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)的工作機制對測試主控系統(tǒng)的功能需求．提出了一種基于微機的符合IEEEll49.4標準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)的各種故障字典進行統(tǒng)一描述。實踐證明，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(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，商品化的測試系統(tǒng)已有上百種。而模擬電路和數(shù)?；旌想娐返臏y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：

(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，實際上每個參數(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，它不是試圖驗證器件的功能性，而是采用適當?shù)氖Ｐ蛠頇z測目標故障，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)生某種失效時的實際結(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，用計算機模擬電路運行狀態(tài)或根據(jù)專家提供的經(jīng)驗建立故障字典，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)。

若要進行故障診斷，需要進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算機中，進行測試時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步驟進行：

(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)實際電路和信號特點來定，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、上升沿時間、下降沿時間、載頻等，記為X1，X2……Xn。在圖1中，設(shè)m個輸出信號中有k類信號，則庫函數(shù)應(yīng)有k個，記為ri(i=l，2，……k)，庫函數(shù)可以是一數(shù)學(xué)表達式，也可以是一種特征提取方法的程序表達。

(2)以相同的信號參數(shù)作為等價類求各類信號的商集，設(shè)所有輸出信號的函數(shù)為實函數(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)個數(shù)之和。故障判斷應(yīng)在n維矢量空間進行，以每一個矢量作為一個樣本點，設(shè)電路正常工作時的標準樣本為XN，m個輸出電路正常工作范圍為(XdI，XuI)，則：

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

圖1所示有m個輸出的電路，設(shè)有k種故障，顯然每類故障在矢量判別空間中有m個特性，若故障特征是按每個輸出信號的參數(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，或在相同檢測點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)標準委員會在針對純數(shù)字電路的邊界掃描測試標準(即IEEEll49．1標準)早已提出并被廣泛接受和使用的基礎(chǔ)上，將IEEEll49．4標準設(shè)計成與IEEEll49．1標準完全兼容，并于1999年6月批準了可以應(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標準。

IEEEll49．4標準的重點是為混合電路的測試特性和測試協(xié)議提供了標準化的手段：

(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。

此標準描述了混合總線的體系結(jié)構(gòu)和標準協(xié)議，但沒有給出具體的實現(xiàn)方法和技術(shù)。

2．1 混合信號電路的邊界掃描結(jié)構(gòu)

對混合信號電路進行測試的方案是：混合電路中的數(shù)字部分，按IEEEl．149．1標準的規(guī)定進行邊界掃描測試；而對混合電路中的模擬部分，IEEEll49．4標準專門規(guī)定了特殊的邊界掃描結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)模擬電路的邊界掃描測試，即實現(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。混合信號電路的邊界掃描結(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、測試時鐘TCK、測試方式選擇TMS)和數(shù)字邊界模塊(DBM)是IEEEll49．1標準特征。TAP控制器是一個時序電路，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)進行分析處理。

2.2 測試主控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

整個測試主控系統(tǒng)主要由宿主機、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總線可以實現(xiàn)PC機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)計中增加1個HOLD輸入引腳，當HOLD為高電平時，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)的運行流程，當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，由于這些過程只發(fā)生在測試進行前或測試結(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的原則，同時由于主控器的運行是由PC機通過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標準的邊界掃描測試信號，進行數(shù)據(jù)比較等。所以主控器實際上是一個簡單的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及時鐘信號CLOCK組成。

整個主控系統(tǒng)的工作流程是：宿主機軟件根據(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)字數(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總線讀回宿主機進行診斷，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行故障隔離，從原理上講是對電路進行功能測試，因此一般情況下是模擬實際電路工作環(huán)境。若作為機內(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)計中將棍合電路分為可單獨測試的模擬模塊和數(shù)字模塊，在測試時分別對模擬和數(shù)字部分進行測試。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，因為二者間的連接部分出現(xiàn)一點錯誤，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，在測試項目中，保留一些整體功能測試是必須的。

(3)IEEEll49．4標準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到理想水平。測試實踐表明，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標準的運用受到限制。

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