ATE/ATS內部結構簡介

ATE/ATS:自動測試設備/自動測試系統，也稱測試機是測試工程師在IC測試中必須使用的工具，本文主要從技術層面對ATE/ATS的組成及軟硬件及其接口要求進行了簡明扼要的論述，以便測試工程師了解、掌握。

通常將在計算機控制下，能自動進行各種信號測量、數據處理、傳輸，并以適當方式顯示或輸出測試結果的系統稱為自動測試系統，簡稱ATS（Automated Test System），這種技術我們稱之為自動測試技術。

在自動測試系統中，整個工作都是在預先編制好的測試程序統一指揮下完成的，系統中的各種儀器和設備是智能化的，都可進行程序控制。

自動測試系統（ATS）是一個不斷發(fā)展的概念，隨著各種高新技術在檢測領域的運用，它不斷被賦予各種新的內容和組織形式。自動測試技術創(chuàng)始于20世紀50年代，從20世紀50年代至21世紀的今天，大致分為以下三代。

• 第一代自動測試系統是根據測量任務專門設計的，主要用計算機技術來進行邏輯定時控制，主要動能是進行數據自動采集和自動分析，完成大量重復數據的測試工作，承擔繁重的數據運算和分析任務。系統中的儀器采用專用接口，因此系統較為復雜，通用性差，不利于自動測試系統的推廣應用。
• 第二代自動測試系統是盡可能利用現成的儀器設備，再利用計算機來共同組建成所需要的自動測試系統。為了系統組建方便，第二代自動測試系統中的儀器采用了標準化的通用接口，這樣就可以把任何一個廠家生產的任何型號的可程控儀器連接起來形成一個自動測試系統。第二代自動測試系統示意圖如圖9-1所示。系統的典型方框圖9-2所示。

圖中表明，當前的自動檢測系統，通常包括以下幾個部分。

（1）控制器

（2）激勵信號源

（3）測量儀器

（4）開關系統

（5）適配器

（6）人機接口

（7）檢測程序

第三代自動測試系統 大體說來，它也是由微型計算機、通用硬件系統和軟件系統三部分組成。但是，第三代自動測試系統主要體現以軟件控制、以功能組合方式實現的合成儀器自動測試技術，以高速A/D、D/A和DSP芯片為基礎組成通用測試儀器硬件系統（即通用硬件部分，結構如圖9-3所示），而測試/測量任務的實現以及系統升級完全依靠軟件來實現（即軟件系統部分，如圖9-4所示）。

通用測試系統架構

通用化自動測試系統（ATS）主要由圖1所示的三個部分組成：

• 主控計算機、 其中“主控計算機”中的軟件主要包括操作系統、編譯器、測試執(zhí)行程序（TP）。
• 總線儀器測控組合、 “總線儀器測控組合”中主要包括模塊化測試測量儀器、各類控制開關、通訊總線等。
• 信號調理與轉接裝置?！靶盘栒{理與轉接裝置”主要包括各類測量與激勵控制信號的轉接與適配。

主控計算機及系統軟件提供TP的開發(fā)與運行環(huán)境，并通過控制總線控制測試測量儀器完成TP的執(zhí)行、取回測試數據，生成測試報表。

值得一提的是，作為通用化的測試系統應該具有一個開放式的結構，系統軟、硬件各組成部分均進行模塊化分割，各模塊之間應該是通過標準接口（或協議）相互聯系。

為了保證系統的靈活性，同時充分發(fā)揮設計人員的創(chuàng)造力，只需從接口上對開放式系統進行定義，而不需要定義各模塊的內部具體實現，同時還要考慮到系統功能的可擴充性和技術的可升級性。

因此，作為通用測試系統兩大重要組成部分的硬件系統和軟件系統均需要具備靈活、開放的體系結構與接口設計。

通用測試系統硬件架構

通用測試系統硬件設計的關鍵在于UUT接口的標準化設計，UUT接口標準化的目的在于提供一種能夠在多個UUT之間方便轉換的硬件連接結構。

這種結構通過對機械連接機構、接插件和連接器的標準化規(guī)定提供了可工作于寬頻帶信號范圍內的接口連接方式。

為采用VME總線、VXI總線、PCI總線、PXI總線儀器的通用測試系統提供了標準化（IEEE P1505轉接裝置接口(RFI)系統標準）的有力支撐。

圖2是通用化硬件組成及接口原理示意框圖。其中：開關矩陣(SWM)接口和ATS轉接裝置(RFX)接口是ATS的重要組成部分，因為ATS儀器和UUT是通過SWM來連接的，大多數的激勵和測量信號是通過RFX作用到UUT上的。

標準RFX接口限制了不同類型信號在接收器的不同位置上出現，SWM可實現多種儀器與由標準RFX接口所確定的多功能終端的連接。SWM接口與RFX的標準化提高了互操作性，并降低了重組費用，可以確保測試UUT所需要ATS儀器能被切換到轉接裝置所需要的任何管腳。

通用測試系統軟件架構

自動測試系統的軟件是TPS的重要組成部分，直接影響通用測試系統的性能和效率。自動測試軟件結構也有相應的標準。如圖3所示，開放式ATS體系結構中包含了多種標準的開放式軟件接口關系。

IEEE 1226中的測試基礎框架（TFF）定義了開發(fā)和執(zhí)行測試程序和測試流程的一系列接口，軟件功能模塊通過這些接口實現信息交換，這些帶有標準接口的功能模塊組成了測試基礎框架。

但是標準并沒有定義這些模塊的實現，留給開發(fā)者很大的自由度，使之可以用C/C++或ATLAS等語言實現TFF。

在科學技術高度發(fā)展的今天，測試工作處于各種現代裝備系統設計和制造的首位，是保證現代裝備系統實際性能指標的重要手段。

代表著測試技術與儀器行業(yè)最高水平的通用ATE(自動測試設備) /ATS(自動測試系統) 技術，以商業(yè)成品設備和技術(Commercial Off The Shelf)為依托，采用開放的工業(yè)標準、低廉的設備價格、有效的技術支持和最新技術的商業(yè)產品和技術，在電子設備的生產與制造行業(yè)成為降低生產成本、提高生產效率的重要手段。

IC測試基本原理與ATE測試向量生成

IC測試主要的目的是將合格的芯片與不合格的芯片區(qū)分開，保證產品的質量與可靠性。隨著集成電路的飛速發(fā)展，其規(guī)模越來越大，對電路的質量與可靠性要求進一步提高，集成電路的測試方法也變得越來越困難。

因此，研究和發(fā)展IC測試，有著重要的意義。而測試向量作為IC測試中的重要部分，研究其生成方法也日漸重要。

IC 測試

IC測試原理

IC 測試是指依據被測器件（DUT）特點和功能，給DUT提供測試激勵（X），通過測量DUT 輸出響應（Y）與期望輸出做比較，從而判斷DUT是否符合格。圖1所示為IC測試的基本原理模型。

根據器件類型，IC測試可以分為數字電路測試、模擬電路測試和混合電路測試。

數字電路測試是IC測試的基礎，除少數純模擬IC如運算放大器、電壓比較器、模擬開關等之外，現代電子系統中使用的大部分IC都包含有數字信號。

數字IC 測試一般有直流測試、交流測試和功能測試。

功能測試

功能測試用于驗證IC是否能完成設計所預期的工作或功能。功能測試是數字電路測試的根本，它模擬IC的實際工作狀態(tài)，輸入一系列有序或隨機組合的測試圖形，以電路規(guī)定的速率作用于被測器件，再在電路輸出端檢測輸出信號是否與預期圖形數據相符，以此判別電路功能是否正常。其關注的重點是圖形產生的速率、邊沿定時控制、輸入/輸出控制及屏蔽選擇等。

功能測試分靜態(tài)功能測試和動態(tài)功能測試。靜態(tài)功能測試一般是按真值表的方法，發(fā)現固定型（Stuckat）故障。動態(tài)功能測試則以接近電路 工作頻率的速度進行測試，其目的是在接近或高于器件實際工作頻率的情況下，驗證器件的功能和性能。

功能測試一般在ATE（Automatic Test Equipment）上進行，ATE測試可以根據器件在設計階段的模擬仿真波形，提供具有復雜時序的測試激勵，并對器件的輸出進行實時的采樣、比較和判斷。

交流參數測試

交流（AC）參數測試是以時間為單位驗證與時間相關的參數，實際上是對電路工作時的時間關系進行測量，測量諸如工作頻率、輸入信號輸出信號隨時間的變化關系等。常見的測量參數有上升和下降時間、傳輸延遲、建立和保持時間以及存儲時間等。交流參數最關注的是最大測試速率和重復性能，然后為準確度。

直流參數測試

直流測試是基于歐姆定律的，用來確定器件參數的穩(wěn)態(tài)測試方法。它是以電壓或電流的形式驗證電氣參數。直流參數測試包括：接觸測試、漏電流測試、轉換電平測試、輸出電平測試、電源消耗測試等。 直流測試常用的測試方法有加壓測流（FVMI）和加流測壓（FIMV），測試時主要考慮測試準確度和測試效率。通過直流測試可以判明電路的質量。如通過接觸測試判別IC引腳的開路/短路情況、通過漏電測試可以從某方面反映電路的工藝質量、通過轉換電平測試驗證電路的驅動能力和抗噪聲能力。 直流測試是IC測試的基礎，是檢測電路性能和可靠性的基本判別手段。

ATE測試平臺

ATE（Automatic Test Equipment）是自動測試設備，它是一個集成電路測試系統，用來進行IC測試。一般包括

• 計算機和軟件系統
• 系統總線控制系統
• 圖形存儲器
• 圖形控制器
• 定時發(fā)生器
• 精密測量單元（PMU）
• 可編程電源和測試臺等。
• 系統控制總線提供測試系統與計算機接口卡的連接。
• 圖形控制器用來控制測試圖形的順序流向，是數字測試系統的CPU。它可以提供DUT所需電源、圖形、周期和時序、驅動電平等信息。

測試向量及其生成

測試向量（Test Vector）的一個基本定義是：測試向量是每個時鐘周期應用于器件管腳的用于測試或者操作的邏輯1和邏輯0數據。

這一定義聽起來似乎很簡單，但在真實應用中則復雜得多。因為邏輯1和邏輯0是由帶定時特性和電平特性的波形代表的，與波形形狀、脈沖寬度、脈沖邊緣或斜率以及上升沿 和下降沿的位置都有關系。

ATE測試向量

在ATE語言中，其測試向量包含了輸入激勵和預期存儲響應，通過把兩者結合形成ATE 的測試圖形。

這些圖形在ATE中是通過系統時鐘上升和下降沿、器件管腳對建立時間和保持時間的要求和一定的格式化方式來表示的。

格式化方式一般有RZ（歸零）、RO（歸1）、NRZ（非歸零）和NRZI（非歸零反）等。

圖2為RZ和R1格式化波形，圖3為NRZ和NRZI格式化波形。

圖2 RZ和R1數據格式波形?

圖3 NRZ和NRZI數據格式波形

RZ數據格式，在系統時鐘的起始時間T0，RZ測試波形保持為“0”，如果在該時鐘周期圖形存儲器輸出圖形數據為“1”，則在該周期的時鐘周期期間，RZ測試波形由“0”變換到“1”，時鐘結束時，RZ 測試波形回到“0”。若該時鐘周期圖形存儲器輸出圖形數據為“0”，則RZ測試波形一直保持為“0”，在時鐘信號周期內不再發(fā)生變化。歸“1”格式（R1）與RZ相反。

非歸“0”（NRZ）數據格式，在系統時鐘起始時間T0，NRZ測試波形保持T0前的波形，根據本時鐘周期圖形文件存儲的圖形數據在時鐘的信號沿變化。即若圖形文件存儲數據為“1”，那么在相應時鐘邊沿，波形則變化為“1”。NRZI波形是NRZ波形的反相。

在ATE中，通過測試程序對時鐘周期、時鐘前沿、時鐘后沿和采樣時間的定義，結合圖形文件中存儲的數據，形成實際測試時所需的測試向量。

ATE測試向量與EDA設計仿真向量不同，而且不同的ATE，其向量格式也不盡相同。以JC-3165型ATE為例，其向量格式如圖4所示。

ATE向量信息以一定格式的文件保存，JC-3165向量文件為

.MDC文件。在ATE測試中，需將

.MDC文件通過圖形文件編譯器，編譯成測試程序可識別的*.MPD文件。在測試程序中，通過裝載圖形命令裝載到程序中。

ATE測試向量的生成

對簡單的集成電路，如門電路，其ATE測試向量一般可以按照ATE向量格式手工完成。而對于一些集成度高，功能復雜的IC，其向量數據龐大，一般不可能依據其邏輯關系直接寫出所需測試向量，因此，有必要探尋一種方便可行的方法，完成ATE向量的生成。

在IC設計制造產業(yè)中，設計、驗證和仿真是不可分離的。其ATE 測試向量生成的一種方法是，從基于EDA工具的仿真向量（包含輸入信號和期望的輸出），經過優(yōu)化和轉換，形成ATE格式的測試向量。

依此，可以建立一種向量生成方法。利用EDA工具建立器件模型，通過建立一個Test bench仿真驗證平臺，對其提供測試激勵，進行仿真，驗證仿真結果，將輸入激勵和輸出響應存儲，按照ATE向量格式，生成ATE向量文件。其原理如圖5所示。

測試平臺的建立

（1）DUT模型的建立

?① 164245模型：在Modelsim工具下用Verilog HDL語言[5]，建立164245模型。164245是一個雙8位雙向電平轉換器，有4個輸入控制端：1DIR，1OE，2DIR，2OE；4組8位雙向端口：1A，1B，2A，2B。端口列表如下：

?② 緩沖器模型：建立一個8位緩沖器模型，用來做Test bench 與164245 之間的數據緩沖，通過 在Testbench總調用緩沖器模塊，解決Test bench與164245模型之間的數據輸入問題。

（2）Test bench的建立

依據器件功能，建立Test bench平臺，用來輸入仿真向量。Test bench中變量定義：