基于閾值法的數(shù)字集成電路測(cè)試儀的研制

于寶堃，石晟屹，馬望男，李寅博，劉曼迪，吳丹

摘要：研制了一種基于閾值法的數(shù)字集成電路測(cè)試儀，用于檢測(cè)74LS10、74LS138等74LS系列芯片的性能。該測(cè)試儀采用兩片STM8型微控制器作為核心單元，通過(guò)測(cè)試向量集來(lái)判斷芯片的性能，測(cè)試結(jié)果輸出到LCD顯示屏中。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：該測(cè)試儀操作靈活，測(cè)試速度快，能準(zhǔn)確檢測(cè)芯片的狀態(tài)，滿足芯片診斷的需求。

關(guān)鍵詞：閾值法;STM8;74LS系列芯片

中圖分類號(hào)：TN46? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）19-0141-02

Development of Digital Integrated Circuit Tester Based on Threshold Method

YU Bao-kun， SHI Sheng-yi， MA Wang-nan， LI Yin-bo， LIU Man-di， WU Dan

（College of Electronic Information and Automation， Tianjin University of Science & Technology， Tianjin 300457， China）

Abstract： A digital integrated circuit tester based on threshold method was developed to detect performance of 74LS series chips such as 74LS10 and 74LS138. The tester used two stm8 micro-controllers as the core of system， with a set of test vectors to determine performance of chips. The test result was exported to the LCD display. The actual test results showed that the tester has features of flexible operation， fast testing speed， which can accurately detect the status of the chip and meet the needs of chip diagnostic.

Key words： Threshold Method; STM8; 74LS Series Chips

1 引言

74LS系列芯片是電子工程領(lǐng)域中重要的元器件，也是電類專業(yè)的必修環(huán)節(jié)。雖然74LS系列芯片屬于中小規(guī)模集成電路，但種類較多，如果采用手工方式對(duì)芯片的性能進(jìn)行檢測(cè)，將會(huì)增加故障排查的時(shí)間，極大地降低工作效率，因此，開(kāi)發(fā)一款成本低、測(cè)試速度快、準(zhǔn)確率高的數(shù)字集成電路測(cè)試儀具有非常重要的實(shí)際意義。針對(duì)74LS系列芯片測(cè)試效率低這一問(wèn)題，已有多個(gè)方案被提出。翟麗杰[1]設(shè)計(jì)了一款以MCS-51單片機(jī)為核心的數(shù)字芯片檢測(cè)器，可以測(cè)試由14個(gè)引腳組成的74LS系列芯片。任玲芝[2]等人開(kāi)發(fā)的數(shù)字邏輯芯片測(cè)試儀將引腳數(shù)為16的74LS芯片納入測(cè)試范圍。

為了進(jìn)一步提高74LS系列芯片的測(cè)試準(zhǔn)確率，本文以閾值法為基礎(chǔ)，對(duì)芯片的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行了模擬，研制了一款用于檢測(cè)74LS系列芯片的數(shù)字集成電路測(cè)試儀。

2 閾值法簡(jiǎn)述

數(shù)字集成電路主要使用功能測(cè)試法[3]驗(yàn)證芯片的性能，這種方法主要測(cè)試芯片是否具備產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中所敘述的邏輯功能。在實(shí)際應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)能力已明顯下降的74LS芯片雖然邏輯功能正常，但其無(wú)法向外界提供足額的扇出電流，而功能測(cè)試法卻無(wú)法檢測(cè)出這一狀況。為了提高測(cè)試儀的診斷準(zhǔn)確率，系統(tǒng)將圖像學(xué)中常使用的閾值法[4]引入到74LS芯片的測(cè)試中。在圖像學(xué)中，利用閾值，即臨界值，對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行分類，大于閾值的像素點(diǎn)被歸為黑色灰度級(jí)，否則為白色灰度級(jí)。74LS芯片主要由TTL所組成，其電平標(biāo)準(zhǔn)為輸出電壓小于0.5V為低電平，輸出電壓大于2.7V為高電平;輸入電壓低于0.8V時(shí)為低電平，輸入電壓高于2.0V時(shí)為高電平，與閾值法的基本思想相一致，因此，系統(tǒng)采用閾值法對(duì)74LS芯片的性能進(jìn)行檢測(cè)。在實(shí)際測(cè)試中，為了保障系統(tǒng)能夠測(cè)量芯片的驅(qū)動(dòng)能力，需要在被測(cè)芯片的引腳端增加330歐姆的電阻，以模擬芯片工作在重負(fù)載情境中。

3 系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)的總體框架如圖1所示，主要包括主/從微控制器、按鍵單元、LCD顯示模塊等五個(gè)主要功能單元。為了降低芯片測(cè)試的運(yùn)算復(fù)雜度，提高其運(yùn)算效率，系統(tǒng)采用兩片微控制器作為核心單元，分別是主微控制器和從微控制器，二者通過(guò)串口進(jìn)行通信。主微控制器接收來(lái)自按鍵的指令，對(duì)LCD屏的顯示進(jìn)行控制。從微控制器接收到主微控制器發(fā)送的被測(cè)芯片型號(hào)后，開(kāi)始對(duì)芯片性能進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果通過(guò)主微控制器顯示到LCD屏中。

3.1 微控制器

雖然74LS系列芯片功能相對(duì)簡(jiǎn)單，但引腳數(shù)較多，需要微控制器具備充足的外部端口與其相連。另一方面，由于系統(tǒng)采用兩片微控制器作為核心單元，在滿足系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，應(yīng)選擇引腳數(shù)較少的型號(hào)，以避免端口資源的閑置，同時(shí)，可以減小微控制器的覆蓋面積。因此，系統(tǒng)采用ST公司設(shè)計(jì)的STM8S207CB作為主/從微控制器。

STM8S207CB具有48個(gè)引腳，可配置GPIO數(shù)為38，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并為系統(tǒng)擴(kuò)展其他功能提供了保障。STM8S207CB內(nèi)部為哈佛結(jié)構(gòu)[5][6]，具有128K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器，6K字節(jié)的RAM，能夠存儲(chǔ)系統(tǒng)所需的測(cè)試向量集。為了減少系統(tǒng)所用外設(shè)的數(shù)量， STM8S207CB采用其內(nèi)部的16MHz高速RC振蕩器作為時(shí)鐘源，從而縮小了系統(tǒng)的體積。在16MHz這一時(shí)鐘頻率下，系統(tǒng)可以具備較快的測(cè)試速度。