CN112349339B - 存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统和测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子和辐射物理技术领域，具体涉及一种适用于存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统和测试方法，包括上位机、信号转换单元、主控模块、存储器DUT模块和3种通用仪器设备，以及相应的连接线缆，采用适当的抗干扰方法实现强噪声环境下的存储器数字小信号的远程动态测试，上位机用于控制主控模块和被测存储器之间的数据通信，为用户操作提供操作界面；信号转换单元用于同轴电缆信号和总线通讯信号的转换；主控模块用于在指定命令下对存储器进行读写操作，将读出数据与写入数据进行对比、生成报告并传输到上位机；存储器DUT模块用于安装待测试存储器。

Description

存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统和测试方法

技术领域

本发明属于电子和辐射物理技术领域，具体涉及适用于存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统和方法。

背景技术

存储器是电子系统的重要组成部分，半导体存储器可分为易失性和非易失性两大类。易失性存储器包括静态随机存取存储器（SRAM）和动态随机存取存储器（DRAM）；非易失存储器包括只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、电可擦除存储器EEPROM、快闪存储器（Flash Memory）、铁电存储器（FRAM）、磁存储器（MRAM）等。

存储器内部通常包括结构有规律的存储单元阵列和外围电路两大部分。存储单元用于保存数据，外围电路用于实现读写操作；SRAM是利用电荷保持数据，其存储单元通常是由四到六个晶体管构成的双稳态触发器，该触发器在外围电路的控制下可处于双稳态中的任一态，由外围电路判读为逻辑“1”或逻辑“0”。

铁电存储器（FeRAM）是利用铁电材料的自发极化特性来保持数据，其随机存取数据、读写速度快、无需擦除的工作模式类似SRAM，掉电后仍然能保持类似ROM；铁电材料产生自发极化的原因可以理解为晶格原子的非中心对称造成了正负电中心的不重合，从而产生了自发的电偶极子；铁电物质可以看作是一系列电畴的集合，在每个电畴内部，电偶极子方向一致，而不同电畴之间，电偶极子的方向一般不同，因而宏观上总的电偶极矩为零，天然形成的铁电材料中电畴方向随机排列，从而整体不显电性，如果在铁电材料上施加电压，则可以改变电畴中电偶极子的方向；在某个特定电压Vc下，铁电材料的自发极化全部消失，这个电压称做矫顽电压，如果将电压增加到某个值Vm或者-Vm，则所有电畴的方向均为正向或者负向，这时如果继续增加电压，由铁电电畴引起的极化不会随电压的增加而增加，则称之为极化的饱和。可以认为在不同方向的极化状态下铁电材料具有不同的等效电容，不同的等效电容分别对应0的状态和1的状态；基于铁电材料的特殊结构，存储状态可实现大于10¹²次的擦写。而在离子辐照情况下，铁电电容存储“1”和“0”的２个态是由原子位置决定的，很难被改变，因此具有较好的抗辐射性能。

磁阻式随机存取存储器（MRAM）是利用隧道磁阻效应保持数据，其存储单元的核心是三明治结构的磁隧道结MTJ。 上下两层为导电金属层，中间夹着穿隧式磁电阻TMR的记忆元，最上面的导电金属层称为位元线，最下面的金属层称为字元线，当位线通过一个脉冲电流时，会因电流感应而产生磁场，此时自由层的磁化方向受到该磁场的影响而偏移方向。若此时也在字元线上加一脉冲电流，则该电流所感应的磁场就可完全改变自由层的磁化方向。如此一来，两铁磁性层的磁化方向为顺向排列（因磁电阻低，可设它代表0）或反向排列（因磁电阻较高，可设它代表1）。MRAM具备写入和读取速度相同的优点，并具有承受无限多次读—写循环的能力（在自由磁体层中来回切换的运动是电子的自旋，而电子本身永远不会磨损）。

存储器的瞬时电离辐射效应产生机制为，脉冲γ射线在半导体器件的PN结敏感区域内产生能量沉积电离出非平衡载流子（电子ー空穴对），在外加电场作用下，非平衡载流子定向运动并被PN结耗尽区收集形成光电流。光电流会在短时间内传输到整个电路回路，对电源和信号产生干扰，引起电平扰动、逻辑状态翻转、功能紊乱或者中断；在更高强度脉冲γ射线作用下，光电流触发体硅CMOS工艺器件内部的寄生P-N-P-N四层结构导通，形成从电源到地的低阻抗回路，会引发大电流闭锁效应，造成硬件破坏性毁伤。以上效应称为瞬时电离辐射效应，又称为瞬时剂量率效应。。

为了研究半导体器件和电路的瞬时电离辐射效应，一般采用实验室大型科学装置（如电子加速器）产生的脉冲γ射线进行辐射试验和效应测试。γ射线能量平均能量约为1MeV，持续时间约为几十纳秒至数百纳秒，由于半导体器件在加电状态下才会形成显著的瞬时辐射光电流，因此必须在半导体器件加电状态下进行试验并实时快速测试，由此带来了存储器的瞬时电离辐射试验测试与通常的存储器测试有较大差异：

1）为了避免测试设备受到辐射干扰造成测试不准，必须将测试设备与受试对象分离开，且需要间隔较远的距离，给存储器大量数据在远距离传输条件下的实时判读和分析带来困难；

2）脉冲γ射线的持续时间为ns量级，半导体器件的响应时间为ns～μs，准确测量瞬态响应波形，测试系统必须具备足够快响应时间；

3）辐射模拟源的电磁干扰较强、本底噪声较大，微弱小信号的测试带来较大困难；

4）不同类型存储器的瞬时电离辐射效应表征决定了具体的功能测试模式，目前国内未见有能够同时测试多种类型存储器瞬时电离辐射效应的通用测试系统。

从功能上划分，存储器内部可分为存储单元和外围读写电路两大部分，存储器的各个功能模块对瞬时电离辐射的敏感性不同，需要依据其辐射效应典型特征设计测试模式，不能采用常规测试方法。由于脉冲辐射的时间较短（ns量级），且存储器内部不同功能单元在不同工作状态下的响应模式有差异，要全面评价存储器的瞬时辐射效应，要求测试设备能够快速、全面、准确测试存储器关键电学参数变化、内部不同功能单元在不同工作状态下的响应，在脉冲电离辐射环境下，既可能是外围控制电路发生错误，也可能存储单元发生错误，应用在电子系统中的存储器主要包括加电非工作（等待）、读数据、写数据三种主要状态，因此，测试系统需要具备静态数据状态、读写时间、读数据、写数据、指令响应情况及功耗电流等方面的测试能力，同时测试系统还需要具备抗强电磁干扰、高信噪比长线传输能力、高速响应能力。目前国内还没有一套完整的可用于存储器瞬时电离辐射效应测试的完备的试验方法和测试设备。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中存在的缺陷和不足，解决存储器的瞬时电离辐射效应测试，提供一种适用于存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统和方法。

本发明的一种适用于存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统，其特征在于：包括设置在测试间中的直流稳压电源Ⅰ、直流稳压电源Ⅱ和带有测试代码的上位机，以及设置在辐照间中的存储器DUT模块和主控模块；所述直流稳压电源Ⅱ通过线缆与辐照间中的存储器DUT模块供电相连，且在测试间中、直流稳压电源Ⅱ与存储器DUT模块供电相连的线缆上还通过电流探头连接有示波器，电流探头用于测量线缆中通过的瞬时浪涌电流；所述上位机和直流稳压电源Ⅰ分别通过两条线缆与所述辐照间中的主控模块相连，且在测试间中、所述上位机与主控模块的线缆中连接有信号转换单元；所述存储器DUT模块和主控模块之间通过线缆连接，且所述辐照间中设置有向所述存储器DUT模块进行辐射干扰的辐射源，所述存储器DUT模块、主控模块和连接线缆均采用抗电磁屏蔽材料包覆以进行抗电磁辐射和γ射线屏蔽处置，在瞬时电离辐射试验中，为了避免辐射对人员、设备造成损伤，所述测试间和辐照间之间相距≧20m，并且辐照间采用金属、混凝土等设施进行屏蔽。

放置在辐照间的所有设备和线缆均应进行屏蔽设计，瞬时电离辐射试验采用的是高功率脉冲电子束加速器，辐射试验现场存在多种因素引起的干扰，会引起较大噪声，导致测试偏差甚至无效数据，主要干扰来源例如γ射线直接作用、空气电离，γ射线作用在金属体上打出的康普顿电子沉积到电路传输线缆中形成电流，康普顿电子运动形成电磁场等，因此必须针对不同的对象和干扰源开展相应的屏蔽设计。

对于放置在辐照间的主控模块和存储器DUT模块，应采用一定厚度的金属盒屏蔽电磁干扰，金属屏蔽盒为所述存储器DUT模块的屏蔽设计，通过计算，厚度不小于2mm铝（Al）材密封盒可屏蔽90%以上的电磁干扰；主控模块的PCB电路和存储器DUT模块的PCB电路到金属屏蔽盒接插件的连线尽量短，最大限度降低电子在引线上激发的电流；金属屏蔽盒除了安装接插头的位置，其余位置应密封，减少通过孔缝耦合进入盒体内部的电磁干扰；在金属内表面布放轻原子序数材料，可吸收γ射线在金属内表面激发出的电子，降低盒体内次生电子，例如聚四氟乙烯等。

对于主控模块，除了需要进行电磁屏蔽外，还需要进行抗脉冲γ射线屏蔽。由于γ射线的穿透能力非常强，必须采用铅质来屏蔽γ射线直接照射。依据理论计算结果，铅质屏蔽层的厚度至少≥5cm。对于主控模块和存储器DUT模块之间的连接线缆，需要采用金属双屏蔽电缆，线缆两端的接插头均应保持紧密接触。

所述存储器DUT模块和主控模块之间的线缆为长度1-2m的金属双屏蔽多芯线，主控模块尽量放置在远离辐射源靶面的位置。

所述主控模块通过长度为401m的双屏蔽同轴电缆穿过所述辐照间与测试间中的信号转换单元相连，信号转换单元再通过长度不大于1m的线缆连入所述上位机。

所述主控模块包括DUT控制接口（J30J-51）、上位机通讯端口（BNCx4）、供电端口（BNC）、和作为主控芯片的FPGA芯片，所述FPGA芯片上连接有外部FLASH芯片、上电时用于配置FPGA芯片的PROM、为FPGA芯片提供工作时钟的晶振、用于对FPGA芯片开发调试的JTAG接口和与所述上位机通讯端口（BNCx4）相连用于主控模块与上位机通讯的RS422通讯接口；所述DUT控制接口（J30J-51）通过端口电平转换单元与所述FPGA芯片相连。

所述信号转换单元用于将电缆的信号转换为专用总线信号的输入，专用总线可采用RS422、RS485或者CAN接口协议，上位机与信号转换单元之间为采用DB9接插头的USB转RS422/ RS485/CAN总线线缆。

上位机与信号转换单元之间的连接端口有所区别，信号转换单元和主控模块之间的线缆数量和定义也有所区别。例如，若采用RS422总线通讯方式，上位机与信号转换单元之间为采用DB9接插头的USB转RS422总线线缆；信号转换单元和主控模块之间包括四根采用BNC接插头、分别用于传输RX+、RX-、TX+和TX-信号的金属双屏蔽同轴电缆，且由于实际试验场地的限制，信号转换单元和主控模块之间的金属双屏蔽同轴电缆长度至少为50m；所述直流稳压电源Ⅰ和直流稳压电源Ⅱ用于与所述主控模块和存储器DUT模块供电连接的线缆均为长度为501m的金属双屏蔽同轴电缆。

在进行存储器闭锁试验时，可能导致存储器持续处于闭锁状态，产生被大电流烧毁的可能性。若出现闭锁效应，应尽快切断电源电压以保护被测器件不被烧毁。为方便更换电路板，所有金属屏蔽盒的上下盖板均以螺装的方式安装固定，为了保证较好的密封性能， 试验时采用铜箔对金属屏蔽盒的缝隙、接插件缝隙进行二次屏蔽。

所述存储器DUT模块包括金属屏蔽盒以及设置在金属屏蔽盒内、用于安装待测试存储器的存储器DUT测试板卡。半导体电子器件均对辐射较为敏感，为避免其他器件产生辐射效应而影响被测器件的测试，应将被测器件单独布放于独立的PCB测试板卡。存储器DUT模块中的PCB测试电路上仅可放置被测存储器、夹具和必须的电容电阻，电阻电容对瞬时电离辐射不敏感。存储器DUT测试板卡的输入、输出信号引线通过高温导线与金属屏蔽盒的接插头连接，连线长度尽量短；所述存储器DUT测试板卡为设置有对应待测试存储器夹具和/或插接脚的PCB测试板卡，待测试存储器与PCB测试板卡直接通过夹持和/或引脚焊接的方式连接，且PCB测试板卡上、对应待测试存储器电源端口的连接点处设置有稳压电容C，优选地，稳压电容尽可能靠近被测存储器。在试验过程中，若需要更换被测器件，夹具布放方式可以仅更换被测器件，而直接焊接方式则需要更换整个测试板卡。

被测存储器的每个电源端均应放置一大一小两种稳压电容相并联，小稳压电容通常可选用0.1μF或0.01μF，大稳压电容主要作用是在瞬时光电流引起的电源电压跌落时能够通过放电保持存储器工作电压的稳定，因此，大电容的容值与被测器件中产生的光电流峰值、光电流传输线路上的交流阻抗等因素密切相关，所述大稳压电容的电容C大小为， C=2τ·I_ph/Vcc，其中τ为电容放电时间常数，I_ph为电离辐射在被测器件中引起瞬时光电流峰值，Vcc为电源电压。

进一步的，对应上述适用于存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

读写配置步骤，将被测试的存储器安装至存储器DUT模块的测试PCB板卡上，将测试间和辐照间中所有测试设备和试验设备上电调试至正常状态；按照拟定的静态或者动态测试模式配置数据读写模式以及存储器的数据；其中，对于静态测试模式，试验前配置完成存储器DUT模块的数据后即开启辐射源进行辐照试验，待辐照试验完成后在上位机上启动读数据操作，观测数据比对结果；对于动态测试模式，试验前在存储器DUT模块中存入预定的数据，然后即开启辐射源进行辐照试验，辐照试验过程中按照设定间隔时间向存储器DUT模块中写入与预定的数据不同的数据，或者读出预定存储单元的数据。

辐射效应测试步骤，对于静态测试模式，待辐照试验完成后，通过上位机读取被测试的存储器当前的总存储空间，并用方格图来显示被测试的存储器全部存储地址中的数据翻转情况；对于动态测试模式，在辐照试验期间启动存储器的读或者写操作，并通过上位机实时监测试验前、试验时和试验后的数据状态，观测数据比对结果；并且，在所述方格图中以不同的颜色表示每一个地址单元中数据的状态，所述方格图根据被测试的存储器容量设置格数以及每一格代表的存储字节；不同的颜色对应每个格子的存储状态，每格代表的地址中存在错误的数量用设定阈值对应颜色表达来进行区分；

测试报告生成导出步骤，根据试验前配置步骤和辐射效应测试步骤得到的被测试存储器的指定存储地址的数据情况，将所述方格图中显示存储数据有错误的地址、数据、数据读写时间生成报表并导出。

与现有技术相比，本发明的技术方案可全面测试被测存储器在多种工作模式下的数据翻转数量、地址分布、时间特征、瞬时光电流特征等；抗电磁干扰能力强、测试速度快、测试系统小巧便捷方便携带，而且适用于多种类型存储器的辐射效应测试。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1是本发明测试系统的结构示意图；

图2是本发明动态测试的系统结构示意图;

图3是本发明测试系统一种具体实施方案的结构示意图；

图4是本发明测试方法一种具体实施方案的逻辑示意图。

具体实施方式

下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

作为本发明这种适用于存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统的一种具体实施方案，如图1，总体而言，本系统包括含专用测试软件的上位机、信号转换单元、主控模块、存储器DUT模块和相应的连接线缆，上位机与信号转接单元相连，信号转接单元与主控模块相连，主控模块与存储器DUT模块相连。

其中，上位机为具备USB接口的通用笔记本电脑，上位机中安装专用存储器测试软件，用于控制主控模块和被测存储器之间的数据通信, 为用户操作提供操作界面。所述专用测试软件为本案中依据特殊的测试需求设计的存储器测控软件。

信号转换单元为专用设备，用于同轴电缆信号和总线通讯信号的转换，总线通讯采用RS422总线通讯方式。

主控模块为专用设备，用于在指定命令下对存储器进行读写操作，将读出数据与写入数据进行对比、生成报告并传输到上位机。主控模块是存储器检测系统的执行机构，采用FPGA作为主控芯片。根据上位机控制软件发送的控制命令进行相应的待测存储器的检测工作。

存储器DUT模块用于安装待测试存储器的测试板卡。半导体电子器件均对电离辐射较敏感，为避免其他器件产生的辐射效应影响被测器件的测试数据，存储器DUT模块中的PCB测试电路上仅可放置被测存储器、夹具和必须的电容电阻。

在瞬时电离辐射试验中，为了避免辐射对人员、设备造成损伤，测试间与辐照间之间相距至少大于20米，并采用金属、混凝土等设施对辐照间进行屏蔽。直流稳压电源、上位机、示波器、电流探头、信号转换单元等设备均应放置在测试间，主控模块和存储器DUT模块均应放置在辐照间。主控模块应放置在尽量远离辐射源靶面的位置处，避免高能γ射线的直接照射。存储器DUT模块应放置在正对辐射源靶面的一定距离处，具体的距离由试验所需的辐照剂量率确定。如图3和4，主控模块和存储器DUT模块之间通过专用金属双屏蔽线缆⑤连接，由于高速信号传输需求和主控模块的屏蔽要求，线缆⑤即不能过长也不能太短，一般长度为1-2m。电流探头为通用测试设备，用于测量辐射环境下存储器电路中流过的瞬时浪涌电流；电流探头输入端夹子一端夹在电源正端，电流探头输出端接入示波器。示波器显示电流探头测量的瞬态电流波形。示波器要求具备较宽的带宽，能够满足几个ns上升沿脉冲波形的测量。电流探头的测量精度应达到1mA。

放置在辐照间的所有设备和线缆均应进行屏蔽设计。瞬时电离辐射试验采用的是高功率脉冲电子束加速器。辐射试验现场存在多种因素引起的干扰，会引起较大噪声，导致测试偏差甚至无效数据，主要干扰来源例如γ射线直接作用，空气电离，γ射线作用在金属体上打出的康普顿电子沉积到电路传输线缆中形成电流，康普顿电子运动形成电磁场等。因此必须针对不同的对象和干扰源开展相应的屏蔽设计。对于放置在辐照间的主控模块和存储器DUT模块，应采用一定厚度的金属盒屏蔽电磁干扰，通过计算，厚度不小于2mm铝（Al）材密封盒可屏蔽90%以上的电磁干扰。主控模块PCB电路和存储器DUT模块PCB电路到金属屏蔽盒接插件的连线尽量短，最大限度降低电子在引线上激发的电流；金属屏蔽盒除了安装接插头的位置，其余位置应密封，减少通过孔缝耦合进入盒体内部的电磁干扰；在金属内表面布放轻原子序数材料，可吸收γ射线在金属内表面激发出的电子，降低盒体内次生电子，例如聚四氟乙烯等。对于主控模块，除了需要进行电磁屏蔽外，还需要进行抗脉冲γ射线屏蔽。由于γ射线的穿透能力非常强，必须采用铅屏蔽γ射线直接照射。依据理论计算结果，铅屏蔽的厚度至少≥5cm。对于主控模块和存储器DUT模块之间的连接线缆，需要采用金属双屏蔽电缆。线缆两端的接插头均应保持紧密接触。

测试系统中主控模块与存储器DUT模块的供电必须各自独立，以便于测试存储器电源线上的瞬时光电流。直流稳压电源Ⅰ与主控模块通过线缆③连接，为主控模块提供工作电源；直流稳压电源Ⅱ与存储器DUT模块通过金属双屏蔽同轴电缆④连接，为存储器DUT模块提供工作电源。同轴电缆③和④均为50m长度。

本系统可获取存储器在不同瞬时γ剂量率辐射下的几种效应参数，具体的，包括电源线上的瞬时光电流波形、存储器静态条件下的数据翻转位置和数量、以及存储器的数据读写功能、存储器数据动态读写条件下的数据翻转位置和数量、存储器数据读写时间、存储器静态加偏置和动态读写条件下的瞬时电离辐射闭锁特征等。本系统经过试验，在高剂量率辐射环境下信噪比小于5%，且满足多种类型（SRAM、EEPROM、MRAM、FRAM）和接口（I²C、SPI、并口等）的存储器测试。

具体的，如图3。上位机与信号转接单元通过线缆①相连，线缆①为USB转RS422（DB9接插头）线，信号转接单元与主控模块通过线缆②相连，线缆②包括四根两端均为BNC接插头的金属双屏蔽同轴电缆，每根线缆长度约为50m，用于传输RS422总线信号RX+、RX-、TX+和TX-。主控模块与存储器DUT模块通过线缆⑤相连。线缆⑤两端均为J30J51型接插头，长度为2m。

优选地，存储器DUT模块包括4种类型：存储器MRAM模块、存储器FRAM模块、存储器EEPROM模块、存储器SRAM模块。每种存储器DUT模块的尺寸均为8cm×8cm×5cm。每次辐照试验可以开展一种存储器DUT模块的试验。

存储器DUT模块包括存储器DUT测试板卡和金属屏蔽盒两部分，采用了2mm厚度的铝盒屏蔽电磁干扰，存储器DUT模块的测试板卡放置在铝盒中，铝盒侧面安装接插头，其余部分采用螺钉或者铜胶带密封，减少通过孔缝耦合进入盒体内部的电磁干扰，铝盒内表面通过喷漆，实现绝缘并降低γ射线在金属内表面激发出电子，存储器DUT测试板卡用于放置被测存储器，金属屏蔽盒用于放置存储器DUT测试板卡，屏蔽电磁干扰，并实现存储器DUT测试板卡与整个测试系统之间的电连接。

如图3，存储器的PCB测试板卡上仅布放被测存储器、上拉电阻、电容、夹具和接插件，其中电阻、电容、夹具和接插件对瞬时电离辐射不敏感。本实施例中MRAM存储器测试板卡、FRAM存储器测试板卡和EEPROM存储器测试板卡上使用了夹具，SRAM存储器测试板卡采用了直接焊接方式。测试板卡连接到金属屏蔽盒接插头的信号线长度约为5cm。

由于辐射模拟源光斑较小，要保证在一块PCB板上的器件受到的辐射剂量率较均匀，存储器测试板卡的尺寸不能超过辐射模拟源的光斑直径（10cm），因此在一块存储器测试板卡上可同时测试的器件数量是受限的，在本实施例中，MRAM、FRAM和EEPROM的体积较小，因此在一块测试板卡上同时布放两只被测器件，而SRAM体积较大，在一块测试板卡上仅能布放一只被测器件。

瞬时电离辐射会在半导体器件PN结中引起瞬时光电流，导致被测器件所在的存储器DUT测试板卡和电源线④上出现较大的浪涌电流。为了避免存储器DUT模块的电源下降引起被测器件的数据翻转，在每块存储器DUT测试板卡上的电源端均设置了稳压电容。

MRAM存储器测试板卡和EEPROM存储器测试板卡上，存储器的电源（VCC）端口稳压电容为22μF；FRAM存储器测试板卡和SRAM存储器测试板卡上，存储器的电源（VCC）端口稳压电容为10μF。依据本实施例技术方案提出的一种简化估算方法确定每种存储器DUT模块中的电源稳压电容的值，则SRAM存储器的瞬时电离辐射光电流峰值约100mA，持续时间约60μs，工作电压为3.3V，估算稳压电容应大于4μF；FRAM存储器的瞬时电离辐射光电流峰值约200mA，持续时间约65μs，工作电压为3.3V，估算稳压电容应大于8μF；MRAM存储器的瞬时电离辐射光电流峰值约200mA，持续时间约60μs，工作电压为3.3V，估算稳压电容应大于7μF；EEPROM存储器的瞬时电离辐射光电流峰值约520mA，持续时间约50μs，工作电压为5V，估算稳压电容应大于11μF。因此SRAM、FRAM和MRAM存储器测试板卡上的稳压电容采用了10μF，EEPROM存储器测试板卡上的稳压电容采用了22μF。

而，主控模块是存储器检测系统的执行机构，本实施例中采用FPGA作为主控芯片，主控芯片根据上位机控制软件发送的控制命令进行相应的存储芯片的检测工作。主控模块需要放置在存储器DUT模块附近以利于高速信号传输，但是主控模块又易于受到辐射损伤和电磁干扰，因此主控模块与存储器DUT之间的传输线长度小于2m，同时必须进行屏蔽设计：一方面，通过将主控模块的PCB板卡放置在2mm厚度的铝盒中以屏蔽辐照间产生的电磁干扰；另一方面，由于γ射线的穿透能力非常强，必须采用铅（Pb）以避免γ射线直接照射。依据理论计算结果，铅屏蔽的厚度应≥5cm。此外，主控模块和存储器DUT模块连接的接插头需保持紧密接触，连接电缆需采用金属双屏蔽电缆。

优选地，主控模块共设计有6个接口，分别为电源接口1个、RS422总线通讯接口4个、存储器DUT模块控制接口1个，总线通讯接口实现上位机、信号转换单元与主控模块的控制数据交换，中心插针为RS422数据信号，外壳为公共地，控制接口用于主控模块与存储器DUT模块之间的信号传输，接口类型为J30J-51。

主控模块FPGA逻包括串口通讯模块、存储器检测控制模块、数据产生模块、协议栈、四种存储器控制模块、FLASH控制模块等。

上位机发送控制数据（用户指定的芯片类别、读写模式、数据、读写速度等）到串口通讯模块，该模块接收完毕后，通知协议栈模块对控制数据进行读取。

协议栈对控制数据进行解析后分发到各个控制模块，在收到启动检测命令后，控制存储器监测控制模块进入工作状态。

存储器检测控制模块收到协议栈的设置检测数据方式时，选择对应的数据生成模块执行操作；收到协议栈发出的数据读写命令后，控制FLASH控制模块将测试数据通过芯片控制模块写入被测存储器芯片中，或者将芯片的数据读出，与FLASH芯片中的测试数据进行比较，若比较有误，则将出错地址、写入数据、读出数据保存，并通过协议栈模块发送到上位机。

研究表明不同类型的数据在电离辐射作用下发生翻转的概率存在差异，因此，为了研究同一种存储器中不同类型的数据在瞬时电离辐射作用下的翻转敏感性，数据产生模块设计了3种数据产生方式：指定数据生成、递增数据生成、随机数据生成；指定数据由用户定义，可以使用任意数；递增数据生成为0~0xff递增数据，周而复始。随机数据生成使用多项式：y=x³¹+x公式进行随机数据生成。

信号转接单元实现主控模块与上位机的数据格式转换和通讯。信号转接单元实现4通道BNC信号到(DB9)RS422-USB信号的转换。

为了更直观的显示存储器数据状态，用方格图来显示被测试的存储器全部存储地址中的数据翻转情况。由于每种存储器的存储容量不同，因此对于不同存储容量的存储器，每个方格所代表的存储器区间不同，例如对于存储容量为128字节的存储器，每个方格代表1个字节。在所述方格图中以不同的颜色表示每一个地址单元中数据的状态，本实施例中，采用绿色代表读出数据与写入数据一致，采用黄色代表该地址数据中写入数据和读出数据部分不符合；采用红色代表该地址数据中写入数据和读出数据完全不符合。

实施例2

作为本发明这种适用于存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试方法的一种具体实施方案，如图3，包括以下步骤：

试验前准备步骤：通过上位机选择拟测试的存储器型号，将被测试的存储器安装至存储器DUT模块的测试PCB板卡上，所有测试设备和试验设备上电调试至正常状态；针对放置在辐照间的主控模块、存储器DUT模块和连接线缆，采用金属薄膜进行包裹，尽量降低通过孔缝、线缆进入的电磁干扰；主控模块应放置在尽量远离辐射源靶面的位置处，采用铅砖进行屏蔽高能γ射线的直接照射。

瞬时光电流测试步骤：电流探头输入端夹子一端夹在存储器DUT模块电源正端，电流探头输出端接入示波器。调整示波器坐标，等待试验。

动态功能的读数据测试步骤：选择数据写入模式（全片/指定地址/单字节），选择写入数据（指定数/随机数/递增数），设置适当的读数据时间间隔，完成数据写入；启动存储器读数据，开启辐照试验，确保在读数据期间完成辐照试验；监测数据结果并进行比对；

动态功能的写数据测试步骤：选择数据写入模式（全片/指定地址/单字节），选择写入数据（指定数/随机数/递增数），设置适当的写数据时间间隔；启动写数据，开启辐照试验，确保在写数据期间完成辐照试验；试验后读数据并进行比对。

静态功能测试步骤：选择数据写入模式（全片/指定地址/单字节），选择写入数据（指定数/随机数/递增数），完成数据写入；开启辐照试验；试验后读数据并进行对比。

测试结果显示：每次读取被测试存储器当前的存储空间的数据后，会与写入的数据进行对比，并用方格图来显示被测试的存储器全部存储地址中的数据翻转情况，在所述方格图中以不同的颜色表示每一个地址单元中数据的状态，所述方格图根据被测试的存储器容量设置格数以及每一格代表的存储字节；不同的颜色对应每个格子的存储状态，某格代表的地址中存在错误的数量也可以用设定阈值对应颜色表达来进行区分，读出结果示意图只具备参考，用以直观的反应当前存储芯片地址的损坏情况，用户需要具体查看错误地址时，应该点击生成报表，从报表中查阅错误地址的地址号。

测试报告生成导出步骤：根据试验前配置步骤和辐射效应测试步骤得到的被测试存储器的指定存储地址的数据情况，将所述方格图中显示存储数据有错误的地址、数据、数据读写时间生成报表并导出。

采用该测试系统可开展被测存储器的静态功能和动态功能测试。

静态功能测试是指在辐照试验期间，存储器无数据读写操作，仅处于加电或者不加电状态，该试验模式用于测试存储器内部的存储单元在辐射环境下的响应特征。

动态功能测试是指辐照试验期间，存储器正在进行数据读写操作。该试验模式用于测试存储器内部的读写电路单元在辐射环境下的响应特性，还可以用于测试存储器内部不同存储单元之间的相互影响。

功能测试模式下，可选择的数据读写方式包括：1）全片写数据；2）全片读数据；3）指定地址单元写数据；4）指定地址单元读数据；5）单字节写数据；6）单字节读数据。通过以上几种数据读写方式的组合测试，可获得以下几种辐射效应特征：存储器内部数据读写电路全片读写模式下的辐射响应；存储器内部数据读写电路和数据存储单元的综合辐射响应；存储器内部数据读写电路指定地址单元读写模式下的辐射响应；辐射条件下指定地址单元数据读写操作对其他地址单元数据的影响；存储器内部数据读写电路单字节读写模式下的辐射响应。

为了实现真正的动态测试，需保证纳秒（ns）的γ脉冲辐射正好发生在数据读写期间，即要求数据读写时间要大于γ脉冲宽度。不同类型存储器的读写速度差异较大（例如MRAM、FRAM、SRAM的单字节读写速度为ns，而EEPROM的单字节读写时间为ns-μs），无法保证脉冲辐射时间和读写时间的一致性。因此，设计了读写时间间隔的配置。其具体意义为，当主控模块每次对芯片进行读写均会按照设置值进行延时，若主控模块按照每个字节的方式进行读写，则每读一个字节，进行读写延时；若主控模块按照每N个字节（如N等于10）进行读写，则每读N个字节，进行读写延时。通过在全片读写数据、指定地址读写数据模式、单字节读写数据模式下增加读写时间间隔，可以保证ns的γ脉冲辐射正好发生在数据读写期间，从而获得存储器动态辐射效应的准确测试。

功能测试模式下，可选择的写入数据包括：指定数（例如全0、全1、55、AA等，可由用户通过上位机任意指定）、递增数、随机数。通过以上不同数据的选择，可以测试存储器在瞬时电离辐射条件下的不同数据的翻转敏感性。

Claims (10)

1.存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统，其特征在于：包括设置在测试间中的直流稳压电源Ⅰ、直流稳压电源Ⅱ和带有测试代码的上位机，以及设置在辐照间中的存储器DUT模块和主控模块；所述直流稳压电源Ⅱ通过线缆与辐照间中的存储器DUT模块供电相连，且在测试间中、直流稳压电源Ⅱ与存储器DUT模块供电相连的线缆上还通过电流探头连接有示波器；所述上位机和直流稳压电源Ⅰ分别通过两条线缆与所述辐照间中的主控模块相连，且在测试间中、所述上位机与主控模块的线缆中连接有信号转换单元；所述存储器DUT模块和主控模块之间通过线缆连接，且所述辐照间中设置有向所述存储器DUT模块进行辐射干扰的辐射源，所述存储器DUT模块、主控模块和连接线缆均采用抗电磁屏蔽材料包覆，在瞬时电离辐射试验中，为了避免辐射对人员、设备造成损伤，所述测试间和辐照间之间相距≧20m，并且辐照间采用金属、混凝土设施进行屏蔽。

2.如权利要求1所述的存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统，其特征在于：对于放置在辐照间的主控模块和存储器DUT模块，采用厚度不小于2mm、金属内表面布放轻原子序数材料的铝材密封盒屏蔽电磁干扰；且铝材密封盒除了安装接插头的位置，其余位置密封。

3.如权利要求2所述的存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统，其特征在于：对于主控模块，还设置有厚度≥5cm的铅质屏蔽层，主控模块和存储器DUT模块之间的连接线缆采用金属双屏蔽电缆，且线缆两端的接插头均保持紧密接触；所述存储器DUT模块和主控模块之间的线缆为长度1-2m的金属双屏蔽多芯线。

4.如权利要求2所述的存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统，其特征在于：所述铝材密封盒的侧板间均以螺装的方式安装固定，试验时采用铜箔对金属屏蔽盒的缝隙、接插件缝隙进行二次屏蔽。

5.如权利要求1、2或3所述的存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统，其特征在于：所述主控模块包括DUT控制接口、上位机通讯端口、供电端口、和作为主控芯片的FPGA芯片，所述FPGA芯片上连接有外部FLASH芯片、上电时用于配置FPGA芯片的PROM、为FPGA芯片提供工作时钟的晶振、用于对FPGA芯片开发调试的JTAG接口和与所述上位机通讯端口相连用于主控模块与上位机通讯的RS422通讯接口；所述DUT控制接口通过端口电平转换单元与所述FPGA芯片相连。

6.如权利要求1所述的存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统，其特征在于：所述信号转换单元用于将电缆的信号转换为专用总线信号的输入，专用总线可采用RS422、RS485或者CAN接口协议，上位机与信号转换单元之间为采用DB9接插头的USB转RS422/RS485/CAN总线线缆。

7.如权利要求6所述的存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统，其特征在于：上位机与信号转换单元之间为采用DB9接插头的USB转RS422总线线缆；信号转换单元和主控模块之间包括四根采用BNC接插头、分别用于传输RX+、RX-、TX+和TX-信号的金属双屏蔽同轴电缆，且信号转换单元和主控模块之间的金属双屏蔽同轴电缆长度至少为50m；所述直流稳压电源Ⅰ和直流稳压电源Ⅱ用于与所述主控模块和存储器DUT模块供电连接的线缆均为长度为501m的金属双屏蔽同轴电缆。

8.如权利要求1、2或3所述的存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统，其特征在于：所述存储器DUT模块包括金属屏蔽盒以及设置在金属屏蔽盒内、用于安装待测试存储器的存储器DUT测试板卡，存储器DUT测试板卡的输入、输出信号引线通过高温导线与金属屏蔽盒的接插头连接；所述存储器DUT测试板卡为对应待测试存储器位设置有夹具和/或插接脚的PCB测试板卡，待测试存储器与PCB测试板卡直接通过夹持和/或引脚焊接的方式连接，且PCB测试板卡上、对应待测试存储器电源端口的连接点处设置有稳压电容C。

9.如权利要求8所述的存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统，其特征在于：被测存储器的每个电源端均放置一大一小两种稳压电容C相并联，小稳压电容通常选用0.1μF或0.01μF，所述大稳压电容的电容C大小为 C=2τ·Iph/Vcc，其中τ为电容放电时间常数，而Iph为电离辐射在被测器件中引起瞬时光电流峰值，Vcc为电源电压。

10.如权利要求1所述的存储器的瞬时电离辐射效应远程动态测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

读写配置步骤，将被测试的存储器安装至存储器DUT模块的测试PCB板卡上，将测试间和辐照间中所有测试设备和试验设备上电调试至正常状态；按照拟定的静态或者动态测试模式配置数据读写模式以及存储器的数据；其中，对于静态测试模式，试验前配置完成存储器DUT模块的数据后即开启辐射源进行辐照试验，待辐照试验完成后在上位机上启动读数据操作，观测数据比对结果；对于动态测试模式，试验前在存储器DUT模块中存入预定的数据，然后即开启辐射源进行辐照试验，辐照试验过程中按照设定间隔时间向存储器DUT模块中写入与预定的数据不同的数据，或者读出预定存储单元的数据；

辐射效应测试步骤，对于静态测试模式，待辐照试验完成后，通过上位机读取被测试的存储器当前的总存储空间，并用方格图来显示被测试的存储器全部存储地址中的数据翻转情况；对于动态测试模式，在辐照试验期间启动存储器的读写操作，并通过上位机实时监测试验前、试验时和试验后的数据状态，观测数据比对结果；并且，在所述方格图中以不同的颜色表示每一个地址单元中数据的状态，所述方格图根据被测试的存储器容量设置格数以及每一格代表的存储字节；不同的颜色对应每个格子的存储状态，每格代表的地址中存在错误的数量用设定阈值对应颜色表达来进行区分；

测试报告生成导出步骤，根据试验前配置步骤和辐射效应测试步骤得到的被测试存储器的指定存储地址的数据情况，将所述方格图中显示存储数据有错误的地址、数据、数据读写时间生成报表并导出。