星載溫度傳感控制芯片的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)*

劉童，陳華，邱僅朋，王志宇，劉小敏，王立平，郁發(fā)新

（浙江大學(xué)航空航天學(xué)院，杭州310027）

星載溫度傳感控制芯片的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)*

劉童，陳華*，邱僅朋，王志宇，劉小敏，王立平，郁發(fā)新

（浙江大學(xué)航空航天學(xué)院，杭州310027）

為了評(píng)估星載相控陣T/R組件的電性能、溫度傳感和抗單粒子效應(yīng)能力，針對(duì)星載X波段T/R組件中一款自主研發(fā)的溫度傳感控制芯片，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于LabVIEW的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)采用高速數(shù)字I/O技術(shù)，提高了芯片電性能測(cè)試速度；同時(shí)系統(tǒng)具備高精度自動(dòng)溫度測(cè)試功能，能夠精確評(píng)估芯片溫度傳感性能；另外系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能，能夠完成芯片電性能測(cè)試數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)指標(biāo)的比對(duì)、溫度測(cè)試數(shù)據(jù)和標(biāo)定溫度的誤差分析以及單粒子效應(yīng)試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)變化量統(tǒng)計(jì)。最后采用本系統(tǒng)對(duì)芯片功耗、溫度傳感和抗單粒子效應(yīng)能力進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，測(cè)試結(jié)果表明該芯片功能正常、性能良好，可用于溫度劇烈變化和充滿空間輻射的航天環(huán)境，同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)具備操作簡(jiǎn)單、可移植性好、測(cè)試速度快和測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn)。

相控陣?yán)走_(dá)T/R組件；溫度傳感控制；自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；單粒子效應(yīng)

EEACC：2560；7210；7210Adoi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.09.026

星載相控陣?yán)走_(dá)具備波束快速掃描能力、多波束形成能力、空間定向與空域?yàn)V波能力，廣泛應(yīng)用于星間通訊、目標(biāo)探測(cè)和高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)［1-3］。與普通地基、?；确强臻g相控陣系統(tǒng)不同，星載相控陣系統(tǒng)工作在溫度劇烈變化、充滿空間輻射的極端惡劣環(huán)境，因此，作為系統(tǒng)核心部件的微波發(fā)射/接收T/R（Transmit/Receive）組件必須具備監(jiān)控系統(tǒng)溫度和對(duì)空間輻射免疫的能力。

為了評(píng)估星載相控陣T/R組件的電性能、溫度傳感和抗單粒子效應(yīng)能力SEE（Single Event Effects），研發(fā)人員設(shè)計(jì)了大量測(cè)試系統(tǒng)。Wang Z等人提出了一種基于LabVIEW和FPGA的自動(dòng)測(cè)試方法［4］，該方法中FPGA一方面要與待測(cè)芯片建立SPI通訊，另一方面要與PXI機(jī)箱保持RS232通訊，從而保證指令正確快速傳送。雖然這套測(cè)試系統(tǒng)操作方便，自動(dòng)化程度高，但是RS232通訊速率慢，信號(hào)在高時(shí)鐘速率時(shí)容易失真，會(huì)大大降低系統(tǒng)測(cè)試效率。Cabrini A等人設(shè)計(jì)了一套評(píng)估集成電路電、熱性能的測(cè)試方案［5］，該方案在溫度測(cè)試時(shí)需要測(cè)試人員手動(dòng)操作溫箱，監(jiān)控溫箱狀態(tài)并記錄數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測(cè)試成本高、測(cè)試效率低，而且溫度測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有精確的環(huán)境溫度標(biāo)定設(shè)備，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確，無(wú)法真實(shí)反映芯片溫度傳感器性能。Alpat B等人提出了一種基于納秒脈沖紅外激光二極管的單粒子效應(yīng)試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)［6］，該系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)監(jiān)控待測(cè)芯片工作狀態(tài)，測(cè)試數(shù)據(jù)需要人工處理，分析效率低。

基于上述應(yīng)用背景，本文針對(duì)相控陣T/R組件中一款自主研發(fā)的星載溫度傳感控制芯片，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于LabVIEW的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該方案較傳統(tǒng)測(cè)試方案具備以下特點(diǎn)：①芯片SPI通信部分采用高速數(shù)字I/O技術(shù)，信號(hào)高速完整、通訊速率快、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件，提高了測(cè)試速度；②測(cè)試系統(tǒng)具備高精度自動(dòng)溫度測(cè)試功能，能夠?qū)崟r(shí)采集環(huán)境溫度，程控溫箱自動(dòng)步進(jìn)循環(huán)測(cè)試，自動(dòng)分類(lèi)打包存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，有效避免了人工操作失誤，提高了測(cè)試精度和測(cè)試效率；（3）測(cè)試程序具備數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能，可以完成芯片電性能測(cè)試數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)指標(biāo)的比對(duì)、溫度測(cè)試數(shù)據(jù)和標(biāo)定溫度的誤差分析以及單粒子效應(yīng)試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)變化量統(tǒng)計(jì)。

1　芯片架構(gòu)與設(shè)計(jì)要求

自主研發(fā)的一款星載溫度傳感控制芯片的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。芯片將26位LVCMOS電平的串行信號(hào)，轉(zhuǎn)換為26位并行信號(hào)，由LCK和BG信號(hào)將并行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)二級(jí)鎖存送入二選一開(kāi)關(guān)陣列，再由TR信號(hào)選擇17個(gè)并行信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)單元，將并行信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～-3.3 V的電平后，輸出負(fù)壓?jiǎn)味嘶虿罘挚刂菩盘?hào)。同時(shí)具備溫度信息回讀功能，并可回讀奇偶校驗(yàn)碼和當(dāng)前通道工作狀態(tài)自檢信息。另有邏輯控制變換電路適應(yīng)T/R組件額外需求。該芯片應(yīng)用于星載X波段T/R組件，可控制數(shù)控衰減器、數(shù)控移相器和數(shù)控開(kāi)關(guān)協(xié)同工作，同時(shí)芯片集成高精度溫度傳感器，為系統(tǒng)的衰減補(bǔ)償提供溫度信號(hào)，以彌補(bǔ)T/R組件由于溫度變化引起的通道幅度不一致性的問(wèn)題。

圖1　芯片框圖

芯片應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：①正電源電壓+3.3 V，負(fù)電源電壓-3.3 V；②SPI串行通訊速率≥20 Mbit/s；③邏輯管腳電壓輸出的誤差絕對(duì)值≤0.1 V；④低功耗設(shè)計(jì)，要求供電電流在溫度傳感器開(kāi)啟時(shí)≤1 mA，溫度傳感器關(guān)閉時(shí)≤0.5 mA；⑤溫度傳感器采樣范圍-55℃～125℃，采樣精度±2℃；⑥具備一定的抗單粒子效應(yīng)能力，即單粒子試驗(yàn)過(guò)程不出現(xiàn)閂鎖、功能中斷和不可逆的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，且試驗(yàn)前后參數(shù)變化量≤10%。

2　自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

為了驗(yàn)證芯片電性能、溫度傳感和抗單粒子效應(yīng)能力是否滿足要求，需要對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，由于該芯片測(cè)試指標(biāo)多，測(cè)試項(xiàng)復(fù)雜，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套基于LabVIEW的星載溫度傳感控制芯片的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分包括PXI總線儀器、測(cè)試專(zhuān)用板和相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備；軟件部分為基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的程序算法［7-8］。下面我們將詳細(xì)介紹系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。

2.1硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)測(cè)試需求將待測(cè)芯片分別置于探針臺(tái)、高低溫試驗(yàn)箱和單粒子輻照室等環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備內(nèi)。通過(guò)相應(yīng)轉(zhuǎn)接線纜與測(cè)試專(zhuān)用板物理連接，然后測(cè)試專(zhuān)用板再將芯片信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的自動(dòng)測(cè)試。其中，溫度測(cè)試時(shí)溫度探頭同芯片一起置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，實(shí)時(shí)監(jiān)控芯片工作環(huán)境溫度，作為溫度評(píng)估的標(biāo)定值。硬件系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示，主要包括三部分：PXIe-1078機(jī)箱，測(cè)試專(zhuān)用板和相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備。

圖2　硬件系統(tǒng)框圖

PXIe-1078機(jī)箱（如圖3所示）是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的主要平臺(tái)構(gòu)件［9］。根據(jù)芯片測(cè)試任務(wù)，機(jī)箱配置了以下板卡。源測(cè)量單元SMU（Source Measure Unit）PXIe-4141為芯片提供正/負(fù)電源雙路供電，同時(shí)回測(cè)電源電流，監(jiān)控芯片工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集卡DAQ（Data Acquisition）PXI-6363采集芯片管腳邏輯電壓輸出。高速數(shù)字I/O HSDIO（High Speed Digital Input/Output）PXI-6541與芯片保持高速穩(wěn)定的SPI通信。矩陣開(kāi)關(guān)PXI-2510 FIU（Fault Insertion Unit）用來(lái)控制測(cè)試系統(tǒng)線路通斷以兼用不同測(cè)試需求。溫度測(cè)量模塊包括溫度探頭PT100和精密源測(cè)量單元Agilent B2900，源測(cè)量單元采集由溫度探頭讀取的與溫度變化相關(guān)的電阻值，通過(guò)GPIB上傳給PXI機(jī)箱，再通過(guò)一定算法還原成溫度，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度的自動(dòng)讀取。

為了解決芯片引腳和測(cè)試設(shè)備的連接不兼容問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了測(cè)試專(zhuān)用板，將待測(cè)芯片的信號(hào)按功能打包分發(fā)到相應(yīng)測(cè)試設(shè)備。引腳與設(shè)備的連接均借助于矩陣開(kāi)關(guān)PXI-2510，該板卡可以自主控制線路通斷，且預(yù)留了busA和busB兩條總線，可用來(lái)拓展測(cè)試設(shè)備。

為了評(píng)估芯片電性能、溫度傳感和抗單粒子效應(yīng)能力，本文測(cè)試系統(tǒng)中的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備選用了一套在片測(cè)試平臺(tái)與兩個(gè)環(huán)境測(cè)試平臺(tái)（如圖3所示）。其中，電性能測(cè)試采用Cascade探針臺(tái)（型號(hào)：Summit 12000），溫度測(cè)試選用了Espec高低溫試驗(yàn)箱（型號(hào)：SET-Z-012U），單粒子效應(yīng)測(cè)試所用的輻照室位于中國(guó)科學(xué)院蘭州近代物理研究所。

2.2軟件設(shè)計(jì)

為了便于拓展測(cè)試平臺(tái)和修改測(cè)試任務(wù)，本套系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言［10-13］。主要分為3個(gè)部分：電性能測(cè)試、溫度測(cè)試和單粒子效應(yīng)測(cè)試。

本文中電性能測(cè)試包括芯片邏輯功能、供電電流和串行通訊速率三方面，測(cè)試原理是通過(guò)HSDIO給芯片提供速率為20 Mbit/s的SPI串行通訊信號(hào)（包括CLK、MOSI、LCK和BG），待芯片響應(yīng)完成后將實(shí)際輸出和預(yù)期輸出進(jìn)行比對(duì)，如果通過(guò)DAQ采集的邏輯管腳電壓和通過(guò)SMU采集的供電電流不滿足設(shè)計(jì)要求，或者通過(guò)HSDIO讀回的MISO和ZTO數(shù)據(jù)與預(yù)期不一致，則認(rèn)為芯片電性能測(cè)試不合格。本文開(kāi)發(fā)的電性能測(cè)試程序中最核心的部分是HSDIO與芯片SPI通訊程序，如圖4所示：①初始化HSDIO硬件，包括物理地址，時(shí)鐘速率，分配輸入/輸出通道，輸出通道初始/閑置時(shí)電平狀態(tài)；②通過(guò)板載時(shí)鐘生成采樣時(shí)鐘；③同步HSDIO的信號(hào)生成與采集功能，將生成機(jī)的Data Active Event信號(hào)通過(guò)PFI1傳輸?shù)讲杉瘷C(jī)，取信號(hào)上升沿觸發(fā)采集機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)生成和采集功能的同時(shí)進(jìn)行，保證芯片收發(fā)同步，防止產(chǎn)生誤碼；④向芯片寫(xiě)入激勵(lì)信號(hào)并采集回讀數(shù)據(jù)，根據(jù)需要解析數(shù)據(jù)；⑤釋放硬件緩存，為了保證芯片通訊速度，數(shù)據(jù)都是暫存于HSDIO緩存中，但由于硬件緩存有限，而SPI通訊中數(shù)據(jù)量又非常大，因此需要在每一次SPI通訊結(jié)束后釋放一次硬件緩存。

圖4　SPI通訊程序

溫度測(cè)試是評(píng)估芯片溫度傳感器性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其程序流程圖如圖5所示。首先設(shè)定芯片溫度測(cè)試參數(shù)，包括溫度初值tem_start，溫度終值tem_stop和溫度步進(jìn)tem_step，由此可以計(jì)算出溫度循環(huán)設(shè)定次數(shù)LOOP_SET（本文中tem_start=-55℃，tem_stop=125℃，tem_step=10℃，計(jì)算得LOOP_SET=（tem_stop-tem_start）/tem_step=18）；然后初始化當(dāng)前循環(huán)次數(shù)loop=1，由于loop＞LOOP_SET不成立，溫箱啟動(dòng)并執(zhí)行第一個(gè)溫度設(shè)定點(diǎn)，運(yùn)行過(guò)程中每隔1 s取回溫箱實(shí)際溫度并與設(shè)定溫度進(jìn)行差值比較，當(dāng)誤差絕對(duì)值小于0.5℃時(shí)，溫箱保持當(dāng)前狀態(tài)穩(wěn)定30 min；最后采集相應(yīng)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。第一個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)試完成后，loop遞增為2，loop＞LOOP_SET條件依然不成立，進(jìn)入第二個(gè)溫度設(shè)定點(diǎn)，執(zhí)行上述同樣步驟，如此循環(huán)往復(fù)，直到完成所有的溫度測(cè)試步驟，即loop＞LOOP_SET成立，然后儀器自動(dòng)關(guān)閉。

溫度測(cè)試中為了得到正確的試驗(yàn)結(jié)果，必須保證標(biāo)定溫度精確可靠，本文從以下兩方面來(lái)實(shí)現(xiàn)：一方面，由于溫箱中溫度場(chǎng)分布不均勻，當(dāng)溫箱顯示溫度達(dá)到溫箱設(shè)定溫度時(shí)，控制系統(tǒng)延時(shí)30 min，保證芯片輸出溫度穩(wěn)定且溫箱內(nèi)溫度場(chǎng)空間分布達(dá)到穩(wěn)態(tài)再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；另一方面，由于標(biāo)定溫度和溫箱顯示溫度存在差異，為了準(zhǔn)確快速的采集到更接近芯片真實(shí)溫度的標(biāo)定溫度，本文設(shè)計(jì)了一套溫度測(cè)量模塊。該模塊中溫度探頭部分采用四線制PT100，測(cè)溫范圍-200℃～850℃，探頭測(cè)溫精度在本文選取的-55℃～125℃的掃描范圍內(nèi)小于±0.15℃，電阻測(cè)量部分采用精密源測(cè)量單元B2900。溫度測(cè)試時(shí)，將PT100伸至高低溫箱內(nèi)，固定在芯片測(cè)試座上，外部接線端子與B2900保持四線制接法，B2900與PXI機(jī)箱采用GPIB方式通訊，將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，程序采用牛頓迭代法將電阻數(shù)據(jù)擬合成溫度曲線。

圖5　溫度測(cè)試程序流程圖

為了提高溫度測(cè)量模塊的測(cè)量精度，采用了以下三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

①PT100和B2900采用四線制接法，有效減少引線電阻和接觸電阻對(duì)測(cè)試結(jié)果的干擾。

②恒流測(cè)壓法中要選取適當(dāng)?shù)碾娏?。本文電阻測(cè)量采用恒流測(cè)壓法，即配置B2900為恒流源模式，向PT100提供恒定電流I，然后測(cè)量?jī)啥穗妷篣，由于采用了四線制接法，可以忽略引線電阻和接觸電阻，所以PT100測(cè)量電阻R=U/I。電阻測(cè)量過(guò)程中要嚴(yán)格控制電流大小，因?yàn)殡娏鬟^(guò)大會(huì)加劇探頭自熱效應(yīng)，太小又會(huì)降低信噪比，難以保證測(cè)量精度。為了選擇合適的電流I使得溫度測(cè)量平均誤差最小，本文將電流I從10 μA到500 μA進(jìn)行掃描，掃描步進(jìn)10 μA，測(cè)量不同電流I從-55℃到125℃范圍內(nèi)溫度的平均測(cè)量誤差，測(cè)量結(jié)果如圖6所示，當(dāng)電流I≥100 μA時(shí)，PT100的平均測(cè)量誤差（PT100測(cè)量標(biāo)定溫度和Espec溫箱顯示溫度的差值的平均值）較小，且隨電流增大基本保持不變，因而為了防止電流太大加劇探頭自熱效應(yīng)，所以最終確定電流I=100 μA（即滿足溫度測(cè)試精度要求的最小電流值）。

圖6　恒流測(cè)壓法中電流對(duì)溫度測(cè)量結(jié)果的影響

③程序上采用牛頓迭代法將電阻數(shù)據(jù)擬合成溫度曲線［14-16］。本文PT100符合IEC751國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其溫度電阻特性是：

其中R0是0℃時(shí)的電阻值，Rt是t℃時(shí)的電阻值，A=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。根據(jù)式（1）和式（2），調(diào)用LabVIEW公式節(jié)點(diǎn)，完成電阻到溫度的轉(zhuǎn)化。最后，本文對(duì)上述溫度測(cè)量模塊進(jìn)行了定標(biāo)測(cè)量，設(shè)置tem_start=-55℃，tem_stop=125℃，tem_step=10℃，測(cè)試結(jié)果如表1所示，隨機(jī)誤差是根據(jù)同一溫度點(diǎn)的20次測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)誤差，系統(tǒng)誤差是Espec溫箱顯示溫度和PT100測(cè)量標(biāo)定溫度的差值。由表1可見(jiàn)，溫度測(cè)量模塊的最大隨機(jī)誤差為0.007 7℃，最大系統(tǒng)誤差為-0.29℃，說(shuō)明該模塊的定標(biāo)誤差小，精度高，能滿足本文芯片溫度傳感測(cè)試需求。本文采用的溫度測(cè)量與后處理過(guò)程如下：首先連續(xù)采集40組數(shù)據(jù)，通過(guò)快速排序算法，舍棄前10組和后10組，然后對(duì)剩下的20組數(shù)據(jù)取算術(shù)平均，作為最終有效溫度值。如對(duì)后處理算法作進(jìn)一步改進(jìn)，引入滑窗均值濾波算法處理上述排序后剩下的20組數(shù)據(jù)，即每滑動(dòng)一個(gè)采樣間隔，窗口前面進(jìn)入一個(gè)新的數(shù)據(jù)，后面去掉一個(gè)舊的數(shù)據(jù)，始終保持固定長(zhǎng)度為20的最新數(shù)據(jù)，再對(duì)這20組數(shù)據(jù)取算術(shù)平均，可以進(jìn)一步提高測(cè)試精度。

表1　溫度測(cè)量模塊的測(cè)量結(jié)果單位：℃

本文中單粒子效應(yīng)測(cè)試需要對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中單粒子翻轉(zhuǎn)（引起芯片內(nèi)部控制寄存器的數(shù)據(jù)發(fā)生翻轉(zhuǎn)）、單粒子閂鎖（電源端的功耗電流陡增）和單粒子功能中斷（引起整個(gè)器件功能失效，無(wú)法正常讀取溫度信號(hào)）三方面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本套測(cè)試系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能，能夠自動(dòng)比對(duì)芯片單粒子效應(yīng)試驗(yàn)前后電性能參數(shù)并統(tǒng)計(jì)變化量，直觀反映芯片抗單粒子效應(yīng)的能力。

3　測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上描述，本文通過(guò)這套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采集分析第一節(jié)所述的星載溫度傳感控制芯片的測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證芯片是否滿足設(shè)計(jì)要求并評(píng)估芯片性能。本文測(cè)試內(nèi)容包括功耗、溫度傳感和抗單粒子效應(yīng)能力3方面。

①為了評(píng)估芯片功耗和電流一致性，本文采用上述自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)200顆芯片進(jìn)行了測(cè)試，每顆芯片的電性能測(cè)試時(shí)間為7 s，而傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)采用速率較慢的RS232通訊方式交換數(shù)據(jù)，完成同樣測(cè)試任務(wù)需要30 s，因此本套系統(tǒng)的測(cè)試速度和測(cè)試效率得到了提升，可以滿足工程應(yīng)用需求。測(cè)試結(jié)果如圖7所示，其中溫傳開(kāi)啟時(shí)正電源電流IDDTO≤0.5 mA，溫傳關(guān)閉時(shí)正電源電流IDDTF≤0.2 mA，負(fù)電源電流的絕對(duì)值|IEE|≤0.1 mA，滿足芯片低功耗設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，芯片供電電流曲線平滑，波動(dòng)較小，電流一致性良好。

圖7　芯片電流分布

②為了評(píng)估芯片溫度傳感精度，本文選取3顆芯片（編號(hào)#1、#2、#3）進(jìn)行了溫度掃描測(cè)試（溫度范圍-55℃～125℃，溫度步進(jìn)10℃）。試驗(yàn)證明，本套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，與傳統(tǒng)溫度測(cè)試方案相比，測(cè)試自動(dòng)化程度、測(cè)試精度和測(cè)試效率均得到很大改善。其測(cè)試結(jié)果如圖8所示，芯片#1的測(cè)量誤差ME#1（芯片輸出溫度和PT100測(cè)量標(biāo)定溫度的差值的絕對(duì)值）、芯片#2和芯片#3的測(cè)量誤差ME#2、ME#3均滿足芯片溫度傳感器設(shè)計(jì)要求。

圖8　溫度測(cè)量誤差

③為了評(píng)估芯片抗單粒子效應(yīng)能力，本文另取3顆芯片（編號(hào)#1、#2、#3）進(jìn)行單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。由圖9（a）可知，當(dāng)芯片#1注量達(dá)到4.4×105ions/cm2時(shí)，內(nèi)部寄存器出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)位數(shù)為11 bit，并且正電源電流IDD由輻照開(kāi)始時(shí)的2.52×10-4A減小為6.0×10-6A，負(fù)電源電流IEE由輻照開(kāi)始時(shí)的-5.0×10-5A減小為-1.25×10-5A。此時(shí)斷電重啟，芯片#1恢復(fù)正常，開(kāi)束繼續(xù)輻照至1.011 456×106ions/cm2停止，芯片#1沒(méi)有再出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中芯片#2和#3沒(méi)有出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象且三顆芯片在試驗(yàn)過(guò)程均沒(méi)有出現(xiàn)單粒子閂鎖和單粒子功能中斷現(xiàn)象。單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)上述三顆芯片進(jìn)行電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示，芯片電性能測(cè)試合格且參數(shù)變化量符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此本文中星載溫度傳感控制芯片具備合格的抗單粒子效應(yīng)能力，即單粒子試驗(yàn)過(guò)程不出現(xiàn)閂鎖、功能中斷和不可逆的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象且試驗(yàn)前后參數(shù)變化量≤10%。

圖9　單粒子試驗(yàn)過(guò)程中電流隨時(shí)間變化情況

表2　單粒子效應(yīng)試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4　結(jié)論

本文針對(duì)相控陣T/R組件中一款自主研發(fā)的星載溫度傳感控制芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了這套基于LabVIEW的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高速數(shù)字I/O技術(shù)，提高了測(cè)試速度，縮短了開(kāi)發(fā)周期。同時(shí)，系統(tǒng)具備高精度自動(dòng)溫度測(cè)試功能，有效避免人工操作失誤，提高了測(cè)試效率。另外，系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能，能夠完成芯片電性能測(cè)試數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)指標(biāo)的比對(duì)、溫度測(cè)試數(shù)據(jù)和標(biāo)定溫度的誤差分析以及單粒子效應(yīng)試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)變化量統(tǒng)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，該芯片功能正常，性能良好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)表明本套自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以精確評(píng)估芯片電性能、溫度傳感和抗單粒子效應(yīng)能力。通過(guò)引入滑窗均值濾波算法處理電阻數(shù)據(jù)，然后再還原成溫度曲線，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)溫度測(cè)試精度。

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劉童（1991-），男，漢族，浙江大學(xué)航空航天學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)镃MOS集成電路測(cè)試系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)，scu@zju.edu.cn；

陳華（1985-），男，漢族，博士后，浙江大學(xué)航空航天學(xué)院助理研究員，主要研究方向?yàn)镃MOS集成電路設(shè)計(jì)、芯片自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)，chenhua@ zju.edu.cn。

An Automatic Test System for a Spaceborne Chip of a Temperature-Sensing Controller*

LIU Tong，CHEN Hua*，QIU Jinpeng，WANG Zhiyu，LIU Xiaomin，WANG Liping，YU Faxin
（School of Aeronautics and Astronautics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

In order to evaluate the electrical specification，temperature sensing and single event tolerance of space?borne phased-array T/R modules，an automatic test system based on PXI bus is designed and developed.By using this test system，the evaluation of a self-developed integrated controller with temperature sensor，which is embedded in a spaceborne X-band T/R module，is performed in this paper.By using high-speed digital I/O technology，the test speed of the present test system for electrical characteristics is improved.The ability of automatic temperature test with high-precision enables the accurate performance assessment of temperature sensing.And with the ability of au?tomatic data processing，the test system can realize the comparison between the measured electrical properties and the design specifications，the error analyzation between test data and calibration temperature and the variation esti?mation before and after single event effects.Finally，power distribution，temperature sensing and single event toler?ance of the chip are tested and analyzed.The results show that the chip can be well performed in the space environ?ment with rapidly changing temperature and strong radiations.At the same time，the test system has the advantages of simple operation，well portability，high speed of testing and high precision.

phased array radar T/R module；temperature-sensing controller；automatic testsystem；single eventeffects

TN407

A

1004-1699（2016）09-1449-08

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61401395）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目（2014QNA4033）；浙江省教育廳項(xiàng)目（Y201533913）

2016-02-29修改日期：2016-03-23