集成電路測試是對集成電路或模塊進行檢測，通過測量集成電路輸出響應與預期輸出進行比較，以確定或評估集成電路元器件功能和性能的過程，是驗證設計、監控生產、保證質量、分析失效以及指導應用的重要手段[1]。數字集成電路DIC(Digital Integrated Circuit)測試是集成電路測試的一個主要分支，是一種保障數字集成化芯片內部電路質量和邏輯功能完整性的測試，主要應用于雙極型數字集成芯片（TTL系列）和場效應型數字集成芯片（MOS系列）的檢測。目前世界上高檔集成電路測試系統大都是日本和美國生產的，如美國Credanceo公司推出的Vanguard系列和SAPPHIRE系列,日本Advantest公司研制的T600系列等。我國在半導體行業起步晚于發達國家，芯片測試行業也是如此，國內的大部分高端測試市場被國外的測試企業占據。購買國外的測試設備一般都價格昂貴，隨著數字集成芯片的使用日益頻繁，急需一種應用在中小型規模的數字集成電路檢測設備來保障其性能[2]，本文設計的虛擬數字集成電路測試儀就是從通用、快捷、準確、廉價等幾個基本優勢點出發，將其集成在吉林大學自主研發的VIIS-EM平臺上。VIIS-EM平臺的全稱為虛擬電子測量儀器集成系統(Virtual Instrument Integration System for Electronic Measuring)，它基于模塊化儀器的設計思想，采用“一個控制器+多個功能模塊”的構建方式，方便了儀器的可重構性，上位機采用LabVIEW軟件作為工具進行圖形化編程，操作界面友好,自定義功能強大,方便于功能擴展[3]。文中詳細闡述了虛擬數字集成電路測試儀的設計理念和實現方案，重點論述了系統的硬件電路設計和軟件處理方法。并給出了實測結果，驗證了儀器測試的可行性。

1 VIIS-EM平臺與DIC測試技術簡介
    VIIS-EM平臺機箱內置了直流穩壓電源和系統總線背板。集成在系統中的功能模塊均采用標準的3U(3.94英寸×6.3英寸)尺寸進行設計，各模塊均通過96腳的歐式連接器與系統背板相連，系統背板具有9個插槽，從左向右依次為0號槽、1號槽……8號槽。
    在檢測DIC芯片時，需要依照一定的測試順序對芯片進行檢測，順序的合理性會使測試變得清晰，高效。一般的數字集成電路測試順序為接觸性測試、功能測試、直流參數測試及交流參數測試。
   （1）接觸性測試，隸屬于直流參數測試的范疇，目的是為了驗證芯片的各功能引腳是否正確連接。測試原理為在被測器件所有管腳都接到地的情況下，對被測管腳施加電流并測量相應的電壓，通過得到的電壓值來判斷其連接性是否完好。
   （2）功能測試，驗證DIC芯片的邏輯完整性。通常有兩種方法可供選擇，一種是金器件法，一種是存儲響應法。金器件即已知無誤的芯片。測試時，通過同時檢測被測器件和金器件，來對比判斷芯片的好壞，這種測試方法具有依賴性，不能獨立地進行測試操作，故本設計采用存儲響應法的測試原理，將輸入激勵值和輸出期望值都存入外部數據庫中，測試時通過將實測值與期望值進行對比來判斷芯片的好壞。
   （3）直流參數測試，對DIC芯片的管腳進行電壓電流測試，只要芯片通過了這些測試，就可保證其基本性能，對時間要求不是十分嚴格。測試的項目主要有輸出高/低電平(VOH/VOL)測試；輸入高/低電流(IIH/IIL)測試；輸入漏電流II測試；輸出短路電流IOS測試；電源電流測試等；
    （4）交流參數測試，主要檢測器件內部的晶體管在轉換狀態時的時序關系，包括一些時間常數。本設計只針對芯片的功能測試和直流參數測試，沒有包括交流參數測試部分，故此處只做簡單介紹。
2 系統總體結構設計
    按層次結構分，系統可分為軟件應用層、設備驅動層和硬件物理層。應用層使用LabVIEW軟件進行編程，用于控制儀器和對采集的數據進行分析、處理及顯示，同時LabVIEW中提供了“互聯接口”函數可動態地調用儀器驅動程序。儀器驅動程序屬于上層驅動，在運行時與底層USB驅動進行交互通信，實現板卡識別、消息傳遞等功能。硬件物理層使用“微處理器+FPGA”進行數據接收、發送和譯碼，并在前端搭建調理電路，實現不同邏輯電平的輸出、微安級恒流源的輸出、數模信號采集等功能。
3 虛擬數字集成電路測試儀硬件電路設計
    根據模塊化設計思想，將整個系統的硬件部分分成總線接口通信模塊、信號激勵模塊、數據采集模塊三個部分。硬件結構圖如圖1所示。

    系統通過FPGA中自定義的雙口RAM電路實現與總線的接口通信。系統上電時，微處理器負責初始化設備，向雙口RAM中寫入配置信息，配置信息通過系統總線傳輸到總線控制器；在儀器運行過程中，若更改上位機控制命令,則模塊板卡的微處理器也會通過雙口RAM從總線控制器上讀取相應的配置信息。
3.2 信號激勵模塊
    信號激勵模塊可提供數字邏輯電平輸出和直流電壓/電流信號輸出。數字邏輯電平輸出用于驅動被測DIC芯片，測試其邏輯功能，本設計采用74LVC245A芯片轉換LVTTL電平為TTL電平，用來驅動被測TTL數字集成芯片，對于CMOS型數字集成芯片，由于其高電平最小輸入電壓大于TTL電路高電平最大輸出電壓，故不能直接用TTL電平激勵CMOS電路,在設計時采用外接4.7 k?贅上拉電阻將TTL輸出電平拉高,來驅動被測CMOS芯片。
     為了對DIC芯片進行接觸性檢測和直流參數測試，須對被測芯片提供必要的直流電壓/電流激勵信號。本設計采用BB公司的數模轉換器DAC902搭建直流電壓輸出電路，此芯片的轉換位數為12 bit，數據邊沿觸發鎖存，差分電流輸出，加負載電阻轉換成直流電壓信號，外接差分放大電路,將D/A差分輸出的±1 V轉為單極性輸出，同時將電壓放大2.5倍，差分放大電路如圖2所示。

    測試中所用的直流電流激勵信號要求微安級別，DAC902不滿足測試要求,設計中采用儀表放大器AD620和OPA602搭建出帶跟隨反饋的高精度微安級數控恒流源[4]，如圖3所示。

3.3 數據采集模塊
    數據采集模塊分為邏輯電平信號采集部分和直流電壓/電流信號采集部分，它們在FPGA中公用一條8位數據總線，通過多路復用器進行模式選擇。邏輯電平信號采集利用74LVC245A進行TTL/LVTTL電平轉換，輸出信號符合FPGA輸入電平標準，故直接采用FPGA進行LVTTL電平采樣;直流電壓/電流信號的采集使用ADI公司的雙8 bit高速模數轉換器AD9288BST-40，前端調理電路進行電壓衰減和驅動放大，使其輸出電壓在A/D的允許范圍內。
    采集到的邏輯電平信號和直流電壓/電流信號按每次8 bit數據緩存在FPGA的FIFO中。FIFO緩存電路如圖4所示，每個FIFO設置為2.5 KB的存數空間，寫速率時鐘wclk最高可以達到20 MHz，即采集系統的最高采樣頻率，FIFO的輸出端通過一個三態門實現數據的復用。

4 虛擬數字集成電路測試儀軟件設計
    系統上位機部分使用LabVIEW軟件進行編程，主要分為前面板和程序框圖兩部分。前面板即用戶界面，定義各種輸入控件和顯示控件，用來設置儀器參數以控制儀器；程序框圖包含各種功能函數，可進行數據的運算處理和通信。以模塊來劃分，本儀器的軟件部分主要分為數據通信模塊、數據庫調用模塊和數據處理模塊。
4.1 數據通信
    LabVIEW中集成了功能強大的數據接口通信函數，能實現上位機與硬件模塊的連接控制。本系統軟件通過CLF(Call Library Function)節點函數調用動態鏈接庫。在發送命令消息時將LabVIEW中的數據類型映射為DLL文件中定義的數據類型，實現命令參數的傳遞。同樣，在數據采集時，通過CLF節點函數將硬件模塊采集到的數據映射為LabVIEW數據類型， 以完成進一步的處理與顯示。
4.2 數據庫調用
    無論哪種匯編語言，都是在底層驅動的基礎上，利用ODBC或者DAO、ADO調用API接口來操作數據庫的。LabVIEW中集成了數據庫連接工具包，封裝了ADO(ActiveX Data Objects)的接口，為數據庫的調用提供了編程環境。本系統軟件即通過UDL建立數據源連接字符串，使用ADO模型調用Microsoft Office中的Access來實現數據庫操作的。Access數據庫中記錄了九類常用數字芯片的邏輯關系，在初始化設定時，系統根據被測試芯片的芯片型號加載相應的數據庫。在自動測試過程中，根據數據庫表中建立的邏輯關系對芯片進行逐步激勵。并采集輸出邏輯信息，與數據庫中期望值進行比對，若邏輯值符合期望標準則測試通過。
4.3 數據處理
     采集到的數據信息通過CLF節點傳遞到上位機軟件中，根據硬件FIFO存儲容量限制，每路通道每次最大能讀取320 B數據,16路數據存儲在一個具有5 120個元素的一維數組中。在數據顯示時，通過“抽取一維數組”函數和“索引數組”函數將一維數組數據拆分為16組布爾量，每組布爾量再轉換為“0，1”邏輯序列，由數字波形圖顯示出來。
5 數據顯示及實測結果
    圖5中顯示的是測試74LS02N芯片功能好壞的測試用例，以圖中面板中央位置顯示的真值表項為依據，虛擬數字集成電路測試儀順次給硬件模塊發送激勵信號，作用于被測芯片，同時讀取采樣電平與數據庫標準邏輯比對，測試通過則顯示文本提示并點亮相應的測試燈，右下方進度條代表測試進度。

    圖6所示為74LS02N的直流參數的測試結果，通過在芯片的各功能引腳處施加規定的電壓電流信號，測量輸出的直流參數是否在允許的范圍內來判斷芯片性能的好壞。測試時將74LS02N的PIN 4引腳開路作為異常情況測試。

    采用VIIS-EM平臺下研制的虛擬數字集成電路測試儀，通過反復的實驗測試，表明對于常見的74系列和54系列數字集成芯片，系統能夠準確快速地驗證其邏輯功能的正確性和完整性，對于損壞的芯片能找出其問題引腳。系統的創新點在于應用了當今最前沿的模塊化結構設計思想，優化了系統的設計、調試以及維護[5]。采用以計算機為核心的虛擬儀器技術，替代了傳統儀器的部分硬件電路，改善了傳統儀器笨重復雜等缺點，同時增加了儀器的可操作性和用戶的自定義功能，在成本方面，基于虛擬儀器技術來搭建的系統價格也得到了大幅度降低。另外，本虛擬數字集成電路測試儀可擴展性強，可在通用性基礎上進行功能提升、擴充，具有豐富的可重構前景。由于系統數據總線的位數限制，本儀器目前能夠實現16位數字信號的采集，在未來的總線開發上還有待提高。
參考文獻
[1] 高成, 張棟, 王香芬. 最新集成電路測試技術[M].北京：國防工業出版社，2009.
[2] WEST G L. A microcomputer-controlled testing system for  digital integrated circuits[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation, 1980,IECI-27(4).
[3] 阮奇楨. 我和LabVIEW[M].北京:北京航空航天大學出版社，2009.
[4] 胡波, 李波, 羅賢虎，等. 微安級數控恒流源的設計[J]. 電子技術，2010(4).
[5] 吳忠杰, 林君. 虛擬測試系統中模塊化儀器關鍵技術研究[J]. 儀器儀表學報，2005(22):280-283.