星載溫度傳感控制芯片的自動測試系統*

劉童，陳華，邱僅朋，王志宇，劉小敏，王立平，郁發新

（浙江大學航空航天學院，杭州310027）

星載溫度傳感控制芯片的自動測試系統*

劉童，陳華*，邱僅朋，王志宇，劉小敏，王立平，郁發新

（浙江大學航空航天學院，杭州310027）

為了評估星載相控陣T/R組件的電性能、溫度傳感和抗單粒子效應能力，針對星載X波段T/R組件中一款自主研發的溫度傳感控制芯片，設計開發了一套基于LabVIEW的自動測試系統。系統采用高速數字I/O技術，提高了芯片電性能測試速度；同時系統具備高精度自動溫度測試功能，能夠精確評估芯片溫度傳感性能；另外系統具備數據自動處理功能，能夠完成芯片電性能測試數據和設計指標的比對、溫度測試數據和標定溫度的誤差分析以及單粒子效應試驗前后數據變化量統計。最后采用本系統對芯片功耗、溫度傳感和抗單粒子效應能力進行了實測分析，測試結果表明該芯片功能正常、性能良好，可用于溫度劇烈變化和充滿空間輻射的航天環境，同時測試系統具備操作簡單、可移植性好、測試速度快和測試精度高等優點。

相控陣雷達T/R組件；溫度傳感控制；自動測試系統；單粒子效應

EEACC：2560；7210；7210Adoi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.09.026

星載相控陣雷達具備波束快速掃描能力、多波束形成能力、空間定向與空域濾波能力，廣泛應用于星間通訊、目標探測和高分辨率對地觀測系統［1-3］。與普通地基、?；确强臻g相控陣系統不同，星載相控陣系統工作在溫度劇烈變化、充滿空間輻射的極端惡劣環境，因此，作為系統核心部件的微波發射/接收T/R（Transmit/Receive）組件必須具備監控系統溫度和對空間輻射免疫的能力。

為了評估星載相控陣T/R組件的電性能、溫度傳感和抗單粒子效應能力SEE（Single Event Effects），研發人員設計了大量測試系統。Wang Z等人提出了一種基于LabVIEW和FPGA的自動測試方法［4］，該方法中FPGA一方面要與待測芯片建立SPI通訊，另一方面要與PXI機箱保持RS232通訊，從而保證指令正確快速傳送。雖然這套測試系統操作方便，自動化程度高，但是RS232通訊速率慢，信號在高時鐘速率時容易失真，會大大降低系統測試效率。Cabrini A等人設計了一套評估集成電路電、熱性能的測試方案［5］，該方案在溫度測試時需要測試人員手動操作溫箱，監控溫箱狀態并記錄數據，導致測試成本高、測試效率低，而且溫度測試過程中沒有精確的環境溫度標定設備，導致測試結果不準確，無法真實反映芯片溫度傳感器性能。Alpat B等人提出了一種基于納秒脈沖紅外激光二極管的單粒子效應試驗自動測試系統［6］，該系統不能實時監控待測芯片工作狀態，測試數據需要人工處理，分析效率低。

基于上述應用背景，本文針對相控陣T/R組件中一款自主研發的星載溫度傳感控制芯片，設計開發了一套基于LabVIEW的自動測試系統。該方案較傳統測試方案具備以下特點：①芯片SPI通信部分采用高速數字I/O技術，信號高速完整、通訊速率快、開發簡單，簡化了系統硬件，提高了測試速度；②測試系統具備高精度自動溫度測試功能，能夠實時采集環境溫度，程控溫箱自動步進循環測試，自動分類打包存儲測量數據，有效避免了人工操作失誤，提高了測試精度和測試效率；（3）測試程序具備數據自動處理功能，可以完成芯片電性能測試數據和設計指標的比對、溫度測試數據和標定溫度的誤差分析以及單粒子效應試驗前后數據變化量統計。

1　芯片架構與設計要求

自主研發的一款星載溫度傳感控制芯片的設計框圖如圖1所示。芯片將26位LVCMOS電平的串行信號，轉換為26位并行信號，由LCK和BG信號將并行數據經過二級鎖存送入二選一開關陣列，再由TR信號選擇17個并行信號送入驅動單元，將并行信號轉換為0～-3.3 V的電平后，輸出負壓單端或差分控制信號。同時具備溫度信息回讀功能，并可回讀奇偶校驗碼和當前通道工作狀態自檢信息。另有邏輯控制變換電路適應T/R組件額外需求。該芯片應用于星載X波段T/R組件，可控制數控衰減器、數控移相器和數控開關協同工作，同時芯片集成高精度溫度傳感器，為系統的衰減補償提供溫度信號，以彌補T/R組件由于溫度變化引起的通道幅度不一致性的問題。

圖1　芯片框圖

芯片應滿足以下設計要求：①正電源電壓+3.3 V，負電源電壓-3.3 V；②SPI串行通訊速率≥20 Mbit/s；③邏輯管腳電壓輸出的誤差絕對值≤0.1 V；④低功耗設計，要求供電電流在溫度傳感器開啟時≤1 mA，溫度傳感器關閉時≤0.5 mA；⑤溫度傳感器采樣范圍-55℃～125℃，采樣精度±2℃；⑥具備一定的抗單粒子效應能力，即單粒子試驗過程不出現閂鎖、功能中斷和不可逆的翻轉現象，且試驗前后參數變化量≤10%。

2　自動測試系統

為了驗證芯片電性能、溫度傳感和抗單粒子效應能力是否滿足要求，需要對上述指標進行實測分析，由于該芯片測試指標多，測試項復雜，本文設計開發了一套基于LabVIEW的星載溫度傳感控制芯片的自動測試系統。系統硬件部分包括PXI總線儀器、測試專用板和相關環境試驗設備；軟件部分為基于LabVIEW開發的程序算法［7-8］。下面我們將詳細介紹系統硬件和軟件設計。

2.1硬件設計

測試系統的硬件框圖如圖2所示，系統工作時，根據測試需求將待測芯片分別置于探針臺、高低溫試驗箱和單粒子輻照室等環境試驗設備內。通過相應轉接線纜與測試專用板物理連接，然后測試專用板再將芯片信號轉發到相應設備，實現對芯片的自動測試。其中，溫度測試時溫度探頭同芯片一起置于高低溫試驗箱內，實時監控芯片工作環境溫度，作為溫度評估的標定值。硬件系統實物圖如圖3所示，主要包括三部分：PXIe-1078機箱，測試專用板和相關環境試驗設備。

圖2　硬件系統框圖

PXIe-1078機箱（如圖3所示）是自動測試系統的主要平臺構件［9］。根據芯片測試任務，機箱配置了以下板卡。源測量單元SMU（Source Measure Unit）PXIe-4141為芯片提供正/負電源雙路供電，同時回測電源電流，監控芯片工作狀態。數據采集卡DAQ（Data Acquisition）PXI-6363采集芯片管腳邏輯電壓輸出。高速數字I/O HSDIO（High Speed Digital Input/Output）PXI-6541與芯片保持高速穩定的SPI通信。矩陣開關PXI-2510 FIU（Fault Insertion Unit）用來控制測試系統線路通斷以兼用不同測試需求。溫度測量模塊包括溫度探頭PT100和精密源測量單元Agilent B2900，源測量單元采集由溫度探頭讀取的與溫度變化相關的電阻值，通過GPIB上傳給PXI機箱，再通過一定算法還原成溫度，實現環境溫度的自動讀取。

為了解決芯片引腳和測試設備的連接不兼容問題，本文設計開發了測試專用板，將待測芯片的信號按功能打包分發到相應測試設備。引腳與設備的連接均借助于矩陣開關PXI-2510，該板卡可以自主控制線路通斷，且預留了busA和busB兩條總線，可用來拓展測試設備。

為了評估芯片電性能、溫度傳感和抗單粒子效應能力，本文測試系統中的環境試驗設備選用了一套在片測試平臺與兩個環境測試平臺（如圖3所示）。其中，電性能測試采用Cascade探針臺（型號：Summit 12000），溫度測試選用了Espec高低溫試驗箱（型號：SET-Z-012U），單粒子效應測試所用的輻照室位于中國科學院蘭州近代物理研究所。

2.2軟件設計

為了便于拓展測試平臺和修改測試任務，本套系統的軟件開發采用LabVIEW圖形化編程語言［10-13］。主要分為3個部分：電性能測試、溫度測試和單粒子效應測試。

本文中電性能測試包括芯片邏輯功能、供電電流和串行通訊速率三方面，測試原理是通過HSDIO給芯片提供速率為20 Mbit/s的SPI串行通訊信號（包括CLK、MOSI、LCK和BG），待芯片響應完成后將實際輸出和預期輸出進行比對，如果通過DAQ采集的邏輯管腳電壓和通過SMU采集的供電電流不滿足設計要求，或者通過HSDIO讀回的MISO和ZTO數據與預期不一致，則認為芯片電性能測試不合格。本文開發的電性能測試程序中最核心的部分是HSDIO與芯片SPI通訊程序，如圖4所示：①初始化HSDIO硬件，包括物理地址，時鐘速率，分配輸入/輸出通道，輸出通道初始/閑置時電平狀態；②通過板載時鐘生成采樣時鐘；③同步HSDIO的信號生成與采集功能，將生成機的Data Active Event信號通過PFI1傳輸到采集機，取信號上升沿觸發采集機運行，實現生成和采集功能的同時進行，保證芯片收發同步，防止產生誤碼；④向芯片寫入激勵信號并采集回讀數據，根據需要解析數據；⑤釋放硬件緩存，為了保證芯片通訊速度，數據都是暫存于HSDIO緩存中，但由于硬件緩存有限，而SPI通訊中數據量又非常大，因此需要在每一次SPI通訊結束后釋放一次硬件緩存。

圖4　SPI通訊程序

溫度測試是評估芯片溫度傳感器性能的關鍵環節，其程序流程圖如圖5所示。首先設定芯片溫度測試參數，包括溫度初值tem_start，溫度終值tem_stop和溫度步進tem_step，由此可以計算出溫度循環設定次數LOOP_SET（本文中tem_start=-55℃，tem_stop=125℃，tem_step=10℃，計算得LOOP_SET=（tem_stop-tem_start）/tem_step=18）；然后初始化當前循環次數loop=1，由于loop＞LOOP_SET不成立，溫箱啟動并執行第一個溫度設定點，運行過程中每隔1 s取回溫箱實際溫度并與設定溫度進行差值比較，當誤差絕對值小于0.5℃時，溫箱保持當前狀態穩定30 min；最后采集相應數據并存儲。第一個溫度點測試完成后，loop遞增為2，loop＞LOOP_SET條件依然不成立，進入第二個溫度設定點，執行上述同樣步驟，如此循環往復，直到完成所有的溫度測試步驟，即loop＞LOOP_SET成立，然后儀器自動關閉。

溫度測試中為了得到正確的試驗結果，必須保證標定溫度精確可靠，本文從以下兩方面來實現：一方面，由于溫箱中溫度場分布不均勻，當溫箱顯示溫度達到溫箱設定溫度時，控制系統延時30 min，保證芯片輸出溫度穩定且溫箱內溫度場空間分布達到穩態再進行數據采集；另一方面，由于標定溫度和溫箱顯示溫度存在差異，為了準確快速的采集到更接近芯片真實溫度的標定溫度，本文設計了一套溫度測量模塊。該模塊中溫度探頭部分采用四線制PT100，測溫范圍-200℃～850℃，探頭測溫精度在本文選取的-55℃～125℃的掃描范圍內小于±0.15℃，電阻測量部分采用精密源測量單元B2900。溫度測試時，將PT100伸至高低溫箱內，固定在芯片測試座上，外部接線端子與B2900保持四線制接法，B2900與PXI機箱采用GPIB方式通訊，將數據上傳給上位機，程序采用牛頓迭代法將電阻數據擬合成溫度曲線。

圖5　溫度測試程序流程圖

為了提高溫度測量模塊的測量精度，采用了以下三項關鍵技術。

①PT100和B2900采用四線制接法，有效減少引線電阻和接觸電阻對測試結果的干擾。

②恒流測壓法中要選取適當的電流。本文電阻測量采用恒流測壓法，即配置B2900為恒流源模式，向PT100提供恒定電流I，然后測量兩端電壓U，由于采用了四線制接法，可以忽略引線電阻和接觸電阻，所以PT100測量電阻R=U/I。電阻測量過程中要嚴格控制電流大小，因為電流過大會加劇探頭自熱效應，太小又會降低信噪比，難以保證測量精度。為了選擇合適的電流I使得溫度測量平均誤差最小，本文將電流I從10 μA到500 μA進行掃描，掃描步進10 μA，測量不同電流I從-55℃到125℃范圍內溫度的平均測量誤差，測量結果如圖6所示，當電流I≥100 μA時，PT100的平均測量誤差（PT100測量標定溫度和Espec溫箱顯示溫度的差值的平均值）較小，且隨電流增大基本保持不變，因而為了防止電流太大加劇探頭自熱效應，所以最終確定電流I=100 μA（即滿足溫度測試精度要求的最小電流值）。

圖6　恒流測壓法中電流對溫度測量結果的影響

③程序上采用牛頓迭代法將電阻數據擬合成溫度曲線［14-16］。本文PT100符合IEC751國際標準，其溫度電阻特性是：

其中R0是0℃時的電阻值，Rt是t℃時的電阻值，A=3.908 3×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。根據式（1）和式（2），調用LabVIEW公式節點，完成電阻到溫度的轉化。最后，本文對上述溫度測量模塊進行了定標測量，設置tem_start=-55℃，tem_stop=125℃，tem_step=10℃，測試結果如表1所示，隨機誤差是根據同一溫度點的20次測量數據計算出的標準誤差，系統誤差是Espec溫箱顯示溫度和PT100測量標定溫度的差值。由表1可見，溫度測量模塊的最大隨機誤差為0.007 7℃，最大系統誤差為-0.29℃，說明該模塊的定標誤差小，精度高，能滿足本文芯片溫度傳感測試需求。本文采用的溫度測量與后處理過程如下：首先連續采集40組數據，通過快速排序算法，舍棄前10組和后10組，然后對剩下的20組數據取算術平均，作為最終有效溫度值。如對后處理算法作進一步改進，引入滑窗均值濾波算法處理上述排序后剩下的20組數據，即每滑動一個采樣間隔，窗口前面進入一個新的數據，后面去掉一個舊的數據，始終保持固定長度為20的最新數據，再對這20組數據取算術平均，可以進一步提高測試精度。

表1　溫度測量模塊的測量結果單位：℃

本文中單粒子效應測試需要對試驗過程中單粒子翻轉（引起芯片內部控制寄存器的數據發生翻轉）、單粒子閂鎖（電源端的功耗電流陡增）和單粒子功能中斷（引起整個器件功能失效，無法正常讀取溫度信號）三方面進行實時監測。本套測試系統具備數據自動處理功能，能夠自動比對芯片單粒子效應試驗前后電性能參數并統計變化量，直觀反映芯片抗單粒子效應的能力。

3　測試結果

根據以上描述，本文通過這套自動測試系統采集分析第一節所述的星載溫度傳感控制芯片的測試數據，驗證芯片是否滿足設計要求并評估芯片性能。本文測試內容包括功耗、溫度傳感和抗單粒子效應能力3方面。

①為了評估芯片功耗和電流一致性，本文采用上述自動測試系統對200顆芯片進行了測試，每顆芯片的電性能測試時間為7 s，而傳統測試系統采用速率較慢的RS232通訊方式交換數據，完成同樣測試任務需要30 s，因此本套系統的測試速度和測試效率得到了提升，可以滿足工程應用需求。測試結果如圖7所示，其中溫傳開啟時正電源電流IDDTO≤0.5 mA，溫傳關閉時正電源電流IDDTF≤0.2 mA，負電源電流的絕對值|IEE|≤0.1 mA，滿足芯片低功耗設計要求。同時，芯片供電電流曲線平滑，波動較小，電流一致性良好。

圖7　芯片電流分布

②為了評估芯片溫度傳感精度，本文選取3顆芯片（編號#1、#2、#3）進行了溫度掃描測試（溫度范圍-55℃～125℃，溫度步進10℃）。試驗證明，本套自動測試系統操作簡單，與傳統溫度測試方案相比，測試自動化程度、測試精度和測試效率均得到很大改善。其測試結果如圖8所示，芯片#1的測量誤差ME#1（芯片輸出溫度和PT100測量標定溫度的差值的絕對值）、芯片#2和芯片#3的測量誤差ME#2、ME#3均滿足芯片溫度傳感器設計要求。

圖8　溫度測量誤差

③為了評估芯片抗單粒子效應能力，本文另取3顆芯片（編號#1、#2、#3）進行單粒子效應試驗，測試結果如圖9所示。由圖9（a）可知，當芯片#1注量達到4.4×105ions/cm2時，內部寄存器出現翻轉，翻轉位數為11 bit，并且正電源電流IDD由輻照開始時的2.52×10-4A減小為6.0×10-6A，負電源電流IEE由輻照開始時的-5.0×10-5A減小為-1.25×10-5A。此時斷電重啟，芯片#1恢復正常，開束繼續輻照至1.011 456×106ions/cm2停止，芯片#1沒有再出現單粒子翻轉現象，在整個試驗過程中芯片#2和#3沒有出現單粒子翻轉現象且三顆芯片在試驗過程均沒有出現單粒子閂鎖和單粒子功能中斷現象。單粒子效應試驗結束后，對上述三顆芯片進行電性能測試，測試結果如表2所示，芯片電性能測試合格且參數變化量符合設計標準。因此本文中星載溫度傳感控制芯片具備合格的抗單粒子效應能力，即單粒子試驗過程不出現閂鎖、功能中斷和不可逆的翻轉現象且試驗前后參數變化量≤10%。

圖9　單粒子試驗過程中電流隨時間變化情況

表2　單粒子效應試驗前后數據統計

4　結論

本文針對相控陣T/R組件中一款自主研發的星載溫度傳感控制芯片設計開發了這套基于LabVIEW的自動測試系統。該系統采用高速數字I/O技術，提高了測試速度，縮短了開發周期。同時，系統具備高精度自動溫度測試功能，有效避免人工操作失誤，提高了測試效率。另外，系統具備數據自動處理功能，能夠完成芯片電性能測試數據和設計指標的比對、溫度測試數據和標定溫度的誤差分析以及單粒子效應試驗前后數據變化量統計。測試結果表明，該芯片功能正常，性能良好，各項指標均滿足設計要求。同時表明本套自動測試系統可以精確評估芯片電性能、溫度傳感和抗單粒子效應能力。通過引入滑窗均值濾波算法處理電阻數據，然后再還原成溫度曲線，可進一步提高系統溫度測試精度。

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劉童（1991-），男，漢族，浙江大學航空航天學院碩士研究生，主要研究方向為CMOS集成電路測試系統研究與開發，scu@zju.edu.cn；

陳華（1985-），男，漢族，博士后，浙江大學航空航天學院助理研究員，主要研究方向為CMOS集成電路設計、芯片自動化測試系統研究與開發，chenhua@ zju.edu.cn。

An Automatic Test System for a Spaceborne Chip of a Temperature-Sensing Controller*

LIU Tong，CHEN Hua*，QIU Jinpeng，WANG Zhiyu，LIU Xiaomin，WANG Liping，YU Faxin
（School of Aeronautics and Astronautics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

In order to evaluate the electrical specification，temperature sensing and single event tolerance of space?borne phased-array T/R modules，an automatic test system based on PXI bus is designed and developed.By using this test system，the evaluation of a self-developed integrated controller with temperature sensor，which is embedded in a spaceborne X-band T/R module，is performed in this paper.By using high-speed digital I/O technology，the test speed of the present test system for electrical characteristics is improved.The ability of automatic temperature test with high-precision enables the accurate performance assessment of temperature sensing.And with the ability of au?tomatic data processing，the test system can realize the comparison between the measured electrical properties and the design specifications，the error analyzation between test data and calibration temperature and the variation esti?mation before and after single event effects.Finally，power distribution，temperature sensing and single event toler?ance of the chip are tested and analyzed.The results show that the chip can be well performed in the space environ?ment with rapidly changing temperature and strong radiations.At the same time，the test system has the advantages of simple operation，well portability，high speed of testing and high precision.

phased array radar T/R module；temperature-sensing controller；automatic testsystem；single eventeffects

TN407

A

1004-1699（2016）09-1449-08

項目來源：國家自然科學基金項目（61401395）；中央高?；究蒲袠I務費專項項目（2014QNA4033）；浙江省教育廳項目（Y201533913）

2016-02-29修改日期：2016-03-23