基于邊界掃描技術(shù)的混合信號測試系統(tǒng)

分析了用于模數(shù)混合電路的邊界掃描測試技術(shù)的工作機(jī)制對測試主控系統(tǒng)的功能需求．提出了一種基于微機(jī)的符合IEEEll49.4標(biāo)準(zhǔn)的混合信號邊界掃描測試主控系統(tǒng)。所采用的廣義特征分析法利用庫函數(shù)映射的思想，將傳統(tǒng)的各種故障字典進(jìn)行統(tǒng)一描述。實(shí)踐證明，該方法對模數(shù)混合電路的測試是行之有效的。

在所使用的集成電路中，有許多是將模擬信號作為輸入，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號進(jìn)行處理或直接輸出，或者以數(shù)字信號輸入轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號輸出。這樣的數(shù)?；旌舷到y(tǒng)的測試涉及模擬信號測試與數(shù)字信號測試兩個(gè)方面，頻率覆蓋了從幾Hz到上GHz的范圍，其測試設(shè)備非常昂貴，而且缺乏結(jié)構(gòu)化的可測試性設(shè)計(jì)(Design for Testability，DFT)解決方案。數(shù)字電路一直是邊界掃描測試的重點(diǎn)，商品化的測試系統(tǒng)已有上百種。而模擬電路和數(shù)模混合電路的測試技術(shù)還存在一些問題，原因是對比單純的數(shù)字電路，模擬及數(shù)模電路測試存在以下難點(diǎn)：

(1)模擬電路一般是非線性的，來源于非線性噪聲和寬范圍變化的參數(shù)等。

(2)數(shù)字電路可以用簡單的布爾方程來描述，而模擬電路的參數(shù)特別多，其功能描述是以名義參數(shù)的簡化來說明，實(shí)際上每個(gè)參數(shù)都包含一定的范圍。

(3)模擬電路的故障模式眾多，特別復(fù)雜。

(4)現(xiàn)在的集成模擬電路越來越復(fù)雜以及內(nèi)部元件的不可訪問性，都大大增加了測試的難度。

(5)混合電路測試不同于單純的模擬或數(shù)字電路測試，它的測試質(zhì)量不僅取決于二者各自的精度，且與它們之間的相互影響有關(guān)。比如模擬部分與數(shù)字部分都必須有相互獨(dú)立的接地系統(tǒng)。

測試成本以及隨著器件尺寸縮小產(chǎn)生的測試能力的限制，都使得DFT技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。而混合電路邊界掃描測試總線技術(shù)可以使混合電路的測試性得到提高。

1 混合電路故障診斷與廣義特征分析

1．1 橫擬電路失效類型與功能測試

模擬電路的失效情況大致可以概括為以下5類：

(1)參數(shù)值偏離正常值。

(2)參數(shù)值嚴(yán)重偏離正常范圍，如開路、短路、擊穿等。

(3)一種失效引發(fā)其他的參數(shù)錯誤。

(4)某些環(huán)境條件的變化引發(fā)電路失效(如溫度、濕度等)。

(5)偶然錯誤，但通常都是嚴(yán)重失效，如連接錯誤等。

其中(1)、(3)和(4)通常只是引起電路功能偏離設(shè)計(jì)值，但仍可以工作，稱為軟故障；而(2)和(5)將引發(fā)電路功能的錯誤，是不可逆的失效，屬硬故障。

在數(shù)字電路測試中通常采用的s-a失效模型，基本上可以覆蓋數(shù)字電路的絕大部分失效情況，但在模擬電路測試時(shí)情況有所不同，硬故障占總數(shù)的83.5％，因此至少有16.5％的失效情況不能由失效模型得到。邊界掃描技術(shù)屬于結(jié)構(gòu)測試的范圍，它不是試圖驗(yàn)證器件的功能性，而是采用適當(dāng)?shù)氖Ｐ蛠頇z測目標(biāo)故障，結(jié)構(gòu)測試必須建立電路的故障模型，但是由于模擬電路的輸入輸出的復(fù)雜性和軟故障的存在，它的故障模型很難建立。

即使采用了失效模型，也還需要用SPICE等仿真軟件來模擬發(fā)生某種失效時(shí)的實(shí)際結(jié)果。所以模擬電路和模數(shù)混合電路的測試，目前主要的策略仍是采用功能測試來檢測設(shè)計(jì)的正確性。隨著VLSI技術(shù)的不斷發(fā)展，詳盡的無故障特性模擬混合功能測試已成為模擬電路測試的主流，用于檢測任何的特性偏移。

1．2 廣義特征分析故障隔離方法

模數(shù)混合電路故障診斷的思路是：在電路測試之前，用計(jì)算機(jī)模擬電路運(yùn)行狀態(tài)或根據(jù)專家提供的經(jīng)驗(yàn)建立故障字典，電路測試后根據(jù)測量信號和某種規(guī)則比較故障字典中的特征值和實(shí)測的特征值來確定故障。廣義特征法是一種庫函數(shù)映射提取特征的方法，能較好地解決模數(shù)混合電路的故障隔離問題。

任何一種電路工作正常與否都體現(xiàn)在給定的輸入情況下是否能得到正常的輸出。而輸入、輸出都可以用一簇隨時(shí)間變化的函數(shù)表示，如圖l所示。輸入函數(shù)簇為fli(t)(i=1，2……n)，輸出函數(shù)簇為矗fOj(t)(j=l，2……m)。

若要進(jìn)行故障診斷，需要進(jìn)行的工作主要來有兩方面：一方面是給系統(tǒng)以必要的激勵，即確定輸入函數(shù)fli(t)；另一方面是判斷輸出fOj(t)是否正常。對于電路輸入端的激勵，可以用波形存儲設(shè)備事先將信號采集下來，然后用軟件完成特征提取存儲在計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行測試時(shí)再將特征碼變換成波形數(shù)據(jù)，然后用任意波形發(fā)生器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成激勵信號。對輸出信號也可以用波形存儲設(shè)備將信號存儲下來，壓縮成特征碼，將所提取的特征與正常特征相比較，從而判定電路正常與否并定位故障。

1.2.1 特征提取

廣義特征分析法中的特征提取按兩個(gè)步驟進(jìn)行：

(1)根據(jù)不同信號類別選取特征，建立自然映射庫函數(shù)。特征的選取可根據(jù)實(shí)際電路和信號特點(diǎn)來定，一般模擬電路中的信號可選取最能代表電路功能的信號參數(shù)為特征，如幅度、寬度、周期、上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間、載頻等，記為X1，X2……Xn。在圖1中，設(shè)m個(gè)輸出信號中有k類信號，則庫函數(shù)應(yīng)有k個(gè)，記為ri(i=l，2，……k)，庫函數(shù)可以是一數(shù)學(xué)表達(dá)式，也可以是一種特征提取方法的程序表達(dá)。

(2)以相同的信號參數(shù)作為等價(jià)類求各類信號的商集，設(shè)所有輸出信號的函數(shù)為實(shí)函數(shù)，即fOj(t)∈R，則其商集為R/E。其庫函數(shù)ρi即為電路輸出信號從R到其商集的自然映射，所以提取特征的過程就是已知電路的輸出信號集(即原象)以及自然映射(庫函數(shù))，求其商集：

這里對于不同的信號類，自然映射ρi也不同。

1．2．1 故障判斷

為了方便故障判斷，作下列映射變換：

式中，X為n維矢量空間，n為電路所有種類信號參數(shù)個(gè)數(shù)之和。故障判斷應(yīng)在n維矢量空間進(jìn)行，以每一個(gè)矢量作為一個(gè)樣本點(diǎn)，設(shè)電路正常工作時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)樣本為XN，m個(gè)輸出電路正常工作范圍為(XdI，XuI)，則：

其中，分別為第1個(gè)輸出信號在n維空間中第i維分量的正常范圍下限和上限，每一個(gè)檢測點(diǎn)的信號對應(yīng)一個(gè)矢量，每個(gè)矢量的實(shí)際維數(shù)代表信號的參數(shù)個(gè)數(shù)。

圖1所示有m個(gè)輸出的電路，設(shè)有k種故障，顯然每類故障在矢量判別空間中有m個(gè)特性，若故障特征是按每個(gè)輸出信號的參數(shù)來選取，即：

式中，。所以識別矩陣為(m×n+1)×k維。這意昧著故障類可以劃分得更細(xì)，或在相同檢測點(diǎn)的情況下可將故障定位到更小的部位。

2 混合信號邊界掃描系統(tǒng)

IEEE半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(SA)標(biāo)準(zhǔn)委員會在針對純數(shù)字電路的邊界掃描測試標(biāo)準(zhǔn)(即IEEEll49．1標(biāo)準(zhǔn))早已提出并被廣泛接受和使用的基礎(chǔ)上，將IEEEll49．4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)成與IEEEll49．1標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，并于1999年6月批準(zhǔn)了可以應(yīng)用于模擬電路測試的混合電路邊界掃描測試總線IEEEll49．4-1999標(biāo)準(zhǔn)。

IEEEll49．4標(biāo)準(zhǔn)的重點(diǎn)是為混合電路的測試特性和測試協(xié)議提供了標(biāo)準(zhǔn)化的手段：

(1)內(nèi)部連接測試：測試在PCA(Printed Circuh Assembly)內(nèi)部連接短路和開路問題。

(2)參數(shù)測試：主要是模擬特性、測試PCA中離散期間的參數(shù)。

(3)內(nèi)部測試：測試混合電路的內(nèi)部電路。

此標(biāo)準(zhǔn)描述了混合總線的體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但沒有給出具體的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)。

2．1 混合信號電路的邊界掃描結(jié)構(gòu)

對混合信號電路進(jìn)行測試的方案是：混合電路中的數(shù)字部分，按IEEEl．149．1標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行邊界掃描測試；而對混合電路中的模擬部分，IEEEll49．4標(biāo)準(zhǔn)專門規(guī)定了特殊的邊界掃描結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)模擬電路的邊界掃描測試，即實(shí)現(xiàn)模擬虛擬探針測試。它主要包括模擬測試訪問口ATAP(Analog Test Access Port)、模擬測試總線ATBx(Analog Test Bus,x=l，2)、模擬測試單元ABM(Analog Boundary Module)和測試總線接口電路TBIC (Test Buslnference Circuit)等部分?；旌闲盘栯娐返倪吔鐠呙杞Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

TAP控制器、控制管腳(測試數(shù)據(jù)輸入端口TDl、測試數(shù)據(jù)輸出端口TD0、測試時(shí)鐘TCK、測試方式選擇TMS)和數(shù)字邊界模塊(DBM)是IEEEll49．1標(biāo)準(zhǔn)特征。TAP控制器是一個(gè)時(shí)序電路，由TMS和TCK信號驅(qū)動。TAP控制器提供了邊界掃描測試所需的全部過程，包括：(1)提供信號將指令移入指令寄存器中。(2)提供信號將測試數(shù)據(jù)移入測試數(shù)據(jù)寄存器中，并把測試響應(yīng)數(shù)據(jù)從這些寄存器移出。(3)提供信號完成測試操作，如捕獲、移位、更新測試數(shù)據(jù)等。

ABM是一種模擬電路邊界掃描單元，它具有由數(shù)字電路構(gòu)成的移位寄存器、更新寄存器和控制邏輯。移位寄存器、更新寄存器用來進(jìn)行數(shù)字信號的輸入輸出?？刂七壿嫷淖饔檬强刂颇M功能管腳上的概念開關(guān)，其開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

各模擬功能管腳通過ABM的概念開關(guān)矩陣和測試總線接口電路，與模擬測試訪問口ATl、A2相連。外界模擬測試激勵可通過l或2條模擬信號通路施加到某l或2個(gè)模擬管腳上，模擬功能引腳上的模擬測試響應(yīng)也可通過另一條模擬測試通路輸出到外界，由模擬測試響應(yīng)處理器處理。

邊界掃描測試受控系統(tǒng)的工作程序是：泓試主控系統(tǒng)產(chǎn)生滿足IEEEll49．4協(xié)議的測試信號；將數(shù)字測試激勵數(shù)據(jù)以串行方式由受控系統(tǒng)的TDI輸入邊界掃描寄存器；將模擬測試激勵給ATl；通過TMS發(fā)送測試控制命令，經(jīng)TAP控制器控制數(shù)字和模擬邊界掃描單元完成測試數(shù)據(jù)的加載和測試響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集。最后，數(shù)字測試響應(yīng)數(shù)據(jù)以串行掃描方式由TD0送出，模擬測試響應(yīng)數(shù)據(jù)由AT2送出，交由測試主控系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。

2.2 測試主控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

整個(gè)測試主控系統(tǒng)主要由宿主機(jī)、PCI接口電路、存儲器組(包括測試程序存儲器和測試響應(yīng)存儲器)、測試主控器、任意波形發(fā)生器和數(shù)據(jù)采集板組成，其結(jié)構(gòu)凰如圖4所示。

PCI總線可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與外部元件的高速數(shù)據(jù)傳輸。PLX公司開發(fā)的PCl9054是一種PCI接口控制芯片，符合PCI局部總線規(guī)范V2．2，其峰值傳輸速率為132Mbps(32位PCI數(shù)據(jù)線)。存儲器組用于存放測試代碼和測試響應(yīng)數(shù)據(jù)，由PCl9054和主控器共享訪問，即對存儲器組的訪問包括PCI9054向存儲器組寫入測試代碼和從存儲器組讀取測試響應(yīng)數(shù)據(jù)，以及主控器從存儲器組中讀取測試代碼和向存儲器組寫入測試響應(yīng)數(shù)據(jù)。

可在主控器的設(shè)計(jì)中增加1個(gè)HOLD輸入引腳，當(dāng)HOLD為高電平時(shí)，使主控器的數(shù)據(jù)線和地址線變?yōu)楦咦钁B(tài)。這樣，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行流程，當(dāng)PCI9054向存儲器組寫入測試代碼或從其讀人測試響應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí)，由于這些過程只發(fā)生在測試進(jìn)行前或測試結(jié)束后，可以使主控器的HOLD引腳為高電平，主控器的數(shù)據(jù)線與地址線為高阻態(tài)，而不影響PCl9054對存儲器組的訪問。也就是說，PCI9054和主控器對存儲器組的訪問采用了分時(shí)的原則，同時(shí)由于主控器的運(yùn)行是由PC機(jī)通過PCI9054來控制的，所以PCI9054對存儲器組的訪問相對優(yōu)先。

主控器是本系統(tǒng)的核心部分，其主要功能包括：訪問存儲器，將測試代碼轉(zhuǎn)換為滿足IEEEll49．4標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描測試信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較等。所以主控器實(shí)際上是一個(gè)簡單的RISC微處理器。主控器的體系結(jié)構(gòu)由四部分組成：命令解釋器、存儲器接口，任意波形發(fā)生器和數(shù)據(jù)采集板控制電路、提供邊界掃描測試接口信號的幾AG接口。其存儲器接口由16位數(shù)據(jù)線DB[15：O]和13位地址線AB[12：0]、寫信號WR、讀信號RD、復(fù)位信號RESET及時(shí)鐘信號CLOCK組成。

整個(gè)主控系統(tǒng)的工作流程是：宿主機(jī)軟件根據(jù)被測對象和測試圖形生成主控器可以執(zhí)行的測試代碼并通過PCI總線傳送到系統(tǒng)的存儲器組中；接收到開始測試信號后，主控器開始執(zhí)行存儲器中的代碼，生成TCK、TMS信號給被測對象；直接生成數(shù)字測試激勵數(shù)據(jù)給TD1，或由主控器送模擬激勵幅度、頻率等數(shù)據(jù)給任意波形發(fā)生器，由波形發(fā)生器生成相應(yīng)的模擬測試激勵，經(jīng)ATl腳給被測對象。

主控器接收從TDO腳送入的數(shù)字測試響應(yīng)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集板將AT2腳采集到的模擬測試響應(yīng)(包括幅度和相位信息)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)送給測試主控器。主控器將這些響應(yīng)信號與預(yù)期信號進(jìn)行比較，或?qū)⑵浯嬗诖鎯ζ髦小Ｈ舯容^結(jié)果與預(yù)期響應(yīng)不相符，即停止提供測試信號并向宿主機(jī)申請中斷。存于存儲器組中的數(shù)據(jù)可以通過PCI總線讀回宿主機(jī)進(jìn)行診斷，以查找出故障的位置和原因。

3 分析

(1)利用廣義特征分析進(jìn)行故障隔離，從原理上講是對電路進(jìn)行功能測試，因此一般情況下是模擬實(shí)際電路工作環(huán)境。若作為機(jī)內(nèi)自檢的故障隔離，僅是故障檢測后的故障隔離，不需注入信號，則庫函數(shù)的自然映射為單射這一條件可去掉．但作為電路單元(PCB)的測試，一般需加入激勵信號。廣義特征分析法利用庫函數(shù)映射的思想，將傳統(tǒng)的各種故障字典法進(jìn)行統(tǒng)一描述，并推廣到各種模擬或數(shù)字電路的診斷中，因此測試設(shè)備應(yīng)能滿足任意波形存儲和任意波形產(chǎn)生的要求。實(shí)踐證明，該方法對模數(shù)混合電路的測試是可行的。

(2)在電路設(shè)計(jì)中將棍合電路分為可單獨(dú)測試的模擬模塊和數(shù)字模塊，在測試時(shí)分別對模擬和數(shù)字部分進(jìn)行測試。需要注意的是，即使模擬測試與數(shù)字測試的結(jié)果完全合格，也并不表示電路沒有故障，因?yàn)槎唛g的連接部分出現(xiàn)一點(diǎn)錯誤，都會導(dǎo)致電路失效，所以無論整體功能與模塊化的測試結(jié)果間有怎樣確定的關(guān)系，在測試項(xiàng)目中，保留一些整體功能測試是必須的。

(3)IEEEll49．4標(biāo)準(zhǔn)的混合信號測試總線方案對模擬信號的測試精確度目前還不能達(dá)到理想水平。測試實(shí)踐表明，1kΩ的電阻其測量誤差可控制在1％以下，電抗為1kΩ的電感和電容，其測量誤差可控制在5％以下；其他分立元件參數(shù)值的測量誤差會更大?；旌闲盘栯娐分校至⒃骷膮?shù)值隨使用時(shí)間的推移而發(fā)生變化，這也給故障診斷帶來很大的困難。另外，對于高頻或射頻混合信號電路，IEEEll49．4標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)用受到限制。

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