ATE/ATS內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡介

ATE/ATS:自動(dòng)測試設(shè)備/自動(dòng)測試系統(tǒng)，也稱測試機(jī)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(shù)層面對(duì)ATE/ATS的組成及軟硬件及其接口要求進(jìn)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(jì)算機(jī)控制下，能自動(dòng)進(jìn)行各種信號(hào)測量、數(shù)據(jù)處理、傳輸，并以適當(dāng)方式顯示或輸出測試結(jié)果的系統(tǒng)稱為自動(dòng)測試系統(tǒng)，簡稱ATS（Automated Test System），這種技術(shù)我們稱之為自動(dòng)測試技術(shù)。

在自動(dòng)測試系統(tǒng)中，整個(gè)工作都是在預(yù)先編制好的測試程序統(tǒng)一指揮下完成的，系統(tǒng)中的各種儀器和設(shè)備是智能化的，都可進(jìn)行程序控制。

自動(dòng)測試系統(tǒng)（ATS）是一個(gè)不斷發(fā)展的概念，隨著各種高新技術(shù)在檢測領(lǐng)域的運(yùn)用，它不斷被賦予各種新的內(nèi)容和組織形式。自動(dòng)測試技術(shù)創(chuàng)始于20世紀(jì)50年代，從20世紀(jì)50年代至21世紀(jì)的今天，大致分為以下三代。

• 第一代自動(dòng)測試系統(tǒng)是根據(jù)測量任務(wù)專門設(shè)計(jì)的，主要用計(jì)算機(jī)技術(shù)來進(jìn)行邏輯定時(shí)控制，主要?jiǎng)幽苁沁M(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和自動(dòng)分析，完成大量重復(fù)數(shù)據(jù)的測試工作，承擔(dān)繁重的數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析任務(wù)。系統(tǒng)中的儀器采用專用接口，因此系統(tǒng)較為復(fù)雜，通用性差，不利于自動(dòng)測試系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。
• 第二代自動(dòng)測試系統(tǒng)是盡可能利用現(xiàn)成的儀器設(shè)備，再利用計(jì)算機(jī)來共同組建成所需要的自動(dòng)測試系統(tǒng)。為了系統(tǒng)組建方便，第二代自動(dòng)測試系統(tǒng)中的儀器采用了標(biāo)準(zhǔn)化的通用接口，這樣就可以把任何一個(gè)廠家生產(chǎn)的任何型號(hào)的可程控儀器連接起來形成一個(gè)自動(dòng)測試系統(tǒng)。第二代自動(dòng)測試系統(tǒng)示意圖如圖9-1所示。系統(tǒng)的典型方框圖9-2所示。

圖中表明，當(dāng)前的自動(dòng)檢測系統(tǒng)，通常包括以下幾個(gè)部分。

（1）控制器

（2）激勵(lì)信號(hào)源

（3）測量儀器

（4）開關(guān)系統(tǒng)

（5）適配器

（6）人機(jī)接口

（7）檢測程序

第三代自動(dòng)測試系統(tǒng) 大體說來，它也是由微型計(jì)算機(jī)、通用硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)三部分組成。但是，第三代自動(dòng)測試系統(tǒng)主要體現(xiàn)以軟件控制、以功能組合方式實(shí)現(xiàn)的合成儀器自動(dòng)測試技術(shù)，以高速A/D、D/A和DSP芯片為基礎(chǔ)組成通用測試儀器硬件系統(tǒng)（即通用硬件部分，結(jié)構(gòu)如圖9-3所示），而測試/測量任務(wù)的實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)升級(jí)完全依靠軟件來實(shí)現(xiàn)（即軟件系統(tǒng)部分，如圖9-4所示）。

通用測試系統(tǒng)架構(gòu)

通用化自動(dòng)測試系統(tǒng)（ATS）主要由圖1所示的三個(gè)部分組成：

• 主控計(jì)算機(jī)、 其中“主控計(jì)算機(jī)”中的軟件主要包括操作系統(tǒng)、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(guān)、通訊總線等。
• 信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)接裝置?！靶盘?hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)接裝置”主要包括各類測量與激勵(lì)控制信號(hào)的轉(zhuǎn)接與適配。

主控計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)軟件提供TP的開發(fā)與運(yùn)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(shù)據(jù)，生成測試報(bào)表。

值得一提的是，作為通用化的測試系統(tǒng)應(yīng)該具有一個(gè)開放式的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟、硬件各組成部分均進(jìn)行模塊化分割，各模塊之間應(yīng)該是通過標(biāo)準(zhǔn)接口（或協(xié)議）相互聯(lián)系。

為了保證系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造力，只需從接口上對(duì)開放式系統(tǒng)進(jìn)行定義，而不需要定義各模塊的內(nèi)部具體實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還要考慮到系統(tǒng)功能的可擴(kuò)充性和技術(shù)的可升級(jí)性。

因此，作為通用測試系統(tǒng)兩大重要組成部分的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)均需要具備靈活、開放的體系結(jié)構(gòu)與接口設(shè)計(jì)。

通用測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)

通用測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于UUT接口的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，UUT接口標(biāo)準(zhǔn)化的目的在于提供一種能夠在多個(gè)UUT之間方便轉(zhuǎn)換的硬件連接結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)通過對(duì)機(jī)械連接機(jī)構(gòu)、接插件和連接器的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定提供了可工作于寬頻帶信號(hào)范圍內(nèi)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(tǒng)提供了標(biāo)準(zhǔn)化（IEEE P1505轉(zhuǎn)接裝置接口(RFI)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)）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(guān)矩陣(SWM)接口和ATS轉(zhuǎn)接裝置(RFX)接口是ATS的重要組成部分，因?yàn)锳TS儀器和UUT是通過SWM來連接的，大多數(shù)的激勵(lì)和測量信號(hào)是通過RFX作用到UUT上的。

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

通用測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

自動(dòng)測試系統(tǒng)的軟件是TPS的重要組成部分，直接影響通用測試系統(tǒng)的性能和效率。自動(dòng)測試軟件結(jié)構(gòu)也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。如圖3所示，開放式ATS體系結(jié)構(gòu)中包含了多種標(biāo)準(zhǔn)的開放式軟件接口關(guān)系。

IEEE 1226中的測試基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)信息交換，這些帶有標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊組成了測試基礎(chǔ)框架。

但是標(biāo)準(zhǔn)并沒有定義這些模塊的實(shí)現(xiàn)，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(shí)現(xiàn)TFF。

在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天，測試工作處于各種現(xiàn)代裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的首位，是保證現(xiàn)代裝備系統(tǒng)實(shí)際性能指標(biāo)的重要手段。

代表著測試技術(shù)與儀器行業(yè)最高水平的通用ATE(自動(dòng)測試設(shè)備) /ATS(自動(dòng)測試系統(tǒng)) 技術(shù)，以商業(yè)成品設(shè)備和技術(shù)(Commercial Off The Shelf)為依托，采用開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、低廉的設(shè)備價(jià)格、有效的技術(shù)支持和最新技術(shù)的商業(yè)產(chǎn)品和技術(shù)，在電子設(shè)備的生產(chǎn)與制造行業(yè)成為降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)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(chǎn)品的質(zhì)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(duì)電路的質(zhì)量與可靠性要求進(jìn)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(jù)被測器件（DUT）特點(diǎn)和功能，給DUT提供測試激勵(lì)（X），通過測量DUT 輸出響應(yīng)（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(jù)器件類型，IC測試可以分為數(shù)字電路測試、模擬電路測試和混合電路測試。

數(shù)字電路測試是IC測試的基礎(chǔ)，除少數(shù)純模擬IC如運(yùn)算放大器、電壓比較器、模擬開關(guān)等之外，現(xiàn)代電子系統(tǒng)中使用的大部分IC都包含有數(shù)字信號(hào)。

數(shù)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(yàn)證IC是否能完成設(shè)計(jì)所預(yù)期的工作或功能。功能測試是數(shù)字電路測試的根本，它模擬IC的實(shí)際工作狀態(tài)，輸入一系列有序或隨機(jī)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(hào)是否與預(yù)期圖形數(shù)據(jù)相符，以此判別電路功能是否正常。其關(guān)注的重點(diǎn)是圖形產(chǎn)生的速率、邊沿定時(shí)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(dòng)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(xiàn)固定型（Stuckat）故障。動(dòng)態(tài)功能測試則以接近電路 工作頻率的速度進(jìn)行測試，其目的是在接近或高于器件實(shí)際工作頻率的情況下，驗(yàn)證器件的功能和性能。

功能測試一般在ATE（Automatic Test Equipment）上進(jìn)行，ATE測試可以根據(jù)器件在設(shè)計(jì)階段的模擬仿真波形，提供具有復(fù)雜時(shí)序的測試激勵(lì)，并對(duì)器件的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)的采樣、比較和判斷。

交流參數(shù)測試

交流（AC）參數(shù)測試是以時(shí)間為單位驗(yàn)證與時(shí)間相關(guān)的參數(shù)，實(shí)際上是對(duì)電路工作時(shí)的時(shí)間關(guān)系進(jìn)行測量，測量諸如工作頻率、輸入信號(hào)輸出信號(hào)隨時(shí)間的變化關(guān)系等。常見的測量參數(shù)有上升和下降時(shí)間、傳輸延遲、建立和保持時(shí)間以及存儲(chǔ)時(shí)間等。交流參數(shù)最關(guān)注的是最大測試速率和重復(fù)性能，然后為準(zhǔn)確度。

直流參數(shù)測試

直流測試是基于歐姆定律的，用來確定器件參數(shù)的穩(wěn)態(tài)測試方法。它是以電壓或電流的形式驗(yàn)證電氣參數(shù)。直流參數(shù)測試包括：接觸測試、漏電流測試、轉(zhuǎn)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(shí)主要考慮測試準(zhǔn)確度和測試效率。通過直流測試可以判明電路的質(zhì)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(zhì)量、通過轉(zhuǎn)換電平測試驗(yàn)證電路的驅(qū)動(dòng)能力和抗噪聲能力。 直流測試是IC測試的基礎(chǔ)，是檢測電路性能和可靠性的基本判別手段。

ATE測試平臺(tái)

ATE（Automatic Test Equipment）是自動(dòng)測試設(shè)備，它是一個(gè)集成電路測試系統(tǒng)，用來進(jìn)行IC測試。一般包括

• 計(jì)算機(jī)和軟件系統(tǒng)
• 系統(tǒng)總線控制系統(tǒng)
• 圖形存儲(chǔ)器
• 圖形控制器
• 定時(shí)發(fā)生器
• 精密測量單元（PMU）
• 可編程電源和測試臺(tái)等。
• 系統(tǒng)控制總線提供測試系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)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(shù)字測試系統(tǒng)的CPU。它可以提供DUT所需電源、圖形、周期和時(shí)序、驅(qū)動(dòng)電平等信息。

測試向量及其生成

測試向量（Test Vector）的一個(gè)基本定義是：測試向量是每個(gè)時(shí)鐘周期應(yīng)用于器件管腳的用于測試或者操作的邏輯1和邏輯0數(shù)據(jù)。

這一定義聽起來似乎很簡單，但在真實(shí)應(yīng)用中則復(fù)雜得多。因?yàn)檫壿?和邏輯0是由帶定時(shí)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(guān)系。

ATE測試向量

在ATE語言中，其測試向量包含了輸入激勵(lì)和預(yù)期存儲(chǔ)響應(yīng)，通過把兩者結(jié)合形成ATE 的測試圖形。

這些圖形在ATE中是通過系統(tǒng)時(shí)鐘上升和下降沿、器件管腳對(duì)建立時(shí)間和保持時(shí)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(shù)據(jù)格式波形?

圖3 NRZ和NRZI數(shù)據(jù)格式波形

RZ數(shù)據(jù)格式，在系統(tǒng)時(shí)鐘的起始時(shí)間T0，RZ測試波形保持為“0”，如果在該時(shí)鐘周期圖形存儲(chǔ)器輸出圖形數(shù)據(jù)為“1”，則在該周期的時(shí)鐘周期期間，RZ測試波形由“0”變換到“1”，時(shí)鐘結(jié)束時(shí)，RZ 測試波形回到“0”。若該時(shí)鐘周期圖形存儲(chǔ)器輸出圖形數(shù)據(jù)為“0”，則RZ測試波形一直保持為“0”，在時(shí)鐘信號(hào)周期內(nèi)不再發(fā)生變化。歸“1”格式（R1）與RZ相反。

非歸“0”（NRZ）數(shù)據(jù)格式，在系統(tǒng)時(shí)鐘起始時(shí)間T0，NRZ測試波形保持T0前的波形，根據(jù)本時(shí)鐘周期圖形文件存儲(chǔ)的圖形數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的信號(hào)沿變化。即若圖形文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為“1”，那么在相應(yīng)時(shí)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?qū)r(shí)鐘周期、時(shí)鐘前沿、時(shí)鐘后沿和采樣時(shí)間的定義，結(jié)合圖形文件中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，形成實(shí)際測試時(shí)所需的測試向量。

ATE測試向量與EDA設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)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(duì)于一些集成度高，功能復(fù)雜的IC，其向量數(shù)據(jù)龐大，一般不可能依據(jù)其邏輯關(guān)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(shè)計(jì)制造產(chǎn)業(yè)中，設(shè)計(jì)、驗(yàn)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(hào)和期望的輸出），經(jīng)過優(yōu)化和轉(zhuǎn)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(gè)Test bench仿真驗(yàn)證平臺(tái)，對(duì)其提供測試激勵(lì)，進(jìn)行仿真，驗(yàn)證仿真結(jié)果，將輸入激勵(lì)和輸出響應(yīng)存儲(chǔ)，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(tái)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(gè)雙8位雙向電平轉(zhuǎn)換器，有4個(gè)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(gè)8位緩沖器模型，用來做Test bench 與164245 之間的數(shù)據(jù)緩沖，通過 在Testbench總調(diào)用緩沖器模塊，解決Test bench與164245模型之間的數(shù)據(jù)輸入問題。

（2）Test bench的建立

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