顧 翼

（武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205）

1 引言

通道傳輸延遲時(shí)間是集成電路交流參數(shù)（時(shí)間量）測(cè)量誤差的重要貢獻(xiàn)分量，因此在集成電路測(cè)試過程中，所有時(shí)間量參數(shù)的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度直接影響測(cè)試系統(tǒng)交流參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確度［1～4］。目前比較有代表性的測(cè)試通道傳輸延遲測(cè)量技術(shù)是時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)通過測(cè)量反射回波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間，來計(jì)算測(cè)試通道對(duì)信號(hào)傳輸所造成的延遲時(shí)間［5～7］。因此回波信號(hào)的完整性對(duì)傳輸延遲時(shí)間測(cè)量結(jié)果判定非常重要，而實(shí)際測(cè)量過程，測(cè)試系統(tǒng)的邊界條件會(huì)導(dǎo)致測(cè)試初始階段0ns～3ns區(qū)間內(nèi)的信號(hào)無法監(jiān)測(cè)。如果回波信號(hào)在這段時(shí)間內(nèi)已經(jīng)到達(dá)，則會(huì)出現(xiàn)首次回波信號(hào)漏測(cè)，而第二次回波到達(dá)時(shí)間被誤認(rèn)為是首次回波，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果判定出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。

2 測(cè)量信號(hào)的回波丟失

數(shù)字通道傳輸延遲測(cè)量技術(shù)是利用集成電路測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字通道現(xiàn)有的資源，由數(shù)字通道的驅(qū)動(dòng)端發(fā)送測(cè)試信號(hào)，通過數(shù)字通道的傳輸路徑后到達(dá)DIB的通道末端，產(chǎn)生一個(gè)相位和幅度相同的反射信號(hào)。反射信號(hào)沿原路徑返回，到達(dá)數(shù)字通道的比較端，入射信號(hào)發(fā)出和接收到反射信號(hào)的時(shí)間間隔，即為該數(shù)字通道的傳輸延遲時(shí)間，數(shù)字通道完成其傳輸延遲時(shí)間的測(cè)量［8～9］。原理如圖1所示。

圖1 通道傳輸延遲測(cè)量原理圖

一般集成電路測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)字通道物理長(zhǎng)度一般不超過1m，采用2ns脈寬的脈沖信號(hào)能滿足測(cè)試要求。實(shí)驗(yàn)以泰瑞達(dá)公司J750EX集成電路測(cè)試系統(tǒng)為平臺(tái)，對(duì)其測(cè)試通道傳輸延遲進(jìn)行測(cè)量。編寫測(cè)試程序配置脈沖高電平為1.5V，測(cè)試周期200ns，脈沖寬度為2ns，脈沖起始時(shí)間198ns，回落時(shí)間200ns；通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)取點(diǎn)建立回波信號(hào)如圖2。

圖2 回波信號(hào)波形圖

圖中回波信號(hào)左側(cè)虛線方框內(nèi)存在明顯的波形數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，丟失的數(shù)據(jù)中可能含有首次回波甚至二次回波。數(shù)字通道傳輸延遲時(shí)域反射測(cè)量過程中，受到集成電路測(cè)試系統(tǒng)邊界條件的影響，會(huì)導(dǎo)致回波數(shù)據(jù)丟失，稱為盲區(qū)，如圖3所示。由于盲區(qū)的存在，可能導(dǎo)致一個(gè)完整的首次回波脈沖信號(hào)無法接收，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤判。

圖3 盲區(qū)示意圖

測(cè)試通道以測(cè)試周期為單位，每個(gè)單位內(nèi)測(cè)試通道只能完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)或者比較測(cè)量信號(hào)功能中的一種功能，而不能在一個(gè)周期內(nèi)完成兩項(xiàng)功能。該約束條件取決于測(cè)試通道驅(qū)動(dòng)端和比較端共用同一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，如圖4所示。

一般對(duì)于一個(gè)測(cè)試脈沖信號(hào)來說最少需要2ns的信號(hào)時(shí)間才能讓脈沖信號(hào)足以升高到一定幅度，包含足夠的能力以滿足測(cè)試需要。這表示即使將測(cè)試脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)間安排在周期尾，到進(jìn)入下一個(gè)信號(hào)測(cè)量周期，也將出現(xiàn)至少2ns時(shí)間是無法接收信號(hào)的，也就是說盲區(qū)時(shí)間至少為2ns。如果測(cè)試脈沖的驅(qū)動(dòng)時(shí)間沒有安排在周期尾，則意味著更長(zhǎng)的盲區(qū)時(shí)間，例如：200ns的測(cè)試周期，在第196ns時(shí)間驅(qū)動(dòng)脈沖，則最后4ns的時(shí)間段，測(cè)試通道比較端無法工作，盲區(qū)時(shí)間持續(xù)4ns。

圖4 數(shù)字通道驅(qū)動(dòng)/比較端結(jié)構(gòu)

3 差分定位算法及波形恢復(fù)

為解決上述問題，需要對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。主要采用差分定位算法，可以補(bǔ)齊丟失的測(cè)量信號(hào)［10～15］，并從多次發(fā)生反射的信號(hào)當(dāng)中提取出有用的信號(hào)進(jìn)行分析得出測(cè)量結(jié)果。差分定位原理如圖5所示，分別進(jìn)行兩個(gè)狀態(tài)下通道傳輸延遲的測(cè)量工作。第一個(gè)狀態(tài)為待校集成電路測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試接口板處在空載，即終端開路反射狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)端（201）在設(shè)定時(shí)刻t=t0發(fā)出測(cè)試脈沖（207），通過通道的傳輸和終端的反射，由比較端（202）監(jiān)測(cè)到多次反射回來的回波信號(hào)（208），第一組回波信號(hào)（208）中兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔tPD1即為物理通道傳輸延遲值；第二個(gè)狀態(tài)為待校集成電路測(cè)試系統(tǒng)通過校準(zhǔn)適配器連接延遲線，且延遲線終端也處于開路反射狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)端（201）在同樣的設(shè)定時(shí)刻t=t0發(fā)出測(cè)試脈沖（207），由比較端（202）監(jiān)測(cè)到多次反射回來的第二組回波信號(hào)（210），回波信號(hào)（210）中兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔tPD1+tPD2即為第二個(gè)狀態(tài)中物理通道傳輸延遲值。

圖5 差分定位原理圖

在校準(zhǔn)過程中，需要測(cè)得的時(shí)間是經(jīng)過終端反射點(diǎn)第一次反射回來的回波到達(dá)時(shí)間Δt，實(shí)際上由

于各種原因，所測(cè)得的第一組反射回波的第一個(gè)脈沖不能確定地認(rèn)為是經(jīng)過終端反射點(diǎn)第一次反射回來的脈沖。通過差分定位計(jì)算，可以判斷所測(cè)得的第一組反射回波的第一個(gè)脈沖是否為所需要的第一次反射回來的脈沖。如果不是，則可計(jì)算并重構(gòu)出第一次反射回來的脈沖。計(jì)算過程如圖6所示。將圖5中得到的第一組反射回波和第二次反射回波時(shí)間坐標(biāo)軸對(duì)齊排列。其中第一組反射回波中的脈沖①所在的時(shí)間為t1，并且總能在第二組反射回波的各個(gè)脈沖中找到且只能找到一個(gè)脈沖，此脈沖所在的時(shí)間剛好滯后于脈沖①的時(shí)間為整數(shù)倍的tPD2，即tPD2或者2tPD2、3tPD2……。圖6中剛好找到脈沖③，其所在的時(shí)間t3滯后于t1的時(shí)間為2tPD2。此時(shí)，可以確定脈沖①和脈沖③均為各自反射回波中第二次反射脈沖。因此，脈沖①所在的時(shí)間t1-tPD1即為第一次發(fā)射脈沖⑤所在的時(shí)間t5，脈沖⑤和測(cè)試脈沖的時(shí)間間隔Δt即為被校數(shù)字通道的實(shí)際存在的通道傳輸延遲。

圖6 差分定位算法示意圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

根據(jù)差分定位算法，進(jìn)行波形恢復(fù)，以J750EX測(cè)試系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，所運(yùn)行的測(cè)試程序各項(xiàng)參數(shù)，脈沖起始時(shí)間 d0=-6ns，脈寬 2ns，幅度 VIH=3v。接收時(shí)間從r1=0ns開始。通過兩次測(cè)量分別取得如圖7所示的波形。

圖7中上部分波形是一號(hào)反射波，下部分波形是二號(hào)反射波。二號(hào)反射波較一號(hào)反射波增加是一段延遲為tpd2=9.7ns的同軸線，通過SMA接頭同通道連接。

由于盲區(qū)的存在不確定A點(diǎn)所在脈沖是不是首次回波信號(hào)脈沖。通過延長(zhǎng)通道tpd2，二號(hào)反射波的首達(dá)脈沖比一號(hào)反射波多走一個(gè)tpd2=9.7ns。次達(dá)脈沖應(yīng)該相差兩個(gè)tpd2的距離，19.4ns，以此類推……如果A點(diǎn)和B均為首達(dá)脈沖，則B點(diǎn)的時(shí)間應(yīng)滯后A點(diǎn)大約9.7ns，而A、B點(diǎn)之間1.45ns的時(shí)間差表明兩點(diǎn)不是同一次序的脈沖。圖中A、C兩點(diǎn)相差19.3ns，這兩個(gè)點(diǎn)所在脈沖應(yīng)該是次達(dá)脈沖。由此可以推出，一、二號(hào)反射波的首達(dá)脈沖分別為A點(diǎn)的前一個(gè)脈沖，和B點(diǎn)所在的脈沖。由于盲區(qū)的存在，所以圖中的第一個(gè)脈沖只能采到下降沿的那一部分，實(shí)線部分是通過計(jì)算而得到的虛擬波形。通過對(duì)比圖中的整個(gè)波形，很容易算出圖中的一號(hào)反射波的第一反射脈沖對(duì)應(yīng)的0.6V參考點(diǎn)所在位置應(yīng)該是D點(diǎn)所在的位置：－4.75ns。

圖7 差分定位脈沖波形圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過差分定位算法，恢復(fù)因盲區(qū)導(dǎo)致反射回波信號(hào)丟失部分的波形，解決了受邊界條件影響導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)數(shù)字通道傳輸延遲時(shí)間測(cè)量不準(zhǔn)確的問題。在J750EX測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)表明差分定位算法能夠在測(cè)試系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期。