智能芯片测试系统的开发与设计本科学位论文.doc
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1、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
2、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,LabVIEW,数据采集 AbstractWith 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 qual
3、ity 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
4、 NI companys data collection card (DAQ)M series NI-models :PCI6221for acquisition signal equipment, applies the LabVIEW programming software for the test system software parts, the control parts and the result.The LabVIEW realizes the design of closed loop testing system and gives out the results, M
5、ainly 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 interf
6、erence,Data acquisition.目 录第一章 前沿11.1 课题背景及研究意义11.1.1现代工业生产的热点研究11.1.2测试系统设计技术的产生21.2 研究意义21.3 D/A芯片测试方法发展现状31.4 课题研究内容和研究方法3第二章 总体方案设计52.1 选用的D/A芯片测试技术的设计72.2 数据采集系统的介绍92.2.1 数据采集卡的功能92.2.2数据采集系统的基本构成102.2.3 信号调理132.2.4 数据采集过程14第三章 D/A芯片测试及数据采集调试16 3.1 静态参数测试部分163.1.1 静态参数测试功能163.1.2 静态参数输出控制部分的设计1
7、63.1.3 静态参数数据采集部分的设计213.1.4 静态数据采集的系统调试253.2 动态参数测试部分263.2.1 动态参数测试功能263.2.2动态数据输出控制部分和动态数据采集部分设计263.2.3 动态数据采集的系统调试36第四章 总结与展望384.1 总结384.2 展望39参 考 文 献40致 谢41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,
8、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
9、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
10、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
11、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,研究适合现代电子设备的故障诊断系统就具有深远的现实意义。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
12、成为VLSI设计费用中最高,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
13、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A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
14、: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,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。不但利用虚拟仪器技术开发出
15、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,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
16、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
17、压或者电流信号)。有时不能把被测信号直接连接到DAQ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
18、.1本课题选用的D/A芯片测试系统的设计 D/A芯片外部连线如下图2-3所示 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Line03位数字输出端口与Line47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。(3):检测端采集到的数字信号通过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、
19、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
20、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、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
21、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)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
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