數字信號處理技術在故障檢測和定位中的應用

劉芳

摘要：基于對采樣電流或電壓的數字信號處理技術，提出了一種檢測和定位故障和缺陷的測試方法，該方法可應用于具有顯著靜止電流的技術，也是一種尋找準塑性電阻接點的簡單方法，并探討了該方法在故障原因診斷方面的應用潛力。

關鍵詞：故障檢測;數字信號;診斷

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.01.089

1引言

本文的主要研究目的是縮短投放市場的時間，因為這一點對集成電路制造商至關重要，由于測試已經成為整個過程中的一個主要任務，為實現這個目標，提出了合適的測試策略。

目前，已經有很多關于測試方法的研究，這些方法大多是為了故障檢測而開發的，也就是說，測試一個給定的電路是否是可測電路，其中很多方法是用于定位或診斷失敗原因的。故障檢測是生產測試中最急需解決的問題，同時，定位或檢測到故障的原因也是很關鍵的，因為同樣可以縮短新產品投放市場的時間。的確，有助于識別那些需要設計或過程改變的不可接受的低收益率電路的主要產量流，特別是在產品開發的早期階段。可促進激光切割和焊接技術的使用，進而對原型做進一步的優化。包括容錯機制在內的電路是故障定位的另一個要求。

同時，也有很多關于診斷方法的研究，如基于電壓輸出值的診斷法，這些方法都存在電壓測試無法檢測（也就無法診斷）到某些故障的問題。還有一些方法是電流測試法，這些方法進適用于靜止電流小的技術。

本文的目的是提出一種能夠檢測和定位故障和缺陷的測試方式。該方法是基于對采樣電流或電壓的數字信號處理技術，可應用于靜態電流。本項研究由以下幾部分組成：（1）描述了該方法的理論基礎;（2）概述了該方法的檢測能力;（3）探索其故障定位和診斷的潛力;（4）介紹了該方法的可行性;（5）結論。

2方法

該方法的理論基礎如下：

（1）通過給定的敏感傳遞路徑，刺激的傳遞包括至少一次躍遷（0-1或1-0）;

（2）對輸出信號、輸出電流或輸出電壓，每小時進行一次取樣;

（3）用信號處理對數字化轉換后的樣品進行分析。

這個方法主要是使給定的路徑變得敏感，以刺激缺陷并使其消耗能量或停止傳遞。在停止傳遞時，產生顯著功耗的缺陷會改變供電電流波形，從而影響電壓輸出。為了檢測和定位故障和缺陷，將使用輸出信號中存在或不存在的轉換，比如波形變化。在故障檢測和故障診斷方面的過渡刺激的潛力，已經在電壓輸出測試法中得到了認可。結果顯示過渡也是當前測試環境下的良好刺激。

輸出信號的過度采樣，可以從這些信號波形中提取更多的信息。這種提取是通過對輸出信號的頻譜進行一些信號處理來估計的。不同類型的分析導致頻譜估計。在本項研究中，采用一個8點快速傅里葉變換法（FFT）進行頻譜估計，可以檢測到因故障或缺陷引起的顯著波形變化，甚至，僅僅是頻譜的一小部分（DC，第一次諧波）都可以檢測到。迄今為止，該分析法比其他任何信息提取方法都簡單。

在本文中，通過一般輸入向量創建的轉換。此外，探討了該方法的定位潛力及其在消費技術上的適用性。本文也減少了快速傅里葉變換法有效樣本的數量，從16減少到了8。

3檢測

文中的所有結果，包括FFTs，都是通過HSPICE仿真獲得的，FFTs是在一個40ns區間（不允許穩定時間）內進行評估的，繼電器觸點的寄生電容是采用電阻建立模型的。

3.1橋接

信號和電線接地端（GND）之間的橋接會導致固定0故障時，往往會將電路轉換成電流電壓轉換器。

事實上，信號和電線接地端之間的寄生橋接，很容易檢測到大量的值，即使這些值不會導致固定0故障，因此，在邏輯輸出值的基礎上，進行故障檢測存在困難。

對信號和數字電源（VDD）之間的寄生橋接，按電流分量振幅計算的結果，與上一組與GND橋接的結果相似。

其他模型結果顯示，非VDD或GND信號之間的寄生電阻橋接點，也可以在很大范圍內檢測到。比如，在接點15和19之間，或者10和14之間的橋接點。只需要兩個相反的邏輯值接點足夠長，導致的電流消耗足以被檢測到，這種橋接即使并沒有引起較差的邏輯值，也是可以被檢測到的。

3.2開路

造成浮柵的開路故障通常不會導致電流頻譜的顯著改變。但是會將轉換傳遞到輸出引腳，通過觀察電壓，可以檢測到內在的轉換。即使通過觀察邏輯值，也可以檢測到轉換，其他信息可以通過8點位快速離散傅里葉變換法（FFT）算得，的確，我們可以采用第一諧波相位分量來估計延遲。

3.3完善技術

為了解釋這項顯著靜態電流技術法，我們考慮一種簡單PSEUDO-NMOS 2輸入 NAND，接著是一個CMOS靜態邏輯電路，模擬三種不同情況：無故障;在NAND輸出和GND之間有一個10 千歐的電容橋;在NAND輸出和VDD之間有一個10千歐的電容橋;在每一種情況下，一個NAND輸入被應用提升轉換，另一個被設置為邏輯轉換，無故障的一組，波形中會出現一個轉換，而且都被設置為邏輯輸入時，會產生顯著得消耗。NAND輸出和GND之間得橋接，在第一部分得刺激下，會通過增加消耗，在第一諧波振幅內造成顯著減弱。因此，橋接很容易被檢測到。在NAND輸出和VDD之間得橋接，也可以被檢測到，這種檢測會改變NAND p-Network的阻抗結果，但是這種改變不足以改變逆變器的邏輯輸出值。

4定位和診斷

在這一節中，主要研究定位探測電位節點，并診斷原因。

基于以下幾點設計定位程序：

（1）轉換激發的寄生接觸會顯著影響電流的第一諧波振幅;

（2）非轉換激發的寄生接觸可能只會造成DC消耗，而不會影響電流的第一諧波振幅;

（3）檢測只取決于第一諧波振幅的變化。

逐步探索從輸入到輸出的網絡組合，在轉換傳遞路徑中每次增加一個節點，這樣就可以通過觀察電流第一諧波振幅變化來定位節點。因此，一個定位程序可以從轉換得輸入節點開始，每一步轉換傳遞步驟，都采用FFT算法檢測第一諧波振幅的顯著變化。傳遞遇到缺陷節點時會及時的產生變化。最好在一個電路中只傳遞一個轉換。

5結論和下一步工作

本文主要提出一種故障檢測和定位的測試方法，采用這種方法，電路是通過在敏感路徑中傳播過渡來刺激的。為了在這些樣本上執行一個簡單得8點FFT，對電源電流和輸出電壓進行采樣，8點FFT對這些信號進行頻譜估計。結果顯示轉換刺激在電流測試中很有用，該方法適用于顯著靜態電流技術。

結果顯示寄生電容觸電可以在很大范圍內被檢測到，即使這些觸點不會引起任何不好的邏輯行為，通過分析供應電流頻譜，在分析輸出電壓頻譜的同時，允許檢測開路和近似的傳播延遲。

提出了一種確定寄生電阻接觸點得簡便方法，這種方法是基于由轉換模擬缺陷引起的第一諧波振幅的變化可以被檢測到，因此也可以根據這些變化的性質對缺陷原因進行診斷。

下一步工作包括順序電路開發策略，以及改善現有的測試生成算法，使之更好的適用于該方法。

參考文獻

[1]M Lewitt.ASIC testing updated[J].IEEE Spectrum，1992，（29）：26-29，May .

[2]H Yamagushi， M Hongo， T Miyauchi， and M Mitani. Laser cutting of aluminium stripes for debugging integrated circuits[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits， 1985.SC-20， 1259.

[3]S Cohen， J Bernstein， and P Wyatt. Laser-induced line melting and cutting[J].IEEE Trans. Electron Devices，1992：2480-2485.