基于边界扫描技术的混合信号测试系统

分析了用于模数混合电路的边界扫描测试技术的工作机制对测试主控系统的功能需求．提出了一种基于微机的符合IEEEll49.4标准的混合信号边界扫描测试主控系统。所采用的广义特征分析法利用库函数映射的思想，将传统的各种故障字典进行统一描述。实践证明，该方法对模数混合电路的测试是行之有效的。

在所使用的集成电路中，有许多是将模拟信号作为输入，经传感器转变为数字信号进行处理或直接输出，或者以数字信号输入转变为模拟信号输出。这样的数模混合系统的测试涉及模拟信号测试与数字信号测试两个方面，频率覆盖了从几Hz到上GHz的范围，其测试设备非常昂贵，而且缺乏结构化的可测试性设计(Design for Testability，DFT)解决方案。数字电路一直是边界扫描测试的重点，商品化的测试系统已有上百种。而模拟电路和数模混合电路的测试技术还存在一些问题，原因是对比单纯的数字电路，模拟及数模电路测试存在以下难点：

(1)模拟电路一般是非线性的，来源于非线性噪声和宽范围变化的参数等。

(2)数字电路可以用简单的布尔方程来描述，而模拟电路的参数特别多，其功能描述是以名义参数的简化来说明，实际上每个参数都包含一定的范围。

(3)模拟电路的故障模式众多，特别复杂。

(4)现在的集成模拟电路越来越复杂以及内部元件的不可访问性，都大大增加了测试的难度。

(5)混合电路测试不同于单纯的模拟或数字电路测试，它的测试质量不仅取决于二者各自的精度，且与它们之间的相互影响有关。比如模拟部分与数字部分都必须有相互独立的接地系统。

测试成本以及随着器件尺寸缩小产生的测试能力的限制，都使得DFT技术受到越来越多的关注。而混合电路边界扫描测试总线技术可以使混合电路的测试性得到提高。

1 混合电路故障诊断与广义特征分析

1．1 横拟电路失效类型与功能测试

模拟电路的失效情况大致可以概括为以下5类：

(1)参数值偏离正常值。

(2)参数值严重偏离正常范围，如开路、短路、击穿等。

(3)一种失效引发其他的参数错误。

(4)某些环境条件的变化引发电路失效(如温度、湿度等)。

(5)偶然错误，但通常都是严重失效，如连接错误等。

其中(1)、(3)和(4)通常只是引起电路功能偏离设计值，但仍可以工作，称为软故障；而(2)和(5)将引发电路功能的错误，是不可逆的失效，属硬故障。

在数字电路测试中通常采用的s-a失效模型，基本上可以覆盖数字电路的绝大部分失效情况，但在模拟电路测试时情况有所不同，硬故障占总数的83.5％，因此至少有16.5％的失效情况不能由失效模型得到。边界扫描技术属于结构测试的范围，它不是试图验证器件的功能性，而是采用适当的失效模型来检测目标故障，结构测试必须建立电路的故障模型，但是由于模拟电路的输入输出的复杂性和软故障的存在，它的故障模型很难建立。

即使采用了失效模型，也还需要用SPICE等仿真软件来模拟发生某种失效时的实际结果。所以模拟电路和模数混合电路的测试，目前主要的策略仍是采用功能测试来检测设计的正确性。随着VLSI技术的不断发展，详尽的无故障特性模拟混合功能测试已成为模拟电路测试的主流，用于检测任何的特性偏移。

1．2 广义特征分析故障隔离方法

模数混合电路故障诊断的思路是：在电路测试之前，用计算机模拟电路运行状态或根据专家提供的经验建立故障字典，电路测试后根据测量信号和某种规则比较故障字典中的特征值和实测的特征值来确定故障。广义特征法是一种库函数映射提取特征的方法，能较好地解决模数混合电路的故障隔离问题。

任何一种电路工作正常与否都体现在给定的输入情况下是否能得到正常的输出。而输入、输出都可以用一簇随时间变化的函数表示，如图l所示。输入函数簇为fli(t)(i=1，2……n)，输出函数簇为矗fOj(t)(j=l，2……m)。

若要进行故障诊断，需要进行的工作主要来有两方面：一方面是给系统以必要的激励，即确定输入函数fli(t)；另一方面是判断输出fOj(t)是否正常。对于电路输入端的激励，可以用波形存储设备事先将信号采集下来，然后用软件完成特征提取存储在计算机中，进行测试时再将特征码变换成波形数据，然后用任意波形发生器将数据转换成激励信号。对输出信号也可以用波形存储设备将信号存储下来，压缩成特征码，将所提取的特征与正常特征相比较，从而判定电路正常与否并定位故障。

1.2.1 特征提取

广义特征分析法中的特征提取按两个步骤进行：

(1)根据不同信号类别选取特征，建立自然映射库函数。特征的选取可根据实际电路和信号特点来定，一般模拟电路中的信号可选取最能代表电路功能的信号参数为特征，如幅度、宽度、周期、上升沿时间、下降沿时间、载频等，记为X1，X2……Xn。在图1中，设m个输出信号中有k类信号，则库函数应有k个，记为ri(i=l，2，……k)，库函数可以是一数学表达式，也可以是一种特征提取方法的程序表达。

(2)以相同的信号参数作为等价类求各类信号的商集，设所有输出信号的函数为实函数，即fOj(t)∈R，则其商集为R/E。其库函数ρi即为电路输出信号从R到其商集的自然映射，所以提取特征的过程就是已知电路的输出信号集(即原象)以及自然映射(库函数)，求其商集：

这里对于不同的信号类，自然映射ρi也不同。

1．2．1 故障判断

为了方便故障判断，作下列映射变换：

式中，X为n维矢量空间，n为电路所有种类信号参数个数之和。故障判断应在n维矢量空间进行，以每一个矢量作为一个样本点，设电路正常工作时的标准样本为XN，m个输出电路正常工作范围为(XdI，XuI)，则：

其中，分别为第1个输出信号在n维空间中第i维分量的正常范围下限和上限，每一个检测点的信号对应一个矢量，每个矢量的实际维数代表信号的参数个数。

图1所示有m个输出的电路，设有k种故障，显然每类故障在矢量判别空间中有m个特性，若故障特征是按每个输出信号的参数来选取，即：

式中，。所以识别矩阵为(m×n+1)×k维。这意昧着故障类可以划分得更细，或在相同检测点的情况下可将故障定位到更小的部位。

2 混合信号边界扫描系统

IEEE半导体工业协会(SA)标准委员会在针对纯数字电路的边界扫描测试标准(即IEEEll49．1标准)早已提出并被广泛接受和使用的基础上，将IEEEll49．4标准设计成与IEEEll49．1标准完全兼容，并于1999年6月批准了可以应用于模拟电路测试的混合电路边界扫描测试总线IEEEll49．4-1999标准。

IEEEll49．4标准的重点是为混合电路的测试特性和测试协议提供了标准化的手段：

(1)内部连接测试：测试在PCA(Printed Circuh Assembly)内部连接短路和开路问题。

(2)参数测试：主要是模拟特性、测试PCA中离散期间的参数。

(3)内部测试：测试混合电路的内部电路。

此标准描述了混合总线的体系结构和标准协议，但没有给出具体的实现方法和技术。

2．1 混合信号电路的边界扫描结构

对混合信号电路进行测试的方案是：混合电路中的数字部分，按IEEEl．149．1标准的规定进行边界扫描测试；而对混合电路中的模拟部分，IEEEll49．4标准专门规定了特殊的边界扫描结构来实现模拟电路的边界扫描测试，即实现模拟虚拟探针测试。它主要包括模拟测试访问口ATAP(Analog Test Access Port)、模拟测试总线ATBx(Analog Test Bus,x=l，2)、模拟测试单元ABM(Analog Boundary Module)和测试总线接口电路TBIC (Test Buslnference Circuit)等部分。混合信号电路的边界扫描结构如图2所示。

TAP控制器、控制管脚(测试数据输入端口TDl、测试数据输出端口TD0、测试时钟TCK、测试方式选择TMS)和数字边界模块(DBM)是IEEEll49．1标准特征。TAP控制器是一个时序电路，由TMS和TCK信号驱动。TAP控制器提供了边界扫描测试所需的全部过程，包括：(1)提供信号将指令移入指令寄存器中。(2)提供信号将测试数据移入测试数据寄存器中，并把测试响应数据从这些寄存器移出。(3)提供信号完成测试操作，如捕获、移位、更新测试数据等。

ABM是一种模拟电路边界扫描单元，它具有由数字电路构成的移位寄存器、更新寄存器和控制逻辑。移位寄存器、更新寄存器用来进行数字信号的输入输出。控制逻辑的作用是控制模拟功能管脚上的概念开关，其开关结构如图3所示。

各模拟功能管脚通过ABM的概念开关矩阵和测试总线接口电路，与模拟测试访问口ATl、A2相连。外界模拟测试激励可通过l或2条模拟信号通路施加到某l或2个模拟管脚上，模拟功能引脚上的模拟测试响应也可通过另一条模拟测试通路输出到外界，由模拟测试响应处理器处理。

边界扫描测试受控系统的工作程序是：泓试主控系统产生满足IEEEll49．4协议的测试信号；将数字测试激励数据以串行方式由受控系统的TDI输入边界扫描寄存器；将模拟测试激励给ATl；通过TMS发送测试控制命令，经TAP控制器控制数字和模拟边界扫描单元完成测试数据的加载和测试响应数据的采集。最后，数字测试响应数据以串行扫描方式由TD0送出，模拟测试响应数据由AT2送出，交由测试主控系统进行分析处理。

2.2 测试主控系统体系结构

整个测试主控系统主要由宿主机、PCI接口电路、存储器组(包括测试程序存储器和测试响应存储器)、测试主控器、任意波形发生器和数据采集板组成，其结构凰如图4所示。

PCI总线可以实现PC机与外部元件的高速数据传输。PLX公司开发的PCl9054是一种PCI接口控制芯片，符合PCI局部总线规范V2．2，其峰值传输速率为132Mbps(32位PCI数据线)。存储器组用于存放测试代码和测试响应数据，由PCl9054和主控器共享访问，即对存储器组的访问包括PCI9054向存储器组写入测试代码和从存储器组读取测试响应数据，以及主控器从存储器组中读取测试代码和向存储器组写入测试响应数据。

可在主控器的设计中增加1个HOLD输入引脚，当HOLD为高电平时，使主控器的数据线和地址线变为高阻态。这样，根据系统的运行流程，当PCI9054向存储器组写入测试代码或从其读人测试响应数据时，由于这些过程只发生在测试进行前或测试结束后，可以使主控器的HOLD引脚为高电平，主控器的数据线与地址线为高阻态，而不影响PCl9054对存储器组的访问。也就是说，PCI9054和主控器对存储器组的访问采用了分时的原则，同时由于主控器的运行是由PC机通过PCI9054来控制的，所以PCI9054对存储器组的访问相对优先。

主控器是本系统的核心部分，其主要功能包括：访问存储器，将测试代码转换为满足IEEEll49．4标准的边界扫描测试信号，进行数据比较等。所以主控器实际上是一个简单的RISC微处理器。主控器的体系结构由四部分组成：命令解释器、存储器接口，任意波形发生器和数据采集板控制电路、提供边界扫描测试接口信号的几AG接口。其存储器接口由16位数据线DB[15：O]和13位地址线AB[12：0]、写信号WR、读信号RD、复位信号RESET及时钟信号CLOCK组成。

整个主控系统的工作流程是：宿主机软件根据被测对象和测试图形生成主控器可以执行的测试代码并通过PCI总线传送到系统的存储器组中；接收到开始测试信号后，主控器开始执行存储器中的代码，生成TCK、TMS信号给被测对象；直接生成数字测试激励数据给TD1，或由主控器送模拟激励幅度、频率等数据给任意波形发生器，由波形发生器生成相应的模拟测试激励，经ATl脚给被测对象。

主控器接收从TDO脚送入的数字测试响应数据；数据采集板将AT2脚采集到的模拟测试响应(包括幅度和相位信息)转换成数字数据送给测试主控器。主控器将这些响应信号与预期信号进行比较，或将其存于存储器中。若比较结果与预期响应不相符，即停止提供测试信号并向宿主机申请中断。存于存储器组中的数据可以通过PCI总线读回宿主机进行诊断，以查找出故障的位置和原因。

3 分析

(1)利用广义特征分析进行故障隔离，从原理上讲是对电路进行功能测试，因此一般情况下是模拟实际电路工作环境。若作为机内自检的故障隔离，仅是故障检测后的故障隔离，不需注入信号，则库函数的自然映射为单射这一条件可去掉．但作为电路单元(PCB)的测试，一般需加入激励信号。广义特征分析法利用库函数映射的思想，将传统的各种故障字典法进行统一描述，并推广到各种模拟或数字电路的诊断中，因此测试设备应能满足任意波形存储和任意波形产生的要求。实践证明，该方法对模数混合电路的测试是可行的。

(2)在电路设计中将棍合电路分为可单独测试的模拟模块和数字模块，在测试时分别对模拟和数字部分进行测试。需要注意的是，即使模拟测试与数字测试的结果完全合格，也并不表示电路没有故障，因为二者间的连接部分出现一点错误，都会导致电路失效，所以无论整体功能与模块化的测试结果间有怎样确定的关系，在测试项目中，保留一些整体功能测试是必须的。

(3)IEEEll49．4标准的混合信号测试总线方案对模拟信号的测试精确度目前还不能达到理想水平。测试实践表明，1kΩ的电阻其测量误差可控制在1％以下，电抗为1kΩ的电感和电容，其测量误差可控制在5％以下；其他分立元件参数值的测量误差会更大。混合信号电路中．分立元器件的参数值随使用时间的推移而发生变化，这也给故障诊断带来很大的困难。另外，对于高频或射频混合信号电路，IEEEll49．4标准的运用受到限制。

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