02_funktsionalny_kontrol_tsifrovykh_integralnykh_mikroskhem.pdf

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА

Функциональный контроль цифровых интегральных микросхем Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний

САМАРА 2012

2 УДК 621.396.934 Составители: Гречишников В.М., Курицкий А.А.

Рецензент: доктор. техн. наук, проф. М.Н. Пиганов. Функциональный контроль цифровых интегральных микросхем.: учебно-методическое пособие. В.М. Гречишников, А.А. Курицкий - Самара: Изд-во Самар.гос. аэрокосм. ун-та – 16 с. : ил. ISBN 978-5-7883-0653-7 Рассмотрен принцип построения метода функционального контроля цифровых интегральных микросхем (ЦИМС) основанного на сравнении выходных сигналов контролируемой и эталонной микросхем. Изложена методика формирования цифровых тестовых последовательностей с использованием эталонной ЦИМС позволяющих путем сравнением с выходным сигналом контролируемой микросхемы выявить ее дефекты. Подробно описан функциональный состав, принцип работы стенда и каждый пункт выполнения лабораторной работы. Оформление практической части (временные диаграммы, таблицы истинности, конкретные примеры расчетов) направлено на закрепление полученного теоретического материала и повышение усвояемости изучаемого предмета. Изложенных кратких теоретических сведений вполне достаточно для подготовки к отчету по проделанной лабораторной работе. Методические указания подготовлены кафедрой электротехники и предназначены для бакалавров радиотехнических специальностей (направлений подготовки) 210400.2.62; 211000.1.62 по курсу «Автоматизированные системы контроля РЭС и ЭС».

УДК 621.396.934 © Гречишников В.М., Курицкий А.А. © Самарский государственный аэрокосмический университет, 2012

3 Функциональный контроль цифровых интегральных микросхем. Цель работы: изучение метода функционального контроля цифровых интегральных микросхем (ЦИМС) основанного на сравнении выходных сигналов контролируемой и эталонной микросхем. 01. Краткие теоретические сведения Функциональный контроль (ФК) применяется для проверки работоспособности ЦИМС в целом. Для реализации ФК на входы контролируемой схемы подаются тестовые воздействия, а на ее выходах (в специальных контрольных точка) проверяется правильность выполнения заложенных разработчиком функций. Обобщенная структурная схема, реализующая методы функционального контроля ЦИМС показана на рис. 01.

Рис 01. Обобщенная структура схема, реализующая методы функционального контроля ЦИМС. Из обобщенной структурной схемы (рис. 01) следует, что основными операциями при реализации методов функционального контроля являются: - формирование тестового входного воздействия X вх для контролируемого устройства (с помощью формирователя тестовых воздействий); - формирование эталонного выходного сигнала X эт для контролируемого устройства; - получение результатов контроля путем сравнения выходного сигнала X вых контролируемого устройства с выходным сигналом эталонного устройства X эт . Для реализации метода функционального контроля ЦИМС в качестве входного тестового воздействия используется цифровая тестовая последовательность сигналов. Тестовая последовательность – сформированная известным способом совокупность логических сигналов «0» и «1» в виде временной последовательности, обеспечивающая заданную достоверность контроля (вероятности обнаружения дефекта). Для ЦИМС комбинационного типа, имеющих «k» входов полный функциональный контроль, обеспечивающий 100% вероятность обнаружения дефекта, осуществляется перебором всех возможных логических состояний на ее входах, т.е. полной проверкой ее таблицы истинности. В этом случае входная цифровая тестовая последовательность должна состоять из 2k k-разрядных двоичных кодовых слов, поочередно подаваемых на вход микросхемы. На рис. 02 показана цифровая последовательность кодовых слов для микросхемы имеющей три информационных входа (k=3) и обеспечивающая 100% функциональный контроль. Каждое кодовое слово формируется в виде совокупности логических уровней «0» или «1», подаваемых одновременно на соответствующие входы микросхемы в течение временного интервала  t - длительности кодового слова (рис.02). Для 100% контроля ЦИМС, имеющей, например, три информационных входа (k=3), необходимо сформировать

4 последовательность, состоящую из полного перебора возможных кодовых слов, количество которых N k определяется количеством информационных входов «k» ЦИМС (рис. 02): N k = 2 k = 23 = 8 Сформированные кодовые слова перебираются за интервал времени длительностью T, называемым тактовым интервалом (рис. 02).

Рис. 02 Входная тестовая цифровая последовательность сигналов для контроля трехвходовой ЦИМС. Длительность тактового интервала определяется длительностью одного кодового слова  t и количеством кодовых слов во входной последовательности N k : T = N k * t = 2k * t = 23 * t = 8t (01) Если контролируемая ЦИМС не имеет дефектов, то, подав на ее вход тестовую последовательность сигналов, на выходе микросхемы получают последовательность, не содержащую ошибок, которую можно считать эталонной X вых (t ) = X эт (t ) . В противном случае, выходная последовательность контролируемой микросхемы X вых (t ) будет содержать одну или несколько ошибок и будет отличаться от эталонной.

Для получения эталонной последовательности сигналов X эт (t ) в данном методе ФК используют эталонную (образцовую) микросхему, имеющую логическую функцию идентичную контролируемой микросхеме. Подавая одновременно на вход контролируемой и эталонной микросхем тестовую цифровую последовательность сигналов (рис. 01), и производя побитное сравнение кодовых слов на выходах контролируемой X вых (ti ) и эталонной X эт (ti ) ЦИМС в соответствующие моменты времени t i , можно выявить дефект в контролируемой микросхеме. Простота формирования эталонной последовательности в данном методе функционального контроля обусловлена использованием в качестве эталонной ЦИМС– предварительно протестированной и аттестованной микросхемы, однотипной с контролируемой, что и определяет эффективность метода в целом. Описанный метода ФК сравнением с эталонной ЦИМС реализует структурная схема установки, показанная на рис. 03.

5 Рис. 03. Структурная схема установки контроля методом сравнения с эталонной ЦИМС. Входная тестовая последовательность X вх (t ) формируется в формирователе тестовой последовательности (ФТП). Работой ФТП управляет тактовый генератор импульсов – ТГИ, выходной сигнал которого представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с частотой FТ . В лабораторной работе используется ФТП, формирующий тривиальную цифровую последовательность сигналов. Каждое текущее кодовое слово такой последовательности больше предыдущего на единицу младшего разряда: X вх (ti ) = X вх (ti −1 ) + 1 (02) Тривиальную тестовую последовательность (02) можно сформировать, использую двоичный m – разрядный счетчик, на вход которого подается сигнал от тактового генератора с частотой FT (рис. 04). В этом случае можно сформировать количество входных кодовых слов, определяемых разрядностью счетчика N СЧ = 2 m .

Рис. 04. Формирователь двоичной тривиальной тестовой последовательности. Если в ФТП в качестве младшего разряда использовать выходной сигнал ТГИ (рис. 04), то количество неповторяющихся в последовательности кодовых слов можно удвоить: N СЧ max = 2m +1 . То есть разрядность кодового слова такого ФТП будет «m+1». Длительность кодового слова  t такого ФТП определится из периода сигнала младшего разряда TМР (рис. 02) или частоты сигнала ТГИ: t = 0,5* TМР = 1/ 2 FT (03) Все значения кодов слов от 000…00 до 111…11 периодически перебираются в течение тактового интервала T, длительность которого определяется из выражения (1): T = NСЧ max * t = 2m +1 * t = 2m +1 / 2 FT (04) В схеме лабораторной установки используется тактовый генератор импульсов (ТГИ) с частотой FТ =1,0 МГц и двоичный 10-разрядный счетчик (m=10). Следовательно, ФТП лабораторной установки может сформировать максимальное количество кодовых слов тестовой последовательности N СЧ max = 211 = 2048 за тактовый интервал длительностью T = 211 /(2 *106 ) = 1024 мкС . Коммутирующее устройство – КУ (рис. 03) предназначено для подключения входов контролируемой и эталонной ЦИМС к соответствующим выходам (разрядам) ФТП, а также выходов этих микросхем к входам цифрового сравнивающего устройства (ЦСУ). В лабораторном стенде КУ выполнено в виде наборного поля, коммутация на котором производится ручным способом с использованием таблицы соответствия (№1).

6 Цифровое сравнивающее устройство (рис.03) производит побитовое сравнение кодовых слов с выходов контролируемой и эталонной ЦИМС. Для сравнения бит каждого «i» разряда кодовых слов используется логическая функция «Исключающее ИЛИ » (XOR): (05) Yi = xi * xэi + xi * x эi , xi и xэi - значение бита «i» разряда кодового слова на выходе контролируемой и эталонной ЦИМС соответственно. Таблица истинности логической функции «Исключающее ИЛИ» имеет следующий вид: Таблица истинности операции «Исключающее ИЛИ» xэi Yi xi 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Как видно из таблицы истинности, операция «Исключающее ИЛИ» тождественна суммированию по модулю 2 без переноса в старший разряд и позволяет определить совпадение или несовпадение бит в соответствующих разрядах кодовых слов. Два кодовых слова неравны друг другу, если хотя бы в одном из разрядов кодовых слов будут несовпадающие биты. Указанное условие неравенства n- разрядных кодовых слов на выходе контролируемой и эталонной ЦИМС реализуется путем логического суммирования (дизъюнкцией) результатов сравнения всех разрядов кодовых слов: Y = Y1  Y2  ....  Yi  ....  Yn , (06) n- разрядность кодового слова на выходах контролируемой и эталонной ЦИМС. Из (06) следует, что, если хотя бы в одном из разрядов сравниваемых кодовых слов будет обнаружено несовпадение бит, то на выходе ЦСУ появляется сигнал ошибки в виде логической «1». Длительность сигнала логической ошибки на выходе ЦСУ- ter может изменяться в пределах от длительности одного кодового слова  t до длительности тактового интервала T , когда не совпадают все кодовые слова в течение тактового интервала. Кроме сигналов логической ошибки на выходе ЦСУ могут возникать короткие импульсы *  t (менее 100 нС), например, в случае различия времени длительностью t ER переключения из одного логического состояния в другое контролируемой и эталонной ЦИМС. В данной лабораторной работе такие импульсы считаются помехой и подавляются низкочастотным фильтром ФНЧ (рис.03). В стенде лабораторной работы ФНЧ образован выходным сопротивлением ЦСУ- RЦСУ и емкостью С, которая выбирается из условия: * (07) tER  RЦСУ C  t В автоматизированных системах контроля фиксация ошибки (несовпадения) на выходе ЦСУ реализуется путем считывания его логического уровня в интервале  t для каждого кодового слова (при появлении логической «1» фиксируется наличие дефекта). В лабораторном стенде (рис. 03) наличие дефекта в микросхеме (несовпадение кодовых слов последовательностей) определяется визуально с помощью устройства индикации УИ, выполненного на светодиодном индикаторе (светодиоде). Отсутствие свечения индикатора указывает на отсутствие дефекта в контролируемой микросхеме. Если светодиод подключить непосредственно к ЦСУ (через ФНЧ), то в случае, когда проверяется микросхема с большим количеством входов (k>4) средний ток через светодиод определиться из следующего выражения:

7

K ER * t K ER * I max (08) = T 2k K ER - количество несовпадающих кодовых слов в тактовом интервале; I max - максимальное значение тока через светодиод. Например, если I max =10 мА, минимальный ток свечения диода I min =2 мА, количество входов микросхемы k=4, K ER =1, то средний ток через светодиод I Дср =0,7 мА, т.е. при наличии одиночной ошибки свечение светодиода визуально не определяется (светодиод не светится). Для устранения указанного недостатка в устройстве индикации используется ждущий мультивибратор (ЖМ), на вход которого подаются импульсы ошибки, а светодиод подключен к его выходу. Ждущий мультивибратор выполняет функцию расширителя коротких одиночных импульсов ошибок до значения тактового интервала TЖМ  T . В этом случае выражение (08) примет следующий вид: T (09) I *Дср = ЖМ I max  I max , T из которого следует независимость тока светодиода (интенсивности свечения светодиода) от количества входов контролируемой ЦИМС и от суммарной длительности сигнала ошибки. I Дср =

02. Описание функциональной схемы лабораторной установки. Функциональная схема стенда лабораторной установки контроля методом сравнения с эталонной ЦИМС приведена на рис. 05. На передней панели стенда находятся следующие элементы: - две панели для подключения контролируемой и эталонной ЦИМС; - коммутационные провода с вилками, объединенные в пары с номерами №1 -№13; - правое коммутационной поле, содержащее 18 пар контактов; - левое коммутационное поле, содержащее 8 контактов; - светодиодный индикатор; - выключатель сетевого напряжения установки. Клеммы правого коммутационного поля №№ 2-12 подключены к выходам ФТП (рис. 05), что позволяет провести осциллографирование и идентификацию сигналов входной тестовой последовательности. Резисторы на выходах ФТП предохраняют его от перегрузки в случае подключения контролируемой ЦИМС, имеющей соответствующий дефект по входу. В контактные панели устанавливаются контролируемая и эталонная ЦИМС. В лабораторной работе используются следующие ЦИМС комбинационного типа (см. Приложение 1): К555ЛИ1 - 4 двухвходовых логических элемента «И»; К556ЛЛ1 - 4 двухвходовых логических элемента «ИЛИ»; К555ЛП5 - 4 двухвходовых логических элемента «Исключающее ИЛИ». Входы контролируемой и образцовой микросхем коммутационными проводами (пары с №№ 1,2,4,5,9,10,12,13) в соответствие с номером задания подключаются к выходам ФТП на правом коммутационном поле. Выходы контролируемой ЦИМС 3, 6, 8, 11 выведены на левое коммутационное поле в произвольном порядке и обозначены буквами А, Б, В, Г. Клеммы А, Б, В, Г позволяют осциллографировать выходные сигналы контролируемой ЦИМС с целью определения соответствия их выходам 3, 6, 8 и 11 микросхемы. Клеммы левого поля 3, 6, 8, 11 и соответствующие выходы 3, 6, 8 и 11 эталонной микросхемы парами проводов №№ 3, 6, 8, 11 подключаются на правом коммутационном поле к входам ЦСУ – клеммы 14, 15, 16, 17 (рис. 05 и таблица №1). Если правильно определено соответствие клемм А, Б, В, Г выходам 3, 6, 8 и 11 контролируемой микросхемы, то после соответствующей коммутации клемм левого поля

8 индицирующий светодиод должен погаснуть (контролируемая микросхема исходно дефектов не имеет). Если соответствие клемм А, Б, В, Г выходам 3, 6, 8 и 11 определено неправильно, то после коммутации клемм левого поля выходные сигналы контролируемой ЦИМС не совпадут с выходными сигналами эталонной ЦИМС, что будет индицироваться светящимся светодиодным индикатором лабораторной установки.

Рис. 05. Функциональная схема лабораторной установки. 03. Порядок выполнения работы. Для выполнения лабораторной работы используется двухканальный осциллограф С1-98 и комплект из двух микросхем, выдаваемых преподавателем. Получить у преподавателя номер варианта выполняемой лабораторной работы и тип контролируемой микросхемы («ИЛИ»; «И»; «XOR»). 01. Включить стенд и осциллографировать сигналы на каждой левой клемме следующих пар правого коммутационного поля №№: 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12. Зарисовать все осциллограммы. Определить частоту тактового генератора и убедиться, что выходные сигналы ФТП a0 ......a10 образуют тривиальную двоичную последовательность. 02. В соответствие с полученным вариантом лабораторной работы (варианты 1 -4), построить совмещенные временные диаграммы входных и выходных сигналов для каждого логического элемента контролируемой микросхемы, используя соответствующую таблицу истинности (Приложение №1) и понимая логику работы контролируемой микросхемы. 03. После проверки преподавателем наличия построенных временных диаграмм логических элементов, получить комплект из двух однотипных микросхем указанного ранее типа. 04. Выключить стенд. Установить в панели «Контролируемая» и «Эталонная» - микросхемы согласно рис. 06 (обе микросхемы дефектов не имеют).

9 Рис 06 Установка микросхем в панели «Контролируемая» и «Эталонная». 05. Подключить все пронумерованные пары проводов к соответствующим клеммам правого коммутационного поля согласно варианту задания (Таблица №1). 06. Включить стенд. Осциллографировать выходные сигналы контролируемой микросхемы на выходах «А», «Б», «В» и «Г» левого коммутационного поля (рис. 05). 07. Сравнить построенные графики выходных сигналов контролируемой ЦИМС – выходы: 3, 6, 8, 11 с полученными осциллограммами на клеммах «А», «Б», «В» и «Г» и заполнить таблицу №2 соответствия сигналов на клеммах «А», «Б», «В» и «Г» выходным сигналам «3», «6», «8» и «11» контролируемой ЦИМС. 08. Показать полученную таблицу №2 соответствия преподавателю и получит коммутационные провода для левого поля. Произвести коммутацию клемм левого поля в полном соответствии с полученной таблицей № 2. Объяснить результаты работы индикации стенда. 09. Объяснить работу схемы индикации лабораторного стенда в случае несовпадения сигналов с выходов контролируемой и эталонной микросхем. Для этого изменить порядок коммутации проводов на левом коммутационном поле. 04. Содержание отчета. 1. Название и цель работы. 2. Структурная схема установки контроля методом сравнения с эталонной ЦИМС. 3. Осциллограммы входных и выходных сигналов контролируемой ЦИМС. 4. Графическое изображение и таблица истинности контролируемой ЦИМС. 5. Таблица №2 соответствия выходов контролируемой ЦИМС. 6. Выводы по проделанной работе.

10

05. Контрольные вопросы по работе. 1. Назначение и принцип работы устройства функционального контроля методом сравнения с эталонной ЦИМС. 2. Принцип построения и работы формирователя тривиальной тестовой последовательности. 3. Принцип построения и работы цифрового сравнивающего устройства. 4. Принцип построения и работы устройства индикации лабораторной установки. 5. Определить для заданного варианта коммутации входных сигналов контролируемой и эталонной микросхем длительность тактового интервала T. 6. Определить минимальную длительность тактового интервала при контроле микросхемы, имеющей «k» логических входов в данной лабораторной установке. 7. Определить максимальную длительность тактового интервала формируемой тестовой последовательности в данной лабораторной установке. 8. Определить значение емкости «C» ФНЧ лабораторной установки для заданного значения выходного сопротивления сравнивающего устройства RЦСУ . 9. Построить временную диаграмму сигнала на выходе ЦСУ для заданного в работе варианта коммутации правого поля (таблица №1) и указанного преподавателем варианта коммутации левого коммутационного поля (изменив соответствие выводов в таблицы №2). 06. Литература 1. Кондратьев В.В., Махалин Б.Н. Автоматизация контроля цифровых функциональных модулей. М.: Радио и связь, 1990. – 226 с. 2. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон и др.; под ред. С.В. Якубовского.- М.: Радио и связь, 1989. – 496 с.

11

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Графическое обозначение, нумерация выводов и таблицы истинности исследуемых цифровых интегральных микросхем. 1. Микросхема К555ЛИ1: 4 двухвходовых элементов «И»

2. Микросхема К555ЛЛ1: 4 двухвходовых элемента «ИЛИ»

3. Микросхема К555ЛП5: 4 двухвходовых элемента «Исключающее ИЛИ» с инверсией.

12

Учебное издание ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Методические указания Составители: Гречишников Владимир Михайлович Курицкий Александр Александрович

13 Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королева. 443086, Самара, Московское шоссе, 34.