數字測試儀下的參數測試單元的設計

隨著電子技術的迅速發展，數字集成電路得到了廣泛的應用，數字芯片已經滲透到各個生產、生活的領域。與之相對應的，各個領域對數字芯片的性能、穩定性、可靠性也有了更高的要求。數字測試儀作為測試芯片性能最主要的技術正是在這樣的環境下迅速發展起來。

整個數字測試儀通常包含了五大部件：電源模塊、通信模塊、參數測量單元、數字測量單元和主控制模塊。其中，參數測量單元和數字測量單元是整個數字測量儀的核心部件，參數測量單元直接決定著整個系統測試儀的模擬參數測量精度和應用范圍。因此，設計出具備高精度、高速度的參數測量單元的數字測試儀具有很高挑戰性。

本文提出了一種高速度高精度的參數測量單元。該單元應用于數字測試儀,具備16通道選通測試能力和可編程指令集，同時自帶的PID循環驗證和Kelvin四線連接技術可以有效提高整個模擬參數測量精度，使測量儀在低于50Ω的負載情況下仍能維持不超過千分之一的測試誤差。

數字測試儀框架
數字測試儀框架如圖1所示，采用Cyclone系列的FPGA作為主控制芯片。該芯片能夠有效控制各種高速并行D/A、A/D進行測試；同時對大量的通道選通繼電器、存儲器陣列、數字信號采集芯片等進行準確控制。由圖1可以看出，測試儀的模塊很多，但需要指出的是模擬參數單元占到了整個面積和成本的三分之一以上，這也顯示了參數測量單元的重要性。

圖1 數字測試儀架構圖

參數測試單元硬件設計
1 測試單元整體架構
參數測試單元如圖2所示，總共包括了三大部分，第一部分參數測試通道主要由各種功能的通道組成，包含了16個參數測量通道用來測試芯片的16個引腳；以及多個輔助引腳，這些輔助引腳可以輔助Kelvin連接評估傳輸線阻抗和模擬總線交互功能。

圖2 參數測試單元架構

這些測試通道由測量單元的第二部分：繼電器陣列組控制。繼電器除了對測試通道進行開關控制外，還能夠控制該單元的功能操作和時序操作，對測試精度有很大的影響。同時,這些繼電器具備可編程功能,能夠根據用戶需求適時更改。提高了整個測試系統的靈活性，有助于系統以后的升級。

最后是信號處理部分，這部分電路主要由高速16位DAC、ADC以及各種運算放大器、儀器放大器以及存儲器構成,主要進行各種參數測試、存儲和反饋。

2 高精度信號測量模塊的實現
要實現高精度信號測量模塊，必須具有高精度的DAC和ADC轉換芯片，這里采用了TI公司的DAC702和ADI公司的AD976來進行16位精度的信號輸出和回采。測量模塊原理如圖3所示，測試單元搭配了5個千分之一精度的精密電阻：50Ω、500Ω、50kΩ、500kΩ和5MΩ來劃分不同的測試范圍。為了保證足夠的測試精度，本測量單元還專門劃分JDQF和JDQS，使得整個測試系統具備Kelvin連接要素，可以分別向DUT（待測單元）提供FORCE線、SENCE線、LOW FORCE和LOW SENCE線，具備了當負載為小電阻情況下進行精確測量的能力。

參數測試單元軟件設計
1 通信協議
與傳統測試儀不同，該測試儀采用了Altera系列的FPGA芯片作為主控制芯片，這意味著該測試系統無法借助MCU核自身的指令系統來簡化整個系統的指令系統。本測試儀的內部指令，全部采用了自定義的指令系統，能夠完整的對系統測試時的各個動作進行操作和切換,同時可以靈活地根據客戶需要進行各種設計和改進，不會因為受限于MCU內核而出現系統瓶頸，在整個設計中具備了非常強的自主知識產權。

圖3 測量模塊原理圖

整個測試儀是基于PLX9054芯片進行的32位數據的PCI通信。為了協同整個測試系統控制，參數測試單元的控制設備采用了32位PCI數據中的24位作為內部總線來控制各種測試動作，實現控制狀態的轉換。整個數據流如圖4所示，每個數據包包含了24位數據，其中高8位定義為地址碼，用來解釋整個系統的各種操作，包含了數字和模擬參數測試的各個動作。低16位為測試數據位，用來傳輸測試必須的各種數據。
其中，參數測量的指令包含了FVPMU加電壓測量指令，該指令包含了5個命令地址：0011_1100、0011_1101、0011_1110、0011_1111、0100_0000依次表示測量中選取采樣電阻命令、加壓命令、電流保護命令、上限電流和下限電流保護命令。此外參數測量指令還有類似的FIPMU加電流測量指令等各種測量指令。

圖4 數據流格式

之前提到過為了提高參數測量的精度，采用了兩套精度校對方案分別從代碼校對和硬件控制兩個方面對測量過程進行監控和校對。代碼校對是根據實際的測試經驗來提高測試精度。硬件控制則具體分為兩個器件手冊說明，在測試流程中加入校準參數步驟進行，第一個步驟是輸出過程中加入以比對為基礎的PID算法，將ADC回采的實際輸出電壓值和根據輸入數據得到的理論輸出值進行比較，然后進行相應的補償，以保證輸出準確。第二個步驟是采用Kelvin四線橋接技術，首先控制參數測量單元評估從測試儀輸出端到DUT的傳輸線阻抗，再在后級測試中進行屏蔽，從而提高整個系統的測試精度。具體的測試控制流程如圖5所示。

圖5 參數測試流程
2 測試流程
流程說明：測量單元進入測量模式，同時檢測是否得到FIPMU或者FVPMU命令，當檢測到命令時，輸出對應信號，同時根據PMUSETFILTER命令中的檢測次數，校驗輸出信號。經過規定次數下的校驗無誤后，開啟相關測試通道進行后級測試。后級測試根據Kelvin原理，對測試通道的傳輸阻抗先進行預估。根據得到的預估值Z，校對測試電壓并最終得到在該測試通道下的準確模擬參數V1。然后根據同樣的原理，對其他要求的通道進行預估，得到相應的阻抗預估值Zn，從而最終得到各個測量通道的準確測量參數。需要說明的一點是由于測試是一個連續的過程，因而每個測量通道阻抗的預估在一整套多芯片的測量中只需要一次。而不必對每個芯片引腳的測試通道反復預估，這樣可以節約測試時間和成本。

試驗分析
為了驗證參數測量單元在負載為小電阻情況下的工作情況，筆者在常溫環境下針對不同阻抗的待測單元，分別用無校準IC參數測試單元和校準后的參數測試單元進行測試比對，測試結果如表1所示：校準后的測量單元借助Kelvin技術在小電阻測量的優勢,能夠在低于50Ω的負載測量中，保持至少提升一個數量級的測量精度優勢。而當電阻提高越多，精度優勢就越不明顯。

根據Kelvin技術的理論可以知道其優勢主要在于可以有效評估傳輸線阻抗帶來的測量誤差。而當傳輸線阻抗一定，負載增大時，傳輸線阻抗造成的壓降占總測試電壓的比例下降，測試精度的提升程度也會隨之下降。

結束語
針對數字測試中面臨的參數測試要求，本文提出了基于FPGA控制，32位PCI通信同時具備高精度輸出和采樣芯片的參數測量單元，并對實現過程中的具體問題進行了分析。