(shù)據(jù)類型， 以完成進一步的處理與顯示,。
4.2 數(shù)據(jù)庫調(diào)用
    無論哪種匯編語言,，都是在底層驅(qū)動的基礎(chǔ)上，利用ODBC或者DAO,、ADO調(diào)用API接口來操作數(shù)據(jù)庫的,。LabVIEW中集成了數(shù)據(jù)庫連接工具包，封裝了ADO(ActiveX Data Objects)的接口,，為數(shù)據(jù)庫的調(diào)用提供了編程環(huán)境,。本系統(tǒng)軟件即通過UDL建立數(shù)據(jù)源連接字符串，使用ADO模型調(diào)用Microsoft Office中的Access來實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作的,。Access數(shù)據(jù)庫中記錄了九類常用數(shù)字芯片的邏輯關(guān)系,，在初始化設(shè)定時，系統(tǒng)根據(jù)被測試芯片的芯片型號加載相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫,。在自動測試過程中,，根據(jù)數(shù)據(jù)庫表中建立的邏輯關(guān)系對芯片進行逐步激勵。并采集輸出邏輯信息,，與數(shù)據(jù)庫中期望值進行比對,，若邏輯值符合期望標(biāo)準(zhǔn)則測試通過,。
4.3 數(shù)據(jù)處理
     采集到的數(shù)據(jù)信息通過CLF節(jié)點傳遞到上位機軟件中，根據(jù)硬件FIFO存儲容量限制,，每路通道每次最大能讀取320 B數(shù)據(jù),16路數(shù)據(jù)存儲在一個具有5 120個元素的一維數(shù)組中。在數(shù)據(jù)顯示時,，通過“抽取一維數(shù)組”函數(shù)和“索引數(shù)組”函數(shù)將一維數(shù)組數(shù)據(jù)拆分為16組布爾量,，每組布爾量再轉(zhuǎn)換為“0，1”邏輯序列,，由數(shù)字波形圖顯示出來,。
5 數(shù)據(jù)顯示及實測結(jié)果
    圖5中顯示的是測試74LS02N芯片功能好壞的測試用例，以圖中面板中央位置顯示的真值表項為依據(jù),，虛擬數(shù)字集成電路測試儀順次給硬件模塊發(fā)送激勵信號,，作用于被測芯片，同時讀取采樣電平與數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)邏輯比對,，測試通過則顯示文本提示并點亮相應(yīng)的測試燈,，右下方進度條代表測試進度。

    圖6所示為74LS02N的直流參數(shù)的測試結(jié)果,，通過在芯片的各功能引腳處施加規(guī)定的電壓電流信號,，測量輸出的直流參數(shù)是否在允許的范圍內(nèi)來判斷芯片性能的好壞。測試時將74LS02N的PIN 4引腳開路作為異常情況測試,。

    采用VIIS-EM平臺下研制的虛擬數(shù)字集成電路測試儀,，通過反復(fù)的實驗測試，表明對于常見的74系列和54系列數(shù)字集成芯片,，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確快速地驗證其邏輯功能的正確性和完整性,，對于損壞的芯片能找出其問題引腳。系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于應(yīng)用了當(dāng)今最前沿的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計思想,，優(yōu)化了系統(tǒng)的設(shè)計,、調(diào)試以及維護[5]。采用以計算機為核心的虛擬儀器技術(shù),，替代了傳統(tǒng)儀器的部分硬件電路,，改善了傳統(tǒng)儀器笨重復(fù)雜等缺點，同時增加了儀器的可操作性和用戶的自定義功能,，在成本方面,，基于虛擬儀器技術(shù)來搭建的系統(tǒng)價格也得到了大幅度降低。另外,，本虛擬數(shù)字集成電路測試儀可擴展性強,，可在通用性基礎(chǔ)上進行功能提升、擴充,，具有豐富的可重構(gòu)前景,。由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的位數(shù)限制,，本儀器目前能夠?qū)崿F(xiàn)16位數(shù)字信號的采集，在未來的總線開發(fā)上還有待提高,。
參考文獻
[1] 高成, 張棟, 王香芬. 最新集成電路測試技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,，2009.
[2] WEST G L. A microcomputer-controlled testing system for  digital integrated circuits[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation, 1980,IECI-27(4).
[3] 阮奇楨. 我和LabVIEW[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.
[4] 胡波, 李波, 羅賢虎,，等. 微安級數(shù)控恒流源的設(shè)計[J]. 電子技術(shù),，2010(4).
[5] 吳忠杰, 林君. 虛擬測試系統(tǒng)中模塊化儀器關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 儀器儀表學(xué)報，2005(22):280-283.