星载温度传感控制芯片的自动测试系统*

刘童，陈华，邱仅朋，王志宇，刘小敏，王立平，郁发新

（浙江大学航空航天学院，杭州310027）

星载温度传感控制芯片的自动测试系统*

刘童，陈华*，邱仅朋，王志宇，刘小敏，王立平，郁发新

（浙江大学航空航天学院，杭州310027）

为了评估星载相控阵T/R组件的电性能、温度传感和抗单粒子效应能力，针对星载X波段T/R组件中一款自主研发的温度传感控制芯片，设计开发了一套基于LabVIEW的自动测试系统。系统采用高速数字I/O技术，提高了芯片电性能测试速度；同时系统具备高精度自动温度测试功能，能够精确评估芯片温度传感性能；另外系统具备数据自动处理功能，能够完成芯片电性能测试数据和设计指标的比对、温度测试数据和标定温度的误差分析以及单粒子效应试验前后数据变化量统计。最后采用本系统对芯片功耗、温度传感和抗单粒子效应能力进行了实测分析，测试结果表明该芯片功能正常、性能良好，可用于温度剧烈变化和充满空间辐射的航天环境，同时测试系统具备操作简单、可移植性好、测试速度快和测试精度高等优点。

相控阵雷达T/R组件；温度传感控制；自动测试系统；单粒子效应

EEACC：2560；7210；7210Adoi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.09.026

星载相控阵雷达具备波束快速扫描能力、多波束形成能力、空间定向与空域滤波能力，广泛应用于星间通讯、目标探测和高分辨率对地观测系统［1-3］。与普通地基、海基等非空间相控阵系统不同，星载相控阵系统工作在温度剧烈变化、充满空间辐射的极端恶劣环境，因此，作为系统核心部件的微波发射/接收T/R（Transmit/Receive）组件必须具备监控系统温度和对空间辐射免疫的能力。

为了评估星载相控阵T/R组件的电性能、温度传感和抗单粒子效应能力SEE（Single Event Effects），研发人员设计了大量测试系统。Wang Z等人提出了一种基于LabVIEW和FPGA的自动测试方法［4］，该方法中FPGA一方面要与待测芯片建立SPI通讯，另一方面要与PXI机箱保持RS232通讯，从而保证指令正确快速传送。虽然这套测试系统操作方便，自动化程度高，但是RS232通讯速率慢，信号在高时钟速率时容易失真，会大大降低系统测试效率。Cabrini A等人设计了一套评估集成电路电、热性能的测试方案［5］，该方案在温度测试时需要测试人员手动操作温箱，监控温箱状态并记录数据，导致测试成本高、测试效率低，而且温度测试过程中没有精确的环境温度标定设备，导致测试结果不准确，无法真实反映芯片温度传感器性能。Alpat B等人提出了一种基于纳秒脉冲红外激光二极管的单粒子效应试验自动测试系统［6］，该系统不能实时监控待测芯片工作状态，测试数据需要人工处理，分析效率低。

基于上述应用背景，本文针对相控阵T/R组件中一款自主研发的星载温度传感控制芯片，设计开发了一套基于LabVIEW的自动测试系统。该方案较传统测试方案具备以下特点：①芯片SPI通信部分采用高速数字I/O技术，信号高速完整、通讯速率快、开发简单，简化了系统硬件，提高了测试速度；②测试系统具备高精度自动温度测试功能，能够实时采集环境温度，程控温箱自动步进循环测试，自动分类打包存储测量数据，有效避免了人工操作失误，提高了测试精度和测试效率；（3）测试程序具备数据自动处理功能，可以完成芯片电性能测试数据和设计指标的比对、温度测试数据和标定温度的误差分析以及单粒子效应试验前后数据变化量统计。

1　芯片架构与设计要求

自主研发的一款星载温度传感控制芯片的设计框图如图1所示。芯片将26位LVCMOS电平的串行信号，转换为26位并行信号，由LCK和BG信号将并行数据经过二级锁存送入二选一开关阵列，再由TR信号选择17个并行信号送入驱动单元，将并行信号转换为0～-3.3 V的电平后，输出负压单端或差分控制信号。同时具备温度信息回读功能，并可回读奇偶校验码和当前通道工作状态自检信息。另有逻辑控制变换电路适应T/R组件额外需求。该芯片应用于星载X波段T/R组件，可控制数控衰减器、数控移相器和数控开关协同工作，同时芯片集成高精度温度传感器，为系统的衰减补偿提供温度信号，以弥补T/R组件由于温度变化引起的通道幅度不一致性的问题。

图1　芯片框图

芯片应满足以下设计要求：①正电源电压+3.3 V，负电源电压-3.3 V；②SPI串行通讯速率≥20 Mbit/s；③逻辑管脚电压输出的误差绝对值≤0.1 V；④低功耗设计，要求供电电流在温度传感器开启时≤1 mA，温度传感器关闭时≤0.5 mA；⑤温度传感器采样范围-55℃～125℃，采样精度±2℃；⑥具备一定的抗单粒子效应能力，即单粒子试验过程不出现闩锁、功能中断和不可逆的翻转现象，且试验前后参数变化量≤10%。

2　自动测试系统

为了验证芯片电性能、温度传感和抗单粒子效应能力是否满足要求，需要对上述指标进行实测分析，由于该芯片测试指标多，测试项复杂，本文设计开发了一套基于LabVIEW的星载温度传感控制芯片的自动测试系统。系统硬件部分包括PXI总线仪器、测试专用板和相关环境试验设备；软件部分为基于LabVIEW开发的程序算法［7-8］。下面我们将详细介绍系统硬件和软件设计。

2.1硬件设计

测试系统的硬件框图如图2所示，系统工作时，根据测试需求将待测芯片分别置于探针台、高低温试验箱和单粒子辐照室等环境试验设备内。通过相应转接线缆与测试专用板物理连接，然后测试专用板再将芯片信号转发到相应设备，实现对芯片的自动测试。其中，温度测试时温度探头同芯片一起置于高低温试验箱内，实时监控芯片工作环境温度，作为温度评估的标定值。硬件系统实物图如图3所示，主要包括三部分：PXIe-1078机箱，测试专用板和相关环境试验设备。

图2　硬件系统框图

PXIe-1078机箱（如图3所示）是自动测试系统的主要平台构件［9］。根据芯片测试任务，机箱配置了以下板卡。源测量单元SMU（Source Measure Unit）PXIe-4141为芯片提供正/负电源双路供电，同时回测电源电流，监控芯片工作状态。数据采集卡DAQ（Data Acquisition）PXI-6363采集芯片管脚逻辑电压输出。高速数字I/O HSDIO（High Speed Digital Input/Output）PXI-6541与芯片保持高速稳定的SPI通信。矩阵开关PXI-2510 FIU（Fault Insertion Unit）用来控制测试系统线路通断以兼用不同测试需求。温度测量模块包括温度探头PT100和精密源测量单元Agilent B2900，源测量单元采集由温度探头读取的与温度变化相关的电阻值，通过GPIB上传给PXI机箱，再通过一定算法还原成温度，实现环境温度的自动读取。

为了解决芯片引脚和测试设备的连接不兼容问题，本文设计开发了测试专用板，将待测芯片的信号按功能打包分发到相应测试设备。引脚与设备的连接均借助于矩阵开关PXI-2510，该板卡可以自主控制线路通断，且预留了busA和busB两条总线，可用来拓展测试设备。

为了评估芯片电性能、温度传感和抗单粒子效应能力，本文测试系统中的环境试验设备选用了一套在片测试平台与两个环境测试平台（如图3所示）。其中，电性能测试采用Cascade探针台（型号：Summit 12000），温度测试选用了Espec高低温试验箱（型号：SET-Z-012U），单粒子效应测试所用的辐照室位于中国科学院兰州近代物理研究所。

2.2软件设计

为了便于拓展测试平台和修改测试任务，本套系统的软件开发采用LabVIEW图形化编程语言［10-13］。主要分为3个部分：电性能测试、温度测试和单粒子效应测试。

本文中电性能测试包括芯片逻辑功能、供电电流和串行通讯速率三方面，测试原理是通过HSDIO给芯片提供速率为20 Mbit/s的SPI串行通讯信号（包括CLK、MOSI、LCK和BG），待芯片响应完成后将实际输出和预期输出进行比对，如果通过DAQ采集的逻辑管脚电压和通过SMU采集的供电电流不满足设计要求，或者通过HSDIO读回的MISO和ZTO数据与预期不一致，则认为芯片电性能测试不合格。本文开发的电性能测试程序中最核心的部分是HSDIO与芯片SPI通讯程序，如图4所示：①初始化HSDIO硬件，包括物理地址，时钟速率，分配输入/输出通道，输出通道初始/闲置时电平状态；②通过板载时钟生成采样时钟；③同步HSDIO的信号生成与采集功能，将生成机的Data Active Event信号通过PFI1传输到采集机，取信号上升沿触发采集机运行，实现生成和采集功能的同时进行，保证芯片收发同步，防止产生误码；④向芯片写入激励信号并采集回读数据，根据需要解析数据；⑤释放硬件缓存，为了保证芯片通讯速度，数据都是暂存于HSDIO缓存中，但由于硬件缓存有限，而SPI通讯中数据量又非常大，因此需要在每一次SPI通讯结束后释放一次硬件缓存。

图4　SPI通讯程序

温度测试是评估芯片温度传感器性能的关键环节，其程序流程图如图5所示。首先设定芯片温度测试参数，包括温度初值tem_start，温度终值tem_stop和温度步进tem_step，由此可以计算出温度循环设定次数LOOP_SET（本文中tem_start=-55℃，tem_stop=125℃，tem_step=10℃，计算得LOOP_SET=（tem_stop-tem_start）/tem_step=18）；然后初始化当前循环次数loop=1，由于loop＞LOOP_SET不成立，温箱启动并执行第一个温度设定点，运行过程中每隔1 s取回温箱实际温度并与设定温度进行差值比较，当误差绝对值小于0.5℃时，温箱保持当前状态稳定30 min；最后采集相应数据并存储。第一个温度点测试完成后，loop递增为2，loop＞LOOP_SET条件依然不成立，进入第二个温度设定点，执行上述同样步骤，如此循环往复，直到完成所有的温度测试步骤，即loop＞LOOP_SET成立，然后仪器自动关闭。

温度测试中为了得到正确的试验结果，必须保证标定温度精确可靠，本文从以下两方面来实现：一方面，由于温箱中温度场分布不均匀，当温箱显示温度达到温箱设定温度时，控制系统延时30 min，保证芯片输出温度稳定且温箱内温度场空间分布达到稳态再进行数据采集；另一方面，由于标定温度和温箱显示温度存在差异，为了准确快速的采集到更接近芯片真实温度的标定温度，本文设计了一套温度测量模块。该模块中温度探头部分采用四线制PT100，测温范围-200℃～850℃，探头测温精度在本文选取的-55℃～125℃的扫描范围内小于±0.15℃，电阻测量部分采用精密源测量单元B2900。温度测试时，将PT100伸至高低温箱内，固定在芯片测试座上，外部接线端子与B2900保持四线制接法，B2900与PXI机箱采用GPIB方式通讯，将数据上传给上位机，程序采用牛顿迭代法将电阻数据拟合成温度曲线。

图5　温度测试程序流程图

为了提高温度测量模块的测量精度，采用了以下三项关键技术。

①PT100和B2900采用四线制接法，有效减少引线电阻和接触电阻对测试结果的干扰。

②恒流测压法中要选取适当的电流。本文电阻测量采用恒流测压法，即配置B2900为恒流源模式，向PT100提供恒定电流I，然后测量两端电压U，由于采用了四线制接法，可以忽略引线电阻和接触电阻，所以PT100测量电阻R=U/I。电阻测量过程中要严格控制电流大小，因为电流过大会加剧探头自热效应，太小又会降低信噪比，难以保证测量精度。为了选择合适的电流I使得温度测量平均误差最小，本文将电流I从10 μA到500 μA进行扫描，扫描步进10 μA，测量不同电流I从-55℃到125℃范围内温度的平均测量误差，测量结果如图6所示，当电流I≥100 μA时，PT100的平均测量误差（PT100测量标定温度和Espec温箱显示温度的差值的平均值）较小，且随电流增大基本保持不变，因而为了防止电流太大加剧探头自热效应，所以最终确定电流I=100 μA（即满足温度测试精度要求的最小电流值）。

图6　恒流测压法中电流对温度测量结果的影响

③程序上采用牛顿迭代法将电阻数据拟合成温度曲线［14-16］。本文PT100符合IEC751国际标准，其温度电阻特性是：

其中R0是0℃时的电阻值，Rt是t℃时的电阻值，A=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。根据式（1）和式（2），调用LabVIEW公式节点，完成电阻到温度的转化。最后，本文对上述温度测量模块进行了定标测量，设置tem_start=-55℃，tem_stop=125℃，tem_step=10℃，测试结果如表1所示，随机误差是根据同一温度点的20次测量数据计算出的标准误差，系统误差是Espec温箱显示温度和PT100测量标定温度的差值。由表1可见，温度测量模块的最大随机误差为0.007 7℃，最大系统误差为-0.29℃，说明该模块的定标误差小，精度高，能满足本文芯片温度传感测试需求。本文采用的温度测量与后处理过程如下：首先连续采集40组数据，通过快速排序算法，舍弃前10组和后10组，然后对剩下的20组数据取算术平均，作为最终有效温度值。如对后处理算法作进一步改进，引入滑窗均值滤波算法处理上述排序后剩下的20组数据，即每滑动一个采样间隔，窗口前面进入一个新的数据，后面去掉一个旧的数据，始终保持固定长度为20的最新数据，再对这20组数据取算术平均，可以进一步提高测试精度。

表1　温度测量模块的测量结果单位：℃

本文中单粒子效应测试需要对试验过程中单粒子翻转（引起芯片内部控制寄存器的数据发生翻转）、单粒子闩锁（电源端的功耗电流陡增）和单粒子功能中断（引起整个器件功能失效，无法正常读取温度信号）三方面进行实时监测。本套测试系统具备数据自动处理功能，能够自动比对芯片单粒子效应试验前后电性能参数并统计变化量，直观反映芯片抗单粒子效应的能力。

3　测试结果

根据以上描述，本文通过这套自动测试系统采集分析第一节所述的星载温度传感控制芯片的测试数据，验证芯片是否满足设计要求并评估芯片性能。本文测试内容包括功耗、温度传感和抗单粒子效应能力3方面。

①为了评估芯片功耗和电流一致性，本文采用上述自动测试系统对200颗芯片进行了测试，每颗芯片的电性能测试时间为7 s，而传统测试系统采用速率较慢的RS232通讯方式交换数据，完成同样测试任务需要30 s，因此本套系统的测试速度和测试效率得到了提升，可以满足工程应用需求。测试结果如图7所示，其中温传开启时正电源电流IDDTO≤0.5 mA，温传关闭时正电源电流IDDTF≤0.2 mA，负电源电流的绝对值|IEE|≤0.1 mA，满足芯片低功耗设计要求。同时，芯片供电电流曲线平滑，波动较小，电流一致性良好。

图7　芯片电流分布

②为了评估芯片温度传感精度，本文选取3颗芯片（编号#1、#2、#3）进行了温度扫描测试（温度范围-55℃～125℃，温度步进10℃）。试验证明，本套自动测试系统操作简单，与传统温度测试方案相比，测试自动化程度、测试精度和测试效率均得到很大改善。其测试结果如图8所示，芯片#1的测量误差ME#1（芯片输出温度和PT100测量标定温度的差值的绝对值）、芯片#2和芯片#3的测量误差ME#2、ME#3均满足芯片温度传感器设计要求。

图8　温度测量误差

③为了评估芯片抗单粒子效应能力，本文另取3颗芯片（编号#1、#2、#3）进行单粒子效应试验，测试结果如图9所示。由图9（a）可知，当芯片#1注量达到4.4×105ions/cm2时，内部寄存器出现翻转，翻转位数为11 bit，并且正电源电流IDD由辐照开始时的2.52×10-4A减小为6.0×10-6A，负电源电流IEE由辐照开始时的-5.0×10-5A减小为-1.25×10-5A。此时断电重启，芯片#1恢复正常，开束继续辐照至1.011 456×106ions/cm2停止，芯片#1没有再出现单粒子翻转现象，在整个试验过程中芯片#2和#3没有出现单粒子翻转现象且三颗芯片在试验过程均没有出现单粒子闩锁和单粒子功能中断现象。单粒子效应试验结束后，对上述三颗芯片进行电性能测试，测试结果如表2所示，芯片电性能测试合格且参数变化量符合设计标准。因此本文中星载温度传感控制芯片具备合格的抗单粒子效应能力，即单粒子试验过程不出现闩锁、功能中断和不可逆的翻转现象且试验前后参数变化量≤10%。

图9　单粒子试验过程中电流随时间变化情况

表2　单粒子效应试验前后数据统计

4　结论

本文针对相控阵T/R组件中一款自主研发的星载温度传感控制芯片设计开发了这套基于LabVIEW的自动测试系统。该系统采用高速数字I/O技术，提高了测试速度，缩短了开发周期。同时，系统具备高精度自动温度测试功能，有效避免人工操作失误，提高了测试效率。另外，系统具备数据自动处理功能，能够完成芯片电性能测试数据和设计指标的比对、温度测试数据和标定温度的误差分析以及单粒子效应试验前后数据变化量统计。测试结果表明，该芯片功能正常，性能良好，各项指标均满足设计要求。同时表明本套自动测试系统可以精确评估芯片电性能、温度传感和抗单粒子效应能力。通过引入滑窗均值滤波算法处理电阻数据，然后再还原成温度曲线，可进一步提高系统温度测试精度。

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刘童（1991-），男，汉族，浙江大学航空航天学院硕士研究生，主要研究方向为CMOS集成电路测试系统研究与开发，scu@zju.edu.cn；

陈华（1985-），男，汉族，博士后，浙江大学航空航天学院助理研究员，主要研究方向为CMOS集成电路设计、芯片自动化测试系统研究与开发，chenhua@ zju.edu.cn。

An Automatic Test System for a Spaceborne Chip of a Temperature-Sensing Controller*

LIU Tong，CHEN Hua*，QIU Jinpeng，WANG Zhiyu，LIU Xiaomin，WANG Liping，YU Faxin
（School of Aeronautics and Astronautics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

In order to evaluate the electrical specification，temperature sensing and single event tolerance of space⁃borne phased-array T/R modules，an automatic test system based on PXI bus is designed and developed.By using this test system，the evaluation of a self-developed integrated controller with temperature sensor，which is embedded in a spaceborne X-band T/R module，is performed in this paper.By using high-speed digital I/O technology，the test speed of the present test system for electrical characteristics is improved.The ability of automatic temperature test with high-precision enables the accurate performance assessment of temperature sensing.And with the ability of au⁃tomatic data processing，the test system can realize the comparison between the measured electrical properties and the design specifications，the error analyzation between test data and calibration temperature and the variation esti⁃mation before and after single event effects.Finally，power distribution，temperature sensing and single event toler⁃ance of the chip are tested and analyzed.The results show that the chip can be well performed in the space environ⁃ment with rapidly changing temperature and strong radiations.At the same time，the test system has the advantages of simple operation，well portability，high speed of testing and high precision.

phased array radar T/R module；temperature-sensing controller；automatic testsystem；single eventeffects

TN407

A

1004-1699（2016）09-1449-08

项目来源：国家自然科学基金项目（61401395）；中央高校基本科研业务费专项项目（2014QNA4033）；浙江省教育厅项目（Y201533913）

2016-02-29修改日期：2016-03-23