隨著電子技術的迅速發(fā)展，數字集成電路得到了廣泛的應用，數字芯片已經滲透到各個生產、生活的領域。與之相對應的，各個領域對數字芯片的性能、穩(wěn)定性、可靠性也有了更高的要求。數字測試儀作為測試芯片性能最主要的技術正是在這樣的環(huán)境下迅速發(fā)展起來。
整個數字測試儀通常包含了五大部件：電源模塊、通信模塊、參數測量單元、數字測量單元和主控制模塊。其中，參數測量單元和數字測量單元是整個數字測量儀的核心部件，參數測量單元直接決定著整個系統(tǒng)測試儀的模擬參數測量精度和應用范圍。因此，設計出具備高精度、高速度的參數測量單元的數字測試儀具有很高挑戰(zhàn)性。
本文提出了一種高速度高精度的參數測量單元。該單元應用于數字測試儀,具備16通道選通測試能力和可編程指令集，同時自帶的PID循環(huán)驗證和Kelvin四線連接技術可以有效提高整個模擬參數測量精度，使測量儀在低于50Ω的負載情況下仍能維持不超過千分之一的測試誤差。
數字測試儀框架
數字測試儀框架如圖1所示，采用Cyclone系列的FPGA作為主控制芯片。該芯片能夠有效控制各種高速并行D/A、A /D進行測試；同時對大量的通道選通繼電器、存儲器陣列、數字信號采集芯片等進行準確控制。由圖1可以看出，測試儀的模塊很多，但需要指出的是模擬參數單元占到了整個面積和成本的三分之一以上，這也顯示了參數測量單元的重要性。
圖1 數字測試儀架構圖
參數測試單元硬件設計
1 測試單元整體架構
參數測試單元如圖2所示，總共包括了三大部分，第一部分參數測試通道主要由各種功能的通道組成，包含了16個參數測量通道用來測試芯片的16個引腳；以及多個輔助引腳，這些輔助引腳可以輔助Kelvin連接評估傳輸線阻抗和模擬總線交互功能。
圖2 參數測試單元架構
這些測試通道由測量單元的第二部分：繼電器陣列組控制。繼電器除了對測試通道進行開關控制外，還能夠控制該單元的功能操作和時序操作，對測試精度有很大的影響。同時,這些繼電器具備可編程功能,能夠根據用戶需求適時更改。提高了整個測試系統(tǒng)的靈活性，有助于系統(tǒng)以后的升級。
最后是信號處理部分，這部分電路主要由高速16位DAC、ADC以及各種運算放大器、儀器放大器以及存儲器構成,主要進行各種參數測試、存儲和反饋。
2 高精度信號測量模塊的實現(xiàn)
要實現(xiàn)高精度信號測量模塊，必須具有高精度的DAC和ADC轉換芯片，這里采用了TI公司的 DAC702和ADI公司的AD976來進行16位精度的信號輸出和回采。測量模塊原理如圖3所示，測試單元搭配了5個千分之一精度的精密電阻：50Ω、 500Ω、50kΩ、500kΩ和5MΩ來劃分不同的測試范圍。為了保證足夠的測試精度，本測量單元還專門劃分JDQF和JDQS，使得整個測試系統(tǒng)具備 Kelvin連接要素，可以分別向DUT（待測單元）提供FORCE線、SENCE線、LOW FORCE和LOW SENCE線，具備了當負載為小電阻情況下進行精確測量的能力。
參數測試單元軟件設計
1 通信協(xié)議
與傳統(tǒng)測試儀不同，該測試儀采用了Altera系列的FPGA芯片作為主控制芯片，這意味著該測試系統(tǒng)無法借助MCU核自身的指令系統(tǒng)來簡化整個系統(tǒng)的指令系統(tǒng)。本測試儀的內部指令，全部采用了自定義的指令系統(tǒng)，能夠完整的對系統(tǒng)測試時的各個動作進行操作和切換,同時可以靈活地根據客戶需要進行各種設計和改進，不會因為受限于MCU內核而出現(xiàn)系統(tǒng)瓶頸，在整個設計中具備了非常強的自主知識產權。
圖3 測量模塊原理圖
整個測試儀是基于PLX9054芯片進行的32位數據的PCI通信。為了協(xié)同整個測試系統(tǒng)控制，參數測試單元的控制設備采用了32位PCI 數據中的24位作為內部總線來控制各種測試動作，實現(xiàn)控制狀態(tài)的轉換。整個數據流如圖4所示，每個數據包包含了24位數據，其中高8位定義為地址碼，用來解釋整個系統(tǒng)的各種操作，包含了數字和模擬參數測試的各個動作。低16位為測試數據位，用來傳輸測試必須的各種數據。
其中，參數測量的指令包含了 FVPMU加電壓測量指令，該指令包含了5個命令地址：0011_1100、0011_1101、0011_1110、0011_1111、 0100_0000依次表示測量中選取采樣電阻命令、加壓命令、電流保護命令、上限電流和下限電流保護命令。此外參數測量指令還有類似的FIPMU加電流測量指令等各種測量指令。
圖4 數據流格式
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