试论基于单测点的模拟集成电路测试系统设计

严志华，张洺瑞

(重庆赛宝工业级研究院,重庆,401332)

1 模拟集成电路测试介绍

模拟集成电路是一种由电容、电阻、晶体管等元器件组成的模拟电路，将这些集合到一起进行信号处理的集成电路。随着科学技术的发展，电子设备自动化水平不断提高，人们对于电子产品的质量要求也更加多样化。硬件电路作为电子信息的基础载体，从最初的冗杂向集成化、小型化发展，设计技术及测试技术水平是决定该行业发展的重要依据。传统集成电路测试方法无法满足现代集成电路设计要求，如针床测试技术受到电路引脚距离缩短的影响，测试结果缺乏有效性。并且各种新型封装技术的普及，如球栅阵列（BGA）等，使得集成电路测试工作难以接触物理引脚，进而无法完成自动化测试工作，在效率及准确率上制约了集成电路发展[1]。

相较于传统电路测试模式，模拟集成电路测试能够对电路进行不同程度的信息诊断，有效降低测试工作难度，增强电路测试结果的可观测性。现阶段IEEE1149.4是模拟集成电路测试总线的国际标准，主要是在模拟电路的基础上进行边界扫描测试，完成系统设计。不过，模拟集成电路在实际作业环节，还存在着一些困难：首先，模拟电路自身具备非线性问题，且元器件容差变化较大，进行模拟电路测试时考虑因素较多，增大测试复杂度。其次，模拟电路指标的精准度同传统数字电路存在一定差异，在标准设定上需要进行学术定义。再次，目前模拟集成电路测试还没有较为完善的故障模型，使得其实用化程度较低。最后，模拟集成电路中的模拟信号在时间层次上具有连续性，使得电路故障测试分辨率不高，影响诊断精准度。

2 基于单测点的模拟集成电路测试

就测试节点而言，模拟集成电路测试可以划分为单侧点测试与多测点测试，其中前者是指在单一节点的基础上进行被测电路故障诊断分析，常是在集成电路的基础上进行激励测试，并通过输出信号情况判断其物理特性，进而完成集成电路故障分析,如图1所示。而后者则是在模拟集成电路中选择多个测试节点进行检测，通过收集不同检测节点的实验数据，对整个电路的可测性进行分析。常规模拟集成电路测试工作原理是在非正常运行情况下，检测某一故障信号的数据变化，这种判断依据对于可测内容较为有限，无法反映出整个电路中的故障类型，且在某些特殊工作状态情况下，这种单制动保护措施的应用会遭到阻碍。例如在集成电路正常工作时，短暂中断的高次谐波直流分量会对一些动作进行判据，受到TA饱和对电路电源差动保护的故障影响，以及励磁涌流的对冲作用[2]。

图1 单测点方法的基本思路

基于单测点的模拟集成电路测试思路，需要在电路最终输出节点进行信号采样，将正常电路状态下的相应数据作为参考进行后续测试。需要借助已有故障信息，进行模拟集成电路制动信息的选取、判断、分析，从而确定整个电路的工作情况，以及实际故障点。模拟集成电路测试涉及到的内容较多，针对不正常的单侧点运行信号，其表现出的故障类型及特征也不同，制定相应的故障诊断方案。其核心思路是将正常状态下的信号与故障状态下的信号进行对比分析，完成故障诊断工作。根据基尔霍夫定律可知，在集成电路诊断工作中，通过对交流正弦量的线性系统管理，实现各种穿越性电流的有效均值计算。如常见的模值制动相量差动保护，便是在整个电路系统中，计算各支路电流模值的和，将这个计算结果与比例系数进行乘积计算，得到最终计算电路运行数据，完成电路故障情况分析。

3 模拟集成电路故障诊断方法介绍

3.1 故障字典法

模拟集成电路故障字典法检测环节，需要将电路各种故障状态下的特征进行记录，与实际故障情况进行对应，从而形成故障字典。进行电路故障诊断工作时，需要从集成电路中提取出故障特征，将此故障特征与仿真故障字典中的数据进行匹配，从而获得该集成电路的故障类型，完成故障诊断。故障字典法主要应用于逻辑电路与时序电路，能够实现在一段时间内的电路故障状态记录，应用非同步采样方法，结合FFT算法，完成故障信号采样工作，当下一个电气状态到来时，会在之前的用电状态基础上进行记录。通过对现有的故障字典数据统计，将1分钟平均电流作为设计基础标准，完成用电信息采集系统同扩展后的电流数据块结合的形式，实现了对于所有内存信息的储存管理，即使在非正常用电状况下，也能够保留相关状态信息的有效性，如图2所示。就现阶段而言，故障字典法是最具实际应用价值的模拟集成电路故障诊断方法，其工作内容主要集中在侧前仿真环节，只需要将检测出的数据进行比对，就能得出故障类型，所以诊断速率较快，适用于多种工作场合[3]。

图2 故障特征类型提取

3.2 小波变换法

“小波”这一概念最早是由Morlet和Grossman于上世纪80年代提出，其名称来源于法语中的“ondelette”，翻译为中文即“小波”，在英语中，因为“onde”被改成了“wave”，因此其整体词汇变为“wavelet”。小波变换理论是指一种利用长度不同、衰减效率不同的“母小波”的震荡信号形成的信息内容，来实现信号传输的目的。作为一种新型时频分析方法，它能够在电路信号高频时具有较高的时间分辨率，在电路信号低频时具有较高的频率分辨率，基于这种特定能够观测到集成电路的信号细节，并将其进行不同频率的分解，完成信号识别处理。

一般来说，小波变换法在模拟集成电路测试中的应用主要分为两种类型，即“离散型小波变换”与“连续性小波变换”，这两种小波变换法的主要区分点，是连续性小波变换能够在所有可能的缩放和平移上操作，而离散性小波变换采用所有缩放和平移值的特定子集。由于小波变换概念自身的特殊性，所以其常用于多个电路测试系统研究项目，其可以视为时域频域表示的形式，结合整体信号传输的调和分析，实现有刺激性的响应信号检测的滤波器段，利用小波变换对信号进行预处理，构成CWT的原理制约，也就是说，小波变换法可以在测不准原理的情境中完成电路测试，这使得小波变换法在电路故障诊断中得到广泛应用。

4 基于单测点的模拟集成电路测试系统平台设计与实现

4.1 测试算法设计

本实验核心思路是在Matlab编程技术的基础上，完成单侧试点的模式下进行集成电路故障测试，其算法思路是将电路无故障状态下的情况转化为数字信号，利用调制滤波器组进行子带分解，得到多个频带下的子信号，通过采集故障响应序列进行子带分解处理，从而提取到有用的信息。结合函数自相关序列积分值等故障特征，将其与测试结果进行比对，进而完成单侧点模拟集成电路故障诊断。多通道滤波器组子带滤波算法应用环节，需要考虑到测试系统自身的耦合度，针对不同信号频率状态呈现出的不同故障特征，在非线性控制及多个参数设计中，精准构建信号控制规律。模拟集成电路测试系统模型设计环节可能受到一定专业因素限制，如原信号分解后的子带信号所具有的能量不同，因此需要对其进行不同的处理，避免出现混叠使得原有信号频带被占满。通过对低通原型滤波器进行调制，得到多通道调制滤波器组，并依次进行专业化学科分析，从而保证总体模型设计方案的科学性。基于单测点的模拟集成电路测试方案，需要在方案可行性的基础上，发挥单侧试点的优势，实现电路故障测试优势功能互补，并且在电流信号灵敏、速动等方面性能上的提高，在现代化计算机技术的支持下，同一电路测试系统配备不同测试原理判据成为可能[4]。

就本实验项目中的子带滤波基本过程，首先是将测试响应信号x混入子带滤波器组：

在滤波器组分解处理完成后，其子带信号变为：

通过对不同子带信号的诊断特征值提取，借助Matlab软件进行滤波器系数序列计算，将原始信号通过滤波器组得到各个子带的输出序列，利用故障字典法进行结果比对测试。

4.2 测试平台构建

整个模拟集成电路测试系统平台主要包括平台硬件及测试软件两部分，其中平台硬件又包括应用接收机组件、发射机组件、A/D数据采集模块、电源模块等。以A/D数据采集模块为例，其主要作用是进行电路信息接收模拟，通过不同频率、幅度、回波延时，模拟不同频率的辐射，并分别传输给接收机组件输入通道，完成数字机组件输出信号采集工作。在基于单测点的模拟集成电路测试系统平台构建中，发射机组件测试主要是检测负载箱输出情况，由于此输出为一段短调制脉冲信号，当信号加载完成后再进行数据输出。应用接收机组件主要是进行信号数据收发工作，通过模拟电路中各个系统之间的信号，完成信息交互。开关模块能够完成不同电源供电，并满足切换信号采集通道的需求。而软件部分则是进行电路数据信息处理工作，区别于原始的“标准度”与“分辨率”进行信号观察，基于单测点的模拟集成电路测试系统平台设计中，信号传递过程较为平稳，但在细节处的不连续性表现的也比较明显[5]。

本实验采用无穷大系统模型。其比率差动保护的门槛值为0.2In，AC交流中的CT额定值为1A，PT额定电压为55V，整个系统的工作电压为家用DC220V。为了与仿真电路系统中的特殊故障及涌流测试相呼应，该模型增加了空载合闸于故障变压器，以及针对性的低谐波比励磁涌流测试项目。基于单侧试点电流计算方式为侧相电流与零序电流之间的均衡测量方式，因此设定整体故障发生时，变压器两相差动都有故障电流。实际测试环节，不同电路故障信号不同，经过测量对比，其动作延时最长能达到150ms，但由于整个测试系统的故障电流较小，且对于整个故障信号测试动作的完成时间没有过多要求，因此这个延时可以接受。使用 PADS 软件中的 Logic原理图编辑工具建立原理图，并完成PCB板布局布线导入，为简化实验流程，可以将电路板划分为若干个不同的子电路独立模块，它们相互之间还可以互相连接，形成更为复杂的电路。

4.3 Sobol指数法与Matlab混合编程

Sobol指数法是由俄罗斯数学家Sobol于19世纪90年代提出的一种敏感性分析方法，并以个人名字进行命名，其核心思路是通过方差分解，将整个模型分解为多个参数，并将这些参数进行重新组合的函数，通过不同参数与参数集的方差计算，得出其对总输出方差的影响，借此分析参数的重要性，以及不同参数之间的交互作用。而Matlab软件自身具备强大的科学计算能力，以及较为完善的算法库，同自然语言相比能够在极短时间内完成各种复杂计算，但自身对硬件控制能力较弱。因此将Sobol指数法与Matlab进行混合编程，通过ActiveX技术，Sobol指数法在Matlab自动化服务器功能中执行代码，并完成数据交换，从而进行混合编程。过程中要将流有效值寄存器刷新率控制在一定范围内，一般为260ms-390ms完成单次刷新作业。可以将电力载波通信技术的优点并与脉冲识别法相结合，强化用户信息在线识别，将检测与用户识别工作融为一体，并利用手机APP进行装置操控及数据收集。这种方法能够缩短系统软件设计计算时间，将软件中的数据采集、信号处理、信息分析等工作，都以编程的方式进行呈现，保证数据类型匹配。Sobol指数法与Matlab混合编程应用于模拟集成电路测试系统平台设计分析中，能够直接准确地反映出电路故障的实际需情况。在模型应用环节，可以选择定性分析与定量计算相结合的方式，使得整体计算模式更加规范。数据信号分析时，需要考虑多的影响因素，并对矩阵进行子域划分，利用计算机等工具进行辅助计算[6]。

4.4 实验注意事项

基于单测点的模拟集成电路测试系统平台作业时，需要注意电路系统中各种硬件设备使用安全情况，包括传感系统、元器件、存储介质等。由于模拟集成电路自身的结构特性，常会出现多次反射情况，这是因为电路负载跳变时智能表MCU采样、故障数据接收信息采集系统抄收不同步，造成数据检测偏差，所以集成电路在线检测定位时，所选择的数据资料要以首次回波情况为准。接收机测试软件要模拟回波参数，对接收机组件上的增益进行控制码设定，并加载混频信号完成模拟回波调制。电路测试系统要将接收机的模拟信号进行处理，闭合第一通道开关，进行模拟信号加载，可以利用接收机将信号幅度及频率函数进行计算。进行电路故障数据检测时，要采用A相电流数据标识，此时会出现一定程度的由外至内延伸情况，通过对数据的扩展分析，以及故障电流数据标识，完成二次数据采集，配合手工测量的方法，确保电路故障在线检测结果的准确性。若这两帧数据抄收存在时间差，现场用户负载会出现跳变现象，应进行有效识别，确定电路测试系统平台的采集数据。