韓 磊，馬 寧

（電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）

IC測試儀的數(shù)據(jù)采集及GUI的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓 磊，馬 寧

（電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院，四川 成都 610054）

為了快速精確測量模擬芯片總諧波失真，轉(zhuǎn)換速率等參數(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了一款基于模擬IC測試儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，模擬信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡后變成數(shù)字信號，根據(jù)數(shù)字信號進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測量，然后將結(jié)果通過控制板經(jīng)過PCI傳給上位機(jī)，將結(jié)果顯示在GUI中的Datalog中，硬件方面,測量精度為14位，最低采樣頻率為10MHz,誤差精度小于2%，軟件方面,采用多種方式設(shè)計(jì)AB-MS測試界面的顯示，確保界面使用的多樣性和便捷。通過實(shí)際測試芯片表明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)符合項(xiàng)目的要求。

模擬IC測試機(jī)；DIG；AB-MS界面；數(shù)據(jù)采集；Datalog;圖形用戶界面

科學(xué)是從測量開始的，集成電路(IC)測試是芯片從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)加工成成品環(huán)節(jié)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，隨著IC芯片性能和集成度的不斷提高，對測試芯片的技術(shù)要求也越來越高，就目前我國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，測試技術(shù)是整個(gè)流水線中最薄弱的環(huán)節(jié)[1]。部分公司還在使用上世紀(jì)七八十年年代的測試儀，沒有PC機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)，算不上真正意義的自動(dòng)測試儀，我國集成電路測試技術(shù)的研發(fā)設(shè)計(jì)起步較晚，但是經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展取得了較大的發(fā)展，逐步從單一的硬件和軟件系統(tǒng)到整機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)在我國的測試機(jī)系統(tǒng)主要還是集中在中低端及消費(fèi)電子中，如MP3，MP4，音頻處理器等等，高端的測試機(jī)比例還是較小并且在價(jià)格和可靠性方面和美國，日本還是有不小的差距[2]。公司今年剛購入的美國CAT8200測試儀系統(tǒng)可以同時(shí)測試32 site，是高性能測試機(jī)的典型代表；因此我國的集成電路測試技術(shù)還有很大的發(fā)展空間來滿足功能和集成度日益復(fù)雜的soc芯片[3]。

利用模擬IC測試機(jī)進(jìn)行芯片測試是目前芯片測試的重要手段;數(shù)字化儀是測試機(jī)系統(tǒng)的其中一個(gè)功能模塊[4]?？梢詫⑿酒敵龅哪M信號給數(shù)字化，從而使信號可以在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析和測量。功能版PCB采用8層板設(shè)計(jì)，采用Xilinx Spantan-6 FPGA作為邏輯控制器;利用其資源豐富，功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，可以確保設(shè)計(jì)的冗余性和可靠性。

1 采集卡硬件設(shè)計(jì)框架圖

采集卡硬件總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 采集卡硬件總體設(shè)計(jì)框架Fig.1 The frame of data acquisition card

1.1 硬件設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集卡，輸入是兩路差分或者四路單端信號；上位機(jī)發(fā)送給功能板的不僅有指令還有數(shù)據(jù)。采集卡的指令是32位，數(shù)據(jù)是32位。所謂的指令就是32位的地址，范圍： 當(dāng)指令為 時(shí)， 執(zhí)行峰峰值測量（Peak to Peak Voltage）；當(dāng)指令為F001時(shí),DIG執(zhí)行壓擺率也叫轉(zhuǎn)換速率（SR）測量，當(dāng)指令為F002時(shí),DIG執(zhí)行總諧波失真（THD）測量，依次類推；所謂的數(shù)據(jù)，是控制功能版上DAC產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，用以控制觸發(fā)電平，及PGA的增益。

系統(tǒng)的工作原理：1)根據(jù)模擬芯片要測試的項(xiàng)，在VC++6.0界面中調(diào)用功能板的指令編寫相應(yīng)的測試程序，編譯成功，保存。2)在GUI的生產(chǎn)界面中選擇1中編譯通過的測試程序，然后選擇運(yùn)行，那么指令和數(shù)據(jù)就可以發(fā)送到功能幫上進(jìn)行相應(yīng)的測量動(dòng)作，同時(shí)將測量結(jié)果讀到界面顯示出來。功能板接收到指令后動(dòng)作的過程：模擬信號經(jīng)過交直流耦合選擇開關(guān)后，進(jìn)入差分接收端，實(shí)現(xiàn)差分信號到單端信號的轉(zhuǎn)換。測量中采樣頻率不可能無限高也不需要無限高，因?yàn)槲覀冎魂P(guān)心一定頻率范圍內(nèi)的信號成份。為防止發(fā)生頻率的混疊，在對模擬信號進(jìn)行離散化采集前，輸入信號經(jīng)過抗混疊濾波器，實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)低通濾波器濾，濾去高于1/2采樣頻率的頻率成份。因?yàn)镻GA的輸入阻抗較小，會(huì)導(dǎo)致前一級的輸出電壓下降，所以要經(jīng)過一級隔離器后輸出到PGA(增益可編程)模塊，該模塊調(diào)節(jié)模擬信號的大小以匹配ADC芯片的輸入范圍的同時(shí)，使信號的幅度盡量達(dá)到ADC芯片的輸入最大范圍，這樣可以確保較高的采樣精度。ADC中的數(shù)據(jù)再輸入到FPGA中的FIFO中，再到存儲(chǔ)器SDRAM中。

至此，模擬信號的調(diào)理，濾波，采樣，數(shù)字化和存儲(chǔ)已經(jīng)完成。接下來根據(jù)存儲(chǔ)在SDRAM中的數(shù)據(jù)在FPGA中計(jì)算信號的峰峰值測量（Peak to Peak Voltage），壓擺率也叫轉(zhuǎn)換速率（SR）及總諧波失真（THD）參數(shù)的測量。然后，將測量參數(shù)的結(jié)果傳給控制板，控制板通過PCI傳給上位機(jī)，在GUI界面上的Datalog顯示出測試結(jié)果并保存。

1.2 數(shù)據(jù)采集卡的測量結(jié)果

模擬信號經(jīng)過ADC采樣后的數(shù)據(jù)送入到FPGA中的FIFO后存入SDRAM里面，從SDRAM里讀出的數(shù)據(jù)，如下表所示，誤差＜2%。滿足設(shè)計(jì)精度要求。如表1所示。

表1 采樣后得到的數(shù)據(jù)Tab.1 The sample data

2 軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 GUI設(shè)計(jì)框架

本設(shè)計(jì)屬于模擬測試儀的應(yīng)用層圖形界面設(shè)計(jì)。并與公司目前在用的AB-X用戶交互界面在運(yùn)行速度和占用資源上進(jìn)行了 對比。本程序包括自檢模式，工程模式，生產(chǎn)模式3個(gè)主要流程，下面重點(diǎn)介紹生產(chǎn)模式的設(shè)計(jì)，生產(chǎn)模式包含測試信息的顯示，測試結(jié)果的保存及定時(shí)器計(jì)時(shí)[5]。核心技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)在測試信息的顯示和測試結(jié)果保存兩個(gè)方面。GUI設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2。

圖2 GUI設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 The diagram of GUI design

2.2 核心技術(shù)的創(chuàng)新

1 )Datalog是芯片參數(shù)測試結(jié)果顯示窗口，國外的測試界面AB-X的Datalog顯示只有文本方式，且多顆測試芯片的信息均顯示在一個(gè)richTextbox文本中，對于信息的查找造成了困難。本設(shè)計(jì)Datalog顯示方式有兩種，一種保留的文本的方式，但是做了以下改進(jìn)，測試信息分Site顯示，這樣芯片的測試參數(shù)顯示就被清晰的分隔開，方便查找每顆芯片的參數(shù)。另一種就是表格的形式，使參數(shù)和單位，數(shù)值在表格中對應(yīng)起來，這樣更為直觀，使用效率極高。

2 )芯片設(shè)計(jì)廠商需要測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而找出設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)而幫助芯片設(shè)計(jì)的完善。AB-X測試界面的Datalog在測試完一個(gè)晶圓片上的芯片后再保存，保存格式只有txt格式，信息量混雜，不便于用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析而且測試過程中一旦出現(xiàn)死機(jī)，測量結(jié)果并不能保存，就不能給廠商提供信息反饋；為了解決此問題，本設(shè)計(jì)Datalog保存有兩種格式，一種保留了txt格式并且是實(shí)時(shí)保存，這樣即使死機(jī)，也會(huì)有測試結(jié)果保存。還有一種是excel格式，也是實(shí)時(shí)保存，用excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，十分便捷。

2.3 核心技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1 )進(jìn)程是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，Datalog顯示，需要開辟一個(gè)測量信息顯示線程，同時(shí)添加一個(gè)Timer空間來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示功能[6]。PC與探針臺(tái)是通過串口或者GPIB[7]進(jìn)行通信，以串口為例，首先，在該線程里再開辟一個(gè)進(jìn)程vProcess用來打開cmd命令窗口用來執(zhí)行測試程序。C#代碼:

將測量結(jié)果讀到string類型的變量feedback中，最后Timer控件實(shí)時(shí)將feedback中的信息傳遞到richTextbox顯示給用戶，Timer的間隔時(shí)間設(shè)置為1ms。對比結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 AB-X的Datalog界面Fig.3 The interface of AB-X Datalog

圖4 創(chuàng)新的Datalog界面Fig.The creative interface of Datalog

2）Datalog保存，主要完成對芯片測量信息的的保存。txt文件格式保存方法比較方便，直接調(diào)用C#中的Savefile類即可。保存為excel，就要調(diào)用C#中的Regex類的Match進(jìn)行字符的甄別選擇，讓有效的字符顯示和保存。

string name2=Rname2.Match(re).Value;然后調(diào)用 Savefile類中的 openFile，打開創(chuàng)建一個(gè)文件，然后 StreamWriter函數(shù)將數(shù)據(jù)寫進(jìn)文件中，最后調(diào)用Close函數(shù)關(guān)閉文件。如圖5所示。

圖5 創(chuàng)新的保存格Fig.5 The creative save format

3 結(jié)束語

通過基于模擬測試機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了硬件部分和軟件部分的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)際使用表明，硬件指標(biāo)：THD:＜-80dBc，SNR:＞ 80dBc，測量精度為 14位滿足指標(biāo)要求，軟件指標(biāo)：多顆并行測試，實(shí)時(shí)顯示和保存測試信息，速度提高20%滿足指標(biāo)要求。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能可靠。隨著芯片集成度的不斷增加及集成電路的發(fā)展速度越來越快，對硬件功能和測試機(jī)的速度提出了更高的要求，下一步工作目標(biāo)是：硬件方面添加溫度傳感器，把溫漂帶來的誤差考慮在內(nèi)一起校準(zhǔn)，軟件方面把現(xiàn)在能同時(shí)測4顆芯片的測試系統(tǒng)提高到同時(shí)測8顆芯片，使測試速度提高一倍。

[1]俞建峰，陳翔，楊雪英.我國集成電路測試技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展策略[J].中國測試,2009,35(3):1-5.

YU Jian-feng,CHEN Xiang,YANG Xue-ying.Integrated circuit testing technology situation and development strategy of Chia[J].Chia Measurement&Test,2009,35(3):1-5.

[2]孫波.基于PCI總線的高速數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2007.

[3]吳敏，張成遷，唐曉平，等.基于DP105高速數(shù)據(jù)采集卡的虛擬示波器設(shè)計(jì)[J].科技信息，2008（22）：71-72.

WU Min,ZHANG Cheng-qian,TANG Xiao-ping,et al.Design of virtual oscilloscope based on DP105 high-speed data acquisition card[J].Science Technology Information,2008(22):71-72.

[4]陳利彬，吳來萍，門濤.PCI Express接200MSps實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)[C]//2011中國儀器儀表與測控技術(shù)大會(huì)論文集，2011.

[5]向征，馬爭鳴.嵌入式人臉識別器的GUI設(shè)計(jì)[J],計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012,48(14):79-83.

XIANG zheng,MA Zheng-ming.GUI design of embedded face recognizer[J],Computer Engineering and Applications,2012,48(14):79-83.

[6]Nefian A V,Hayes M H.Face recognition using an embedded HMM[C]//IEEE International Conference on Audio Video Biometric based Person Authentication,1999:19-22.

[7]馬輝，邢超.基于LabVIEW的GPIB總線測控系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（24）：128-130.

MA Hui，XING Chao.Research of GIPB bus test and control system based on LabVIEW [J].Modern Electronics Technique，2012（24）：128-130.

Design and implementation of data acquisition card and GUI based on IC tester

HAN Lei，MA Ning
（School of Microelectronics and Solid-state Electronics,University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，china）

Data acquisition card is used to measure important parameters of analog chip automatically such as Total Harmonic Distortion and Slew Rate.Designed a data acquisition system based on analog IC tester Data acquisition card can convert analog signal to digital signal and according to the digital signal we can calculate parameters,the results send to principal computer through PCI Bus and show in Datalog of the GUI.Hardware index,measuring accuracy for 14,the minimum sampling frequency for 10 MHZ,error precision is less than 2%.Software index:measure multiple Site at the same time and include manual and automatic test.According to test chip actually,the system design indexes meet the requirements.

analog IC test machine;DIG;AB-MS interface;data acquisition;Datalog;GUI

TN06

A

1674-6236（2014）13-0091-03

2013-09-10 稿件編號：201309076

韓 磊（1987—），男，安徽亳州人，碩士研究生。研究方向：大規(guī)模集成電路系統(tǒng)。