基于IEEE1149．4的測試方法研究

根據(jù)混合信號邊界掃描測試的工作機制，提出了符合1149．4標準的測試方法，并用本研究室開發(fā)的混合信號邊界掃描測試系統(tǒng)進行了測試驗證。
??? 關(guān)鍵詞：混合信號，邊界掃描，IEEE1149．4，測試方法

1　引　言
　　邊界掃描體系結(jié)構(gòu)及測試訪問端口IEEE1149．1標準，對純數(shù)字電路來講，無疑是十分成功的。它雖主要是為了解決電路板互連測試（Interconnect Testing）而設(shè)計的〔1〕，亦可進一步延伸到IC（IntegratedCircuit）級、板級和系統(tǒng)級測試。由于IEEE1149．1被廣泛地接受和使用，所以，混合信號測試總線標準IEEE1149．4〔2〕必須與1149．1標準兼容（準確地說，1149．4應(yīng)當是1149．1的超集）。它們的主要目的是支持互連測試、參數(shù)測試和功能測試。

　　在如圖1所示的模擬／混合信號電路板上，IC間的互連可能是簡單的連線（IEEE1149．4將其定義為簡單互連測試），也有可能是無源元件組成的阻抗網(wǎng)絡(luò)（IEEE將其定義為擴展互連測試），甚至可能是有源網(wǎng)絡(luò)（但這種情況極少，一般都將有源元件集成到IC中了）。本文根據(jù)混合信號邊界掃描測試的工作機制，提出了符合1149．4標準的測試方法，并用本研究室開發(fā)的混合信號邊界掃描測試系統(tǒng)進行了測試驗證。
2　測試方法
　　邊界掃描技術(shù)支持多種測試操作，不同操作其測試機理有所不同，下面分別加以討論。
2．1　簡單互聯(lián)測試
　　互聯(lián)測試，可分為簡單互連、擴展互連和差分互連等。簡單互連測試是指對直接通過導(dǎo)線連接的管腳進行的互聯(lián)測試，主要用來測試器件連線間的開路、短路和網(wǎng)絡(luò)間的橋接等故障。進行測試時，先用SAMPLE／PRELOAD指令給輸出型的邊界掃描單元預(yù)置測試激勵。執(zhí)行EXTEST指令之后，捕獲該連接線上輸入型邊界掃描單元的測試響應(yīng)。然后通過比較激勵和響應(yīng)來判斷、定位故障。
　　對于數(shù)字引腳的簡單互連測試，首先根據(jù)PCB（Printed Circuit Board）網(wǎng)表、器件BSDL（Boundary－Scan Description Language）等相關(guān)文檔資料選擇合適的互連測試算法，如等權(quán)值抗誤判算法和極小權(quán)值－極大相異算法，WALK“0”、WALK“1”等，生成互連測試矢量，用SAMPLE／PRELOAD指令將測試激勵施加給輸出型的邊界掃描單元，然后執(zhí)行EXTEST指令進行互連測試。這樣，互連信號就被捕獲到與之相連的另一邊界掃描器件的相應(yīng)的輸入型邊界掃描單元中。再通過掃描鏈將邊界掃描寄存器的內(nèi)容移出則可得到測試響應(yīng)。不過，必須通過一組測試矢量全集的測試，才能保證故障定位的正確。
　　在模擬引腳的簡單互聯(lián)測試中，為了使模擬管腳的簡單互連測試與數(shù)字管腳兼容，IEEE1149．4標準　　在ABM（Analog Boundary Module）中增添了VH、VL、VTH三種不同的電平，分別代表高電平、低電平和門闕電平。在控制邏輯的控制下，將VH或VL電平施加到輸出型的模擬管腳上作為預(yù)置測試激勵（相當于數(shù)字管腳加入高電平或低電平激勵）。執(zhí)行EXTEST指令之后，通過捕獲該連接線上的輸入型模擬管腳上的電壓，并與VTH門闕電平進行比較，將模擬量數(shù)字化為一位數(shù)字值“0”或“1”，作為輸入型模擬管腳上的測試響應(yīng)，交邊界掃描鏈移出。這樣，就可將模擬電路的簡單互聯(lián)測試轉(zhuǎn)化為數(shù)字電路的互聯(lián)測試。通過對預(yù)置測試激勵和測試響應(yīng)進行比較，就可以分析出該模擬簡單互連線是否發(fā)生了短路、斷路、橋接等故障，并且可將故障定位到管腳級。
　　這里有個問題值得注意，即簡單互連線發(fā)生橋接故障就相當于線與，而線與的結(jié)果與電路的具體實現(xiàn)方式有關(guān)，這在實例分析中可以看到。
2．2　差分測試
　　從邊界掃描技術(shù)角度來看，差分電路可分為數(shù)字差分電路和模擬差分電路。差分電路的測試有三種，即數(shù)字差分互連電路的測試、模擬差分電路的簡單互連測試和模擬差分電路的擴展互連測試等。對于數(shù)字差分互聯(lián)測試，顯然，只需將數(shù)字差分輸入或輸出的兩個DBM（DigitalBoundary Module）看成兩單獨的DBM，采用數(shù)字管腳簡單互連的測試方法即可。
　　對于模擬差分邊界掃描結(jié)構(gòu)，在進行簡單互連測試時，標準規(guī)定其差分輸入端至少須有五種組態(tài)：即H－L（High Level－Low Level）、L－H、CD－CD（CoreDisconnect）、CD－G（Ground）和G－CD。所以，在進行差分簡單互連測試時，從差分輸出端所施加的測試激勵不能違反這些規(guī)定，除非你確知該測試對象還允許有其它組態(tài)。由于差分輸出的兩ABM具備施加VH或VL電平的能力（只是須注意，當一個腳加VH則另一個腳須加VL，或反之），另一端又可捕獲其數(shù)字化值，所以可按非差分ABM進行簡單的互連測試，只是激勵的施加稍有不同。
　　若模擬差分互連是擴展的差分互連，可以采用完全差分測試或非完全差分測試兩種方法。若被測對象只有AT1（Analog Test）和AT2兩根模擬測試線且?guī)в胁罘蛛娐?，則只能采用非完全差分測試。首先讓差分輸入的一端（如“＋”端）連接AB1（Internal AnalogBus）、TBIC（Test Bus Interface Circuit）的S5，通過AT1腳輸入模擬測試激勵，差分輸入的另一端（如“－”端）則通過其ABM控制邏輯連其VH、VL或VG來提供模擬測試激勵。對差分輸出響應(yīng)的獲取，先是讓差分輸出的一端經(jīng)AB2、TBIC的S6、AT2輸出，再讓差分輸出的另一端經(jīng)AB2、TBIC的S6、AT2輸出。然后再反過來，讓差分輸入“＋”端接固定電平VH、VL或VG，讓差分輸入的“－”端通過AB1、TBIC的S5、AT1腳輸入原模擬測試激勵，同上面一樣測量兩次。施加兩次激勵及測量四次響應(yīng)雖然麻煩一些，但IC器件的邊界掃描硬件電路可設(shè)計簡單些，從而節(jié)省器件成本。
　　進行完全差分測試，就需要被測試對象有專門的差分測試結(jié)構(gòu)，即有一對差分測試激勵輸入管腳AT1和AT1N，一對差分測試響應(yīng)捕獲管腳AT2和AT2N及相應(yīng)的TBIC和內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)。測試時，差分模擬測試激勵通過AT1和AT1N、TBIC、AB1和AB1N、差分輸入功能管腳的兩ABM的兩SB1加載到差分輸入上。其差分輸出響應(yīng)經(jīng)差分輸出功能管腳的兩ABM的兩SB2、AB2和AB2N、TBIC、AT2和AT2N輸出給外部測試響應(yīng)處理器。
2．3　參數(shù)測試
　　參數(shù)測試是指管腳之間不是通過簡單的導(dǎo)線連接，而是通過由電阻、電容、電感或由它們組成的網(wǎng)絡(luò)而連接的一種互聯(lián)測試，即擴展互連測試，如圖1所示。擴展互連測試（即參數(shù)測試），由于模擬測試總線和I／O節(jié)點間的開關(guān)電阻，使得屏蔽測量方法不再適用。
2．3．1　簡單網(wǎng)絡(luò)參數(shù)測試
　　若擴展互連網(wǎng)絡(luò)是無源的，參數(shù)測試就是要測量出該無源網(wǎng)絡(luò)中R、L、C的元件值。ATE（AutomaticTest Equipment）通過ATAP（Analog Test AccessPort）管腳AT1，經(jīng)TBIC的開關(guān)S5、ABM的SB1，就可將一個已知的模擬測試激勵電流IT施加到CUT（Circuit Under Test）上，然后可通過ABM的SB2、TBIC的開關(guān)S6、ATAP的管腳AT2，將CUT上的響應(yīng)電壓由ATE測出，記為VT，如圖2所示。
若

則VT就可近似等于CUT的端電壓。注：Zv為ATE中電壓測試系統(tǒng)的阻抗，Zs6為開關(guān)S6的阻抗，Zsb2為開關(guān)SB2的阻抗，ZD為CUT的阻抗。 　　若ZD是單個電阻、電感或電容，那么只需已知模擬激勵電流信號的頻率和幅度就可計算出其元件值。若ZD跨接在兩模擬功能管腳之間，它的測量分兩步進行。首先，通過對TBIC和ABM的控制，讓激勵電流信號通過AT1施加到指定F1上，通過AT2腳獲取該F1端的電位。再改變對TBIC和ABM的控制，讓激勵電流信號通過AT1施加到指定ABM上，通過AT2腳獲取該F2端的電位。最后，計算出ZD上的電壓降，結(jié)合已知激勵電流信號的頻率和幅度值就可計算出其元件值。若ZD是由多個電阻、電感或電容組成的單端口網(wǎng)絡(luò)，那么只需通過施加一組不同頻率的激勵電流，然后測試量對應(yīng)頻率ZD上的電壓降就可得到一方程組，解此方程組即可求出各元件值。

2．3．2　Delta網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)測試
　　對于Delta互連網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示，可以采用下面的方法進行測量。
　?。?）P4腳接VG，P3和P2腳斷開。AT1激勵I(lǐng)1施加到P1腳，通過AT2測量P1腳的電位VP11；
　?。?）P4腳接VG，P3腳斷開。AT1激勵I(lǐng)1施加到P1腳，通過AT2測量P2腳的電位VP21；
　?。?）P4腳接VG，P2腳斷開。AT1激勵I(lǐng)1施加到P1腳，通過AT2測量P3腳的電位VP31；
　　（4）P4腳接VG，P2腳斷開。AT1激勵I(lǐng)1施加到P3腳，通過AT2測量P1腳的電位VP12；
　?。?）P4腳接VG，P1腳斷開。AT1激勵I(lǐng)1施加到P3腳，通過AT2測量P2腳的電位VP22；
　　（6）P4腳接VG，P2和P1腳斷開。AT1激勵I(lǐng)1施加到P3腳，通過AT2測量P3腳的電位VP32。
　　由這些數(shù)據(jù)足夠解出Z1、Z2、Z3的值〔3〕。當然，若Z1、Z2和Z3又是一無源RLC網(wǎng)絡(luò)，通過改變I1的頻率再重復(fù)上面的六步測量，總可以計算出和RLC元件的值，對于同種性質(zhì)的元件（如同為R或L或C）的串并聯(lián)，本測試理論只能將其作一個元件來進行測量。
2．3．3　復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)
　　對于較復(fù)雜的電路，可以從電路拓撲的角度來考慮其測試。具體來說有兩種方法。
　?。?）通過對ABM開關(guān)矩陣的控制，可以將其簡化成圖2或圖3的情形。然后按照相應(yīng)的測試方法分別進行測量。
??? （2）單端口網(wǎng)絡(luò)測量法。
　　對于任一無源單端口網(wǎng)絡(luò)（若是多端口網(wǎng)絡(luò)，可以通過對相關(guān)的ABM開關(guān)矩陣進行控制，將其轉(zhuǎn)換成單端口網(wǎng)絡(luò)），由網(wǎng)表文件可以得其拓撲結(jié)構(gòu)、等效支路元件的個數(shù)N（等效支路元件的定義：相同性質(zhì)的兩元件串聯(lián)或并聯(lián)將被看成一個元件，即等效支路元件），通過在兩端口間施加某一頻率的電流激勵源，再分別測量其兩端電壓，就可以得到該頻率的等效阻抗，從而得一個非線性方程。如在兩端口間施加Q（為了盡量減少測試和解非線性方程組所產(chǎn)生誤差，一般要求Q＞N）個頻率不同的電流激勵源，就可以得到Q個非線性方程組。解該非線性方程組就可得這N個等效支路元件的元件值。
　　以上問題的實質(zhì)是，由電路網(wǎng)表得到傳輸導(dǎo)納的非線性模型，經(jīng)施加不少于Q組（不同頻率）的電流激勵，分別測量其端電壓響應(yīng)。根據(jù)此數(shù)據(jù)表（即激勵響應(yīng)表）來確定模型中的各參數(shù)（即支路導(dǎo)納值），以保證傳輸導(dǎo)納的非線性模型“最佳”擬合這Q組電壓電流數(shù)據(jù)表。由此看來，這實質(zhì)是一個非線性的模型擬合問題，即非線性最小二乘問題〔4〕。
　　雖然計算復(fù)雜度有所提高，但這種方法可測出復(fù)雜無源網(wǎng)絡(luò)的各分立等效支路元件的參數(shù)值，且由于該系統(tǒng)使用計算機，因此處理這些數(shù)據(jù)是不困難的。雖然當互連網(wǎng)絡(luò)太大時，這種方法的計算復(fù)雜度呈指數(shù)增長，但DOT4測試對象是數(shù)?；旌螴C及由其構(gòu)成的PCB。既然是數(shù)?；旌螴C，留在芯片外的就是用來完成用戶特定功能的、或是校準用的、或是難于集成的。難于集成的元件隨著集成技術(shù)的提高，總可以解決，完成用戶特定功能的和校準用的元器件其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)一般比較簡單，這種方法完全可以勝任。
　　這里討論的參數(shù)測試理論方法還可延伸到非線性無源元件的測量。
　　邊界掃描支持的測試還有CLUSTER測試、器件錯誤裝配測試、整個掃描鏈本身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)測試器件功能測試、BIST（Built－In－SelfTest）測試、INTEST測試等。限于篇幅，此處不再作具體討論。
3　實例分析
3．1　簡單互連測試結(jié)果
　　因目前還沒有符合DOT4的器件成品，所以使用了DOT4工作組用于混合信號邊界掃描測試的專用實驗芯片KLIC〔5〕。KLIC實際上是個Mixed－SignalScan I／O。測試對象DEMO板設(shè)計原理是在Mixed－Signal Core電路的基礎(chǔ)上插入邊界掃描結(jié)構(gòu)即KLIC，使其構(gòu)成混合信號邊界掃描CUT。
　　DEMO板掃描鏈中兩個邊界掃描器件之間直接的互連線有3條，分別從IC1的輸出腳DBM、ABM2、ABM3連接到IC2的輸入腳DBM、ABM2、ABM3。由KLIC的邊界掃描內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，其在掃描鏈上的互連測試矢量排列如下（其中，“X”為無關(guān)量，“V”對應(yīng)表1中的測試矢量欄，“R”對應(yīng)響應(yīng)數(shù)據(jù)欄）：
　　XVV XXXXXXXXXXXX XXXX XXX XXXVVXXVVXXXXXXXXXXXXXX
與之相仿，掃描測試結(jié)果在掃描鏈上的表示為：
　　XXR XXXXXXXXXXXX XXXX XXX XXXXXRXXXRXXXXXXXXXXXXX
　　這里我們仿照WALK－1、WALK－0的全集測試矢量方法，測試時，通過故障模擬開關(guān)進行了故障設(shè)置，并且通過響應(yīng)測試碼得到了測試報告和測試分析。把DBM與ABM2橋接，本測試系統(tǒng)的測試結(jié)果如表1所示。
3．2　擴展互連測試
　　對圖3所示的Delta網(wǎng)絡(luò)，用本教研室的混合信號邊界掃描測試系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)如表2所示。其中，Z1為電阻，其真實值為9．734 kΩ，測量平均值為9．5367kΩ，絕對誤差為－0．1973 kΩ，相對誤差為－2．03％。Z2為電阻，其真實值為4．7 kΩ，測量平均值為4．43 kΩ，絕對誤差為－0．27 kΩ，相對誤差為5．7％。Z3為電阻，其真實值為6．85 kΩ，測量平均值為6．8888 kΩ，絕對誤差為－0．038 kΩ，相對誤差為0．56％。這里的較大誤差是由于程控信號源和數(shù)據(jù)采集板做得不完善造成的，只要將兩者加以完善，就可以達到IEEE1149．4標準規(guī)定的要求。
4　結(jié)束語
　　本文提出了符合1149．4標準的測試方法，并用本研究室開發(fā)的混合信號邊界掃描測試系統(tǒng)進行了測試驗證。測試結(jié)果表明，不但能測量互連元器件是否存在，而且還可測量其元件值（電阻、電容、電感），當然還可擴充到非線性元件。
　　混合信號測試總線是測試數(shù)字和模擬信號的起點，但不是解決問題的全部方案。對于小電抗的分立元件，或者高頻IC，其測量就較困難。

　

1　IEEE std 1149．1－2001．IEEE Standard Test Access Portand Boundary－Scan Architecture．IEEE Standards Board，New York，2001
2　IEEE std 1149．4－1999．IEEE Standard for a Mixed－SignalTest Bus．IEEE Standards Board，New York，19993　K P Parker，JE Mcdermid，S Oresjo．Structure andMetrology for an Analog Testability Bus．Proc．，ITC，1993：309～322
4　謝如彪，姜培慶編著．非線性數(shù)值分析．上海：上海交通大學(xué)出版社，1984
5　http：／／grouper．ieee．org／1149／4／kllp．html．KLIC．JTAG Analog Extension Test Chip．IEEE P1149．4Working Group