在最原始的測試過程中，對集成電路（Integrated Circuit,IC）的測試是依靠有經(jīng)驗(yàn)的測試人員使用信號(hào)發(fā)生器、萬用表和示波器等儀器來進(jìn)行測試的。這種測試方法測試效率低，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模大批量的測試。隨著集成電路的集成度和引腳數(shù)的不斷增加，工業(yè)生產(chǎn)上必須要使用新的適合大規(guī)模電路測試的測試方法。在這種情況下，集成電路的自動(dòng)測試儀開始不斷發(fā)展。

現(xiàn)在國內(nèi)的同類型產(chǎn)品中，一部分采用了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，這部分儀器分析速度慢，難以用于大規(guī)模的測試系統(tǒng)之中，并且在管腳的擴(kuò)展性上受到嚴(yán)重的限制。另一部分使用了DSP芯片，雖然功能上較為完善，但造價(jià)不菲，實(shí)用性能有限。本文的設(shè)計(jì)是基于FPGA實(shí)現(xiàn)邏輯芯片的功能故障測試。由于FPGA芯片價(jià)格的不斷下降和低端芯片的不斷出現(xiàn)，使用FPGA作為主控芯片可以更適合于市場，且有利于對性能進(jìn)行擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，能對被測芯片進(jìn)行準(zhǔn)確的功能測試。

1.邏輯芯片功能測試的基本理論簡介

功能測試也稱為合格-不合格測試，它決定了生產(chǎn)出來的元件是否能正常工作。一個(gè)典型的測試過程如下：將預(yù)先定義的測試模板加載到測試設(shè)備中，它給被測元件提供激勵(lì)和收集相應(yīng)的響應(yīng)；需要一個(gè)探針板或測試板將測試設(shè)備的輸入、輸出與管芯或封裝后芯片的相應(yīng)管腳連接起來。測試模板指的是施加的波形、電壓電平、時(shí)鐘頻率和預(yù)期響應(yīng)在測試程序中的定義。

元件裝入測試設(shè)備，測試設(shè)備執(zhí)行測試程序，將輸入模板序列應(yīng)用于被測元件，比較得到的和預(yù)期的響應(yīng)。如果觀察到不同，則表示元件出錯(cuò)，即該元件功能測試不合格。

2.測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該測試系統(tǒng)由下位機(jī)硬件電路和上位機(jī)測試軟件兩大部分構(gòu)成。系統(tǒng)采用功能模塊化設(shè)計(jì)，控制靈活，操作簡單，而且采用ROM存儲(chǔ)測試向量表庫，方便以后的芯片型號(hào)添加和擴(kuò)展，有很好的實(shí)際應(yīng)用性。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由FPGA控制器模塊、串口通信模塊、電平比較模塊和測試平臺(tái)模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

控制器模塊選用Altera的FPGA芯片EP3C16Q240C8N,配置芯片選用EPCS4.控制器由使用VerilogHDL硬件語言實(shí)現(xiàn)了包括串口接收模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與測試保護(hù)模塊和串口發(fā)送模塊三個(gè)部分的功能設(shè)計(jì)。串口接收模塊完成與串口芯片MAX3232進(jìn)行通信，接收由上位機(jī)發(fā)送來的測試指令；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與測試保護(hù)模塊產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)一個(gè)類似于D觸發(fā)器的保護(hù)器，對測試端的被測芯片輸出腳進(jìn)行雙保護(hù)，保證其在測試后的回測值不受初值影響；串口發(fā)送模塊將測試后得到的數(shù)據(jù)組合為一個(gè)回測寄存器，并按照串口通信協(xié)議將回測數(shù)據(jù)發(fā)送回上位機(jī)。

串口通信模塊選用MAX3232芯片，現(xiàn)串口的全雙工數(shù)據(jù)傳輸。

E818電平比較電路為邏輯功能測試的核心硬件部分。E818是SEMTECH公司專門針對ATE邏輯功能測試而開發(fā)的窗口比較器芯片，它解決了被測對象DUT芯片的雙向輸入數(shù)據(jù)電平要求。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件上位機(jī)軟件是使用VC++6.0來編寫的。上位機(jī)調(diào)用Access中的測試數(shù)據(jù)，經(jīng)串口發(fā)送出后，系統(tǒng)硬件就會(huì)運(yùn)行測試程序。測試結(jié)束后硬件系統(tǒng)會(huì)將測試得到的返回?cái)?shù)據(jù)發(fā)送回上位機(jī)軟件。這時(shí)，上位機(jī)軟件接收到返回?cái)?shù)據(jù)后需要對返回?cái)?shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)無故障值進(jìn)行對比，以確定此次測試是否正確通過。所以上位機(jī)軟件的功能分為：數(shù)據(jù)庫的調(diào)用，測試矢量的接收和發(fā)送和回測信號(hào)的對比三大部分。系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

3.系統(tǒng)測試驗(yàn)證

3.1 常規(guī)測試

以芯片74LS08為例，測試流程如下：

（1）使用Microsoft Office Access2003軟件建立測試數(shù)據(jù)庫，并在數(shù)據(jù)庫中建立幾款不同被測芯片的測試數(shù)據(jù)。

（2）在芯片型號(hào)檢索對話框中輸入“74LS08”型號(hào)后，點(diǎn)擊“確定”按鈕即可完成芯片檢索的流程。

（3）自動(dòng)測試模式下，系統(tǒng)將調(diào)用數(shù)據(jù)庫中被測芯片的完整測試數(shù)據(jù)，并且完成整個(gè)測試集的循環(huán)測試。

（4）打開系統(tǒng)的串口后，用戶需要將被測芯片放入測試插槽中，然后鎖死插槽以確定被測芯片的引腳與插槽接觸良好。這時(shí)只需要點(diǎn)擊“開始測試”,系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行循環(huán)測試。在系統(tǒng)插槽中放入74LS08芯片后的測試結(jié)果顯示“該芯片功能測試全部通過”,其顯示如圖3所示。

圖3 常規(guī)測試結(jié)果

3.2 故障測試

本文以74LS00芯片模擬74LS08芯片的故障片來進(jìn)行一次故障測試，以驗(yàn)證測試系統(tǒng)對故障的識(shí)別。由74LS00芯片和74LS08芯片兩款芯片的引腳數(shù)與引腳分布方式是一樣的。但是在功能上，74LS00芯片為雙輸入四與非門，而74LS08芯片為雙輸入四與門。這就意味著，當(dāng)兩者的輸入值相同時(shí)，芯片功能正確情況下的輸出值應(yīng)該正好相反。這樣的輸入輸出關(guān)系可以用來模擬74LS08芯片的全故障情況。這時(shí)，用戶需要把74LS00芯片鎖入測試插槽，點(diǎn)擊“開始測試”后的界面如圖4所示。

圖4 故障測試結(jié)果

此時(shí)，如果被測芯片依然為74LS00芯片，而從上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫中重新調(diào)入74LS00芯片的測試信息進(jìn)行測試，其測試結(jié)果則顯示為“該芯片功能測試全部通過”.其顯示界面如圖3所示。由此可以驗(yàn)證，測試系統(tǒng)對芯片功能故障的判斷十分準(zhǔn)確，并且測試系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的識(shí)別存在故障的測試矢量位置，以便于用戶進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

4.結(jié)論

本文用FPGA進(jìn)行了一個(gè)芯片功能測試系統(tǒng)，并對其功能進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)測試方法簡單，測試過程迅速，測試結(jié)果準(zhǔn)確。該系統(tǒng)為芯片功能測試提供了一個(gè)很好的解決方案，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。