基于差分定位算法的波形恢復技術?

顧 翼

（武漢數字工程研究所 武漢 430205）

1 引言

通道傳輸延遲時間是集成電路交流參數（時間量）測量誤差的重要貢獻分量，因此在集成電路測試過程中，所有時間量參數的測量結果準確度直接影響測試系統交流參數測量準確度［1～4］。目前比較有代表性的測試通道傳輸延遲測量技術是時域反射測量技術，該技術通過測量反射回波信號的到達時間，來計算測試通道對信號傳輸所造成的延遲時間［5～7］。因此回波信號的完整性對傳輸延遲時間測量結果判定非常重要，而實際測量過程，測試系統的邊界條件會導致測試初始階段0ns～3ns區間內的信號無法監測。如果回波信號在這段時間內已經到達，則會出現首次回波信號漏測，而第二次回波到達時間被誤認為是首次回波，導致測量結果判定出現嚴重偏差。

2 測量信號的回波丟失

數字通道傳輸延遲測量技術是利用集成電路測試系統數字通道現有的資源，由數字通道的驅動端發送測試信號，通過數字通道的傳輸路徑后到達DIB的通道末端，產生一個相位和幅度相同的反射信號。反射信號沿原路徑返回，到達數字通道的比較端，入射信號發出和接收到反射信號的時間間隔，即為該數字通道的傳輸延遲時間，數字通道完成其傳輸延遲時間的測量［8～9］。原理如圖1所示。

圖1 通道傳輸延遲測量原理圖

一般集成電路測試系統的數字通道物理長度一般不超過1m，采用2ns脈寬的脈沖信號能滿足測試要求。實驗以泰瑞達公司J750EX集成電路測試系統為平臺，對其測試通道傳輸延遲進行測量。編寫測試程序配置脈沖高電平為1.5V，測試周期200ns，脈沖寬度為2ns，脈沖起始時間198ns，回落時間200ns；通過對測試數據取點建立回波信號如圖2。

圖2 回波信號波形圖

圖中回波信號左側虛線方框內存在明顯的波形數據丟失現象，丟失的數據中可能含有首次回波甚至二次回波。數字通道傳輸延遲時域反射測量過程中，受到集成電路測試系統邊界條件的影響，會導致回波數據丟失，稱為盲區，如圖3所示。由于盲區的存在，可能導致一個完整的首次回波脈沖信號無法接收，導致測量結果誤判。

圖3 盲區示意圖

測試通道以測試周期為單位，每個單位內測試通道只能完成驅動信號或者比較測量信號功能中的一種功能，而不能在一個周期內完成兩項功能。該約束條件取決于測試通道驅動端和比較端共用同一個時間基準，如圖4所示。

一般對于一個測試脈沖信號來說最少需要2ns的信號時間才能讓脈沖信號足以升高到一定幅度，包含足夠的能力以滿足測試需要。這表示即使將測試脈沖驅動時間安排在周期尾，到進入下一個信號測量周期，也將出現至少2ns時間是無法接收信號的，也就是說盲區時間至少為2ns。如果測試脈沖的驅動時間沒有安排在周期尾，則意味著更長的盲區時間，例如：200ns的測試周期，在第196ns時間驅動脈沖，則最后4ns的時間段，測試通道比較端無法工作，盲區時間持續4ns。

圖4 數字通道驅動/比較端結構

3 差分定位算法及波形恢復

為解決上述問題，需要對測試數據進行處理。主要采用差分定位算法，可以補齊丟失的測量信號［10～15］，并從多次發生反射的信號當中提取出有用的信號進行分析得出測量結果。差分定位原理如圖5所示，分別進行兩個狀態下通道傳輸延遲的測量工作。第一個狀態為待校集成電路測試系統測試接口板處在空載，即終端開路反射狀態下，驅動端（201）在設定時刻t=t0發出測試脈沖（207），通過通道的傳輸和終端的反射，由比較端（202）監測到多次反射回來的回波信號（208），第一組回波信號（208）中兩個脈沖之間的時間間隔tPD1即為物理通道傳輸延遲值；第二個狀態為待校集成電路測試系統通過校準適配器連接延遲線，且延遲線終端也處于開路反射狀態，驅動端（201）在同樣的設定時刻t=t0發出測試脈沖（207），由比較端（202）監測到多次反射回來的第二組回波信號（210），回波信號（210）中兩個脈沖之間的時間間隔tPD1+tPD2即為第二個狀態中物理通道傳輸延遲值。

圖5 差分定位原理圖

在校準過程中，需要測得的時間是經過終端反射點第一次反射回來的回波到達時間Δt，實際上由

于各種原因，所測得的第一組反射回波的第一個脈沖不能確定地認為是經過終端反射點第一次反射回來的脈沖。通過差分定位計算，可以判斷所測得的第一組反射回波的第一個脈沖是否為所需要的第一次反射回來的脈沖。如果不是，則可計算并重構出第一次反射回來的脈沖。計算過程如圖6所示。將圖5中得到的第一組反射回波和第二次反射回波時間坐標軸對齊排列。其中第一組反射回波中的脈沖①所在的時間為t1，并且總能在第二組反射回波的各個脈沖中找到且只能找到一個脈沖，此脈沖所在的時間剛好滯后于脈沖①的時間為整數倍的tPD2，即tPD2或者2tPD2、3tPD2……。圖6中剛好找到脈沖③，其所在的時間t3滯后于t1的時間為2tPD2。此時，可以確定脈沖①和脈沖③均為各自反射回波中第二次反射脈沖。因此，脈沖①所在的時間t1-tPD1即為第一次發射脈沖⑤所在的時間t5，脈沖⑤和測試脈沖的時間間隔Δt即為被校數字通道的實際存在的通道傳輸延遲。

圖6 差分定位算法示意圖

4 實驗驗證分析

根據差分定位算法，進行波形恢復，以J750EX測試系統為實驗平臺，所運行的測試程序各項參數，脈沖起始時間 d0=-6ns，脈寬 2ns，幅度 VIH=3v。接收時間從r1=0ns開始。通過兩次測量分別取得如圖7所示的波形。

圖7中上部分波形是一號反射波，下部分波形是二號反射波。二號反射波較一號反射波增加是一段延遲為tpd2=9.7ns的同軸線，通過SMA接頭同通道連接。

由于盲區的存在不確定A點所在脈沖是不是首次回波信號脈沖。通過延長通道tpd2，二號反射波的首達脈沖比一號反射波多走一個tpd2=9.7ns。次達脈沖應該相差兩個tpd2的距離，19.4ns，以此類推……如果A點和B均為首達脈沖，則B點的時間應滯后A點大約9.7ns，而A、B點之間1.45ns的時間差表明兩點不是同一次序的脈沖。圖中A、C兩點相差19.3ns，這兩個點所在脈沖應該是次達脈沖。由此可以推出，一、二號反射波的首達脈沖分別為A點的前一個脈沖，和B點所在的脈沖。由于盲區的存在，所以圖中的第一個脈沖只能采到下降沿的那一部分，實線部分是通過計算而得到的虛擬波形。通過對比圖中的整個波形，很容易算出圖中的一號反射波的第一反射脈沖對應的0.6V參考點所在位置應該是D點所在的位置：－4.75ns。

圖7 差分定位脈沖波形圖

5 結語

本文通過差分定位算法，恢復因盲區導致反射回波信號丟失部分的波形，解決了受邊界條件影響導致測試系統數字通道傳輸延遲時間測量不準確的問題。在J750EX測試系統上進行驗證實驗，通過實驗表明差分定位算法能夠在測試系統上實現，結果基本達到預期。