邢泽全

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000）

1 引言

随着科技发展，半导体工艺水平不断精进，芯片的尺寸越来越小，从而导致器件对单粒子效应更为敏感[1-3]。单粒子效应是由于空间带电粒子穿过时与器件材料发生互相作用而产生电子-空穴对所引发的，包括单粒子翻转（SEU）、单粒子闩锁（SEL）等等[4-8]。目前对单粒子效应的测试都是采用在地面模拟空间环境，用重离子轰击器件的方法。其中以单粒子翻转效应的测试条件最为苛刻，需要真空环境，而每次抽真空需要很长的时间。因此需要单粒子翻转试验系统具备多器件轮流工作、同时可以检测每一只器件的翻转次数的能力。由于每款器件的工作方式、输入激励、输出模式都不相同，在传统的设计中，每款器件都要单独设计一套单粒子翻转辐照试验系统，这就导致在试验过程中需要解决各个器件的电路连接调试以及拆装等问题，严重影响试验效率。针对这一问题，在此设计一种通用的数字电路测试系统，一次拆装可进行3款器件、9只芯片（每款3只）的单粒子翻转试验。基于本系统，只需改动FPGA程序即可方便地开发新器件的试验程序。

2 系统方案设计

2.1 试验环境

因单粒子翻转辐射源的特殊要求，试验靶室内需要真空环境，并通过特定接口将电源与信号引出，由试验人员在观察室远程监控试验情况。具体实验环境布置如图1所示。

图1 单粒子翻转试验环境

2.2 方案设计

2.2.1 接口设计

真空靶室内能够固定试验板的面积有限，按照实际经验，同时安装3种器件的试验板进行试验时，位置分配比较合理。试验板与外部通信需要经过转接线连接。真空靶室对外部的转接线的现有接口类型和数量如表1所示。

表1 真空靶室对外接口

试验过程中，接线调试需要耗费大量时间。为了提高效率，采用1根DB50线来连接试验板与外部监控板。DB50线缆实物图片如图2所示。因同时有3块试验板，须为每块试验板分配2根网线，再将6根网线通过集线转接板合并为DB50接口线。集线转接板实物图片如图3所示。

图2 DB50连接线实物图

图3 集线转接板实物图

2.2.2 试验方案

单粒子翻转测试方法主要有四种：静态偏置测试法、黄金芯片比较法、准黄金芯片比较法和松散式耦合系统法。对于输入信号并不复杂的数字电路而言，最常用的方法是黄金芯片法。它采用动态测试，有效避免了在真空环境中建立一套测试仪的麻烦。测试系统中，两只相同器件被给予同步的输入信号，一只器件被辐照，另一只（黄金芯片）避开辐照，用来和被辐照器件进行比较。当两者输出信号不一致时，则认为发生了单粒子翻转现象。

单粒子翻转试验系统框图如图4所示。控制器为被辐照器件和对比器件提供同步的输入信号，同时对两组输出信号进行对比，对比结果与输出波形通过集线器传输到监控板上。监控板对波形与翻转情况进行采集，将结果通过串口发送至上位机。上位机同时连接电源、示波器、万用表。试验人员在监控室通过远程控制对器件的工作电流、输出波形与翻转次数进行监测。

图4 单粒子翻转试验系统

3 硬件设计

3.1 监控板设计

试验系统监控板位于真空靶室外部，板载一个JTAG下载口、两路电源接口、一个DB9串口和一个DB50线缆接口。其中DB50线缆接口与内部集线转接板相连。监控板实物图片如图5所示。

图5 监控板实物图

监控板的电源接口，一路为待测器件单独供电，可通过试验板上继电器在3只待测器件间切换；另一路为所有外围电路供电，包括监控板与试验板上除待测电路外的电路。电源部分采用LMZ12003与AMS1117来得到稳定的5V、3.3V电压。使用16个单刀双置继电器来实现3块试验板间6路网线的切换，原理图如图6所示。

图6 继电器切换网线原理图

监控板使用ARM作为主控制器，通过串口实现上位机与试验板之间的通信：负责网线的切换，将上位机的指令传给试验板，并将试验板返回的数据传给上位机。

3.2 试验板设计

试验板安装在真空靶室内，通过2路网线与集线转接板相连，板载一个JTAG下载口、一个USB_BLASTER下载口、一组80针插座。电源部分同样采用LMZ12003与AMS1117，控制器选用STM32+Altera CycloneⅣ系列FPGA的组合。FPGA的PLL可为器件提供同步的输入信号，同时对需要比较的两组输出信号设计翻转比较逻辑。当发生翻转时，指定一个I/O输出一次高电平，将翻转的波形连同被测器件的波形一同传输给监控板；同时STM32将翻转次数详情通过串口发送给监控板。试验板与监控板间DB50线缆较长，因此使用SN65LVDS3486、3487增强驱动能力。试验板实物图片如图7所示。

图7 试验板实物图

3.3 子板设计

子板通过80针插座与试验板连接，除电源、地外，其余通道都是数字I/O，可方便地为器件提供时钟与电平信号。其中的一种型号子板如图8所示。

图8 一种子板实物图

子板设计简单、开发便捷，可满足各类数字电路试验需求，只需要适配相应的FPGA程序即可。

4 软件设计

单粒子翻转试验系统软件由两部分组成。监控板部分的软件负责识别上位机发送的指令，判断是否需要切换试验板，如不需要，则将该指令发送给试验板，同时将试验板返回的数据信息发送给上位机；试验板部分的软件识别从监控板发来的指令，判断是否需要切换器件，同时将单粒子翻转数据信息发送回试验板。软件总体设计流程如图9所示。

图9 软件总体流程图

上位机软件则由5部分组成：

1）万用表软件：监测被测器件电源电流，数据可保存为Excel格式。

2）电源软件：配置电源电压、限流大小等相关参数。

3）示波器软件：监测器件输出波形与翻转计数波形。

4）串口软件：发送指令、接收数据。

5）屏幕录制软件：录制电脑桌面全部信息。

5 结束语

在单粒子翻转试验过程中，试验效率的提升有助于节约大量时间成本。研究从单粒子翻转试验需求出发，完成了通用数字电路单粒子翻转试验系统的新设计。该系统在实际应用中已适配多种数字电路，体现出其拆装简单、使用便捷的特点，能够有效地缩短系统开发周期，提高试验效率。