謝義建，陳躍東

模擬集成電路測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

*謝義建，陳躍東

（安徽工程大學(xué)安徽省電氣傳動(dòng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000）

針對(duì)學(xué)校的集成電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一款模擬集成電路的測(cè)試儀。以單片機(jī)為控制核心，對(duì)幾種常用測(cè)試電路進(jìn)行處理、比較，并輸出判斷結(jié)果。使用按鍵進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的輸入，并通過(guò)液晶顯示器顯示輸出結(jié)果。同時(shí)輔以發(fā)光二極管對(duì)測(cè)試儀的狀態(tài)進(jìn)行顯示。介紹了測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)和軟件流程，實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)方案合理有效。

模擬集成電路;芯片測(cè)試;單片機(jī);液晶顯示器

0 引言

在信息化時(shí)代，以集成電路技術(shù)支撐的電子信息系統(tǒng)已成為電子信息化發(fā)展的根基和關(guān)鍵技術(shù)。隨著數(shù)字電路的發(fā)展，其在現(xiàn)代信息技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)得到了充分體現(xiàn)，應(yīng)用越來(lái)越廣。關(guān)于數(shù)字電路的測(cè)試技術(shù)也隨其應(yīng)用得到充分發(fā)展，并且由于數(shù)字電路模型相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，數(shù)字電路測(cè)試儀是比較常見的[1]。由于模擬電路的輸入和輸出都是連續(xù)的變化量，而且電路中元件的參數(shù)是連續(xù)量，同時(shí)各元件具有容差，這使得故障模型模糊化、復(fù)雜化，難以進(jìn)行簡(jiǎn)單的量化。最后，電流是模擬電路中的一個(gè)重要參數(shù)，但在實(shí)際測(cè)量中，除了輸入和輸出端口外，其他的節(jié)點(diǎn)電流并不可測(cè)，這也使得用于故障診斷的有關(guān)信息量減少，文獻(xiàn)[2]提出了直流測(cè)試法和交流測(cè)試法，很好的解決了故障診斷問(wèn)題，并能判斷電路的功能是否正常。

現(xiàn)有的集成電路檢測(cè)儀大多數(shù)都是數(shù)字電路檢測(cè)儀，模擬電路檢測(cè)儀比較少，針對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)經(jīng)常用到的0809，0832，2114，3524，LM324和LM347等幾種芯片的專門檢測(cè)儀更是基本沒(méi)有，因此開發(fā)一種針對(duì)這幾種常用芯片的測(cè)試儀是很有必要的。本文介紹了一種模擬集成電路測(cè)試儀可用于檢測(cè)這六種芯片的正常與否[3]。

1 測(cè)試儀硬件設(shè)計(jì)

圖1 測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖

模擬集成電路測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，該測(cè)試儀包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、按鍵電路、液晶顯示電路、指示燈電路和6種芯片測(cè)試電路。測(cè)試該芯片的電路是從各芯片的功能入手，給每個(gè)芯片都搭接了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的電路，然后給電路輸入一定的數(shù)字量或模擬量，再把輸出量經(jīng)過(guò)檢測(cè)設(shè)備處理后送回單片機(jī)，與單片機(jī)中預(yù)設(shè)的正確值進(jìn)行比較，如果結(jié)果一致或者接近，則證明芯片功能正常，否則芯片出錯(cuò)。該單片機(jī)中預(yù)先存放了6種芯片在給定輸入量并且正常工作時(shí)的輸出值，在接受到檢測(cè)設(shè)備輸入的被測(cè)芯片數(shù)據(jù)量時(shí)，會(huì)將2組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果2組數(shù)據(jù)結(jié)果一直或者基本接近，則控制液晶顯示電路顯示出OK。如果2組數(shù)據(jù)不一致或者差別很大，則控制液晶顯示電路顯示出NO。

1.1 CPU的選擇

采用Atmel公司的8位單片機(jī)89C55作為主CPU[4]，單片機(jī)輸入輸出接口圖如圖2所示，液晶顯示電路連接于單片機(jī)的P0輸出端，用于顯示單片機(jī)的檢測(cè)結(jié)果（OK或者NO）。按鍵電路包括選擇芯片按鈕、確認(rèn)按鈕和復(fù)位按鈕，分別接于單片機(jī)P1.0、P1.1和P1.2口，用于選擇測(cè)試芯片、確認(rèn)測(cè)試芯片和復(fù)位測(cè)試電路。指示燈電路為6個(gè)發(fā)光二極管，分別接于單片機(jī)P2.0~P2.5口，當(dāng)選中某個(gè)測(cè)試芯片時(shí)，該芯片對(duì)應(yīng)的指示燈亮起。

圖2 單片機(jī)的輸入輸出接口圖

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX197

MAX197 無(wú)需外接元器件就可獨(dú)立完成A/D轉(zhuǎn)換功能。它可分為內(nèi)部采樣模式和外部采樣模式，采樣模式由芯片的控制寄存器D5位決定。MAX197在本測(cè)試儀中的連接如圖3所示。

圖3 MAX 197管腳圖

1.3 基準(zhǔn)源電路

在高精度高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，一個(gè)精確的高電源抑制與溫度抑制的基準(zhǔn)電壓的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，其基準(zhǔn)電壓源的精度直接影響到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度。本測(cè)試儀中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)源電壓為5 V，由以MAX875為核心的基準(zhǔn)電路提供，電路圖如圖4所示。

MAX875是一種能提供精準(zhǔn)5 V基準(zhǔn)電壓的模擬芯片，線性度好，功耗低，并且輸入電壓范圍非常廣，可以是4.5 V～18 V的任意值。本測(cè)試儀中MAX875的輸出電壓被用作MAX197、0809和0832的參考電壓，為A/D、D/A轉(zhuǎn)換提供了高精度的基準(zhǔn)，保證了測(cè)試的準(zhǔn)確性。

1.4 地址譯碼器和地址鎖存器

地址譯碼器選用的是74LS138，另外配合一些或非門、或門一起構(gòu)成控制端，如圖5所示。

圖 4 基準(zhǔn)源MAX875

圖5 138控制圖

圖中A10、A11和A12接單片機(jī)的三個(gè)端口，由單片機(jī)編程選擇某一個(gè)芯片的控制端置低。/CS1和/CS2為顯示器控制端，/CS3為MAX197控制端，/CS4為0832控制端，/CS5和74LS32

構(gòu)成2114的讀寫控制端口，/CS8和74LS02構(gòu)成0809的控制端口，控制0809的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換口START和使能端OE。地址鎖存器選用74HC373，如圖6所示。

圖6 373引腳圖

1.5 電源部分

測(cè)試儀中所需電源（除基準(zhǔn)源外）共有三種，分別是＋24 V，±12 V和＋5 V，其中＋24 V為3524測(cè)試電路的輸入電壓，±12 V為運(yùn)放的工作電壓，＋5 V為芯片的工作電壓。＋24 V電壓是由一個(gè)AC/DC電壓轉(zhuǎn)換器得到的，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器把日常生活用的220 V交流電轉(zhuǎn)換成＋24 V直流電。±12 V電壓是由一個(gè)DC/DC電源模塊提供的，它把＋24 V電壓轉(zhuǎn)換成±12 V。＋5 V電壓是由一個(gè)以LM2576為核心的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換得到的，它把24 V轉(zhuǎn)換成＋5 V。＋24 V轉(zhuǎn)±12 V和＋24 V轉(zhuǎn)＋5 V的電路圖分別如圖7和圖8所示。在一定輸入電壓和輸出負(fù)載條件下，保證輸出電壓的±4%誤差，以及振蕩器頻率的±10%誤差。

Fig. 7 24 to ±12 circuit diagram

圖 8 24轉(zhuǎn)5電路圖

2 芯片檢測(cè)電路

2.1 3254測(cè)試電路

3524內(nèi)部方框圖如圖9所示。

圖9 3524內(nèi)部方框圖

輸入直流電壓U1從15腳進(jìn)入分兩路：一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電源穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的＋5 V基準(zhǔn)電壓。＋5 V再送到電路其他部分作為電源，＋5 V也可從16腳引出作為其他用途。在振蕩器部分的7腳上外接電容C，6腳外接電阻R，通過(guò)調(diào)節(jié)C和R的數(shù)值即可得到所需的振蕩頻率。振蕩器的輸出分為兩路：一路以時(shí)鐘脈沖的形式送到雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及或非門；另一路以三角電壓的形式送到比較器的一個(gè)輸入端。誤差放大器實(shí)際上是一個(gè)差分放大器，它有兩個(gè)輸入端：1腳為反相輸入端；2腳為正相輸入端，這兩個(gè)輸入端根據(jù)開關(guān)電路的具體情況，一端連到電源輸出電壓的取樣電路上（取樣電壓約為2.5 V），另一端連到16腳的分壓電路上（取得約為2.5 V），誤差放大器的9腳可外接電容及電阻進(jìn)行頻率補(bǔ)償。誤差放大器的輸出送到比較器的一個(gè)輸入端，與比較器的另一個(gè)輸入端的三角波電壓比較，從而在比較器的輸出端出現(xiàn)一個(gè)隨誤差放大器的輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的另一個(gè)輸入端。最后在輸出晶體管1和2上分別出現(xiàn)二串寬度變化相同但相位相隔180°的脈沖。

3524測(cè)試原理圖如圖10所示。

圖10 3524測(cè)量原理圖

3524的測(cè)試主要是根據(jù)它的芯片原理搭接以上電路圖，通過(guò)測(cè)量輸出端電壓值，來(lái)判定芯片的正常與否。

2.2 0809的測(cè)試電路

0809的管腳功能表如表1所示。

表1 ADC0809功能表

模擬輸入通道與地址對(duì)照表如表2所示。

表2 模擬輸入通道與地址碼對(duì)照表

0809測(cè)試電路圖如圖11所示。

圖11 0809測(cè)試原理圖

給0809的八個(gè)模擬量輸入端輸入一個(gè)相同的電壓值，經(jīng)過(guò)單片機(jī)送控制信號(hào)，使A、B、C三個(gè)端口從000變化到111，即依次選通八個(gè)模擬量輸入口，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)換后的值送回單片機(jī)。該值與單片機(jī)中預(yù)存的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。如果返回值和標(biāo)準(zhǔn)值的差值在0809轉(zhuǎn)換的誤差之內(nèi)，則芯片正常，否則出錯(cuò)。

3 測(cè)試儀軟件設(shè)計(jì)

圖12 軟件流程圖

測(cè)試軟件流程圖如圖12所示。以LM324測(cè)試為例具體說(shuō)明。如圖13所示為L(zhǎng)M324測(cè)試電路，通過(guò)改變可變電阻器的阻值調(diào)節(jié)輸入LM324的電壓值的大小。芯片中四個(gè)放大器通過(guò)電阻和導(dǎo)線相連成一個(gè)整體的放大器，輸入電壓通過(guò)此放大器處理后，輸出一定電壓值。圖中R11至R14，R17至R20都設(shè)成10 K，即每個(gè)運(yùn)放都變成一個(gè)跟隨器，如果芯片正常，最后芯片輸出電壓值應(yīng)與輸入值相等。14管腳的輸出值通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化器MAX197轉(zhuǎn)換后，變成數(shù)字量送入單片機(jī)，與單片機(jī)中預(yù)存的正確值相比較，如果一致則芯片正常；否則，芯片出錯(cuò)。其余5種芯片也均有一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)其功能的電路，通過(guò)在單片機(jī)中對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證比較測(cè)試出芯片的正常與否[5]。

圖13 模擬集成電路測(cè)試儀中的LM324測(cè)試電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的模擬電路測(cè)試儀能對(duì)幾款常用芯片的功能進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)指示燈判斷芯片的正常與否。在常溫（26 ℃）狀態(tài)下，使用UT55萬(wàn)用表對(duì)ADC0809、SG3524兩款芯片進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

測(cè)量數(shù)據(jù)表明，當(dāng)用萬(wàn)用表檢測(cè)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換后的電壓值時(shí)，理想的電壓值為5 V，誤差范圍為±0.3，因此ADC0809中的第一組數(shù)據(jù)在誤差范圍之內(nèi)，芯片能正常工作；第二組數(shù)據(jù)超出誤差范圍，不能正常工作。同理可得，使用SG3524來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的5 V基準(zhǔn)電壓，誤差范圍為±0.1，第一組所測(cè)數(shù)據(jù)4.96 V滿足要求，芯片正常；第二組數(shù)據(jù)誤差太大，芯片已損壞。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一款針對(duì)實(shí)驗(yàn)室常用的模擬芯片檢測(cè)儀，繪制了硬件電路的原理圖和PCB，編寫了軟件程序，對(duì)3524、0809、LM324等幾款芯片進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)正確合理，基本能滿足實(shí)驗(yàn)室的常用需求，同時(shí)給教學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步研究提供了一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。

[1] Abdennadher S, Shaikh S A. Practices in mixed-signal and RF IC testing[J]. IEEE Design& Test ofComputers, 2007, 24: 332-339.

[2] 佘強(qiáng). 模擬電路測(cè)試方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程. 2004, 32(5):57-60.

[3] Rajsuman R. Can IC test learn from how a tester is tested[C].Pro-ceedings International Test Conference. 2002: 1186-1190.

[4] 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 3版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2005:80-90.

[5] 華成英, 童詩(shī)白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 4版. 北京:高等教育出版社, 2006:107-134.

[6] AbdennadherS, Shaikh S A. Practices in mixed-signal and RF IC testing [J]. IEEE Design&Test of Computers, 2007, 24: 332-339.

[7] StopjakovaV, ManhaeveH, SidiropulosM. On-chip transient current monitor for testing of low-voltage CMOS IC[C].Proceedings on Design, Automation and Test in Europe Conference and Exhibition1999. 1999: 538-542.

[8] Rajsuman R. Can IC test learn from how a tester is tested[C].Proceedings International Test Conference. 2002: 1186-1190.

[9] 柯璇,肖運(yùn)紅,張緒寬.試析新型IC智能測(cè)試儀的原理、結(jié)構(gòu)及其使用方法[J].高等函授學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003, 16(4):43-45.

[10] 鄺繼順.數(shù)字集成電路電流測(cè)試技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2004.

[11] 劉明華.統(tǒng)一混沌系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)[J]. 井岡山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,33(4):57-60.

DESIGN OF THE TEST INSTRUMENT FOR ANALOG INTEGRATED CIRCUIT

*XIE Yi-jian，CHEN Yue-dong

(Anhui Polytechnic University，Anhui Key Laboratory of Electric Drive and Control，Wuhu , Anhui 241000, China)

In view of the teaching experiment in school, an analog integrated circuit tester is designed. Using the micro controller unit as the core, several kinds of commonly used test circuit are dealt with, compared, with the output displaying. Using keys for test data input, and through the LCD display shows the output. At the same time, led is complementary to display the tester’s status. Hardware design and software flow of test instrument are introduced, the experiment proves that the design scheme is reasonable and effective.

analog integrated circuit; chip test; micro controller unit (MCU); LCD.

G 642. 423

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2014.06.015

1674-8085(2014)06-0070-07

2014-03-28；

2014-07-18

安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2013A041）；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(AH201310363005).

*謝義建(1990-)，男，安徽安慶人，碩士生，主要從事運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)研究(E-mail: xieyijian123@163.com);

陳躍東(1956-)，男，湖北宜昌人,教授，碩士生導(dǎo)師, 主要從事電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)與檢測(cè)技術(shù)研究(E-mail: ydchen@ahpu.edu.cn).