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宁夏大学新华学院本科学位论文
智能芯片测试系统的开发与设计
摘要
随着计算机技术和微电子技术的迅速发展
，
智能芯片测试系统的应用越来越广
泛。
测试过程应用于 智能芯片的制造过程，
其主要目的都是为智能芯片质量与可靠
性提供一种
度量。
本文介绍了智能芯片测试的重要地位，
分析了芯 片测试系统的发展和现状，
提
出了相应的设计方案。系统选择美国
NI
公司的数据采集卡（
NI-DAQ
）
PCI-6221
对
待测参数进行采集，
应用
< p>LabVIEW编程语言对该测试系统的控制部分以及结果比对
部分
进行了设计，
最终实现了一个闭环的测试系统的设计并给出测试结果，
主要用
D/A
芯片来实现设计。
与传统的
测试方法相比，设计更开放与灵活，便于修改，成功的实现了数字端
口的控制，模拟量的
采集以及结果的比对与显示。
关键字：虚拟仪器，
La bVIEW
，数据采集
1
宁夏大学新华学院本科学位论文
Abstract
With
the
rapid
development
of
the
computer
technology
and
microelectronics
technology,Smart chip-testing systems
are used more widely. The testing
process are
used in smart chip process, Main
purpose is to provide a measure for smart chip
quality
and reliability.
The
article
introduces
the
important
role
of
the
smart
microchip
testing
and
analyzes
the
chip
test
system
development
and
situation.
It
also
puts
forward
the
corresponding design scheme.
The
system uses data
acquisition
card
to
collect the
measuring parameters
and
chooseAmerica NI
company
’
s data collection card (DAQ)M series NI-models :PCI6221
for
acquisition signal equipment, applies the LabVIEW
programming software for
the
test
system
software
parts,
the
control
parts
and
the
LabVIEW
realizes
the
design of closed loop testing system and gives out
the results,
Mainly use D/A
chip
to implement the design.
Compared with the traditional test methods, it is more open and flexible, easy to
modify. It makes the design of
digital control ports, analog capture and compare
and
display the results succeed.
Key
words:
virtual
instrument
，
LabVIEW
Electromagnetic
interference
，
Data
acquisition.
2
宁夏大学新华学院本科学位论文
目
录
第一章
前沿
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1.1
课题背景及研究意义
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1.1.1
现代工业生产的热点研究
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1.1.2
测试系统设计技术的产生
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2
1.2
研究意义
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2
1.3
D/A
芯片测试方法发 展现状
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1.4
课题研究内容和研究方法
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3
第二章
总体方案设计
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5
2.1
选用的
D/A
芯片测试技术的设计
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7
2.2
数据采集系统的介绍< /p>
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9
2.2.1
数据采集卡的功能
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9
2.2.2<
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数据采集系统的基本构成
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10
2.2.3 <
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信号调理
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13
2.2.4
数据采集过程
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14
第三章
D/A
芯片测 试及数据采集调试
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16
3.1
静态参数测试部分
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1 6
3.1.1
静态参数测试功能
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3.1.2
静态参数输出控制部分的设计
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3.1.3
静态参数数据采集部分的设计
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3.1.4
静 态数据采集的系统调试
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25
3.2
动态参数测试 部分
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26
3.2.1 <
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动态参数测试功能
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26
3.2.2
动态数据输出控制部分和动态数据采集部分设计
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3.2.3
动态数据采集的系统调试
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36
第四章
总结与展望
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4.1
总结
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4.2
展望
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39
参
考
文
献
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40
致
谢
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41
3
宁夏大学新华学院本科学位论文
第一章
前
言
1.1
课题背景及研究意义
1.1.1
现代工业生产的热点研究
在科学技术日益发
展的今天，
现代工业企业要取得成功的关键因素之一就是产
品合格的质量
；在军事领域里面，要求武器装备要有更高的可靠性，保障性和可维
修性。另一方面，由
于现代工业及科技的迅速发展，自动化程度也越来越高，设备
的结构变得越来越复杂，不
仅仅同一设备的不同部分之间相互关联，紧密耦合，而
且不同设备之间也存在着紧密联系
，
在运行过程中形成了一个不可分割的整体。
因
此，如果
设备某一部分发生了故障，就可能引起一系列连锁反应，导致整个设备不
能正常运行，轻
者造成停机，停产，重则产生严重的甚至灾难性的人员伤亡。最典
型的由于设备运行出现
的故障而引起的灾难有：
1986
年
4
月，前苏联 切尔诺贝利
核电站放射性泄漏事故，损失达到
30
亿美元 ，核污染波及周边各国。
2003
年
2
月
载有
7
名宇航员的美国哥伦比亚号航天飞机，
在结 束了为期
16
天的太空任务之后，
返回地球时，在着陆前
发生意外故障，航天飞机全部解体坠毁，不仅造成巨大的经
济损失，而且使人类探索太空
的航天遭到重大影响。
因此，如何检测系统并且让
它正
常的运行已成为一个十分重要的问题。
故障检测技术在现代工业生产和
国防建设中起到了极为重要的作用，
并且已经
成为科学界的热点研究之一
。它是一门在近
40
年终发展起来的，为了更好地适应
各
种工程而形成的多学科交叉的综合学科，其研究的领域涉及到多门学科的理论，
如数理统
计、模糊集理论、可靠性理论、信息处理、模式识别、人工智能等学科的
理论。
当系统发生故障时，
系统中的一部分会表现出与物理量的正常状态不同的特
性，这种差异性包含有丰富的故障信息，根据故障的特征描述，利用它来进行故障
的检测分离及辨识就是故障诊断的任务和目的。
1.1.2
测试系统设计技术的产生
测试过程应用于半导体产品的
制造过程，
不论这种产品的形式是单个管芯还是
封装好的成品元件，
其主要目的都是为半导体成品质量与可靠性提供一种度量。
因
此，
测试对于确保集成电路产品的质量是必不可少的。
测试技术过程如图
1-1
图所
4
宁夏大学新华学院本科学位论文
示：
图
1-1
测试技术过程
测试的目的是为了检验制造后的产品 是否有故障。
要测试电路，
首先需要建立
故障模型。对于
数字电路而言，故障是有问题的电路在逻辑级的描述。故障模型有
两种：
描述影响元器件简介链接的故障模型和描述可能改变元器件真值表的故障模
型。
在确认故障模型后，
可以生成针对被测电路的所有要检测的故障 的列表。
然后
进行故障模拟，常用于故障模拟的算法有：串行故障模拟、
并行故障模拟、推演故
障模拟等。这个过程是将故障列表中的故障加入到电路描述中，并
施加测试向量，
分析和比较被测电路的输出响应和理想响应，
就可以测试 给定的故障出现的条件并
生成测试向量集。
1.2
研究意义
随着计算机
技术和微电子技术的迅速发展，
大规模和超大规模集成电路的应用
越来越
普及，测试费用在集成电路制造生产和检修过程中所占的比例已经越来越
高，
数字芯片测试
系统是整个测试仪中一个非常重要的组成模块，
本论文介绍了系统测试仪中芯片测
试系统的设计和实现，包括数模转换原理，数据采集卡的使用，
LabVIEW
编程语言
的运用等。
随着深亚
微米技术的应用，芯片规模不断增加，使得测试成为
VLSI
设计费用
< p>中最高，
难度最大的一个环节。
据报道，
测试费用可 占到芯片制造成本的
50%
以上，
为了提高测试效率，近
十年来，测试方法学的研究日益受到重视。
在集 成电路产品开发的整个流程中，可测试性设计对于提高产品可靠性和成
品率是不可忽略的
。
因此，
正确的设计并不能保证制造出来的芯片就一定能够正常
< br>的工作。
在制造过程中由于制造工艺和制造环境等多种原因，
可能会使制造 后的电
5
宁夏大学新华学院本科学位论文
路出现各种各样的物理缺陷问题，
比如线与线之间或者层与层之间出现短路，
线与
线之间出现开路等，
这些都会导致制造后的电路与预期的结 果不一样，
而不能正确
的工作。
如果故障芯片已经装在了
PCB
上，可能会造成整个
PCB
维修甚至更换，这种
更换的成本是相当大的，
所以出场前进行 完整的测试是相当重要的，
虽然为提高芯
片制作质量做出了很大的努力，
却不可避免的出现制作故障和生产出废品。
1.3
D/A
芯片测试方法发展现状
当前，数
字处理系统正在飞速发展，在通信领域，过去无线通信系统的设计都
是静态的，只能在规
定范围内的特定频段上使用专用调制器、编码器和信道协议。
而软件无线电技术
(SDR)
能更加灵活、有效地利用频谱，并能方便地升级和跟踪新
技术，大大地推动了无线通信系统的发展。在高精度测量领域，高级仪表的分辨率
在不
断提高，电流到达
μA
量级，电压到达
mV
甚至更 低。
为了满足数字系统的发展要求，
D/A
转换器的性能也必须不断提高，它将主要
向以下几个方向发
展
:
高转换速度：
现代数字系统的数据处理速度越来越 快，
要求获取数据的速度也
要不断提高。
高精度：现代数字系统的分辨率在不断提高，比如 ，高级仪表的最小可测值在
不断地减小，因此，
D/A
转 换器的分辨率也必须随之提高。
低功耗：片上系统
(SOC)
已经成为集成电路发展的趋势，在同一块芯 片上既有
模拟电路又有数字电路。
为了完成复杂的系统功能，
< p>大系统中每个子模块的功耗应
尽可能地。
1.4
课题研究内容和研究方法
通过本设计所研究与设计基于
LabVIEW
的
D/ A
芯片测试系统，
针对工业环境中
各种干扰与冲击的影响
，
在
D/A
芯片的设计投入使用前，
需要对其进行 模拟干扰环
境下的测试这一问题，
进行数据采集及处理系统。
< p>不但利用虚拟仪器技术开发出一
种基于
LabVIEW
的测试系统，
该系统不仅可以对压力、
温度、
频率移等参数进行 数
据采集和处理，
而且利用
LabVIEW
平台的数据采集和测试系统来实现高精度的数字
控制。
课题的研究主要 内容是基于
LabVIEW
的
D/A
芯片的测试系 统设计，
其中主要
6
宁夏大学新华学院本科学位论文
包括静态电压参数的设计、
动态电压参数的设计、
基于
LabVIEW
的数据采集和控制
系统的设计。
在
LabVIEW
语言程序设计 的过程中包括三个部分
:
前面板、框图程序和硬件
电路，
因此一个
VI
程序的设计主要包括前面板的设计、框图程序的设计以及
< p>DAQ
卡的连接和调试。
1.
前面板
虚拟仪器的面板设计都在这个窗口中完成，
< p>并且在前面板中执行
对仪器的操作。
应根据实际中的仪器面板以及该 虚拟仪器所要实现的功能来设计前
面板。
前面板中主要由输入控制器和输 出指示器组成。
利用工具模板来添加输入控
制器和输出指示器。控制器使
用户可以输入数据到程序
,
而指示器则用来显示程序
产生
的数值。
2.
框图程序
实现虚拟发生器的所有程序都在这个窗口中完成。
程序相当于
源代
码
,
只有在创建了框图程序以后该程序才能真正运行。所以在设计好前面板以
后
,
就要根据各个框图之间的关系以及对数据的处理方法等设 计框图程序。对框图
程序的设计主要是对节点、数据端口和连线的设计。
3.
DAQ
卡的连接和调试
DAQ
系统的基本任务是物理信号的产生或测量。
但是要使计算机系统能够测量物理信号，
必须要使用传感器把物理信号转换成电信
号（电压或者电流信号）
。有时不能把被测信号直接连接到
D AQ
卡，而必须使用信
号调理辅助电路，先将信号进行一定的处理。总之
，数据采集是借助软件来控制整
个
DAQ
系统，包括采集 原始数据、分析数据、给出结果等。所以在设计好前面板
和框图程序后，就要连接
DAQ
的硬件电路，使其软件通过
DAQ
卡完成数据采集 。
第二章
总体方案设计
本设计所研究与设计是基于
LabVIEW
的
D/A
芯片测试系统，
针对工 业环境中各
种干扰与冲击的影响，在
D/A
芯片的设计投 入使用前，需要对其进行模拟干扰环境
下的测试这一问题，
进行数据采集 及处理系统。
课题的研究内容主要包括静态参数
的设计、动态参数的设计
、基于
LabVIEW
的数据采集和控制系统的设计。
2.1
本课题选用的
D/A
芯片测试系统的设计< /p>
D/A
芯片外部连线如下图
2-3
所示
7
宁夏大学新华学院本科学位论文
图
2-3
D/A
芯片外部连线
D/A
芯片测试系统的设计步骤
实际设计中选用的方案，
D/A
芯片外部连线如下图
2-4
所示
8
宁夏大学新华学院本科学位论文
图
2-4
D/A
芯片外部连线
（
1
）
：
连接给定模拟数值，通过十进制与二进制的转换，将模拟量 转换为数字控
制信号通过采集面板
A
的
L ine0
～
3
位数字输出端口与
Line4
～
7
位端口相连。
（
2
）：采集卡在其内部做
D/A
转换，转化出数字信号。< /p>
（
3
）：检测端采集到的数字信号通过< /p>
D/A
转换出模拟信号与最初给定的模拟信号
做对比，得出
结论。
2.2
数据采集系统的介绍
2.2.1.
数据采集卡的功能
一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、
模拟输出、
数字
I/ O
、
计数器
/
计时
器等，
这些功能分别由相应的电路来实现。
模拟输入是采集最基本的功能。它
一般由多路开关（
MUX
）
、放大器、采样保
持电路以及
A/D
来实现，
通过这些部分，
一 个模拟信号就可以转化为数字信号。
A/D
的性能和参数直接影响着模拟
输入的质量，要根据实际需要的精度来选择合适的
A/D
。
数字输出通常是为采集系统提供激励。输出信号受数模转换器（
D/ A
）的建立
时间、转换率、分辨率等因素影响。建立时间和转换率决定了
输出信号幅值改变的
快慢。建立时间短、转换率高的
D/A
可以提供一个较高频率的信号。应该根据实际
需要选择
D/A
的参数指标。
数字
I/O
通常用 来控制过程、产生测试信号、与外设通信等。它的重要参数包
括：数字口路数（
line
）
、接收
(
发送
)
率、驱动能力等。如果输出去驱动电机、灯、
9
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开关型加热器等用电器，就不必用较高的数据转换率。路数要
能同控制对象配合，
而且需要的电流要小于采集卡所能提供的驱动电流。
但加上合适的数字信号调理设
备，
仍可以用采集卡输出的低电流的
TTL
电平信号去监控高电压、
大电流的工业设
备。
数字
I/O
常见的应用是在计算机和外设如打印机、
数据记录仪等之间传送数据。
另外一些数字口为了同步通信的需要还有“握手”线
。路数、数据转换速率、
“握
手”
能力都是应理解的重要 参数，
应依据具体的应用场合而选择有合适参数的数字
I/O
许多场合都要用到计数器，如定时、产生方波 等。计数器包括三个重要信号：
门限信号、计数信号、输出。门限信号实际上是触发信号
——使计数器工作或不工
作；计数信号也即信号源，它提供了计数器操作的时间基准；输
出是在输出线上产
生脉冲或方波。
计数器最重要的参数是分辨率和时钟频 率，
高分辨率意味着计数器
可以计更多的数，时钟频率决定了计数的快慢
，频率越高，计数速度就越快。
2.2.2.
数据采集系统的基本构成
图
2-5
数据采集应用的结构
1
．
缓冲（
Buffers
< p>）
这里的缓冲指的是
PC
内存的一 个区域（不是数据采集卡上的
FIFO
缓冲）
，它
用来临时存放数据。例如，你需要每秒采集几千个数据，在一秒内显示或图形化所
有数据是困难的。但是将采集卡的数据先送到
Buffer
，你就可以先将它们 快速存储
起来，
稍后再重新找回它们显示或分析。
需要注 意的是
Buffer
与采集操作的速度及
容量有关。如果
你的卡有
DMA
性能，模拟输入操作就有一个通向计算机内存的高
速硬件通道，这就意味着所采集的数据可以直接送到计算机的内存。不使用
Buffer
意味着对所采集的每一个数据你都必须及时处理（图形化、分析等）
，因 为这里没
10
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有一个场合可以保持你着手处理的数据之前的若干数据点。
下列情况需要使用
Buffer I/O
：
①
需要采集 或产生许多样本，其速率超过了实际显示、存储到硬件，或实时
分析的速度。
②
需要连续采集或产生
AC
数据（
>10
样本／秒）
，并且要同时分析或显示某< /p>
些数据。
③
采样周期必须准确、均匀地通过数据样本。
下列情况可以不使用
Buffer I/O
：
①数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。
②需要缩减存储器的开支。
2
．触发（
Triggering
）
触发
涉及初始化、
终止或同步采集事件的任何方法。
触发器通常是一个数字或
模拟信号，其状态可确定动作的发生。软件触发最容易，你可以直接用软件，例如
使用布尔面板控制去启动
/
停止数据采集。硬件触发让板卡上的电路管理 触发器，
控制了采集事件的时间分配，
有很高的精确度。
硬件触发可进一步分为外部触发和
内部触发。当某一模拟通道发生一个指定的电压电平时
，让卡输出一个数字脉冲，
这是内部触发。
采集卡等待一个外部仪器发出 的数字脉冲到来后初始化采集卡，
这
是外部触发。许多仪器提供数字输出
（常称为“
trigger out
”
）用于触发特定的装置
或仪器，在这里，就是数据采集卡。
数据采集系统
一般由数据采集硬件、
硬件驱动程序和数据采集函数几个部分组
成。
数据采集硬件有多种多样的形式。
数据采集硬件的选择要 根据具体的应用场合
并考虑到自己现有的技术资源。
本设计中的数据采集卡根据设计要求选用
National
Instruments
多功能
I/O
采集
卡
NI PCI-6221
。如下图
2-6
：
其性能指标如下：
－
16
路单端模拟输入
－
16bit
分辨率
－
200kS/s
采样率
－
200kS/s
磁盘写入速度
11
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－
±0.1
～
±10v
的输入范围< /p>
－
2
路
16
< p>位模拟输出
－
8
条数字
I/O
接口
－
2
路
24
位计数
/
定时器
－带校准认证数
－支持
Wi ndows2000/NT/XP
的
NI- DAQ
软件驱动
数据采集的程序由
L abVIEW
软件编制，基本界面为数据采集的显示由示波器显
示波形，
还包括数字显示和启动开关。
图
2-6
数据采集卡
通过
PC
机的
I/O
口，通过数据输入端用数据输入线和实验设备相连，在实验
< p>设备的输出端有个转换电路，可以将实验系统中存在的信号（位移、压力等）转换
< br>成数据卡所能采集的信号，下图
2-7
是接线端子
BNC< /p>
—
2120
的面板。
12
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图
2-7
接线端子
BNC
—
2120
的面板
NI
公司的数据采集卡可以使用内部 时钟来设置扫描速率和通道间的时间间
隔。多数数据采集卡根据通道时钟（
channel
clock
）按顺序扫描不同的通道，控制
< br>一次扫描过程中相邻通道间的时间间隔，
而用扫描时钟
（
s can clock
）
来控制两次扫
描过程的间隔。通道
时钟要比扫描时钟快，通道时钟速率越快，在每次扫描过程中
相邻通道间的时间间隔就越
小。
2.2.3
信号调理
从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能包
括放大、隔
离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，因此，除
了这些通用功能，
还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功能。
下面仅介绍信号调理的通
用功能。
1.
放大
微弱信号都要进行放大以提高分辨率和降低噪声，< /p>
使调理后信号的电压范围和
A/D
的电压范围相匹配。信号 调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，使得信号在
受到传输信号的环境噪声影响之前已
被放大，使信噪比得到改善。
2.
隔离
隔离是指使用变压器、
光或电容耦合 等方法在被测系统和测试系统之间传递信
13
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号，避免直接的电连接。使用隔离的原因由两个：一是从安全的角度考虑；另一个
< br>原因是隔离可使从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。
如果数
据采集卡的地与信号地之间有电位差，
而又不进行隔离，
那么就有 可能形成接地回
路，引起误差。
3.
滤波
滤波的目的是从所测量的信号中除去不需要的成分。
大多数信号调理模块有低
通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除信号中感兴趣的最高频
率以上的所有频率的信号。某些高性能的数据采集卡自身带有抗混叠滤波器。
4.
激励
信号调理也能够为某些传感器提供所需的激励信号，
比如应变传感器、
< p>热敏电
阻等需要外界电源或电流激励信号。
很多信号调理模块都提供 电流源和电压源以便
给传感器提供激励。
5.
线性化
许多传感器对被测量的响应是非线性的，因而需要对其输出信号进行线性化，
以补偿传感器带来的误差。
但目前的趋势是，
数据采集系统可以利用软件来解 决这
一问题。
6.
数字信号调理
即使传感器
直接输出数字信号，有时也有进行调理的必要。其作用是将传感器
输出的数字信号进行必
要的整形或电平调整。
大多数数字信号调理模块还提供其他
一些电路模块
，使得用户可以通过数据采集卡的数字
I/O
直接控制电磁阀、电灯、
< p>电动机等外部设备。
2.2.4
数据采集过程
对于
D/A< /p>
芯片测试系统的数据采集，
其基本过程是在系统中的数字输出端接入
我们数据采集卡的数字输入口
DI
端，在程序框图有一个转换，将系统中 的电压模
拟信号转换成数字信号并且输出数据采集卡，
这样我们才能对系 统中的信号进行采
集，如图
2-8
所示。
14
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图
2-8
数据采集过程
第三章
D/A
芯片测试及数据采集调试
3.1
静态参数测试部分
3.1.1
静态参数测试功能
采用单个模拟信号作为初始信号，<
/p>
通过将模拟信号转换为数字量，
然后把数字
量输出，进入数
据采集卡，将输出数据采集卡的数字信号转换为模拟信号，并且将
它和作为初始信号的模
拟信号作比较，从而起到检测
D/A
芯片单个点的目的。
3.1.2
静态数据输出控制部分的设计
用
LabVIEW8.2
软件编程，编程过程如下：
首先新建一个界面，如下图
3-1
所示。
图
3-1
新建界面
弹出一个对话框，
单击“新建
VI
”后出现两个工作区，前面板和程序框图，
15
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如下图
3-2
所示。
图
3-2
前面板和后面板
右
键
程
序
框
图
，
将
出
现
一
个
界
面
，
点
击
测
量
I/O
中
DAQmax-Dat
，
单
击
DA
QAssistant
如下图
3-3
所示。
图
3-3
DAQ Assistant
将弹出以下对话框。
由于模拟信号转换为数字信号 ，
数字端口输出，
那么
DAQ
16
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的接收端应该是数字输出，所以我们将选择
Line Output
，如下图
3-4
所示。
图
3-4
Line Output
单击
Line Output
之后，又将 出现一个对话框，按住
shift
并选择
Line0
，
1
，
2
，
3
，
如下图
3-5
所示。
图
3-5
选取通道
单击
finish
< p>之后，又将出现一个对话框，
单击
OK
即可。
新建显
示控件并且将名称改为电压数值，则前面板如下图
3-6
所示。
17
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图
3-6
电压数值
再在程序框图中单击右键，从函数编程布尔中
选择数值至布尔转换，在程序
框图中单击右键，从簇与变体中选择解除捆绑，如下图
3-7
所示。
图
3-7
解除捆绑
< br>在前面板单击右键，从布尔中中选择圆形指示灯，在程序框图中右键，在数组中选
择创建数组，连接程序框图，如下图
3-8
所示。
18
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图
3-8
程序框图的布局
3.1.3
静态数据采集部分设计
在程序框图选择函数测量
I/O
，从测量
I/O
中选择
DAQ
，在获取信号中选择数
字信号
Line Input
，如图
3-9
所示。
图
3-9
输入数据类型的选择
选择四个通道
Li ne0
～
3
，如下图
3-10
所示 ：
19
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图
3-10
输入端口的选择
在布尔中选择布尔数组至数值转换，并
与采集数值显示相连接，如图
3-11
所
示。
图
3-11
布尔控件
< br>将采集的模拟量和之前的模拟量做差取绝对值，之后与
DA
精度
< p>1
?
10
n
2
?
1
n
?
16
相对比如果误差是在精度范围之内，那么将得出正确结果，如图
3-12
所示。
20