CN103001636A

CN103001636A - 一种折叠内插式模数转换器件的单粒子效应检测方法

Info

Publication number: CN103001636A
Application number: CN2012105480330A
Authority: CN
Inventors: 陈莉明; 董攀; 郑宏超; 范隆; 岳素格; 杨松; 马建华; 陈茂鑫; 文圣泉; 杜守刚; 王煌伟; 毕潇
Original assignee: Beijing Microelectronic Technology Institute; Mxtronics Corp
Current assignee: Beijing Microelectronic Technology Institute; Mxtronics Corp
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: CN103001636B

Abstract

一种折叠内插式模数转换器件的单粒子效应检测方法，可以自动检测折叠内插式的高速模数转换器件在单粒子轰击条件下由单粒子轰击引起的单粒子错误及单粒子闩锁情况，并能够对单粒子错误的情况进行分类比较。本发明方法将被测模数转换器件设置在高频率工作的情况下，能够有效检测被测模数转换器件的输出变化。本发明方法充分利用了单粒子错误发生前后的内在逻辑关系，能够准确判定发生单粒子错误发生的数据位及单粒子错误引起的模数转换器件的输出的精度误差。

Description

一种折叠内插式模数转换器件的单粒子效应检测方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种模数转换器件的单粒子效应检测方法。

背景技术

当模数转换器件在空间环境中工作时，空间中的高能粒子会穿透模数转换器件内部并在路径上产生电离，电路节点会吸收电离产生的电子和空穴从而导致电路错误，这就是单粒子效应。

粒子轰击在模数转换器件内部所引起的单粒子效应主要有单粒子错误(由单粒子翻转和单粒子瞬态引起的)、单粒子闩锁效应(SEL)两种，其中单粒子错误指模数转换器件内部的模拟部分发生单粒子瞬态脉冲或者数字部分发生单粒子翻转引起的各组输出数据的数据位在辐照条件下发生翻转，导致模数转换器件的输出精度下降甚至出现错误；单粒子闩锁效应指单个离子在模数转换器件内部电路中产生电流脉冲，使得PN-PN结构导通，造成模数转换器件电流大幅增大。单粒子闩锁效应的检测较为简单，主要是对模数转换器件的工作电流进行实时监控，而单粒子翻转效应的检测则较为复杂。

国内现有的模数转换器件的单粒子效应检测方法主要完成模数转换器件的单粒子闩锁的考核，没有详细具体的考核单粒子效应对模数转换器件输出精度的影响。但是，随着模数转换器件在辐射环境中的应用越来越多及宇航技术的不断提升，对抗辐射模数转换器件在辐射环境中工作的精度要求也越来越高，这就使得考核模数转换器件的抗单粒子错误能力成为一件十分重要的任务。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种能够全面检测模数转换器件抗单粒子效应性能的差频动态测试方法。

本发明的技术解决方案是：一种折叠内插式模数转换器件的单粒子效应检测方法，步骤如下：

(1)利用信号发生器产生被测模数转换器件的工作时钟和输入信号，所述被测模数转换器件的工作时钟频率f_s、被测模数转换器件的输入信号频率f_in、被测模数转换器件的输出信号频率f_。ut满足关系式f_in＝f_s-f_out，f_out＝f_s/(2^Nπ)，N为被测模数转换器件的路数；

(2)利用两个射频转换器，分别将信号发生器给出的被测模数转换器件的工作时钟和输入信号转换为工作时钟差分信号和输入信号差分信号送入被测模数转换器件；

(3)向被测模数转换器件供电，并全程监测被测模数转换器件的工作电流，若工作电流正常则进入下一步；若工作电流超过正常工作电流的1.5倍时判定发生闩锁并结束测试；

(4)将被测模数转换器件置于辐照环境中并开始辐照，实时采集被测模数转换器件的各组输出信号并与理论模数转换结果进行比较，对于被测模数转换器件的N组输出的每一组数据均进行以下相同的操作，

(41)对与第i组输出对应的理论模数转换结果S_i的每一位取反，然后和第i组实际输出的数据S_i+1的相应位进行逻辑与的操作，得到相应的一组序列数据T(i，j)，j为被测模数转换器件每组输出的数据位数，若T(i，j)的值为1，则判定第i组输出中的第j位的数据发生了0-＞1翻转；若T(i，j)的值为0，则判定第i组输出中的j位的数据没有发生0-＞1翻转；

(42)对与第i组输出对应的理论模数转换结果S_i的每一位取反，然后和第i组实际输出的数据S_i+1的相应位的非进行逻辑与的操作，得到相应的一组序列数据K(i，j)，若K(i，j)的值为1，则判定第j组输出中的第j位的数据发生了1-＞0翻转；若K(i，j)的值为0，则判定第i组输出中的第j位的数据没有发生1-＞0翻转；

(43)计算第i组实际输出的数据S_i+1的补码，然后与第i组输出对应的理论模数转换结果S_i进行相加，将相加的结果再进行补码运算得到数据D(i)，将D(i)作为被测模数转换器件的第i路的输出误差；

(5)将被测模数转换器件的N组输出分成N/2类，每一类中两组输出对应的输入端口为同一个且该两组输出相差一个周期；若是所有类的输出同时出错且错误持续时间一致，则判定被测模数转换器件中的MUX多路选择器或校准电路发生了翻转；若是所有类的输出不同时发生错误，则判定被测模数转换器件中的T/H采样保持电路或者子模数转换电路发生了翻转；若是所有类的输出的错误数均为2^N，则判定被测模数转换器件中的LVDS差分输出电路发生了翻转；若是所有类的输出同时出错但是错误数量不一样，则判定被测模数转换器件中的VREF参考电压发生了翻转；

(6)停止辐照，结束检测。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法能够分别统计出被测模数转换器件各组输出的各个数据位的0翻1、1翻0的错误情况，从而精确地分析模数转换电路中的各个功能模块的单粒子翻转和单粒子瞬态的敏感性，进而指导芯片设计人员改进设计；

(2)本发明方法可以统计出粒子轰击对模数转换器件输出精度的影响，从而更加全面的考核模数转换电路的抗单粒子效应的性能；

(3)本发明方法可同时完成模数转换器件的单粒子闩锁和单粒子翻转及单粒子瞬态的敏感性考核；

(4)本发明方法设置被测模数转换器件工作在高频状态，可以实现在最劣条件下考核被测模数转换电路的单粒子效应敏感性。

附图说明

图1为本发明方法的一种实现系统组成框图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

折叠内插式模数转换器件器件具有工作速度高，功耗相对较低等特点。对于这种类型的模数转换器件一般包括多路选择器、T/H采样保持电路、子模数转换电路、LVDS差分输出电路、VREF参考电压。其中，MUX多路选择器用于要进行转换的模拟输入通道；T/H采样保持电路用于缓存和保持模拟信号；子模数转换电路用于将模拟信号转换为数字信号；LVDS差分输出电路用于实现传输高速信号，这种传输方式具有速度快、抗噪性好等特点；VREF参考电压用于为模数转换器件中的模拟电路部分提供电压基准，它的工作状态会对子模数转换电路产生影响；逻辑控制电路是提供给用户进行电路的功能配置的，该电路为组合逻辑电路，在粒子轰击过程中只有单粒子瞬态，一般不会对器件的输出造成影响；时钟电路部分用于提供模数转换器件的采样时钟，若在粒子轰击中发生错误，则整个模数转换器件的功能都不正常。因此，在模数器件的单粒子效应检测和分析中主要是考虑多路选择器、T/H采样保持电路、子模数转换电路、LVDS差分输出电路、VREF参考电压的单粒子效应对模数转换电路的影响。

如图1所示，为采用本发明方法的一种硬件系统的组成结构原理图，其中主要包括辐照环境外的主控计算机和信号发生器，辐照环境内的控制可编程逻辑器件、射频转换器、差分信号接收器、待测模数转换器件等。其中可编程逻辑器件内主要包含数据采集模块和RAM。待测模数转换器件通过差分信号接收器与控制可编程逻辑器件中的数据采集模块相连；被测模数转换器件的工作时钟和输入信号均由辐射环境外的信号发生器通过高频线缆和射频转换器提供。在控制可编程逻辑器件中，数据采集模块用于检测从模数转换器件的输出数据并将数据存入片内的RAM中，数据分析比较模块根据接收到的来自RAM的数据进行分析比较并将结果发送回主控计算机。主控计算机可控制和监测被测器件的工作状态并处理数据信息，远程控制计算机可通过网线与主控计算机的通讯，实现在试验大厅实施监控整个试验过程。通过RS232串口协议实现与可编程逻辑器件的通讯，完成单粒子效应检测试验的起停控制及测试结果的接收。

如图2所示，为本发明方法的流程图，主要步骤如下：

(1)被测模数转换器件工作频率及输入信号的设定：被测模数转换器件的工作时钟与输入信号均由信号发生器提供，可通过远程控制计算机远程控制信号发生器产生相应的信号。

被测模数转换器件的工作时钟和输入信号均为方波信号，在本发明中，设置两者的频率十分接近，以便于模数转换器件每次采样得到的数据点的变化都很小(小于1LSB)，输出数据的周期也很小。具体计算公式如下：

f_out＝f_s/(2^Nπ)

其中，f_s为被测模数转换器件的工作时钟频率，f_out为被测模数转换器件输出数据的频率。f_in为被测模数转换器件的输入信号频率，其值为f_in＝f_s-f_out。这样就保证了在每个工作时钟周期模数转换器件都有采样点，同时也实现了被测模数转换器件处在高频工作状态下，但是输出频率又在一个较低水平状态下，有利于获取和分析被测模数转换器件在粒子轰击下的输出数据及其变化情况。

(2)向被测模数转换器件供电，并监测被测模数转换器件的工作电流，判断是否正常工作，若正常则跳转步骤(3)，否则断电并进行相应调试直至工作电流正常；

(3)打开束流开始对待测模数转换器件进行辐照，可编程逻辑器件中的数据采集模块实时采集被测模数转换电路的输出并将数据按帧存入预先在可编程控制器内部开辟的RAM空间内；

(4)数据分析比较，按帧将获取到的各组输出的数据与预先存入RAM(OUT₀)至RAM(OUT_N-1)(0～N表示模数转换器件的路数)中的正确数值进行比较，若数据不一致则进行统计分析，并将最后结果发送回主控计算机。

单粒子错误数据统计分析的方法如下：

N路的模数转换器件的输出共有N组，在数据处理过程中，对同一组输出i翻转前的数据S_i(也即按照信号发生器原始提供的输入信号从理论上计算得到的模数转换器件的理论输出数据)的每一位取反与S_i翻转后的数据S_i+1(实际采集到的模数转换期间的输出数据)的相应位进行逻辑与操作，得到相应的一组新序列数据T(i，j)，设j为模数转换器件每组输出的数据位数，那么若T(i，j)的值为1，则输出数组i中的j位的数据发生了0-＞1翻转；若T(i，j)的值为0，则输出数据i中的j位的数据没有发生0-＞1翻转。

同理，对同一组输出i翻转前的数据S_i的每一位取反与S_i翻转后的数据S_i+1的相应位的非进行逻辑与的操作，得到相应的一组新序列数据K(i，j)，那么若K(i，j)的值为1，则输出数组i中的j位的数据发生了1-＞0翻转；若K(i，j)的值为0，则输出数组i中的j位的数据没有发生1-＞0翻转。

采用上述的数据处理分析方法，能够对模数转换器件的每一路输出的每一位数据翻转情况作出统计，能够有助于分析造成模数转换器件发生单粒子错误的原因及模数转换器件的单粒子错误对0和1的敏感性。

同时，可以将每组输出i翻转前的数据S_i与S_i翻转后的数据S_i+1的补码相加，将得到的值再进行补码运算得到相应的一组新序列数据D(i)，这组数代表的是在粒子轰击下模数转换器件的工作误差，用于评价模数转换器件在辐照环境下工作性能，是考核模数转换器件抗辐射性能的一个重要指标，同时也为用户的使用提供一个参考。

(5)主控计算机根据接收到的数据进行数据统计和处理分析。主控计算机根据统计的T(i，j)、K(i，j)、D(i)三组数据可分析粒子轰击对模数转换器件的输出数据产生的单粒子翻转情况和输出精度的影响。在对数据进行处理分析的同时，将T(i，j)、K(i，j)中每组数据获取到的时间分别对应的记录下来，这样可以分析1～N组输出发生单粒子翻转的关系和表现，具体如下(备注：1～N组输出共分为N/2类，即两组输出组成一类输出(即一路输入信号对应2组差分输出信号)：

(a)若是所有类别的输出的同时出错且错误持续时间一致，则是MUX多路选择器(只限多路模数转换器件)或校准电路发生了翻转；

(b)若是所有类别的输出不同时发生错误，则是T/H采样保持电路或者子ADC模数转换电路发生了翻转；

(c)若是某路输出的误差值为2^N(4，8，16，32等)，即说明相应输出的某一数据位发生了翻转，则是该数据位对应的LVDS差分输出电路发生了翻转；

(d)若所有类别的输出同时发生错误，但是错误数量和误差值不一样，则是VREF参考电压发生了翻转。

(6)判断是否发来结束的命令，若是停止辐照，跳转步骤(7)，若否跳转步骤(3)；

(7)停止辐照。

主控计算机在辐照过程中实时监测被测模数转换器件的工作电流，若发生闩锁(超过正常工作电流的1.5倍)需对被测模数转换器件自动断电，并自动记录发生单粒子闩锁的次数。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种折叠内插式模数转换器件的单粒子效应检测方法，其特征在于步骤如下：

(1)利用信号发生器产生被测模数转换器件的工作时钟和输入信号，所述被测模数转换器件的工作时钟频率f_s、被测模数转换器件的输入信号频率f_ln、被测模数转换器件的输出信号频率f_out满足关系式f_ln＝f_s-f_out，f_out＝f_s/(2^Nπ)，N为被测模数转换器件的路数；

(42)对与第i组输出对应的理论模数转换结果S_i的每一位取反，然后和第i组实际输出的数据S_i+1的相应位的非进行逻辑与的操作，得到相应的一组序列数据K(i，j)，若K(i，j)的值为1，则判定第i组输出中的第j位的数据发生了1-＞0翻转；若K(i，j)的值为0，则判定第i组输出中的第j位的数据没有发生1-＞0翻转；

(6)停止辐照，结束检测。