简易数字集成电路测试仪的设计与实现毕业论文.docx
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简易数字集成电路测试仪的设计与实现毕业论文
简易数字集成电路测试仪的设计与实现毕业论文
1绪论
1.1课题的研究背景及意义
集成电路是二十世纪发展起来的新型高技术产业之一，也是二十一世纪全面进入信息化社会的必要前提和基础。
自1958年德克萨斯仪器公司制造出第一款集成电路以来，集成电路产业一直保持着惊人的发展速度，在数字化，信息化时代的今天，数字集成电路的发展以及应用显得尤为引人注目。
从电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路，发展到当今市场主流的专用集成电路，乃至现处于飞速发展阶段的系统及芯片，数字集成电路始终沿着速度更快、集成度更高、规模更大的方向不断发展。
到目前为止，集成电路仍然基本上遵循着摩尔定律发展，即集成度几乎每18个月增长一倍。
随着集成规模的进一步扩大，集成电路的应用领域日益扩大，无论是在军事方面的高科技应用，还是在人们日常生活方面的普通应用，数字集成电路都发挥着举足轻重的作用，因此，数字集成电路的可靠性显得越来越重要。
为了保证数字集成电路的功能和性能参数符合技术要求，发挥其在整个电路系统中的重要作用，在集成电路的设计验证、产品检验以及现场维护等方面都需要对集成电路进行测试，测试技术已经成为谋求集成电路生存与发展的一门支撑技术。
无论是元件还是电路和系统，由于制造工艺的限制、使用寿命以及工作条件等影响，故障的产生是不可避免的，所以数字集成电路的测试便成为亟需解决的问题。
尤其是在教学过程中，学生要熟悉并掌握某些型号集成电路芯片的逻辑功能及使用方法，就必须要反复进行实验，在经过大量的实验以后，芯片肯定会由于各种原因而产生故障，若是更换新的芯片，会过于浪费，因此这势必会成为教学过程中的障碍。
本论文将设计一种简易测试集成电路芯片的仪器，根据其逻辑功能的真值表，测试其功能，判断其是否能正常工作，据此还可进行对已损坏芯片进行维修。
这不仅能解决集成电路芯片教学过程中的有关问题，节约成本，更能在测试过程中使学生更加深刻了解集成电路相关知识。
1.2国外数字电路测试系统现状
目前有两种集成电路测试系统，一种是整板测试，称板级测试系统。
另一种是对单个芯片测试称芯片级测试系统。
电路板的测试可分为带微处理器的电路板的测试和不带微处理器的电路板的测试，即CPU板和普通电路板的测试。
芯片级测试又分在线测试和离线测试。
所谓在线测试是指对焊接在电路板上的各种芯片做逻辑测试和故障诊断；而离线测试是对脱离电路板的芯片进行测试和故障判断。
在单个芯片测试系统中，有专门用来测试芯片的仪器，此类仪器设计较为复杂，技术含量高，操作也要求比较专业。
另一种测试系统是在使用过程中将测试芯片作为辅助功能的。
目前国有一款仪器就属于这种类型，它是西尔特公司生产的型号为SUPERPRO/3000U的通用编程器，如图1-1所示。
编程器是一个把可编程的集成电路写上数据的工具,编程器主要用于单片机（含嵌入式）/存储器（含BIOS）之类的芯片的编程（或称刷写）。
图1-1SUPERPRO/3000U的通用编程器
基本配置48脚万能驱动电路。
所选购的适配器都是通用的（插在DIP48锁紧座上）,即支持同封装所有类型器件,48脚及以下DIP器件无需适配器直接支持。
在主机上以PEP3000驱动扩展器替换标准DIP48驱动模块后万能驱动电路路数达到100,则直至100脚的器件均可使用通用适配器（有些器件也可选用专用适配器,直接插在DIP48插座上,则无需换装PEP3000）。
通用适配器保证快速新器件支持。
I/O电平由DAC控制,直接支持低达1.5V的低压器件。
更先进的波形驱动电路极大抑制工作噪声,配合IC厂家认证的算法,无论是低电压器件、二手器件还是低品质器件均能保证极高的编程良品率。
编程结果可选择高低双电压校验,保证结果持久稳固。
在其编写程序的主要功能的基础上，还可测试SRAM、标准TTL/COMS电路,并能自动判断型号。
通过向被测芯片发送信号检验其输出电平，再根据事先存入资源库的芯片逻辑功能真值表来判断其型号。
SUPERPRO/3000U通用编程器另外一个重要特点是具有管脚接触不良检测功能。
平时锁紧座处于悬空状态，放入任何IC都不会因为原有的电压造成短路或者烧坏IC。
当进行编程等操作时，通用编程器首先采用独特的专用总线，利用微弱的信号检测管脚接触状况。
只有接触良好才施加所需电压，并且判断器件的ID代码，只有ID代码正确后才进行编程操作；如果接触不良，立刻连续图形显示接触不良状况（UP-48系列产品特有的功能），直到接触良好才进行操作。
在图形显示器件接触不良的时候，可以形象的看到器件每一个管脚的接触状况。
特别是器件有一些管脚处于接触良好与接触不良之间的状态，如果不用连续的图形显示，例如仅仅一次的数字显示，是不能很好地发现问题的，UP-48遇到这种情况，与管脚相应的图形会不断闪烁，并提示“接触不良”字样。
同时通用编程器特有的管脚接触不良检测功能，有效防止了因为器件放反、部分管脚短路、接触不良等原因所造成的损失。
1.3本设计所要解决的主要问题
本测试仪属于芯片级数字集成电路逻辑功能测试系统，主要采用功能验证测试法产生测试矢量，离线完成20脚以下TTL74/54，COMS4000/4500等系列芯片的测试。
为此，在本文中要解决的问题主要有：
（1）测试自动化，20脚测试插座固定，测试围不受被测器件的输入、输出、电源和地的位置的限制。
（2）同型号大批量器件测试简捷方便，效率很高。
（3）能测试TTL74/54、COMS4000/4500系列的门电路，译码器等器件。
（4）可查阅测试数据库所有芯片的逻辑功能，作为电子手册使用。
（5）整机电源电压为+5V，供电方式为直流稳压电源。
（6）可脱机工作，携带方便，轻巧美观。
综上所述，我们将从测试系统工作原理出发，借鉴一些成熟的经验，查阅了大量的资料，经过分析比较，确立了总体方案和构建硬件系统；通过对大量TTL、CMOS集成电路的统计和分析，利用功能验证测试算法建立了测试数据库，编制了测试程序，最终完成整个仪器的设计。
1.4研究容和章节安排
在本论文中，研究的主要容有四个方面：
一是单片机测试平台的构成；二是单片机与PC机的串行通信的实现；三是测试数据库的建立；四是测试系统软件的编制及调试。
具体章节按排如下：
第1章将从课题的研究背景及意义、国外数字电路测试系统现状、本文要解决的主要问题、研究容和章节安排四个方面入手，对本课题的目的、价值、方法、结果做以简单的说明介绍。
第2章主要完成对系统总体的描述，先交待系统的任务和性能指标，然后阐述系统总体方案的确定、测试过程及原理，最后对硬件、软件进行分工。
第3章详细说明整个硬件系统的构建思想、选择原则、每一环节的具体实现方法、手段及所采用的部件的功能、性能、使用方法。
主要从以下三个部分进行说明。
第一部分是以单片机为核心的测试平台。
该测试平台主要由中心控制单元单片机、IC电源自动控制电路、接口电路、外设单元和电源组成。
第二部分是PC机与单片机串行通信通道的建立。
通道主要由串行总线接口、电平转换电路组成。
第三部分是20管脚测试芯片插座。
为了使测试围不受被测器件的输入、输出、电源和地的位置的限制，实现测试自动化。
第4章主要阐述测试数据库的建立思想、建立方法、构成及测试流程、测试程序的分析及实现。
第5章叙述测试结果，并展望IC测试技术的未来发展趋势，再对该测试仪的不足之处加以改进。
第6章对在整个设计过程中给予作者很大帮助的老师、同学及朋友致以崇高的敬意，感谢他们所提出的宝贵建议。
总之，通过以上六个方面的阐述说明，将科学地对本测试仪的组成、测试原理及各部分的任务及执行过程进行描述，使读者对该测试仪有一个清晰全面的识。
2测试仪的总体方案
2.1测试仪的方案选择
目前所用的测试集成电路芯片的方法有很多，常用的简易测试方法有以下几种：
1、电压测量法
主要是测出各引脚对地的直流工作电压值；然后与标称值相比较，依此来判断集成电路的好坏。
用电压测量法来判断集成电路的好坏是检修中最常采用的方法之一，但要注意区别非故障性的电压误差。
2、在线直流电阻普测法
这一方法是在发现引脚电压异常后，通过测试集成电路的外围元器件好坏来判定集成电路是否损坏.。
由于是断电情况下测定阻值，所以比较安全，并可以在没有资料和数据而且不必要了解其工作原理的情况下，对集成电路的外围电路进行在线检查，在相关的外围电路中，以快速的方法对外围元器件进行一次测量，以确定是否存在较明显的故障。
3、电流流向跟踪电压测量法
此方法是根据集成电路部的外围元件所构成的电路，并参考供电电压，即主要测试点的已知电压进行各点电位的计算或估算，然后对照所测电压电否符合，来判断集成块的好坏，本方法必须具备完整的集成块部电路图和外围电路原理图。
4、在线直流电阻测量对比法
此方法是利用万用表测量待查集成电路各引脚对地正反向直流电阻值与正常数据进行对照来判断好坏。
这一方法需要积累同一机型同型号集成电路的正常可靠数据，以便和待查数据相对比。
5、非在线数据与在线数据对比法
所谓非在线数据是指集成电路未与外围电路连接时，所测得的各引脚对应于地脚的正反向电阻值。
非有线数据通用性强，可以对不同机型、不同电路、集成电路型号相同的电路作对比。
本设计方案要实现对已知型号20脚以的TTL系列、CMOS系列双列直插封装数字集成电路逻辑功能的自动测试。
然而，上述几种方法都不能较好达到要求。
因此，本设计采用了以单片机为核心的自动测试方案，能较好地完成测试任务。
测试仪的基本工作原理是：
首先将待测芯片插好，然后通过键盘选择被测芯片的型号，再启动确定键，由监控测试程序分时分组送出被测芯片的测试集，并对测试结果数据进行分析处理之后通过LCD显示出来。
好的芯片显示“正确”，坏的芯片显示“错误”。
若需要了解某种型号芯片的逻辑功能时，可以进入查阅模式，通过键盘选择所要查阅的芯片，其逻辑功能也会通过LCD显示出来。
如果测试系统与PC机连机工作，则通过串行通信，可以在PC机上对新增IC进行编程，并将数据存入程序库中。
这样，根据集成电路的发展及时改变测试数据库，可以满足更多的芯片测试，最大限度地扩大测试围，满足不同使用者的各种需要。
2.2总体方案构成
根据测试系统要完成的任务和技术指标的要求，从测试系统的工作原理出发，构建该系统的总体方案如图2-1所示。
该自动测试仪的硬件主要是建立测试平台和通信网络，因此，应选择单片机作为电路核心，通过可编程I/O接口与20管脚集成芯片插座相连。
由于不同型号芯片的电源和地端的管脚位置不同，所以对20管脚集成芯片插座要进行电源和地端的自动控制，可将地端固定，只改变电源端位置，为测试各种集成芯片提供硬件基础。
因为待测芯片的型号不同，调动的测试集不同，这就需要由键盘选择芯片的型号和启动确定键下达测试命令，同时要比较详细的显示芯片某个门或管脚的测试结果，为此就必须配置相应的键盘和LCD显示器。
另外，该系统要与PC机连机工作，需通过串行总线口进行通信但因串行总线接口的电平与微处理器的逻辑电平不一致，必须使用逻辑电平转换芯片来完成电平的转换任务。
图2-1系统总体方案框图
2.3硬件组成
根据测试系统的总体方案可知，系统的硬件组成主要有三部分。
第一部分是以单片机为核心的测试平台。
该测试平台主要由中心控制单元单片机、键盘控制电路、IC电源自动控制电路、接口电路、LCD显示电路组成。
第二部分是PC机与单片机串行通信通道的建立。
通道主要由串行总线接口、电平转换电路组成。
第三部分是20管脚测试芯片插座。
为了使测试围不受被测器件的输入、输出、电源和地的位置的限制，实现测试自动化。
2.4软件任务
该系统软件要完成的任务是：
1、测试数据库。
根据集成电路器件手册上芯片的真值表建立被测芯片的测试码数据集。
2、主要完成对已知型号芯片的测试及与PC机的通信。
当有芯片需要测试时，通过测试电路对被测芯片的施加测试码信号，每施加一组测试码就测回一组芯片的输出状态，一直到该芯片的测试码集施加完为止，然后根据电路响应值进行分析、判断和处理，且把测试结果显示出来。
测试系统与PC机连机工作，则通过串行通信，可以在PC机上对新增IC进行编程，并将数据存入程序库中，而且可以根据需要随时更改测试程序，以提高测试速度和效率。
3硬件系统设计
3.1单片机外围电路设计
单片机构成的应用系统有较大的可靠性，容易构成各种规模的应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。
还具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现。
在电路中采用多支可编程I/O接口与测试插座相连，由于所用插座为双排20管脚，所测试的IC芯片管脚不尽相同，而电路设计时的插座引脚一经接好就不能变动，为了保证每一芯片都能在设计好的20管脚芯片插座上进行测试，并且芯片的地端位置都相同，因此，将地端引脚固定，改变电源引脚的位置来适应不同型号的芯片。
为了保证单片机输出的信息能更有效的传送到被测IC芯片的输入端，同时还要保证单片机能因被测IC芯片的型号不同而有效更改输入输出引脚的位置，因此只有使用可编程接口芯片才能完成这一功能。
单片机的40个接口除了要与插座相连之外，还要控制键盘电路和显示器，若显示器采用并行通信方式，单片机的接口显然是不够用的，为了解决这一问题，于是就采用了LCD的串行通信方式，只需用单片机的3个接口即可控制。
具体设计方案如下。
3.1.1单片机MCS-51
MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等。
MCS-51含有丰富的硬件资源，提供灵活、高效、多方面的控制应用。
部集成有8位CPU，片振荡电路，4K字节ROM、128字节RAM、21个特殊功能寄存器，32个I/O通道、可寻址各64K的外部数据、程序存储器空间，两个16位定时器／计数器，5个中断源、两个优先级结构以及1个全双工串行接口，有专用位处理机功能，适于布尔处理。
现在分别加以说明：
·中央处理器：
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
·数据存储器（RAM）
部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
·程序存储器（ROM）：
共有4096个8位ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
·定时/计数器（ROM）：
有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
·并行输入输出（I/O）口：
共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
·全双工串行口：
置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
·中断系统：
具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串口中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
MCS-51共有4个I/O口，在本测试系统中分配如下：
1.P0.0~P0.3连接键盘，P0.4~P0.6连接LCD的控制端。
其中，P0.4接CLK，P0.5接SID，P0.6接CS。
2.P1.0~P1.7和P2.0~P2.7这16个接口连接插座，用于测试时的信号传送。
3.P3.4和P3.5通过两个P沟道MOS管接到插座其余的两个管脚，而P3.6和P3.7则直接接到这两个管脚。
P3.4~P3.7这四个接口用于控制测试芯片时电源端的切换。
4.RXD和TXD用于连接MAX232，控制串口，与PC机进行通信。
XTAL1和XTAL2连接外部时钟震荡电路。
3.1.2时钟电路的设计
单片机虽然有部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。
MCS-51的时钟产生有两种形式：
部电路震荡方式和外部时钟输入方式。
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了部振荡方式。
由于单片机部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
图中，电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。
晶振频率的典型值为11.0592MHz，采用6MHz的情况也比较多。
部振荡方式所得的时钟情号比较稳定，实用电路中使用较多。
部振荡方式的外部电路如图3-1所示。
图3-1部振荡方式
外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机。
这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。
由图可见，外部振荡信号由XTAL2引入，XTAL1接地。
为了提高输入电路的驱劝能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相门后接入XTAL2。
外部振荡方式的外部电路如图3-2所示。
图3-2外部振荡方式
该系统采用的是部震荡方式。
MCS-51中有一个用于构成部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1、C2虽没有严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容30pF+10pF，而使用陶瓷谐振器推荐电容40pF+10pF。
本文采用11.0592MHz晶振和30pF电容，在MCS-51引脚XTALl和XTAL2外接晶体和电容后，与其部高增益反相放大器一起构成了自激振荡器，在MCS-51部产生了时钟。
3.1.3复位电路的设计
无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。
而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。
许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。
单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机系统的基本复位方式有：
上电复位和手动按钮复位。
1.上电复位
一般的MCS-51的上电复位电路如图3-3所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。
对于CMOS型单片机，由于在RST端部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1µF。
上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。
在图3-3的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。
另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。
如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。
图3-3上电复位
2.手动按钮复位
手动按钮复位需要人为在RST端施加大于两个机器周期（24个振荡周期）的高电平，使单片机完成部的复位工作。
一般采用的方法是在RST端和电源Vcc之间接一个按钮。
本设计采用的是手动复位，电路如图3-4所示。
当不按按键时，电容处于充电状态，当人为地按下按键时，电容开始放电，与200欧姆的电阻组成一个RC回路，整个过程产生一个高电平脉冲，这个脉冲远大于两个机器周期，因此，人的动作再快也会使按键保持接通达数十毫秒，完全能够满足复位的时间要求。
R6是为了保证按键按下后RST端为高电平。
图3-4手动按钮复位
3.2LCD液晶显示电路的设计
3.2.1液晶显示模块的要求及选择
液晶显示模块目前很多电子设备必不可少的重要组成部分，它是实现人机对话的重要平台。
液晶显示器的种类有很多，常用的有LCD1602和LCD12864。
LCD1602功耗低、体积小、使用方便，但是只能显示数字和大小写字母，不能满足本设计要求；LCD12864显示功能强大，既能显示汉字，又能够显示图形，并且一次可显示较多汉字与图形，从这一点上讲，LCD12864非常适合本次设计。
然而，此显示器由两个半屏组成，各由一个接口控制，在交界处显示汉字及图形要单独设计，编写程序较为复杂，控制也不够方便。
在本次设计中，为了要既能比较详细的显示芯片某个门或管脚的测试结果，并且在作为电子手册查阅时更加具体地显示芯片逻辑功能，又能保证设置界面直观、操作方便，因此选择了具有汉字显示功能的液晶屏LCM12232。
它是一款带中文字库的图形点阵模块，由动态驱动方式驱动122×32点阵显示。
低功耗，供应电电压围宽。
由一整块液晶屏构成，含多功能的指令集，操作简易。
采用COB工艺制作，结构稳固，使用寿命长。
对LCM12232的模块主要硬件构成说明如下：
1.PSB脚
2.忙标志（BF）
表示当前与MPU接口电路的运行状态。
BUSY＝1表示正在处理上一次MPU发来的指令和数据，此时不再接受MPU访问。
BUSY＝0表示已经准备好接受访问。
3.中文字型产生ROM（CGROM）及半宽字型ROM（HCGROM）
LCM12232的字型产生ROM通过8192个16×16点阵的中文字型，以及个16×8点阵的西文字符，它用2个字节来提供编码选择，将要显示的字符的编码写到DDRAM上，硬件将依照编码自动从CGROM中选择将要显示的字型显示再屏幕上。
4.字型产生RAM（CGRAM）
LCM12232的字型产生RAM提供用户自定义字符生成（造字）功能，可提供4组16×16点阵的空间，用户可以将CGROM中没有的字符定义到CGRAM中。
5.显示RAM（DDRAM）
显示RAM提供64×2字节的空间，最多可以控制4行16字的中文字型显示。
当写入显示资料RAM时，可以分别显示CGROM，HCGROM及CGRAM的字型。
三种字型的选择：
1）显示半宽字型将一个字节的编码写入DDRAM中，围是02～7FH2）显示CGRAM字型将2个字节的编码写入DDRAM中，共有0000H，0002H,0004H及0006H四种编码3）显示中文字型将2字节的编码写入DDRAM中，先写高8位，后写低8位，围是A140H～D75FH（BIG5）,A1A0H～F7FFH（GB）。
6.ICONRAM（IRAM）
提供240点的ICON显示，它由15个IRAM单元组成，每个单元有16位，每写入一组IRAM时，需先写入IRAM地址，然后连续送入2个字节的数据，先高8位（D15～D8），后低8位（D7～DD）。
7.绘图RAM（GDRAM）
提供64×32个字节的空间（由扩充指令设定绘图RAM地址），最多可以控制256×64点阵的二维绘图缓冲空间，在
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