高校電子實驗數字集成電路檢測儀的設計

王秀艷　王洪凱　王秀梅

【摘 要】在高校教學中，電子技術是專業基礎課，大量理工科院校課程體系中均設置電子實驗、電子工藝實習以及電子課程設計等實踐教學環節和內容。課內電子實驗和課外科技創新活動中常常遇到IC電路芯片表面標識不清，無法識別其型號，或外觀正常但電路內部已損壞等情況。有時做了大量實驗后得不到預期數據和正確結果，有時焊接制作好電子成品但不能實現既定功能，最后查出是所選用的IC電路芯片型號錯誤，或者是芯片自身故障，耽誤了時間，降低了效率。以單片機為核心器件，搭建外圍電路，建立科學的故障模型，開發一款便攜、價廉、精準的數字集成電路的自動檢測儀器，可用于大學生電子實驗課、電子競賽、科技創新活動、課程設計、畢業設計以及電子產品裝配、電器維修、科研等其他相關領域，用途廣泛。

【關鍵詞】數字集成電路；檢測；單片機

【Abstract】Electronics technology is a basic professional course. Many universities and colleges open such contents as electronic experiments， electronic process practice and curriculum design. Students often face much inconvenience， for example， unclear IC chip label， Unrecognized mark and seemingly good but actually unusable. This leads to that even doing much work but not to get expected results， which waste much time and reduce efficiency. In order to resolve this problem， this paper use MCU as core component， construct circuit， build fault model， develop a portable， low-cost and precise and auto-detecting digital Integrated circuits， instrument. This instrument can be widely used in these fields which includes electronic experiment， electronic contest， scientific innovation， electronic product assembly， Electrical maintenance and research.

【Key words】Digital Integrated circuit（digital IC）； Detect； MCU（Single Chip Microcomputer）

世界上第一個集成電路是1958年德克薩斯儀器公司制造的，此后集成電路產業一直保持著驚人的發展速度，而數字集成電路的發展速度更快、集成度更高、規模更大。數字集成電路的應用領域日益擴大，目前已滲透到了無線通信、自動控制、計算機技術等各個領域，大到航空航天設備、醫療器械，小到計算機、數碼相機、收音機、耳麥等等，無論軍事還是民用方面，數字集成電路都發揮著舉足輕重的作用。與此同時，集成電路的老化損壞是不可避免的，其可靠性也變得尤為重要，故此，與之相應的檢測技術就成為亟待解決的問題了。

現代生活中電子產品無處不在，而集成電路是構成電子產品的核心、靈魂。集成電路在電子產品設計制作中應用越來越廣泛，各種軍用、民用、醫療電子產品制作安裝過程和售后維修中都需對集成電路進行檢測。而在高校教學中，電子技術是專業基礎課，大量理工科院校課程體系中均設置電子實驗、電子工藝實習以及電子課程設計等實踐教學環節和內容。高校學生的畢業設計和大學生科技創新活動乃至教師的科研等，最終都將利用集成電路制作出電子成品來實現自己的設計理念。故此，集成電路滲透于各個方面，無論生產實踐還是教學、科研均需涉及到集成電路檢測問題。目前，市面出售的測試儀普遍存在價格高、體積大、自動化程度低，需人工干預等缺點。測試儀價格比較昂貴，離線測試儀一般幾千到上萬元，在線測試儀和國外進口儀器價格則更高。開發一款便攜、價廉、精準的數字電路的自動檢測儀器，可用于電子類的實習及實驗教學、大學生電子競賽、科技創新活動、課程設計、畢業設計、電器維修、科研等各個領域，用途廣泛。該測試系統硬件制作成本低，性價比高，適于高校師生使用。

1 系統設計目標

以單片機為核心，設計一數字集成電路檢測儀系統，使其能對高校教學中常用的74LS系列等數字集成電路進行功能測試。無需預先輸入集成電路型號，接通電源放置好被測芯片后即可執行自動檢測并輸出檢測結果，整個檢測過程無需人工干預，其主要性能、特色如下：

（1）置入被測芯片后，無需人工輸入芯片型號，系統即可自動識別、判斷其型號；

（2）自動判定芯片性能好壞，如部分損壞，判定具體損壞情況并輸出到顯示模塊；

（3）可測芯片引腳數目20以內，型號30種以上，具備動態可擴展性。

2 系統總體方案

目前所用的測試集成電路芯片的方式主要分為在線和離線兩種方式，主要測試方法有電壓測量法、在線直流電阻普測法、電流跟蹤電壓法、在線直流電阻測量對比法、非在線數據與在線數據對比法等。本系統從數字集成電路特性和測試原理出發，建立科學合理的故障模型，搭接外圍硬件電路，建立測試平臺，用C語言編程，設計制作本數字集成電路測試儀，使其能對高校電子實驗常用的74LS系列等數字集成電路進行功能測試，系統總設計步驟分為五步。

（1）研究測試系統工作原理及數字集成電路檢測機理，根據測試目標和技術參數要求，確立總體方案；

（2）研究各待測數字集成電路工作方式和特性，制定相應故障模型，確立各模塊的具體實施方案和實施條件；

（3）建立待測元件信息庫，研究并建立測試策略，制定程序流程圖，編譯單片機程序并進行仿真調試；

（4）研究電源電路工作原理，設計電源供電模塊、顯示模塊以及外圍電路，搭建系統硬件平臺并進行測試；

（5）軟硬件綜合調試，系統統調測試后焊接、制作、完成。

3 系統設計步驟

3.1 系統硬件電路設計

測試儀硬件電路部分以51系列單片機為核心，配以液晶屏做顯示器，主要包括電源模塊、數據采集處理模塊、顯示模塊、DUT底座、開關、按鍵等，如圖1所示。

3.2 軟件編譯

選取部分高校電子實驗課程中常用的74LS系列，如74LS00、74LS08等型號的數字集成電路芯片建立待測元件信息庫，結合硬件電路接口設置情況，以C語言編寫程序，在Keil C51軟件環境中編譯、調試程序。對照待測元件信息庫中真值表，判定其邏輯錯、參數錯等信息，建立科學的故障模型，進而判定具體故障位置，主程序流程圖如圖2所示。

3.3 系統統調

利用Altium Designer軟件設計好原理圖及PCB圖，通過熱轉印法制作好印制電路板，于上位機編譯好程序后，燒錄到單片機中，將待測數字集成電路芯片放置在DUT底座中相應位置后進行測試，軟硬件結合統調。本系統無需預先輸入被測數字集成電路型號，接通測試儀電源，放置好被測芯片后即可執行自動檢測并輸出檢測結果，包括型號判斷及故障部位等信息，整個檢測過程無需人工干預。

【參考文獻】

[1]林海波，王秀艷，主編.電子工藝實訓基礎[M].中國電力出版社，2009，7.

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[4]谷樹忠，耿曉中，王秀艷，編.Altium Designer實用教程—原理圖、PCB設計與信號完整性分析[M].電子工業出版社，2015，10.

[責任編輯：湯靜]