CN201740853U - 一种基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统。包括计算机、偏置器、电源以及与计算机连接的数据采集卡，数据采集卡还连接有信号调理电路。计算机及数据采集卡用于产生待测电路所需的激励信号，以及实现数据的采集、处理、记录及显示等功能；信号调理电路用于调节输入信号和输出信号的精度和稳定性，该系统减小了信号的失真和误差。并且本实用新型利用计算机强大的图形和数据处理能力，并且结合大容量的存储以及显示，文件管理、打印输出等功能，使其在使用功能的灵活性和可扩展性以及高性价比等方面都具有独特的优势。

Description

一种基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统

技术领域

本实用新型属于集成电路测试技术领域，涉及一种集成电路测试系统，尤其是一种基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统。

背景技术

模拟集成电路的测试分析是通过给待测电路施加一特定的测试激励，然后分析该电路响应与激励的关系，来检测电路的工作状态，评估电路的功能和特性。

传统的集成电路测试系统是采用通用仪器为测试平台的构建方式，这种系统利用函数信号发生器来产生电路所需要的信号，用数字示波器来测量接收信号的时间序列。测试系统的组建相对复杂，及对仪器的精确度等的要求限制了其使用范围。更为重要的是此类系统的可升级性差，系统的功能扩展往往受到系统硬件测试范围的限制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统。该系统是一套专门针对模拟集成电路测试分析较为完整的虚拟测试仪器，其能够在软件的控制下实现信号的实时输出与采集，能够对测试数据实时、准确、高速的采集和智能化分析。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来解决的：这种基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统，包括计算机、偏置器、电源以及与计算机连接的数据采集卡，所述数据采集卡还连接有信号调理电路，该信号调理电路包括程控增益电路和交直流耦合电路；所述交直流耦合电路由相互串联的耦合电路和功率放大电路构成，所述控增益电路的输出端连接到耦合电路的输入端，所述功率放大电路的输出端连接到待测集成电路的交流信号输入端，待测集成电路的交流信号输出端与程控增益电路的输入端连接；所述偏置器和电源分别连接到待测集成电路上。

上述程控增益电路由输出信号调理电路和输入信号调理电路组成；上述输出信号调理电路包括第一、二锁存器，DA转换器，第一开关电路，第一衰减电路和第一增益放大电路，所述DA转换器的输入端和第一开关电路的输入端分别通过第一锁存器和第二锁存器连接到数据采集卡上，所述第一开关电路分别与第一衰减电路和第一增益放大电路连接，所述第一衰减电路和第一增益放大电路串联且第一衰减电路的输入端连接到数据采集卡上，第一增益放大电路的输出端和DA转换器的输出端分别连接到耦合电路的输入端；上述输入信号调理电路包括第三锁存器、第二开关电路、第二增益放大电路和第二衰减电路，所述第二开关电路通过第三锁存器连接到数据采集卡上，第二开关电路分别与第二增益放大电路和第二衰减电路连接；所述第二增益放大电路的输出端连接到数据采集卡上，其输入端与第二衰减电路的输出端连接，第二衰减电路的交流信号输入端连接到待测集成电路上。

上述第一至三锁存器的均为74HC377。

上述DA转换器是AD7541。

上述第一、二开关电路均为继电器。

上述第一、二衰减电路均为电阻网络。

上述第一、二增益放大电路均为PGA202。

上述数据采集卡为PCI1716L。

本实用新型充分发挥了微机强大的功能和软件设计的灵活性，与传统通用仪器相比，它所具有以下优点：1)可以通过计算机对被测集成电路的波形进行存储和读取；2)通过在计算机上安装软件，用户可以自定义功能，其性能可靠，整个系统可以通过软件升级，其功能的修改和升级方便，操作界面简单灵活；因此该测试系统最大限度的利用了现有的计算机资源，降低了成本，提高了效率；3)与传统测试相比，本实用新型的可扩展性强，利用计算机强大的图形和数据处理功能，大容量的存储以及显示，文件管理、打印输出等功能，弥补了传统硬件化仪器的不足。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图；图2为本实用新型中信号调理电路的整体结构框图图3为输入信号调理电路4框图；图4为输出信号调理电路3框图；图5为线性调整率测试电路图；图6为负载调整率测试电路图；图7为输出测试结果。

具体实施方式

参见图1和图2，本实用新型的基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统，包括计算机、偏置器、电源以及与计算机连接的数据采集卡、与数据采集卡连接的信号调理电路。其中信号调理电路包括程控增益电路1和交直流耦合电路2，而交直流耦合电路2又由相互串联的耦合电路和功率放大电路构成。程控增益电路1的输出端连接到耦合电路的输入端，功率放大电路的输出端连接到待测集成电路的交流信号输入端，待测集成电路的交流信号输出端与程控增益电路1的输入端连接；前述的偏置器和电源分别连接到待测集成电路上。

以上的程控增益电路1具体是由以下所述的输出信号调理电路3和输入信号调理电路4组成：(1)输出信号调理电路3：输出信号调理电路3包括第一、二锁存器A、B，DA转换器，第一开关电路K1，第一衰减电路S1和第一增益放大电路Z1，所述DA转换器的输入端和第一开关电路K1的输入端分别通过第一锁存器A和第二锁存器B连接到数据采集卡上，所述第一开关电路K1分别与第一衰减电路S1和第一增益放大电路Z1连接，第一衰减电路S1和第一增益放大电路Z1串联且第一衰减电路S1的输入端连接到数据采集卡上，第一增益放大电路Z1的输出端和DA转换器的输出端分别连接到耦合电路的输入端。

(2)输入信号调理电路4：输入信号调理电路4包括第三锁存器C、第二开关电路K2、第二增益放大电路Z2和第二衰减电路S2，所述第二开关电路K2通过第三锁存器C连接到数据采集卡上，第二开关电路K2分别与第二增益放大电路Z2和第二衰减电路S2连接；第二增益放大电路Z2的输出端连接到数据采集卡上，其输入端与第二衰减电路S2的输出端连接，第二衰减电路S2的交流信号输入端连接到待测集成电路上。

参见图3的输入信号调理电路4框图和图4的输出信号调理电路3框图，本实用新型提出的最优方案中，第一至三锁存器A、B、C的均采用74HC377；DA转换器采用AD7541；第一、二开关电路K1、K2均采用继电器；第一、二衰减电路S1、S2均采用电阻网络；第一、二增益放大电路Z1、Z2均采用PGA202。本实用新型的数据采集卡采用PCI1716L。

根据以上本实用新型的硬件连接结构，以下详细分析本实用新型的各电路的功能和工作原理：图1中的待测电路(即待测集成电路)主要是电源管理芯片电路。因待测任务的不同，不同的待测电路有所区别，而计算机和信号调理电路具有通用性。计算机是整个系统的核心，它连接有数据采集卡，并且在计算机上安装专用的软件系统。而信号调理电路要完成两个方向信号的调理。一个是主机产生的信号在最终作为待测对象的激励之前要做一定的调理，比如放大、偏置耦合等。另一个是主机在采集系统激励和响应信号之前，应对其做一定的调理，比如放大或者衰减，使之能在主机的最佳采集范围之内。

本测试系统信号调理电路中，74HC377用于锁存数据采集卡发出的数字控制命令；开关电路和继电器用于在数字电压下切断和闭合电路；电阻网络提供不同档位的衰减；PGA202实现程控增益放大。

本实用新型的交直流耦合电路2中，耦合电路实现程控直流偏置和数据采集卡所产生的交流信号的耦合。功率放大电路实现耦合后信号的功率放大。

本实用新型中，与待测电路连接的偏置器主要是根据待测电路测试的具体需求，提供偏置电压、偏置电流、源电阻，使之处于相应的测试状态。待测电路的输出响应经过信号调理电路和数据采集卡被送至主机(即计算机)进行数据的分析处理、存储和打印(计算机连接有打印机)输出。

在本实用新型的优选方案中，测试系统的数据采集卡选用PCI-1721与PCI-1716L两块数据采集卡组合以完成信号的产生与采集，其中PCI-1721与输出信号调理电路3连接(如图4)，PCI-1716L与输入信号调理电路4连接。PCI-1721是一款高性能的PCI模拟量输出卡，其最大采样速率为10MHz，以保证测试频率范围；量化精度为12bit，以保证测试精度和动态范围。PCI-1716L的16bit高分辨率A/D转换，高达250KS/s采样速率保证了模拟信号量的高速输入。两卡不同功能模式的结合保证了信号产生与采集的稳定与连续，在综合考虑整体因素的情况下，采用表1中信号频率、预采样点数及缓存区大小相互配合的方案。此外，数据采集卡上还带有程控增益放大器、高分辨率计数器等，为仪器的功能扩展创造了条件，同时数据的传输采用同步缓冲直接内存访问的方式，保证了数据传输的快速和连续。

基于上述的构建，该系统所能检测的测试单元为运算放大器、低压差线性稳压器、开关电源、LED驱动、基准源等。

表1采样率、预采样点数和缓存区大小的关系

信号频率(KHz)

1

10

100

200

500

1000

预采样点数

1K

5K

50K

100K

250K

500K

缓存区大小

500

2500

25K

50K

125K

250K

系统的性能验证对于该测试系统的性能以及测量准确度的验证，采用将本系统测量数据与传统通用仪器测量数据进行比较的方法。由于传统的通用仪器制造技术比较成熟，其测量结果广泛被人们所接受，故其测量精度和可信度较高。如果该系统所测结果与传统高精度仪器测试结果十分相近，就可以认为所开发系统是满足精度和应用需求。

本系统待测电路选用低压差线性稳压器电路(样品AMC1117)为例，采用该系统与传统通用仪器对其关键参数：线性调整率、负载调整率等直流特性指标进行了测试。线性调整率反映了在环境温度等条件不变的情况下，输出电压随输入电压的变化而变化的灵敏程度；负载调整率反映了输出电压随负载电流的变化而变化的灵敏程度。实际测试电路如图5，图6所示。

AMC1117系列是一块低压差三端可调或固定输出1.5V、2.5V、3.3V、5V的正稳压集成电路，本实用新型选用的样品为固定输出1.5V的低压差线性稳压器。测试结果如表2与表3所示。图7所示为该系统在测试稳压器线性调整率时，仅截取工作状态为输入电压V_IN＝5V，对其输出电压的测试结果。

表2线性调整率虚拟测试数据(Vout1)及传统测试数据(Vout2)

输入电压(Vin)	输出电压(Vout1)	输出电压(Vout2)
			Vin＝4V	Vout1＝1.51587V	Vout2＝1.520V
Vin＝5V	Vout1＝1.51752V	Vout2＝1.521V
			Vin＝6V	Vout1＝1.52015V	Vout2＝1.524V
Vin＝7V	Vout1＝1.52282V	Vout2＝1.527V

表3负载调整率虚拟测试数据(Vout1)及传统测试数据(Vout2)

电流(Io)	电阻(R)	输出电压(Vout1)	输出电压(Vout2)
				Io＝200mA	R＝7.5Ω	Vout1＝1.51285V	Vout2＝1.523V
Io＝400mA	R＝3.75Ω	Vout1＝1.50328V	Vout2＝1.512V
				Io＝600mA	R＝2.5Ω	Vout1＝1.49122V	Vout2＝1.498V

从表2随机取两组数据计算线性调整率： $S_{V1}=\frac{\mathrm{\ΔVo}}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{IN}}}\×100\%=\frac{1.52015-1.51752}{6-5}\×100\%$ $=0.00263\×100\%=0.263\%$ $S_{V2}=\frac{\mathrm{\ΔVo}}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{IN}}}=\frac{1.524-1.521}{6-5}=0.003\×100\%$ $=0.3\%$ 从表3随机取两组数据计算负载调整率： $S_{I1}=\frac{\mathrm{\ΔVo}}{\mathrm{\ΔIo}}\×100\%=\frac{1.51285-1.50328}{0.4-0.2}\×100\%$ $=0.04785\×100\%=4.785\%$ $S_{I2}=\frac{\mathrm{\ΔVo}}{\mathrm{\ΔIo}}=\frac{1.523-1.512}{0.4-.02}=0.055\×100\%=5.5\%$ 对于AMC1117-1.5，由spec得知，测试条件：10mA＜I_O＜1A，3.0V＜V_IN＜7.0V。

技术指标：输出电压1.470V＜V_OUT＜1.530V，典型值为V_OUT＝1.500V。

线性调整率：1.0mV＜ΔV_OI＜6.0mV，0.033％＜S_v＜0.600％；负载调整率：1.0mV＜ΔV_OL＜10.0mV，0.5％＜S_I＜5.0％。

测试结果对比：由表2、表3及计算结果可知虚拟测试和传统高精度仪器测试结果基本符合AMC1117-1.5的spec中所要求的值，且相对误差较小，表明该虚拟测试系统设计方案是可行的；与传统测试相比，该系统可扩展性强，并且强大的图形和数据处理功能，大容量的存储以及显示，文件管理、打印输出等功能又弥补了传统硬件化仪器的不足。

对低压差线性稳压器的实际测试结果表明，本实用新型能够实时、快速、准确地对稳压器的性能参数进行测量与处理。

Claims (8)

1.一种基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统，包括计算机、偏置器、电源以及与计算机连接的数据采集卡，其特征在于：所述数据采集卡还连接有信号调理电路，该信号调理电路包括程控增益电路(1)和交直流耦合电路(2)；所述交直流耦合电路(2)由相互串联的耦合电路和功率放大电路构成，所述程控增益电路(1)的输出端连接到耦合电路的输入端，所述功率放大电路的输出端连接到待测集成电路的交流信号输入端，待测集成电路的交流信号输出端与程控增益电路(1)的输入端连接；所述偏置器和电源分别连接到待测集成电路上。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统，其特征在于：所述程控增益电路(1)由输出信号调理电路(3)和输入信号调理电路(4)组成；所述输出信号调理电路(3)包括第一、二锁存器(A、B)，DA转换器，第一开关电路(K1)，第一衰减电路(S1)和第一增益放大电路(Z1)，所述DA转换器的输入端和第一开关电路(K1)的输入端分别通过第一锁存器(A)和第二锁存器(B)连接到数据采集卡上，所述第一开关电路(K1)分别与第一衰减电路(S1)和第一增益放大电路(Z1)连接，所述第一衰减电路(S1)和第一增益放大电路(Z1)串联且第一衰减电路(S1)的输入端连接到数据采集卡上，第一增益放大电路(Z1)的输出端和DA转换器的输出端分别连接到耦合电路的输入端；

所述输入信号调理电路(4)包括第三锁存器(C)、第二开关电路(K2)、第二增益放大电路(Z2)和第二衰减电路(S2)，所述第二开关电路(K2)通过第三锁存器(C)连接到数据采集卡上，第二开关电路(K2)分别与第二增益放大电路(Z2)和第二衰减电路(S2)连接；所述第二增益放大电路(Z2)的输出端连接到数据采集卡上，其输入端与第二衰减电路(S2)的输出端连接，第二衰减电路(S2)的交流信号输入端连接到待测集成电路上。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统，其特征在于：所述第一至三锁存器(A、B、C)的均为74HC377。

4.根据权利要求2所述的基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统，其特征在于：所述DA转换器是AD7541。

5.根据权利要求2所述的基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统，其特征在于：所述第一、二开关电路(K1、K2)均为继电器。

6.根据权利要求2所述的基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统，其特征在于：所述第一、二衰减电路(S1、S2)均为电阻网络。

7.根据权利要求2所述的基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统，其特征在于：所述第一、二增益放大电路(Z1、Z2)均为PGA202。

8.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的模拟集成电路测试系统，其特征在于：所述数据采集卡为PCI-1721与PCI1716L的组合。

Images