混合邊界掃描典型元件的特性試驗(yàn)

1、混合邊界掃描典型元件的特性試驗(yàn)    1引言用于混合信號(hào)邊界掃描的IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)提出后，針對(duì)模擬電路的邊界掃描技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。然而，由于支持IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的芯片很少，因此，在電子功能模件可測性設(shè)計(jì)中展示的成功示例不多。考慮很多文獻(xiàn)在介紹IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)時(shí)都已提到NationalSemiconductor公司于2004年研發(fā)的元件STA400，但具體工作過程和應(yīng)用結(jié)果卻鮮見報(bào)道。為此，本文將對(duì)這種元件進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，指出其工作原理、操作方式、試驗(yàn)電路和1 引言用于混合信號(hào)邊界掃描的IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)提出后

2、，針對(duì)模擬電路的邊界掃描技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。然而，由于支持IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的芯片很少，因此，在電子功能模件可測性設(shè)計(jì)中展示的成功示例不多。考慮很多文獻(xiàn)在介紹IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)時(shí)都已提到National Semiconductor公司于2004年研發(fā)的元件STA400，但具體工作過程和應(yīng)用結(jié)果卻鮮見報(bào)道。為此，本文將對(duì)這種元件進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，指出其工作原理、操作方式、試驗(yàn)電路和測試結(jié)果，力求為讀者在可測性設(shè)計(jì)過程中實(shí)際應(yīng)用混合信號(hào)邊界掃描技術(shù)提供確有價(jià)值的參考。2 混合邊界掃描測試的操作原理TAP)和數(shù)字邊界模塊(DBM)。同時(shí)，又在此基礎(chǔ)上為模擬電路測試提供了施加激

3、勵(lì)和監(jiān)測響應(yīng)的通道，增加了模擬測試訪問接口(ATAP)、測試總線接口電路(TBIC)、內(nèi)部模擬測試總線(AB1、AB2)和模擬邊界掃描模塊(ABM)。如圖1所示，在支持IEEE1149.4的芯片功能結(jié)構(gòu)中，AT1可以作為施加激勵(lì)信號(hào)(電壓/電流)的入口，而AT2則可作為測量響應(yīng)(電壓/電流)的出口。圖1 支持IEEE1149.4的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)從芯片內(nèi)部看，TBIC負(fù)責(zé)將AT1端的激勵(lì)信號(hào)送往內(nèi)部測試總線AB1，將AB2采集的測試響應(yīng)送回AT2；至于激勵(lì)信號(hào)到底送往被測電路的哪個(gè)引腳、其響應(yīng)到底來自哪個(gè)引腳，則由ABM中內(nèi)部開關(guān)的連接狀態(tài)決定。TAP控制器通過邊界掃描鏈路將控制這些內(nèi)部開關(guān)的控制

4、矢量移入控制寄存器BRC，從而可以利用JTAG接口操作內(nèi)部開關(guān)，建立模擬測試總線與測試節(jié)點(diǎn)之間的通路。如圖2所示，ABM中的內(nèi)部開關(guān)SB1和SB2使模擬測試總線AB1或AB2可與器件中任一模擬功能引腳相連。內(nèi)部開關(guān)SD可以隔離內(nèi)核功能電路。SG可將模擬功能引腳連接到參考電位VG。SH、SL提供VH、VL兩種邏輯電平，VTH作為閾值電平，用來檢測引腳的邏輯電平特性，從而使簡單互連測試中橋接、短路或斷路的故障診斷，可以通過數(shù)字信號(hào)的測試方式，更為簡便地實(shí)現(xiàn)。圖2 ABM與TBIC的開關(guān)矩陣為了控制ABM的開關(guān)矩陣，IEEE1149.4將ABM中六個(gè)內(nèi)部開關(guān)的通斷狀態(tài)排列組合，歸納總結(jié)成20種（P0

5、P19）模式。ABM單元的這些模式與開關(guān)矩陣中開關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。表1 ABM的開關(guān)模式這里，在P0模式作用下引腳與內(nèi)核功能和測試電路都完全隔離；在P1P5模式下功能引腳與內(nèi)核功能隔離，但芯片引腳與內(nèi)部測試總線相通，這些模式主要用于擴(kuò)展互連測試；P6P7模式用于測量參考電位；P8、P12模式在簡單互連測試中連接邏輯值；P9P11以及P13P15模式用在模擬測試中測量VH和VL的參數(shù)；P16是正常工作模式，引腳只與內(nèi)核功能相接；P17P19是在PROBE和INTEST指令中的測試條件。TBIC模擬開關(guān)矩陣包括10個(gè)開關(guān)，工作模式和開關(guān)狀態(tài)之間的具體關(guān)系如表2所示。表2 TBIC的模式的

6、開關(guān)模式P0是正常工作模式，此刻內(nèi)部測試總線與外部測試總線斷開；為了抑制噪聲，內(nèi)部測試總線與Vclamp相連；P1P3是主要測試模式，這時(shí)外部測試總線與內(nèi)部測試總線連接起來；P4P7主要用于簡單互連測試，此時(shí)內(nèi)部測試總線與外部測試總線完全斷開，處于噪聲抑制狀態(tài)；P8P9模式可進(jìn)行測試總線的特性測量，即使AT1和AT2在內(nèi)部相通。3 邊界掃描典型元件及其應(yīng)用方式STA400是NS公司生產(chǎn)的一種支持IEEE1149.4標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描電子元件，其內(nèi)核功能為雙二選一（或單四選一）的模擬通道選擇器，內(nèi)部功能如圖3所示。這是一種20引腳的TSSOP封裝芯片，包含11個(gè)ABM模塊和1個(gè)TBIC，能夠提供多個(gè)

7、用于模擬量測試的“虛擬探針”。圖3 STA400芯片內(nèi)部框圖依據(jù)STA400的 BSDL文件，可知其內(nèi)部沒有器件標(biāo)識(shí)寄存器，指令寄存器為20位。共48位BSC依次排列構(gòu)成邊界掃描鏈，用以控制其ABM和TBIC中內(nèi)部開關(guān)的動(dòng)作。其中BSC0距TDO最近，距TDI最遠(yuǎn)。這里將BSDL文件中有關(guān)指令代碼和BSC配置的主要信息歸納如下，以供編程時(shí)參考。表3 STA400指令格式表4 BSDL文件摘錄4 典型應(yīng)用方式分析可測性設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于建立合理的測點(diǎn)，提供對(duì)電路進(jìn)行測試的能力，且不影響正常的工作?，F(xiàn)以圖4所示的典型數(shù)據(jù)采集器測試通道作為示例，其前置電路可為濾波、放大電路，后置電路可為A/D轉(zhuǎn)換電路。

8、根據(jù)可測性要求插入通道開關(guān)，以便能夠在必要時(shí)切斷前、后電路的相互影響，通過外加條件來測試前、后電路的工作情況。這里，利用STA400的內(nèi)核通道開關(guān)輸出A01連接后置電路，而用其輸入A1和A0分別連接前置電路和測試基準(zhǔn)信號(hào)。這樣，就可利用通道開關(guān)，將后置電路（A/D轉(zhuǎn)換器）的輸入切換到標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)，從而不必依賴前置電路（系統(tǒng)輸入通道）的好壞，均能實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)A/D轉(zhuǎn)換器的目的。圖4 模擬邊界掃描被測設(shè)計(jì)電路同時(shí)，利用STA400的模擬信號(hào)邊界掃描功能，還可直接了解數(shù)據(jù)采集器前向通道的工作狀態(tài)。即在PROBE指令作用下由AT2直接測取引腳A1所連電路處的實(shí)際信號(hào)（此刻數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)可以正常工作），也可

9、在EXTEST指令作用下切斷芯片內(nèi)核功能，在芯片測試狀態(tài)同樣通過AT2測取引腳A1所連前置電路的實(shí)際信號(hào)。另外，為了觀察后置通道A/D轉(zhuǎn)換器的工作狀況，可以通過EXTEST指令的作用將AT1施加的測試激勵(lì)信號(hào)加到芯片引腳A01處。上述分析表明，采用諸如STA400的典型邊界掃描元件確實(shí)能夠構(gòu)建頗為理想的虛擬測點(diǎn)，提高電子產(chǎn)品的可測性水平。但也同時(shí)帶來問題，那就是增設(shè)的通道開關(guān)特性是否能夠滿足原系統(tǒng)的性能要求？模擬開關(guān)的等效電阻有多大？是否會(huì)改變系統(tǒng)輸入信號(hào)的電壓？當(dāng)系統(tǒng)輸入為交流信號(hào)時(shí)，可用的帶寬有何限制？采用模擬邊界掃描時(shí)STA400的ABM和BTIC內(nèi)部開關(guān)特性有何影響？其等效電阻是多少？

10、幅頻特性和相頻特性如何？顯然，上述問題直接關(guān)系邊界掃描元件的實(shí)際應(yīng)用，也是開展可測性設(shè)計(jì)工作無法回避的問題。為此，本文將在下面部分通過實(shí)際試驗(yàn)工作的總結(jié)分析，來具體回答這些問題。5 工作特性的試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)工作分元件的內(nèi)核功能、邊界掃描完備性、引腳到AT2和AT1到引腳的模擬通道能力等幾個(gè)方面分別進(jìn)行。為了測試元件內(nèi)核功能中的模擬開關(guān)特性，確定其導(dǎo)通時(shí)的等效電阻，可設(shè)置芯片的控制信號(hào)C0=0、C1=0、Mode=1、CE=1、CEI=0。然后分別改變連接在后置電路處的負(fù)載電阻和從引腳A0處的輸入電壓，測取引腳A01處的輸出電壓，從而可以算出不同電壓和電流條件下通道開關(guān)的等效導(dǎo)通電阻。具體試驗(yàn)的結(jié)

11、果如表5所示。表5 STA400內(nèi)核開關(guān)的等效電阻試驗(yàn)結(jié)果可見開關(guān)通道導(dǎo)通時(shí)的等效電阻很小，故用此開關(guān)作為數(shù)據(jù)采集器通道時(shí)，只要后置電路的輸入阻抗在k以上，便可得到滿意的通道特性。為了進(jìn)一步觀察開關(guān)通道的頻率響應(yīng)，可將直流輸入信號(hào)換成可變頻率的正弦波，并在幅值=2V、負(fù)載電阻=10k的條件下觀測輸出信號(hào)的波形，并得出如圖5所示的頻率特性實(shí)測曲線。圖5 STA400模擬開關(guān)通道的頻率特性試驗(yàn)結(jié)果表明：STA400的模擬通道帶寬可達(dá)10MHz以上，遠(yuǎn)高于普通模擬開關(guān)芯片。如CD4051在相同條件下的等效電阻約為300以上，在1MHz頻率下幅值衰減超過-3dB，滯后相角約為20度。為了確保STA40

12、0的模擬邊界掃描功能，應(yīng)首先進(jìn)行完備性測試來驗(yàn)證芯片本身邊界掃描的基本功能。由于STA400不支持IDCODE指令，可通過TDI輸入 BYPASS指令后，從TDI移入數(shù)據(jù)，并從TDO觀察輸出以判斷該芯片的邊界掃描基本功能。實(shí)際性能測試可從輸入PRELOAD指令開始；再將引腳A1的ABM內(nèi)部開關(guān)工作模式設(shè)為P1，也將TBIC的內(nèi)部開關(guān)工作模式設(shè)成P1，并把由此形成的控制矢量作為數(shù)據(jù)串行輸入到邊界掃描單元中；然后通過施加EXTEST（或PROBE）指令使其控制內(nèi)部開關(guān)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，從而在引腳A1-AB2-AT2之間形成信號(hào)通道。在此基礎(chǔ)上通過對(duì)引腳A1施加直流信號(hào)，并分別改變所加輸入電壓和連接到

13、AT2處的負(fù)載電阻（一端接地），從而算出不同電壓和電流條件下模擬邊界掃描內(nèi)部開關(guān)的等效導(dǎo)通電阻。具體試驗(yàn)的主要結(jié)果如表6所示，可見等效電阻大于先前芯片內(nèi)核開關(guān)電路的等效電阻。表6 STA400邊界掃描內(nèi)部開關(guān)的等效電阻試驗(yàn)上述測試結(jié)果為A1-AB2-AT2通道上兩個(gè)模擬開關(guān)的內(nèi)阻串聯(lián)值。將所加直流電壓換成正弦信號(hào)，并通過逐次改變頻率和幅值后對(duì)比輸出響應(yīng)，計(jì)算出通道的幅頻和相頻特性（如圖6所示）。圖6 STA400邊界掃描模擬測試通道的頻率特性同理，為了觀察引腳AT1-AB1-A01之間形成的激勵(lì)通道特性，可先加載PRELOAD指令；再將引腳A01處的ABM配置為P2，TBIC配置成P2，形成控

14、制矢量串行輸入；然后施加EXTEST指令控制內(nèi)部開關(guān)動(dòng)作。測試AT1-AB1-A01通路兩個(gè)模擬開關(guān)內(nèi)阻串聯(lián)值也在1k到2k之間，最終測得的頻率響應(yīng)也與圖6曲線相似，不再贅述。6 結(jié)論本文所述針對(duì)STA400的實(shí)測結(jié)果表明：其內(nèi)核開關(guān)性能優(yōu)越，可廣泛用于電子電路可測性設(shè)計(jì)中信號(hào)通道要求串接開關(guān)的多種場合。同時(shí)，也應(yīng)充分發(fā)揮芯片支持的IEEE1149.4混合邊界掃描功能。其可加載（監(jiān)控）的直流電壓為-0.4V5V，允許工作電流為500uA，交流信號(hào)的幅頻帶寬可達(dá)1MHz以上，相移3度以下的頻段也在30kHz以上。這樣，可用芯片內(nèi)核開關(guān)為數(shù)采系統(tǒng)建立可切換的校準(zhǔn)功能通道；而以芯片所有通道引腳作為虛擬測點(diǎn)，通過邊界掃描的簡便操作方式，提供滿足混合信號(hào)電子電路可測性設(shè)計(jì)要求的故障診斷測試通道。參考文獻(xiàn)1 IEEE Std 1149.1-2001, IEEE Standard Test Access Port and Boundary-Scan Architecture. New York, USA, 20002 IEEE Std