高校電子實(shí)驗(yàn)數(shù)字集成電路檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

王秀艷　王洪凱　王秀梅

【摘 要】在高校教學(xué)中，電子技術(shù)是專業(yè)基礎(chǔ)課，大量理工科院校課程體系中均設(shè)置電子實(shí)驗(yàn)、電子工藝實(shí)習(xí)以及電子課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容。課內(nèi)電子實(shí)驗(yàn)和課外科技創(chuàng)新活動(dòng)中常常遇到IC電路芯片表面標(biāo)識(shí)不清，無(wú)法識(shí)別其型號(hào)，或外觀正常但電路內(nèi)部已損壞等情況。有時(shí)做了大量實(shí)驗(yàn)后得不到預(yù)期數(shù)據(jù)和正確結(jié)果，有時(shí)焊接制作好電子成品但不能實(shí)現(xiàn)既定功能，最后查出是所選用的IC電路芯片型號(hào)錯(cuò)誤，或者是芯片自身故障，耽誤了時(shí)間，降低了效率。以單片機(jī)為核心器件，搭建外圍電路，建立科學(xué)的故障模型，開(kāi)發(fā)一款便攜、價(jià)廉、精準(zhǔn)的數(shù)字集成電路的自動(dòng)檢測(cè)儀器，可用于大學(xué)生電子實(shí)驗(yàn)課、電子競(jìng)賽、科技創(chuàng)新活動(dòng)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及電子產(chǎn)品裝配、電器維修、科研等其他相關(guān)領(lǐng)域，用途廣泛。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字集成電路；檢測(cè)；單片機(jī)

【Abstract】Electronics technology is a basic professional course. Many universities and colleges open such contents as electronic experiments， electronic process practice and curriculum design. Students often face much inconvenience， for example， unclear IC chip label， Unrecognized mark and seemingly good but actually unusable. This leads to that even doing much work but not to get expected results， which waste much time and reduce efficiency. In order to resolve this problem， this paper use MCU as core component， construct circuit， build fault model， develop a portable， low-cost and precise and auto-detecting digital Integrated circuits， instrument. This instrument can be widely used in these fields which includes electronic experiment， electronic contest， scientific innovation， electronic product assembly， Electrical maintenance and research.

【Key words】Digital Integrated circuit（digital IC）； Detect； MCU（Single Chip Microcomputer）

世界上第一個(gè)集成電路是1958年德克薩斯儀器公司制造的，此后集成電路產(chǎn)業(yè)一直保持著驚人的發(fā)展速度，而數(shù)字集成電路的發(fā)展速度更快、集成度更高、規(guī)模更大。數(shù)字集成電路的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，目前已滲透到了無(wú)線通信、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域，大到航空航天設(shè)備、醫(yī)療器械，小到計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、收音機(jī)、耳麥等等，無(wú)論軍事還是民用方面，數(shù)字集成電路都發(fā)揮著舉足輕重的作用。與此同時(shí)，集成電路的老化損壞是不可避免的，其可靠性也變得尤為重要，故此，與之相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)就成為亟待解決的問(wèn)題了。

現(xiàn)代生活中電子產(chǎn)品無(wú)處不在，而集成電路是構(gòu)成電子產(chǎn)品的核心、靈魂。集成電路在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，各種軍用、民用、醫(yī)療電子產(chǎn)品制作安裝過(guò)程和售后維修中都需對(duì)集成電路進(jìn)行檢測(cè)。而在高校教學(xué)中，電子技術(shù)是專業(yè)基礎(chǔ)課，大量理工科院校課程體系中均設(shè)置電子實(shí)驗(yàn)、電子工藝實(shí)習(xí)以及電子課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容。高校學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)和大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)乃至教師的科研等，最終都將利用集成電路制作出電子成品來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)理念。故此，集成電路滲透于各個(gè)方面，無(wú)論生產(chǎn)實(shí)踐還是教學(xué)、科研均需涉及到集成電路檢測(cè)問(wèn)題。目前，市面出售的測(cè)試儀普遍存在價(jià)格高、體積大、自動(dòng)化程度低，需人工干預(yù)等缺點(diǎn)。測(cè)試儀價(jià)格比較昂貴，離線測(cè)試儀一般幾千到上萬(wàn)元，在線測(cè)試儀和國(guó)外進(jìn)口儀器價(jià)格則更高。開(kāi)發(fā)一款便攜、價(jià)廉、精準(zhǔn)的數(shù)字電路的自動(dòng)檢測(cè)儀器，可用于電子類的實(shí)習(xí)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)、大學(xué)生電子競(jìng)賽、科技創(chuàng)新活動(dòng)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、電器維修、科研等各個(gè)領(lǐng)域，用途廣泛。該測(cè)試系統(tǒng)硬件制作成本低，性價(jià)比高，適于高校師生使用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一數(shù)字集成電路檢測(cè)儀系統(tǒng)，使其能對(duì)高校教學(xué)中常用的74LS系列等數(shù)字集成電路進(jìn)行功能測(cè)試。無(wú)需預(yù)先輸入集成電路型號(hào)，接通電源放置好被測(cè)芯片后即可執(zhí)行自動(dòng)檢測(cè)并輸出檢測(cè)結(jié)果，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，其主要性能、特色如下：

（1）置入被測(cè)芯片后，無(wú)需人工輸入芯片型號(hào)，系統(tǒng)即可自動(dòng)識(shí)別、判斷其型號(hào)；

（2）自動(dòng)判定芯片性能好壞，如部分損壞，判定具體損壞情況并輸出到顯示模塊；

（3）可測(cè)芯片引腳數(shù)目20以內(nèi)，型號(hào)30種以上，具備動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展性。

2 系統(tǒng)總體方案

目前所用的測(cè)試集成電路芯片的方式主要分為在線和離線兩種方式，主要測(cè)試方法有電壓測(cè)量法、在線直流電阻普測(cè)法、電流跟蹤電壓法、在線直流電阻測(cè)量對(duì)比法、非在線數(shù)據(jù)與在線數(shù)據(jù)對(duì)比法等。本系統(tǒng)從數(shù)字集成電路特性和測(cè)試原理出發(fā)，建立科學(xué)合理的故障模型，搭接外圍硬件電路，建立測(cè)試平臺(tái)，用C語(yǔ)言編程，設(shè)計(jì)制作本數(shù)字集成電路測(cè)試儀，使其能對(duì)高校電子實(shí)驗(yàn)常用的74LS系列等數(shù)字集成電路進(jìn)行功能測(cè)試，系統(tǒng)總設(shè)計(jì)步驟分為五步。

（1）研究測(cè)試系統(tǒng)工作原理及數(shù)字集成電路檢測(cè)機(jī)理，根據(jù)測(cè)試目標(biāo)和技術(shù)參數(shù)要求，確立總體方案；

（2）研究各待測(cè)數(shù)字集成電路工作方式和特性，制定相應(yīng)故障模型，確立各模塊的具體實(shí)施方案和實(shí)施條件；

（3）建立待測(cè)元件信息庫(kù)，研究并建立測(cè)試策略，制定程序流程圖，編譯單片機(jī)程序并進(jìn)行仿真調(diào)試；

（4）研究電源電路工作原理，設(shè)計(jì)電源供電模塊、顯示模塊以及外圍電路，搭建系統(tǒng)硬件平臺(tái)并進(jìn)行測(cè)試；

（5）軟硬件綜合調(diào)試，系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)測(cè)試后焊接、制作、完成。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

3.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

測(cè)試儀硬件電路部分以51系列單片機(jī)為核心，配以液晶屏做顯示器，主要包括電源模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、顯示模塊、DUT底座、開(kāi)關(guān)、按鍵等，如圖1所示。

3.2 軟件編譯

選取部分高校電子實(shí)驗(yàn)課程中常用的74LS系列，如74LS00、74LS08等型號(hào)的數(shù)字集成電路芯片建立待測(cè)元件信息庫(kù)，結(jié)合硬件電路接口設(shè)置情況，以C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，在Keil C51軟件環(huán)境中編譯、調(diào)試程序。對(duì)照待測(cè)元件信息庫(kù)中真值表，判定其邏輯錯(cuò)、參數(shù)錯(cuò)等信息，建立科學(xué)的故障模型，進(jìn)而判定具體故障位置，主程序流程圖如圖2所示。

3.3 系統(tǒng)統(tǒng)調(diào)

利用Altium Designer軟件設(shè)計(jì)好原理圖及PCB圖，通過(guò)熱轉(zhuǎn)印法制作好印制電路板，于上位機(jī)編譯好程序后，燒錄到單片機(jī)中，將待測(cè)數(shù)字集成電路芯片放置在DUT底座中相應(yīng)位置后進(jìn)行測(cè)試，軟硬件結(jié)合統(tǒng)調(diào)。本系統(tǒng)無(wú)需預(yù)先輸入被測(cè)數(shù)字集成電路型號(hào)，接通測(cè)試儀電源，放置好被測(cè)芯片后即可執(zhí)行自動(dòng)檢測(cè)并輸出檢測(cè)結(jié)果，包括型號(hào)判斷及故障部位等信息，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]林海波，王秀艷，主編.電子工藝實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)[M].中國(guó)電力出版社，2009，7.

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[4]谷樹(shù)忠，耿曉中，王秀艷，編.Altium Designer實(shí)用教程—原理圖、PCB設(shè)計(jì)與信號(hào)完整性分析[M].電子工業(yè)出版社，2015，10.

[責(zé)任編輯：湯靜]