IC测试仪的数据采集及GUI的设计与实现

韩 磊，马 宁

（电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川 成都 610054）

IC测试仪的数据采集及GUI的设计与实现

韩 磊，马 宁

（电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川 成都 610054）

为了快速精确测量模拟芯片总谐波失真，转换速率等参数指标，设计了一款基于模拟IC测试仪的数据采集系统，模拟信号经过数据采集卡后变成数字信号，根据数字信号进行相关参数的测量，然后将结果通过控制板经过PCI传给上位机，将结果显示在GUI中的Datalog中，硬件方面,测量精度为14位，最低采样频率为10MHz,误差精度小于2%，软件方面,采用多种方式设计AB-MS测试界面的显示，确保界面使用的多样性和便捷。通过实际测试芯片表明系统的设计指标符合项目的要求。

模拟IC测试机；DIG；AB-MS界面；数据采集；Datalog;图形用户界面

科学是从测量开始的，集成电路(IC)测试是芯片从设计到生产加工成成品环节中的一个重要环节，随着IC芯片性能和集成度的不断提高，对测试芯片的技术要求也越来越高，就目前我国的半导体产业的现状，测试技术是整个流水线中最薄弱的环节[1]。部分公司还在使用上世纪七八十年年代的测试仪，没有PC机控制整个系统，算不上真正意义的自动测试仪，我国集成电路测试技术的研发设计起步较晚，但是经历了几十年的发展取得了较大的发展，逐步从单一的硬件和软件系统到整机系统，现在我国的测试机系统主要还是集中在中低端及消费电子中，如MP3，MP4，音频处理器等等，高端的测试机比例还是较小并且在价格和可靠性方面和美国，日本还是有不小的差距[2]。公司今年刚购入的美国CAT8200测试仪系统可以同时测试32 site，是高性能测试机的典型代表；因此我国的集成电路测试技术还有很大的发展空间来满足功能和集成度日益复杂的soc芯片[3]。

利用模拟IC测试机进行芯片测试是目前芯片测试的重要手段;数字化仪是测试机系统的其中一个功能模块[4]。可以将芯片输出的模拟信号给数字化，从而使信号可以在计算机中进行分析和测量。功能版PCB采用8层板设计，采用Xilinx Spantan-6 FPGA作为逻辑控制器;利用其资源丰富，功能强大的特点，可以确保设计的冗余性和可靠性。

1 采集卡硬件设计框架图

采集卡硬件总体设计框架如图1所示。

图1 采集卡硬件总体设计框架Fig.1 The frame of data acquisition card

1.1 硬件设计原理

本文设计的数据采集卡，输入是两路差分或者四路单端信号；上位机发送给功能板的不仅有指令还有数据。采集卡的指令是32位，数据是32位。所谓的指令就是32位的地址，范围： 当指令为 时， 执行峰峰值测量（Peak to Peak Voltage）；当指令为F001时,DIG执行压摆率也叫转换速率（SR）测量，当指令为F002时,DIG执行总谐波失真（THD）测量，依次类推；所谓的数据，是控制功能版上DAC产生相应的电压，用以控制触发电平，及PGA的增益。

系统的工作原理：1)根据模拟芯片要测试的项，在VC++6.0界面中调用功能板的指令编写相应的测试程序，编译成功，保存。2)在GUI的生产界面中选择1中编译通过的测试程序，然后选择运行，那么指令和数据就可以发送到功能帮上进行相应的测量动作，同时将测量结果读到界面显示出来。功能板接收到指令后动作的过程：模拟信号经过交直流耦合选择开关后，进入差分接收端，实现差分信号到单端信号的转换。测量中采样频率不可能无限高也不需要无限高，因为我们只关心一定频率范围内的信号成份。为防止发生频率的混叠，在对模拟信号进行离散化采集前，输入信号经过抗混叠滤波器，实质上就是一个低通滤波器滤，滤去高于1/2采样频率的频率成份。因为PGA的输入阻抗较小，会导致前一级的输出电压下降，所以要经过一级隔离器后输出到PGA(增益可编程)模块，该模块调节模拟信号的大小以匹配ADC芯片的输入范围的同时，使信号的幅度尽量达到ADC芯片的输入最大范围，这样可以确保较高的采样精度。ADC中的数据再输入到FPGA中的FIFO中，再到存储器SDRAM中。

至此，模拟信号的调理，滤波，采样，数字化和存储已经完成。接下来根据存储在SDRAM中的数据在FPGA中计算信号的峰峰值测量（Peak to Peak Voltage），压摆率也叫转换速率（SR）及总谐波失真（THD）参数的测量。然后，将测量参数的结果传给控制板，控制板通过PCI传给上位机，在GUI界面上的Datalog显示出测试结果并保存。

1.2 数据采集卡的测量结果

模拟信号经过ADC采样后的数据送入到FPGA中的FIFO后存入SDRAM里面，从SDRAM里读出的数据，如下表所示，误差＜2%。满足设计精度要求。如表1所示。

表1 采样后得到的数据Tab.1 The sample data

2 软件设计内容

2.1 GUI设计框架

本设计属于模拟测试仪的应用层图形界面设计。并与公司目前在用的AB-X用户交互界面在运行速度和占用资源上进行了 对比。本程序包括自检模式，工程模式，生产模式3个主要流程，下面重点介绍生产模式的设计，生产模式包含测试信息的显示，测试结果的保存及定时器计时[5]。核心技术和创新点在测试信息的显示和测试结果保存两个方面。GUI设计架构如图2。

图2 GUI设计流程图Fig.2 The diagram of GUI design

2.2 核心技术的创新

1 )Datalog是芯片参数测试结果显示窗口，国外的测试界面AB-X的Datalog显示只有文本方式，且多颗测试芯片的信息均显示在一个richTextbox文本中，对于信息的查找造成了困难。本设计Datalog显示方式有两种，一种保留的文本的方式，但是做了以下改进，测试信息分Site显示，这样芯片的测试参数显示就被清晰的分隔开，方便查找每颗芯片的参数。另一种就是表格的形式，使参数和单位，数值在表格中对应起来，这样更为直观，使用效率极高。

2 )芯片设计厂商需要测试数据进行分析，从而找出设计缺陷进而帮助芯片设计的完善。AB-X测试界面的Datalog在测试完一个晶圆片上的芯片后再保存，保存格式只有txt格式，信息量混杂，不便于用软件进行数据分析而且测试过程中一旦出现死机，测量结果并不能保存，就不能给厂商提供信息反馈；为了解决此问题，本设计Datalog保存有两种格式，一种保留了txt格式并且是实时保存，这样即使死机，也会有测试结果保存。还有一种是excel格式，也是实时保存，用excel进行数据分析，十分便捷。

2.3 核心技术的实现

1 )进程是操作系统结构的基础，Datalog显示，需要开辟一个测量信息显示线程，同时添加一个Timer空间来实现实时显示功能[6]。PC与探针台是通过串口或者GPIB[7]进行通信，以串口为例，首先，在该线程里再开辟一个进程vProcess用来打开cmd命令窗口用来执行测试程序。C#代码:

将测量结果读到string类型的变量feedback中，最后Timer控件实时将feedback中的信息传递到richTextbox显示给用户，Timer的间隔时间设置为1ms。对比结果如图3和图4所示。

图3 AB-X的Datalog界面Fig.3 The interface of AB-X Datalog

图4 创新的Datalog界面Fig.The creative interface of Datalog

2）Datalog保存，主要完成对芯片测量信息的的保存。txt文件格式保存方法比较方便，直接调用C#中的Savefile类即可。保存为excel，就要调用C#中的Regex类的Match进行字符的甄别选择，让有效的字符显示和保存。

string name2=Rname2.Match(re).Value;然后调用 Savefile类中的 openFile，打开创建一个文件，然后 StreamWriter函数将数据写进文件中，最后调用Close函数关闭文件。如图5所示。

图5 创新的保存格Fig.5 The creative save format

3 结束语

通过基于模拟测试机的系统设计，详细阐述了硬件部分和软件部分的工作原理和实现方法，实际使用表明，硬件指标：THD:＜-80dBc，SNR:＞ 80dBc，测量精度为 14位满足指标要求，软件指标：多颗并行测试，实时显示和保存测试信息，速度提高20%满足指标要求。系统工作稳定，性能可靠。随着芯片集成度的不断增加及集成电路的发展速度越来越快，对硬件功能和测试机的速度提出了更高的要求，下一步工作目标是：硬件方面添加温度传感器，把温漂带来的误差考虑在内一起校准，软件方面把现在能同时测4颗芯片的测试系统提高到同时测8颗芯片，使测试速度提高一倍。

[1]俞建峰，陈翔，杨雪英.我国集成电路测试技术现状及发展策略[J].中国测试,2009,35(3):1-5.

YU Jian-feng,CHEN Xiang,YANG Xue-ying.Integrated circuit testing technology situation and development strategy of Chia[J].Chia Measurement&Test,2009,35(3):1-5.

[2]孙波.基于PCI总线的高速数据采集卡的设计[D].成都：电子科技大学，2007.

[3]吴敏，张成迁，唐晓平，等.基于DP105高速数据采集卡的虚拟示波器设计[J].科技信息，2008（22）：71-72.

WU Min,ZHANG Cheng-qian,TANG Xiao-ping,et al.Design of virtual oscilloscope based on DP105 high-speed data acquisition card[J].Science Technology Information,2008(22):71-72.

[4]陈利彬，吴来萍，门涛.PCI Express接200MSps实时数据采集卡的设计[C]//2011中国仪器仪表与测控技术大会论文集，2011.

[5]向征，马争鸣.嵌入式人脸识别器的GUI设计[J],计算机工程与应用，2012,48(14):79-83.

XIANG zheng,MA Zheng-ming.GUI design of embedded face recognizer[J],Computer Engineering and Applications,2012,48(14):79-83.

[6]Nefian A V,Hayes M H.Face recognition using an embedded HMM[C]//IEEE International Conference on Audio Video Biometric based Person Authentication,1999:19-22.

[7]马辉，邢超.基于LabVIEW的GPIB总线测控系统研究[J].现代电子技术，2012（24）：128-130.

MA Hui，XING Chao.Research of GIPB bus test and control system based on LabVIEW [J].Modern Electronics Technique，2012（24）：128-130.

Design and implementation of data acquisition card and GUI based on IC tester

HAN Lei，MA Ning
（School of Microelectronics and Solid-state Electronics,University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，china）

Data acquisition card is used to measure important parameters of analog chip automatically such as Total Harmonic Distortion and Slew Rate.Designed a data acquisition system based on analog IC tester Data acquisition card can convert analog signal to digital signal and according to the digital signal we can calculate parameters,the results send to principal computer through PCI Bus and show in Datalog of the GUI.Hardware index,measuring accuracy for 14,the minimum sampling frequency for 10 MHZ,error precision is less than 2%.Software index:measure multiple Site at the same time and include manual and automatic test.According to test chip actually,the system design indexes meet the requirements.

analog IC test machine;DIG;AB-MS interface;data acquisition;Datalog;GUI

TN06

A

1674-6236（2014）13-0091-03

2013-09-10 稿件编号：201309076

韩 磊（1987—），男，安徽亳州人，硕士研究生。研究方向：大规模集成电路系统。