嚴(yán)志華，張洺瑞

(重慶賽寶工業(yè)級(jí)研究院,重慶,401332)

1 模擬集成電路測(cè)試介紹

模擬集成電路是一種由電容、電阻、晶體管等元器件組成的模擬電路，將這些集合到一起進(jìn)行信號(hào)處理的集成電路。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備自動(dòng)化水平不斷提高，人們對(duì)于電子產(chǎn)品的質(zhì)量要求也更加多樣化。硬件電路作為電子信息的基礎(chǔ)載體，從最初的冗雜向集成化、小型化發(fā)展，設(shè)計(jì)技術(shù)及測(cè)試技術(shù)水平是決定該行業(yè)發(fā)展的重要依據(jù)。傳統(tǒng)集成電路測(cè)試方法無(wú)法滿足現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)要求，如針床測(cè)試技術(shù)受到電路引腳距離縮短的影響，測(cè)試結(jié)果缺乏有效性。并且各種新型封裝技術(shù)的普及，如球柵陣列（BGA）等，使得集成電路測(cè)試工作難以接觸物理引腳，進(jìn)而無(wú)法完成自動(dòng)化測(cè)試工作，在效率及準(zhǔn)確率上制約了集成電路發(fā)展[1]。

相較于傳統(tǒng)電路測(cè)試模式，模擬集成電路測(cè)試能夠?qū)﹄娐愤M(jìn)行不同程度的信息診斷，有效降低測(cè)試工作難度，增強(qiáng)電路測(cè)試結(jié)果的可觀測(cè)性?，F(xiàn)階段IEEE1149.4是模擬集成電路測(cè)試總線的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，主要是在模擬電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行邊界掃描測(cè)試，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。不過(guò)，模擬集成電路在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，還存在著一些困難：首先，模擬電路自身具備非線性問(wèn)題，且元器件容差變化較大，進(jìn)行模擬電路測(cè)試時(shí)考慮因素較多，增大測(cè)試復(fù)雜度。其次，模擬電路指標(biāo)的精準(zhǔn)度同傳統(tǒng)數(shù)字電路存在一定差異，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定上需要進(jìn)行學(xué)術(shù)定義。再次，目前模擬集成電路測(cè)試還沒有較為完善的故障模型，使得其實(shí)用化程度較低。最后，模擬集成電路中的模擬信號(hào)在時(shí)間層次上具有連續(xù)性，使得電路故障測(cè)試分辨率不高，影響診斷精準(zhǔn)度。

2 基于單測(cè)點(diǎn)的模擬集成電路測(cè)試

就測(cè)試節(jié)點(diǎn)而言，模擬集成電路測(cè)試可以劃分為單側(cè)點(diǎn)測(cè)試與多測(cè)點(diǎn)測(cè)試，其中前者是指在單一節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行被測(cè)電路故障診斷分析，常是在集成電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行激勵(lì)測(cè)試，并通過(guò)輸出信號(hào)情況判斷其物理特性，進(jìn)而完成集成電路故障分析,如圖1所示。而后者則是在模擬集成電路中選擇多個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)收集不同檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)電路的可測(cè)性進(jìn)行分析。常規(guī)模擬集成電路測(cè)試工作原理是在非正常運(yùn)行情況下，檢測(cè)某一故障信號(hào)的數(shù)據(jù)變化，這種判斷依據(jù)對(duì)于可測(cè)內(nèi)容較為有限，無(wú)法反映出整個(gè)電路中的故障類型，且在某些特殊工作狀態(tài)情況下，這種單制動(dòng)保護(hù)措施的應(yīng)用會(huì)遭到阻礙。例如在集成電路正常工作時(shí)，短暫中斷的高次諧波直流分量會(huì)對(duì)一些動(dòng)作進(jìn)行判據(jù)，受到TA飽和對(duì)電路電源差動(dòng)保護(hù)的故障影響，以及勵(lì)磁涌流的對(duì)沖作用[2]。

圖1 單測(cè)點(diǎn)方法的基本思路

基于單測(cè)點(diǎn)的模擬集成電路測(cè)試思路，需要在電路最終輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采樣，將正常電路狀態(tài)下的相應(yīng)數(shù)據(jù)作為參考進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。需要借助已有故障信息，進(jìn)行模擬集成電路制動(dòng)信息的選取、判斷、分析，從而確定整個(gè)電路的工作情況，以及實(shí)際故障點(diǎn)。模擬集成電路測(cè)試涉及到的內(nèi)容較多，針對(duì)不正常的單側(cè)點(diǎn)運(yùn)行信號(hào)，其表現(xiàn)出的故障類型及特征也不同，制定相應(yīng)的故障診斷方案。其核心思路是將正常狀態(tài)下的信號(hào)與故障狀態(tài)下的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，完成故障診斷工作。根據(jù)基爾霍夫定律可知，在集成電路診斷工作中，通過(guò)對(duì)交流正弦量的線性系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)各種穿越性電流的有效均值計(jì)算。如常見的模值制動(dòng)相量差動(dòng)保護(hù)，便是在整個(gè)電路系統(tǒng)中，計(jì)算各支路電流模值的和，將這個(gè)計(jì)算結(jié)果與比例系數(shù)進(jìn)行乘積計(jì)算，得到最終計(jì)算電路運(yùn)行數(shù)據(jù)，完成電路故障情況分析。

3 模擬集成電路故障診斷方法介紹

3.1 故障字典法

模擬集成電路故障字典法檢測(cè)環(huán)節(jié)，需要將電路各種故障狀態(tài)下的特征進(jìn)行記錄，與實(shí)際故障情況進(jìn)行對(duì)應(yīng)，從而形成故障字典。進(jìn)行電路故障診斷工作時(shí)，需要從集成電路中提取出故障特征，將此故障特征與仿真故障字典中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，從而獲得該集成電路的故障類型，完成故障診斷。故障字典法主要應(yīng)用于邏輯電路與時(shí)序電路，能夠?qū)崿F(xiàn)在一段時(shí)間內(nèi)的電路故障狀態(tài)記錄，應(yīng)用非同步采樣方法，結(jié)合FFT算法，完成故障信號(hào)采樣工作，當(dāng)下一個(gè)電氣狀態(tài)到來(lái)時(shí)，會(huì)在之前的用電狀態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行記錄。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的故障字典數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，將1分鐘平均電流作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，完成用電信息采集系統(tǒng)同擴(kuò)展后的電流數(shù)據(jù)塊結(jié)合的形式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于所有內(nèi)存信息的儲(chǔ)存管理，即使在非正常用電狀況下，也能夠保留相關(guān)狀態(tài)信息的有效性，如圖2所示。就現(xiàn)階段而言，故障字典法是最具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的模擬集成電路故障診斷方法，其工作內(nèi)容主要集中在側(cè)前仿真環(huán)節(jié)，只需要將檢測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，就能得出故障類型，所以診斷速率較快，適用于多種工作場(chǎng)合[3]。

圖2 故障特征類型提取

3.2 小波變換法

“小波”這一概念最早是由Morlet和Grossman于上世紀(jì)80年代提出，其名稱來(lái)源于法語(yǔ)中的“ondelette”，翻譯為中文即“小波”，在英語(yǔ)中，因?yàn)椤皁nde”被改成了“wave”，因此其整體詞匯變?yōu)椤皐avelet”。小波變換理論是指一種利用長(zhǎng)度不同、衰減效率不同的“母小波”的震蕩信號(hào)形成的信息內(nèi)容，來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)哪康?。作為一種新型時(shí)頻分析方法，它能夠在電路信號(hào)高頻時(shí)具有較高的時(shí)間分辨率，在電路信號(hào)低頻時(shí)具有較高的頻率分辨率，基于這種特定能夠觀測(cè)到集成電路的信號(hào)細(xì)節(jié)，并將其進(jìn)行不同頻率的分解，完成信號(hào)識(shí)別處理。

一般來(lái)說(shuō)，小波變換法在模擬集成電路測(cè)試中的應(yīng)用主要分為兩種類型，即“離散型小波變換”與“連續(xù)性小波變換”，這兩種小波變換法的主要區(qū)分點(diǎn)，是連續(xù)性小波變換能夠在所有可能的縮放和平移上操作，而離散性小波變換采用所有縮放和平移值的特定子集。由于小波變換概念自身的特殊性，所以其常用于多個(gè)電路測(cè)試系統(tǒng)研究項(xiàng)目，其可以視為時(shí)域頻域表示的形式，結(jié)合整體信號(hào)傳輸?shù)恼{(diào)和分析，實(shí)現(xiàn)有刺激性的響應(yīng)信號(hào)檢測(cè)的濾波器段，利用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu)成CWT的原理制約，也就是說(shuō)，小波變換法可以在測(cè)不準(zhǔn)原理的情境中完成電路測(cè)試，這使得小波變換法在電路故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。

4 基于單測(cè)點(diǎn)的模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 測(cè)試算法設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)核心思路是在Matlab編程技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成單側(cè)試點(diǎn)的模式下進(jìn)行集成電路故障測(cè)試，其算法思路是將電路無(wú)故障狀態(tài)下的情況轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，利用調(diào)制濾波器組進(jìn)行子帶分解，得到多個(gè)頻帶下的子信號(hào)，通過(guò)采集故障響應(yīng)序列進(jìn)行子帶分解處理，從而提取到有用的信息。結(jié)合函數(shù)自相關(guān)序列積分值等故障特征，將其與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而完成單側(cè)點(diǎn)模擬集成電路故障診斷。多通道濾波器組子帶濾波算法應(yīng)用環(huán)節(jié)，需要考慮到測(cè)試系統(tǒng)自身的耦合度，針對(duì)不同信號(hào)頻率狀態(tài)呈現(xiàn)出的不同故障特征，在非線性控制及多個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)中，精準(zhǔn)構(gòu)建信號(hào)控制規(guī)律。模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可能受到一定專業(yè)因素限制，如原信號(hào)分解后的子帶信號(hào)所具有的能量不同，因此需要對(duì)其進(jìn)行不同的處理，避免出現(xiàn)混疊使得原有信號(hào)頻帶被占滿。通過(guò)對(duì)低通原型濾波器進(jìn)行調(diào)制，得到多通道調(diào)制濾波器組，并依次進(jìn)行專業(yè)化學(xué)科分析，從而保證總體模型設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性?；趩螠y(cè)點(diǎn)的模擬集成電路測(cè)試方案，需要在方案可行性的基礎(chǔ)上，發(fā)揮單側(cè)試點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)電路故障測(cè)試優(yōu)勢(shì)功能互補(bǔ)，并且在電流信號(hào)靈敏、速動(dòng)等方面性能上的提高，在現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，同一電路測(cè)試系統(tǒng)配備不同測(cè)試原理判據(jù)成為可能[4]。

就本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的子帶濾波基本過(guò)程，首先是將測(cè)試響應(yīng)信號(hào)x混入子帶濾波器組：

在濾波器組分解處理完成后，其子帶信號(hào)變?yōu)椋?/p>

通過(guò)對(duì)不同子帶信號(hào)的診斷特征值提取，借助Matlab軟件進(jìn)行濾波器系數(shù)序列計(jì)算，將原始信號(hào)通過(guò)濾波器組得到各個(gè)子帶的輸出序列，利用故障字典法進(jìn)行結(jié)果比對(duì)測(cè)試。

4.2 測(cè)試平臺(tái)構(gòu)建

整個(gè)模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)主要包括平臺(tái)硬件及測(cè)試軟件兩部分，其中平臺(tái)硬件又包括應(yīng)用接收機(jī)組件、發(fā)射機(jī)組件、A/D數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊等。以A/D數(shù)據(jù)采集模塊為例，其主要作用是進(jìn)行電路信息接收模擬，通過(guò)不同頻率、幅度、回波延時(shí)，模擬不同頻率的輻射，并分別傳輸給接收機(jī)組件輸入通道，完成數(shù)字機(jī)組件輸出信號(hào)采集工作。在基于單測(cè)點(diǎn)的模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建中，發(fā)射機(jī)組件測(cè)試主要是檢測(cè)負(fù)載箱輸出情況，由于此輸出為一段短調(diào)制脈沖信號(hào)，當(dāng)信號(hào)加載完成后再進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。應(yīng)用接收機(jī)組件主要是進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)收發(fā)工作，通過(guò)模擬電路中各個(gè)系統(tǒng)之間的信號(hào)，完成信息交互。開關(guān)模塊能夠完成不同電源供電，并滿足切換信號(hào)采集通道的需求。而軟件部分則是進(jìn)行電路數(shù)據(jù)信息處理工作，區(qū)別于原始的“標(biāo)準(zhǔn)度”與“分辨率”進(jìn)行信號(hào)觀察，基于單測(cè)點(diǎn)的模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)中，信號(hào)傳遞過(guò)程較為平穩(wěn)，但在細(xì)節(jié)處的不連續(xù)性表現(xiàn)的也比較明顯[5]。

本實(shí)驗(yàn)采用無(wú)窮大系統(tǒng)模型。其比率差動(dòng)保護(hù)的門檻值為0.2In，AC交流中的CT額定值為1A，PT額定電壓為55V，整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓為家用DC220V。為了與仿真電路系統(tǒng)中的特殊故障及涌流測(cè)試相呼應(yīng)，該模型增加了空載合閘于故障變壓器，以及針對(duì)性的低諧波比勵(lì)磁涌流測(cè)試項(xiàng)目。基于單側(cè)試點(diǎn)電流計(jì)算方式為側(cè)相電流與零序電流之間的均衡測(cè)量方式，因此設(shè)定整體故障發(fā)生時(shí)，變壓器兩相差動(dòng)都有故障電流。實(shí)際測(cè)試環(huán)節(jié)，不同電路故障信號(hào)不同，經(jīng)過(guò)測(cè)量對(duì)比，其動(dòng)作延時(shí)最長(zhǎng)能達(dá)到150ms，但由于整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的故障電流較小，且對(duì)于整個(gè)故障信號(hào)測(cè)試動(dòng)作的完成時(shí)間沒有過(guò)多要求，因此這個(gè)延時(shí)可以接受。使用 PADS 軟件中的 Logic原理圖編輯工具建立原理圖，并完成PCB板布局布線導(dǎo)入，為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)流程，可以將電路板劃分為若干個(gè)不同的子電路獨(dú)立模塊，它們相互之間還可以互相連接，形成更為復(fù)雜的電路。

4.3 Sobol指數(shù)法與Matlab混合編程

Sobol指數(shù)法是由俄羅斯數(shù)學(xué)家Sobol于19世紀(jì)90年代提出的一種敏感性分析方法，并以個(gè)人名字進(jìn)行命名，其核心思路是通過(guò)方差分解，將整個(gè)模型分解為多個(gè)參數(shù)，并將這些參數(shù)進(jìn)行重新組合的函數(shù)，通過(guò)不同參數(shù)與參數(shù)集的方差計(jì)算，得出其對(duì)總輸出方差的影響，借此分析參數(shù)的重要性，以及不同參數(shù)之間的交互作用。而Matlab軟件自身具備強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算能力，以及較為完善的算法庫(kù)，同自然語(yǔ)言相比能夠在極短時(shí)間內(nèi)完成各種復(fù)雜計(jì)算，但自身對(duì)硬件控制能力較弱。因此將Sobol指數(shù)法與Matlab進(jìn)行混合編程，通過(guò)ActiveX技術(shù)，Sobol指數(shù)法在Matlab自動(dòng)化服務(wù)器功能中執(zhí)行代碼，并完成數(shù)據(jù)交換，從而進(jìn)行混合編程。過(guò)程中要將流有效值寄存器刷新率控制在一定范圍內(nèi)，一般為260ms-390ms完成單次刷新作業(yè)?？梢詫㈦娏d波通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)并與脈沖識(shí)別法相結(jié)合，強(qiáng)化用戶信息在線識(shí)別，將檢測(cè)與用戶識(shí)別工作融為一體，并利用手機(jī)APP進(jìn)行裝置操控及數(shù)據(jù)收集。這種方法能夠縮短系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)間，將軟件中的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、信息分析等工作，都以編程的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，保證數(shù)據(jù)類型匹配。Sobol指數(shù)法與Matlab混合編程應(yīng)用于模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)分析中，能夠直接準(zhǔn)確地反映出電路故障的實(shí)際需情況。在模型應(yīng)用環(huán)節(jié)，可以選擇定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合的方式，使得整體計(jì)算模式更加規(guī)范。數(shù)據(jù)信號(hào)分析時(shí)，需要考慮多的影響因素，并對(duì)矩陣進(jìn)行子域劃分，利用計(jì)算機(jī)等工具進(jìn)行輔助計(jì)算[6]。

4.4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

基于單測(cè)點(diǎn)的模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)作業(yè)時(shí)，需要注意電路系統(tǒng)中各種硬件設(shè)備使用安全情況，包括傳感系統(tǒng)、元器件、存儲(chǔ)介質(zhì)等。由于模擬集成電路自身的結(jié)構(gòu)特性，常會(huì)出現(xiàn)多次反射情況，這是因?yàn)殡娐坟?fù)載跳變時(shí)智能表MCU采樣、故障數(shù)據(jù)接收信息采集系統(tǒng)抄收不同步，造成數(shù)據(jù)檢測(cè)偏差，所以集成電路在線檢測(cè)定位時(shí)，所選擇的數(shù)據(jù)資料要以首次回波情況為準(zhǔn)。接收機(jī)測(cè)試軟件要模擬回波參數(shù)，對(duì)接收機(jī)組件上的增益進(jìn)行控制碼設(shè)定，并加載混頻信號(hào)完成模擬回波調(diào)制。電路測(cè)試系統(tǒng)要將接收機(jī)的模擬信號(hào)進(jìn)行處理，閉合第一通道開關(guān)，進(jìn)行模擬信號(hào)加載，可以利用接收機(jī)將信號(hào)幅度及頻率函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行電路故障數(shù)據(jù)檢測(cè)時(shí)，要采用A相電流數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定程度的由外至內(nèi)延伸情況，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的擴(kuò)展分析，以及故障電流數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，完成二次數(shù)據(jù)采集，配合手工測(cè)量的方法，確保電路故障在線檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。若這兩幀數(shù)據(jù)抄收存在時(shí)間差，現(xiàn)場(chǎng)用戶負(fù)載會(huì)出現(xiàn)跳變現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行有效識(shí)別，確定電路測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)的采集數(shù)據(jù)。