邢澤全

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引言

隨著科技發(fā)展，半導(dǎo)體工藝水平不斷精進，芯片的尺寸越來越小，從而導(dǎo)致器件對單粒子效應(yīng)更為敏感[1-3]。單粒子效應(yīng)是由于空間帶電粒子穿過時與器件材料發(fā)生互相作用而產(chǎn)生電子-空穴對所引發(fā)的，包括單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子閂鎖（SEL）等等[4-8]。目前對單粒子效應(yīng)的測試都是采用在地面模擬空間環(huán)境，用重離子轟擊器件的方法。其中以單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的測試條件最為苛刻，需要真空環(huán)境，而每次抽真空需要很長的時間。因此需要單粒子翻轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng)具備多器件輪流工作、同時可以檢測每一只器件的翻轉(zhuǎn)次數(shù)的能力。由于每款器件的工作方式、輸入激勵、輸出模式都不相同，在傳統(tǒng)的設(shè)計中，每款器件都要單獨設(shè)計一套單粒子翻轉(zhuǎn)輻照試驗系統(tǒng)，這就導(dǎo)致在試驗過程中需要解決各個器件的電路連接調(diào)試以及拆裝等問題，嚴重影響試驗效率。針對這一問題，在此設(shè)計一種通用的數(shù)字電路測試系統(tǒng)，一次拆裝可進行3款器件、9只芯片（每款3只）的單粒子翻轉(zhuǎn)試驗。基于本系統(tǒng)，只需改動FPGA程序即可方便地開發(fā)新器件的試驗程序。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 試驗環(huán)境

因單粒子翻轉(zhuǎn)輻射源的特殊要求，試驗靶室內(nèi)需要真空環(huán)境，并通過特定接口將電源與信號引出，由試驗人員在觀察室遠程監(jiān)控試驗情況。具體實驗環(huán)境布置如圖1所示。

圖1 單粒子翻轉(zhuǎn)試驗環(huán)境

2.2 方案設(shè)計

2.2.1 接口設(shè)計

真空靶室內(nèi)能夠固定試驗板的面積有限，按照實際經(jīng)驗，同時安裝3種器件的試驗板進行試驗時，位置分配比較合理。試驗板與外部通信需要經(jīng)過轉(zhuǎn)接線連接。真空靶室對外部的轉(zhuǎn)接線的現(xiàn)有接口類型和數(shù)量如表1所示。

表1 真空靶室對外接口

試驗過程中，接線調(diào)試需要耗費大量時間。為了提高效率，采用1根DB50線來連接試驗板與外部監(jiān)控板。DB50線纜實物圖片如圖2所示。因同時有3塊試驗板，須為每塊試驗板分配2根網(wǎng)線，再將6根網(wǎng)線通過集線轉(zhuǎn)接板合并為DB50接口線。集線轉(zhuǎn)接板實物圖片如圖3所示。

圖2 DB50連接線實物圖

圖3 集線轉(zhuǎn)接板實物圖

2.2.2 試驗方案

單粒子翻轉(zhuǎn)測試方法主要有四種：靜態(tài)偏置測試法、黃金芯片比較法、準黃金芯片比較法和松散式耦合系統(tǒng)法。對于輸入信號并不復(fù)雜的數(shù)字電路而言，最常用的方法是黃金芯片法。它采用動態(tài)測試，有效避免了在真空環(huán)境中建立一套測試儀的麻煩。測試系統(tǒng)中，兩只相同器件被給予同步的輸入信號，一只器件被輻照，另一只（黃金芯片）避開輻照，用來和被輻照器件進行比較。當兩者輸出信號不一致時，則認為發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

單粒子翻轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng)框圖如圖4所示?？刂破鳛楸惠椪掌骷蛯Ρ绕骷峁┩降妮斎胄盘?，同時對兩組輸出信號進行對比，對比結(jié)果與輸出波形通過集線器傳輸?shù)奖O(jiān)控板上。監(jiān)控板對波形與翻轉(zhuǎn)情況進行采集，將結(jié)果通過串口發(fā)送至上位機。上位機同時連接電源、示波器、萬用表。試驗人員在監(jiān)控室通過遠程控制對器件的工作電流、輸出波形與翻轉(zhuǎn)次數(shù)進行監(jiān)測。

圖4 單粒子翻轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng)

3 硬件設(shè)計

3.1 監(jiān)控板設(shè)計

試驗系統(tǒng)監(jiān)控板位于真空靶室外部，板載一個JTAG下載口、兩路電源接口、一個DB9串口和一個DB50線纜接口。其中DB50線纜接口與內(nèi)部集線轉(zhuǎn)接板相連。監(jiān)控板實物圖片如圖5所示。

圖5 監(jiān)控板實物圖

監(jiān)控板的電源接口，一路為待測器件單獨供電，可通過試驗板上繼電器在3只待測器件間切換；另一路為所有外圍電路供電，包括監(jiān)控板與試驗板上除待測電路外的電路。電源部分采用LMZ12003與AMS1117來得到穩(wěn)定的5V、3.3V電壓。使用16個單刀雙置繼電器來實現(xiàn)3塊試驗板間6路網(wǎng)線的切換，原理圖如圖6所示。

圖6 繼電器切換網(wǎng)線原理圖

監(jiān)控板使用ARM作為主控制器，通過串口實現(xiàn)上位機與試驗板之間的通信：負責網(wǎng)線的切換，將上位機的指令傳給試驗板，并將試驗板返回的數(shù)據(jù)傳給上位機。

3.2 試驗板設(shè)計

試驗板安裝在真空靶室內(nèi)，通過2路網(wǎng)線與集線轉(zhuǎn)接板相連，板載一個JTAG下載口、一個USB_BLASTER下載口、一組80針插座。電源部分同樣采用LMZ12003與AMS1117，控制器選用STM32+Altera CycloneⅣ系列FPGA的組合。FPGA的PLL可為器件提供同步的輸入信號，同時對需要比較的兩組輸出信號設(shè)計翻轉(zhuǎn)比較邏輯。當發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，指定一個I/O輸出一次高電平，將翻轉(zhuǎn)的波形連同被測器件的波形一同傳輸給監(jiān)控板；同時STM32將翻轉(zhuǎn)次數(shù)詳情通過串口發(fā)送給監(jiān)控板。試驗板與監(jiān)控板間DB50線纜較長，因此使用SN65LVDS3486、3487增強驅(qū)動能力。試驗板實物圖片如圖7所示。

圖7 試驗板實物圖

3.3 子板設(shè)計

子板通過80針插座與試驗板連接，除電源、地外，其余通道都是數(shù)字I/O，可方便地為器件提供時鐘與電平信號。其中的一種型號子板如圖8所示。

圖8 一種子板實物圖

子板設(shè)計簡單、開發(fā)便捷，可滿足各類數(shù)字電路試驗需求，只需要適配相應(yīng)的FPGA程序即可。

4 軟件設(shè)計

單粒子翻轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng)軟件由兩部分組成。監(jiān)控板部分的軟件負責識別上位機發(fā)送的指令，判斷是否需要切換試驗板，如不需要，則將該指令發(fā)送給試驗板，同時將試驗板返回的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給上位機；試驗板部分的軟件識別從監(jiān)控板發(fā)來的指令，判斷是否需要切換器件，同時將單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)信息發(fā)送回試驗板。軟件總體設(shè)計流程如圖9所示。

圖9 軟件總體流程圖

上位機軟件則由5部分組成：

1）萬用表軟件：監(jiān)測被測器件電源電流，數(shù)據(jù)可保存為Excel格式。

2）電源軟件：配置電源電壓、限流大小等相關(guān)參數(shù)。

3）示波器軟件：監(jiān)測器件輸出波形與翻轉(zhuǎn)計數(shù)波形。

4）串口軟件：發(fā)送指令、接收數(shù)據(jù)。

5）屏幕錄制軟件：錄制電腦桌面全部信息。

5 結(jié)束語

在單粒子翻轉(zhuǎn)試驗過程中，試驗效率的提升有助于節(jié)約大量時間成本。研究從單粒子翻轉(zhuǎn)試驗需求出發(fā)，完成了通用數(shù)字電路單粒子翻轉(zhuǎn)試驗系統(tǒng)的新設(shè)計。該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中已適配多種數(shù)字電路，體現(xiàn)出其拆裝簡單、使用便捷的特點，能夠有效地縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，提高試驗效率。