基于差分定位算法的波形恢复技术∗

顾 翼

（武汉数字工程研究所 武汉 430205）

1 引言

通道传输延迟时间是集成电路交流参数（时间量）测量误差的重要贡献分量，因此在集成电路测试过程中，所有时间量参数的测量结果准确度直接影响测试系统交流参数测量准确度［1～4］。目前比较有代表性的测试通道传输延迟测量技术是时域反射测量技术，该技术通过测量反射回波信号的到达时间，来计算测试通道对信号传输所造成的延迟时间［5～7］。因此回波信号的完整性对传输延迟时间测量结果判定非常重要，而实际测量过程，测试系统的边界条件会导致测试初始阶段0ns～3ns区间内的信号无法监测。如果回波信号在这段时间内已经到达，则会出现首次回波信号漏测，而第二次回波到达时间被误认为是首次回波，导致测量结果判定出现严重偏差。

2 测量信号的回波丢失

数字通道传输延迟测量技术是利用集成电路测试系统数字通道现有的资源，由数字通道的驱动端发送测试信号，通过数字通道的传输路径后到达DIB的通道末端，产生一个相位和幅度相同的反射信号。反射信号沿原路径返回，到达数字通道的比较端，入射信号发出和接收到反射信号的时间间隔，即为该数字通道的传输延迟时间，数字通道完成其传输延迟时间的测量［8～9］。原理如图1所示。

图1 通道传输延迟测量原理图

一般集成电路测试系统的数字通道物理长度一般不超过1m，采用2ns脉宽的脉冲信号能满足测试要求。实验以泰瑞达公司J750EX集成电路测试系统为平台，对其测试通道传输延迟进行测量。编写测试程序配置脉冲高电平为1.5V，测试周期200ns，脉冲宽度为2ns，脉冲起始时间198ns，回落时间200ns；通过对测试数据取点建立回波信号如图2。

图2 回波信号波形图

图中回波信号左侧虚线方框内存在明显的波形数据丢失现象，丢失的数据中可能含有首次回波甚至二次回波。数字通道传输延迟时域反射测量过程中，受到集成电路测试系统边界条件的影响，会导致回波数据丢失，称为盲区，如图3所示。由于盲区的存在，可能导致一个完整的首次回波脉冲信号无法接收，导致测量结果误判。

图3 盲区示意图

测试通道以测试周期为单位，每个单位内测试通道只能完成驱动信号或者比较测量信号功能中的一种功能，而不能在一个周期内完成两项功能。该约束条件取决于测试通道驱动端和比较端共用同一个时间基准，如图4所示。

一般对于一个测试脉冲信号来说最少需要2ns的信号时间才能让脉冲信号足以升高到一定幅度，包含足够的能力以满足测试需要。这表示即使将测试脉冲驱动时间安排在周期尾，到进入下一个信号测量周期，也将出现至少2ns时间是无法接收信号的，也就是说盲区时间至少为2ns。如果测试脉冲的驱动时间没有安排在周期尾，则意味着更长的盲区时间，例如：200ns的测试周期，在第196ns时间驱动脉冲，则最后4ns的时间段，测试通道比较端无法工作，盲区时间持续4ns。

图4 数字通道驱动/比较端结构

3 差分定位算法及波形恢复

为解决上述问题，需要对测试数据进行处理。主要采用差分定位算法，可以补齐丢失的测量信号［10～15］，并从多次发生反射的信号当中提取出有用的信号进行分析得出测量结果。差分定位原理如图5所示，分别进行两个状态下通道传输延迟的测量工作。第一个状态为待校集成电路测试系统测试接口板处在空载，即终端开路反射状态下，驱动端（201）在设定时刻t=t0发出测试脉冲（207），通过通道的传输和终端的反射，由比较端（202）监测到多次反射回来的回波信号（208），第一组回波信号（208）中两个脉冲之间的时间间隔tPD1即为物理通道传输延迟值；第二个状态为待校集成电路测试系统通过校准适配器连接延迟线，且延迟线终端也处于开路反射状态，驱动端（201）在同样的设定时刻t=t0发出测试脉冲（207），由比较端（202）监测到多次反射回来的第二组回波信号（210），回波信号（210）中两个脉冲之间的时间间隔tPD1+tPD2即为第二个状态中物理通道传输延迟值。

图5 差分定位原理图

在校准过程中，需要测得的时间是经过终端反射点第一次反射回来的回波到达时间Δt，实际上由

于各种原因，所测得的第一组反射回波的第一个脉冲不能确定地认为是经过终端反射点第一次反射回来的脉冲。通过差分定位计算，可以判断所测得的第一组反射回波的第一个脉冲是否为所需要的第一次反射回来的脉冲。如果不是，则可计算并重构出第一次反射回来的脉冲。计算过程如图6所示。将图5中得到的第一组反射回波和第二次反射回波时间坐标轴对齐排列。其中第一组反射回波中的脉冲①所在的时间为t1，并且总能在第二组反射回波的各个脉冲中找到且只能找到一个脉冲，此脉冲所在的时间刚好滞后于脉冲①的时间为整数倍的tPD2，即tPD2或者2tPD2、3tPD2……。图6中刚好找到脉冲③，其所在的时间t3滞后于t1的时间为2tPD2。此时，可以确定脉冲①和脉冲③均为各自反射回波中第二次反射脉冲。因此，脉冲①所在的时间t1-tPD1即为第一次发射脉冲⑤所在的时间t5，脉冲⑤和测试脉冲的时间间隔Δt即为被校数字通道的实际存在的通道传输延迟。

图6 差分定位算法示意图

4 实验验证分析

根据差分定位算法，进行波形恢复，以J750EX测试系统为实验平台，所运行的测试程序各项参数，脉冲起始时间 d0=-6ns，脉宽 2ns，幅度 VIH=3v。接收时间从r1=0ns开始。通过两次测量分别取得如图7所示的波形。

图7中上部分波形是一号反射波，下部分波形是二号反射波。二号反射波较一号反射波增加是一段延迟为tpd2=9.7ns的同轴线，通过SMA接头同通道连接。

由于盲区的存在不确定A点所在脉冲是不是首次回波信号脉冲。通过延长通道tpd2，二号反射波的首达脉冲比一号反射波多走一个tpd2=9.7ns。次达脉冲应该相差两个tpd2的距离，19.4ns，以此类推……如果A点和B均为首达脉冲，则B点的时间应滞后A点大约9.7ns，而A、B点之间1.45ns的时间差表明两点不是同一次序的脉冲。图中A、C两点相差19.3ns，这两个点所在脉冲应该是次达脉冲。由此可以推出，一、二号反射波的首达脉冲分别为A点的前一个脉冲，和B点所在的脉冲。由于盲区的存在，所以图中的第一个脉冲只能采到下降沿的那一部分，实线部分是通过计算而得到的虚拟波形。通过对比图中的整个波形，很容易算出图中的一号反射波的第一反射脉冲对应的0.6V参考点所在位置应该是D点所在的位置：－4.75ns。

图7 差分定位脉冲波形图

5 结语

本文通过差分定位算法，恢复因盲区导致反射回波信号丢失部分的波形，解决了受边界条件影响导致测试系统数字通道传输延迟时间测量不准确的问题。在J750EX测试系统上进行验证实验，通过实验表明差分定位算法能够在测试系统上实现，结果基本达到预期。