試論基于單測點的模擬集成電路測試系統(tǒng)設(shè)計

嚴志華，張洺瑞

(重慶賽寶工業(yè)級研究院,重慶,401332)

1 模擬集成電路測試介紹

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行信號處理的集成電路。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備自動化水平不斷提高，人們對于電子產(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)計技術(shù)及測試技術(shù)水平是決定該行業(yè)發(fā)展的重要依據(jù)。傳統(tǒng)集成電路測試方法無法滿足現(xiàn)代集成電路設(shè)計要求，如針床測試技術(shù)受到電路引腳距離縮短的影響，測試結(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，使得集成電路測試工作難以接觸物理引腳，進而無法完成自動化測試工作，在效率及準確率上制約了集成電路發(fā)展[1]。

相較于傳統(tǒng)電路測試模式，模擬集成電路測試能夠?qū)﹄娐愤M行不同程度的信息診斷，有效降低測試工作難度，增強電路測試結(jié)果的可觀測性。現(xiàn)階段IEEE1149.4是模擬集成電路測試總線的國際標準，主要是在模擬電路的基礎(chǔ)上進行邊界掃描測試，完成系統(tǒng)設(shè)計。不過，模擬集成電路在實際作業(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題，且元器件容差變化較大，進行模擬電路測試時考慮因素較多，增大測試復(fù)雜度。其次，模擬電路指標的精準度同傳統(tǒng)數(shù)字電路存在一定差異，在標準設(shè)定上需要進行學術(shù)定義。再次，目前模擬集成電路測試還沒有較為完善的故障模型，使得其實用化程度較低。最后，模擬集成電路中的模擬信號在時間層次上具有連續(xù)性，使得電路故障測試分辨率不高，影響診斷精準度。

2 基于單測點的模擬集成電路測試

就測試節(jié)點而言，模擬集成電路測試可以劃分為單側(cè)點測試與多測點測試，其中前者是指在單一節(jié)點的基礎(chǔ)上進行被測電路故障診斷分析，常是在集成電路的基礎(chǔ)上進行激勵測試，并通過輸出信號情況判斷其物理特性，進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測試節(jié)點進行檢測，通過收集不同檢測節(jié)點的實驗數(shù)據(jù)，對整個電路的可測性進行分析。常規(guī)模擬集成電路測試工作原理是在非正常運行情況下，檢測某一故障信號的數(shù)據(jù)變化，這種判斷依據(jù)對于可測內(nèi)容較為有限，無法反映出整個電路中的故障類型，且在某些特殊工作狀態(tài)情況下，這種單制動保護措施的應(yīng)用會遭到阻礙。例如在集成電路正常工作時，短暫中斷的高次諧波直流分量會對一些動作進行判據(jù)，受到TA飽和對電路電源差動保護的故障影響，以及勵磁涌流的對沖作用[2]。

圖1 單測點方法的基本思路

基于單測點的模擬集成電路測試思路，需要在電路最終輸出節(jié)點進行信號采樣，將正常電路狀態(tài)下的相應(yīng)數(shù)據(jù)作為參考進行后續(xù)測試。需要借助已有故障信息，進行模擬集成電路制動信息的選取、判斷、分析，從而確定整個電路的工作情況，以及實際故障點。模擬集成電路測試涉及到的內(nèi)容較多，針對不正常的單側(cè)點運行信號，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)下的信號與故障狀態(tài)下的信號進行對比分析，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，通過對交流正弦量的線性系統(tǒng)管理，實現(xiàn)各種穿越性電流的有效均值計算。如常見的模值制動相量差動保護，便是在整個電路系統(tǒng)中，計算各支路電流模值的和，將這個計算結(jié)果與比例系數(shù)進行乘積計算，得到最終計算電路運行數(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環(huán)節(jié)，需要將電路各種故障狀態(tài)下的特征進行記錄，與實際故障情況進行對應(yīng)，從而形成故障字典。進行電路故障診斷工作時，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)用于邏輯電路與時序電路，能夠?qū)崿F(xiàn)在一段時間內(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，完成故障信號采樣工作，當下一個電氣狀態(tài)到來時，會在之前的用電狀態(tài)基礎(chǔ)上進行記錄。通過對現(xiàn)有的故障字典數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將1分鐘平均電流作為設(shè)計基礎(chǔ)標準，完成用電信息采集系統(tǒng)同擴展后的電流數(shù)據(jù)塊結(jié)合的形式，實現(xiàn)了對于所有內(nèi)存信息的儲存管理，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際應(yīng)用價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)，只需要將檢測出的數(shù)據(jù)進行比對，就能得出故障類型，所以診斷速率較快，適用于多種工作場合[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80年代提出，其名稱來源于法語中的“ondelette”，翻譯為中文即“小波”，在英語中，因為“onde”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度不同、衰減效率不同的“母小波”的震蕩信號形成的信息內(nèi)容，來實現(xiàn)信號傳輸?shù)哪康?。作為一種新型時頻分析方法，它能夠在電路信號高頻時具有較高的時間分辨率，在電路信號低頻時具有較高的頻率分辨率，基于這種特定能夠觀測到集成電路的信號細節(jié)，并將其進行不同頻率的分解，完成信號識別處理。

一般來說，小波變換法在模擬集成電路測試中的應(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，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，所以其常用于多個電路測試系統(tǒng)研究項目，其可以視為時域頻域表示的形式，結(jié)合整體信號傳輸?shù)恼{(diào)和分析，實現(xiàn)有刺激性的響應(yīng)信號檢測的濾波器段，利用小波變換對信號進行預(yù)處理，構(gòu)成CWT的原理制約，也就是說，小波變換法可以在測不準原理的情境中完成電路測試，這使得小波變換法在電路故障診斷中得到廣泛應(yīng)用。

4 基于單測點的模擬集成電路測試系統(tǒng)平臺設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 測試算法設(shè)計

本實驗核心思路是在Matlab編程技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成單側(cè)試點的模式下進行集成電路故障測試，其算法思路是將電路無故障狀態(tài)下的情況轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，利用調(diào)制濾波器組進行子帶分解，得到多個頻帶下的子信號，通過采集故障響應(yīng)序列進行子帶分解處理，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，將其與測試結(jié)果進行比對，進而完成單側(cè)點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)，需要考慮到測試系統(tǒng)自身的耦合度，針對不同信號頻率狀態(tài)呈現(xiàn)出的不同故障特征，在非線性控制及多個參數(shù)設(shè)計中，精準構(gòu)建信號控制規(guī)律。模擬集成電路測試系統(tǒng)模型設(shè)計環(huán)節(jié)可能受到一定專業(yè)因素限制，如原信號分解后的子帶信號所具有的能量不同，因此需要對其進行不同的處理，避免出現(xiàn)混疊使得原有信號頻帶被占滿。通過對低通原型濾波器進行調(diào)制，得到多通道調(diào)制濾波器組，并依次進行專業(yè)化學科分析，從而保證總體模型設(shè)計方案的科學性。基于單測點的模擬集成電路測試方案，需要在方案可行性的基礎(chǔ)上，發(fā)揮單側(cè)試點的優(yōu)勢，實現(xiàn)電路故障測試優(yōu)勢功能互補，并且在電流信號靈敏、速動等方面性能上的提高，在現(xiàn)代化計算機技術(shù)的支持下，同一電路測試系統(tǒng)配備不同測試原理判據(jù)成為可能[4]。

就本實驗項目中的子帶濾波基本過程，首先是將測試響應(yīng)信號x混入子帶濾波器組：

在濾波器組分解處理完成后，其子帶信號變?yōu)椋?/p>

通過對不同子帶信號的診斷特征值提取，借助Matlab軟件進行濾波器系數(shù)序列計算，將原始信號通過濾波器組得到各個子帶的輸出序列，利用故障字典法進行結(jié)果比對測試。

4.2 測試平臺構(gòu)建

整個模擬集成電路測試系統(tǒng)平臺主要包括平臺硬件及測試軟件兩部分，其中平臺硬件又包括應(yīng)用接收機組件、發(fā)射機組件、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，其主要作用是進行電路信息接收模擬，通過不同頻率、幅度、回波延時，模擬不同頻率的輻射，并分別傳輸給接收機組件輸入通道，完成數(shù)字機組件輸出信號采集工作。在基于單測點的模擬集成電路測試系統(tǒng)平臺構(gòu)建中，發(fā)射機組件測試主要是檢測負載箱輸出情況，由于此輸出為一段短調(diào)制脈沖信號，當信號加載完成后再進行數(shù)據(jù)輸出。應(yīng)用接收機組件主要是進行信號數(shù)據(jù)收發(fā)工作，通過模擬電路中各個系統(tǒng)之間的信號，完成信息交互。開關(guān)模塊能夠完成不同電源供電，并滿足切換信號采集通道的需求。而軟件部分則是進行電路數(shù)據(jù)信息處理工作，區(qū)別于原始的“標準度”與“分辨率”進行信號觀察，基于單測點的模擬集成電路測試系統(tǒng)平臺設(shè)計中，信號傳遞過程較為平穩(wěn)，但在細節(jié)處的不連續(xù)性表現(xiàn)的也比較明顯[5]。

本實驗采用無窮大系統(tǒng)模型。其比率差動保護的門檻值為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，以及針對性的低諧波比勵磁涌流測試項目。基于單側(cè)試點電流計算方式為側(cè)相電流與零序電流之間的均衡測量方式，因此設(shè)定整體故障發(fā)生時，變壓器兩相差動都有故障電流。實際測試環(huán)節(jié)，不同電路故障信號不同，經(jīng)過測量對比，其動作延時最長能達到150ms，但由于整個測試系統(tǒng)的故障電流較小，且對于整個故障信號測試動作的完成時間沒有過多要求，因此這個延時可以接受。使用 PADS 軟件中的 Logic原理圖編輯工具建立原理圖，并完成PCB板布局布線導入，為簡化實驗流程，可以將電路板劃分為若干個不同的子電路獨立模塊，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)學家Sobol于19世紀90年代提出的一種敏感性分析方法，并以個人名字進行命名，其核心思路是通過方差分解，將整個模型分解為多個參數(shù)，并將這些參數(shù)進行重新組合的函數(shù)，通過不同參數(shù)與參數(shù)集的方差計算，得出其對總輸出方差的影響，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軟件自身具備強大的科學計算能力，以及較為完善的算法庫，同自然語言相比能夠在極短時間內(nèi)完成各種復(fù)雜計算，但自身對硬件控制能力較弱。因此將Sobol指數(shù)法與Matlab進行混合編程，通過ActiveX技術(shù)，Sobol指數(shù)法在Matlab自動化服務(wù)器功能中執(zhí)行代碼，并完成數(shù)據(jù)交換，從而進行混合編程。過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)。可以將電力載波通信技術(shù)的優(yōu)點并與脈沖識別法相結(jié)合，強化用戶信息在線識別，將檢測與用戶識別工作融為一體，并利用手機APP進行裝置操控及數(shù)據(jù)收集。這種方法能夠縮短系統(tǒng)軟件設(shè)計計算時間，將軟件中的數(shù)據(jù)采集、信號處理、信息分析等工作，都以編程的方式進行呈現(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試系統(tǒng)平臺設(shè)計分析中，能夠直接準確地反映出電路故障的實際需情況。在模型應(yīng)用環(huán)節(jié)，可以選擇定性分析與定量計算相結(jié)合的方式，使得整體計算模式更加規(guī)范。數(shù)據(jù)信號分析時，需要考慮多的影響因素，并對矩陣進行子域劃分，利用計算機等工具進行輔助計算[6]。

4.4 實驗注意事項

基于單測點的模擬集成電路測試系統(tǒng)平臺作業(yè)時，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、存儲介質(zhì)等。由于模擬集成電路自身的結(jié)構(gòu)特性，常會出現(xiàn)多次反射情況，這是因為電路負載跳變時智能表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)檢測偏差，所以集成電路在線檢測定位時，所選擇的數(shù)據(jù)資料要以首次回波情況為準。接收機測試軟件要模擬回波參數(shù)，對接收機組件上的增益進行控制碼設(shè)定，并加載混頻信號完成模擬回波調(diào)制。電路測試系統(tǒng)要將接收機的模擬信號進行處理，閉合第一通道開關(guān)，進行模擬信號加載，可以利用接收機將信號幅度及頻率函數(shù)進行計算。進行電路故障數(shù)據(jù)檢測時，要采用A相電流數(shù)據(jù)標識，此時會出現(xiàn)一定程度的由外至內(nèi)延伸情況，通過對數(shù)據(jù)的擴展分析，以及故障電流數(shù)據(jù)標識，完成二次數(shù)據(jù)采集，配合手工測量的方法，確保電路故障在線檢測結(jié)果的準確性。若這兩幀數(shù)據(jù)抄收存在時間差，現(xiàn)場用戶負載會出現(xiàn)跳變現(xiàn)象，應(yīng)進行有效識別，確定電路測試系統(tǒng)平臺的采集數(shù)據(jù)。