数字测试仪下的参数测试单元的设计

随着电子技术的迅速发展，数字集成电路得到了广泛的应用，数字芯片已经渗透到各个生产、生活的领域。与之相对应的，各个领域对数字芯片的性能、稳定性、可靠性也有了更高的要求。数字测试仪作为测试芯片性能最主要的技术正是在这样的环境下迅速发展起来。

整个数字测试仪通常包含了五大部件：电源模块、通信模块、参数测量单元、数字测量单元和主控制模块。其中，参数测量单元和数字测量单元是整个数字测量仪的核心部件，参数测量单元直接决定着整个系统测试仪的模拟参数测量精度和应用范围。因此，设计出具备高精度、高速度的参数测量单元的数字测试仪具有很高挑战性。

本文提出了一种高速度高精度的参数测量单元。该单元应用于数字测试仪,具备16通道选通测试能力和可编程指令集，同时自带的PID循环验证和Kelvin四线连接技术可以有效提高整个模拟参数测量精度，使测量仪在低于50Ω的负载情况下仍能维持不超过千分之一的测试误差。

数字测试仪框架
数字测试仪框架如图1所示，采用Cyclone系列的FPGA作为主控制芯片。该芯片能够有效控制各种高速并行D/A、A/D进行测试；同时对大量的通道选通继电器、存储器阵列、数字信号采集芯片等进行准确控制。由图1可以看出，测试仪的模块很多，但需要指出的是模拟参数单元占到了整个面积和成本的三分之一以上，这也显示了参数测量单元的重要性。

图1 数字测试仪架构图

参数测试单元硬件设计
1 测试单元整体架构
参数测试单元如图2所示，总共包括了三大部分，第一部分参数测试通道主要由各种功能的通道组成，包含了16个参数测量通道用来测试芯片的16个引脚；以及多个辅助引脚，这些辅助引脚可以辅助Kelvin连接评估传输线阻抗和模拟总线交互功能。

图2 参数测试单元架构

这些测试通道由测量单元的第二部分：继电器阵列组控制。继电器除了对测试通道进行开关控制外，还能够控制该单元的功能操作和时序操作，对测试精度有很大的影响。同时,这些继电器具备可编程功能,能够根据用户需求适时更改。提高了整个测试系统的灵活性，有助于系统以后的升级。

最后是信号处理部分，这部分电路主要由高速16位DAC、ADC以及各种运算放大器、仪器放大器以及存储器构成,主要进行各种参数测试、存储和反馈。

2 高精度信号测量模块的实现
要实现高精度信号测量模块，必须具有高精度的DAC和ADC转换芯片，这里采用了TI公司的DAC702和ADI公司的AD976来进行16位精度的信号输出和回采。测量模块原理如图3所示，测试单元搭配了5个千分之一精度的精密电阻：50Ω、500Ω、50kΩ、500kΩ和5MΩ来划分不同的测试范围。为了保证足够的测试精度，本测量单元还专门划分JDQF和JDQS，使得整个测试系统具备Kelvin连接要素，可以分别向DUT（待测单元）提供FORCE线、SENCE线、LOW FORCE和LOW SENCE线，具备了当负载为小电阻情况下进行精确测量的能力。

参数测试单元软件设计
1 通信协议
与传统测试仪不同，该测试仪采用了Altera系列的FPGA芯片作为主控制芯片，这意味着该测试系统无法借助MCU核自身的指令系统来简化整个系统的指令系统。本测试仪的内部指令，全部采用了自定义的指令系统，能够完整的对系统测试时的各个动作进行操作和切换,同时可以灵活地根据客户需要进行各种设计和改进，不会因为受限于MCU内核而出现系统瓶颈，在整个设计中具备了非常强的自主知识产权。

图3 测量模块原理图

整个测试仪是基于PLX9054芯片进行的32位数据的PCI通信。为了协同整个测试系统控制，参数测试单元的控制设备采用了32位PCI数据中的24位作为内部总线来控制各种测试动作，实现控制状态的转换。整个数据流如图4所示，每个数据包包含了24位数据，其中高8位定义为地址码，用来解释整个系统的各种操作，包含了数字和模拟参数测试的各个动作。低16位为测试数据位，用来传输测试必须的各种数据。
其中，参数测量的指令包含了FVPMU加电压测量指令，该指令包含了5个命令地址：0011_1100、0011_1101、0011_1110、0011_1111、0100_0000依次表示测量中选取采样电阻命令、加压命令、电流保护命令、上限电流和下限电流保护命令。此外参数测量指令还有类似的FIPMU加电流测量指令等各种测量指令。

图4 数据流格式

之前提到过为了提高参数测量的精度，采用了两套精度校对方案分别从代码校对和硬件控制两个方面对测量过程进行监控和校对。代码校对是根据实际的测试经验来提高测试精度。硬件控制则具体分为两个器件手册说明，在测试流程中加入校准参数步骤进行，第一个步骤是输出过程中加入以比对为基础的PID算法，将ADC回采的实际输出电压值和根据输入数据得到的理论输出值进行比较，然后进行相应的补偿，以保证输出准确。第二个步骤是采用Kelvin四线桥接技术，首先控制参数测量单元评估从测试仪输出端到DUT的传输线阻抗，再在后级测试中进行屏蔽，从而提高整个系统的测试精度。具体的测试控制流程如图5所示。

图5 参数测试流程
2 测试流程
流程说明：测量单元进入测量模式，同时检测是否得到FIPMU或者FVPMU命令，当检测到命令时，输出对应信号，同时根据PMUSETFILTER命令中的检测次数，校验输出信号。经过规定次数下的校验无误后，开启相关测试通道进行后级测试。后级测试根据Kelvin原理，对测试通道的传输阻抗先进行预估。根据得到的预估值Z，校对测试电压并最终得到在该测试通道下的准确模拟参数V1。然后根据同样的原理，对其他要求的通道进行预估，得到相应的阻抗预估值Zn，从而最终得到各个测量通道的准确测量参数。需要说明的一点是由于测试是一个连续的过程，因而每个测量通道阻抗的预估在一整套多芯片的测量中只需要一次。而不必对每个芯片引脚的测试通道反复预估，这样可以节约测试时间和成本。

试验分析
为了验证参数测量单元在负载为小电阻情况下的工作情况，笔者在常温环境下针对不同阻抗的待测单元，分别用无校准IC参数测试单元和校准后的参数测试单元进行测试比对，测试结果如表1所示：校准后的测量单元借助Kelvin技术在小电阻测量的优势,能够在低于50Ω的负载测量中，保持至少提升一个数量级的测量精度优势。而当电阻提高越多，精度优势就越不明显。

根据Kelvin技术的理论可以知道其优势主要在于可以有效评估传输线阻抗带来的测量误差。而当传输线阻抗一定，负载增大时，传输线阻抗造成的压降占总测试电压的比例下降，测试精度的提升程度也会随之下降。

结束语
针对数字测试中面临的参数测试要求，本文提出了基于FPGA控制，32位PCI通信同时具备高精度输出和采样芯片的参数测量单元，并对实现过程中的具体问题进行了分析。