竞赛作品_集成数字集成电路参数测试

1.系统设计
1.1 设计要求
(1) 任务：
设计制作一个74系列中小规模数字集成电路参数测试仪。

(2)要求
1、基本要求：
（1）能对74系列中小规模数字集成电路的V IH(min)、V IL(max)、V OH、V OL、I IL、I OL等参数指标进行单项自动测试。

（2）测量参数项目及指标要求（V CC=5V）：
A、V IH(min)、V OH 测量范围为0～5V，误差<1%读数±1个字；
B、V IL(max)、V OL测量范围为0～1V，误差<1%读数±1个字；
C、I IL（短路电流），I OL（R L=300Ω）测量范围为0～20mA，误差<1%读数±1个字；
（3）测试项目有对应的指示。

2、发挥部分：
（1）能连续自动循环测量，并显示；
（2）能有选择地调阅最后一次测量的任一项参数；
（3）能设置集成电路参数标准值，并判断所测参数是否达标；
（4）采用示波器作为显示器，测试数字集成电路的电压传输特性，能显示完整的传输特性曲线；从屏幕上读出的指标（如输出高、低电平和开、关门电平）要求精度优于20%；
（5）其他。

1.2 总体设计方案
1.2.1. 设计思路
题目要求设计一个74LS04集成电路参数测试仪。

设计中产生一个三角波信号，周期改变输入电压。

再经过AD采样输出电压，当Vo=2.7时确定Vil(max),当Vo=0.5时确定Vih(min)的值。

继电器切换电路，通过输出端接入一个
-0.4mA 恒流源。

继电器切换电路，输入Vi=0.8V时测量Voh的值。

继电器切换电路，输出端一个8mA的恒流源。

继电器切换电路，输入电压Vi=2.0V时测量Vol的值。

继电器切换电路，在输入电压Vi=0.4V时输出悬空测量Iil的值。

继电器切换电路，输入悬空，输出接Vo=0.5V的恒压源，测量输出电流Iol的值。

电流值的测量可通过在电路中串接一个电阻通过测其两端的电压值，再经计算算出电流大小。

最后将测得的结果发送到PC机上显示出来。

1.根据测试参数设计对应测试电路，用继电器切换相应电路，数码管显示测试
参数序号。

2.对74LS04的6个非门进行循环测试。

3.将测得的参数发送到电脑上显示，对比参数标出不合格的非门。

4.分别做出主测试电路模块、控制模块(信号产生、信号采集、继电器控制、键
盘控制、数据处理、测试参数显示)、继电器切换模块。

1.2.2方案比较设计论证
1. 控制电路模块
方案一：采用AT89C51单片机进行控制。

本设计需要使用的软件资源比较简单，只需要完成数控部分、键盘输入以及显示输出功能。

采用AT89C51进行控制比较简单，但是51单片机资源有限，控制输入输出，需要外接8279之类的芯片进行I/O扩展。

方案二：采用凌阳SPCE061A单片机进行控制。

SPCE061A凌阳单片机具有强大功能的16位微控制器，它内部集成7路10位ADC和2通道10位DAC，
可以直接用于电流测量时的数据采集，以及数字控制输出；I/O口资源丰富，可以直接完成对键盘输入和显示输出的控制；存储空间大，能配合LCD液晶显示的字模数据存储。

采用SPCE061A单片机，能将相当一部分外围器件结合到一起，使用方便，抗干扰性能提高。

方案三：采用ARM7----LPC2138控制芯片。

具有强大功能的32位微控制器，它内部集成8路10位ADC和8通道10位DAC，可以直接用于电流测量时的数据采集，以及数字控制输出；47路的I/O口资源丰富，可以直接完成对键盘输入和显示输出的控制；存储空间大，能配合LCD液晶显示的字模数据存储。

UART可16字节收发FIFO，可数据发送到PC机上显示。

与LPC2138配合的ARM控制板上有灵活的跳线组合，6个按键控制，1个复位键，一个报警电路等等功能。

我们综合上述方案考虑选择方案三，它具有较强的多功能集合，且现有ARM 的芯片。

2. 信号源产生模块
方案一：利用传统的模拟分立元件或单片压控函数发生器MAX038，可产生三角波、方波、正弦波，通过调整外围元件可以改变输出频率、幅度，但采用模拟器件由于元件分散性太大，即使用单片函数发生器，参数也与外部元件有关，外接电阻电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度较差、精度低、抗干扰能力差、成本也较高。

方案二：采用LPC2138芯片产生三角波测试电压，再通过运放放大电压。

这样可减少模拟元件以此简化电路，可充分利用芯片功能。

综合考虑，我们采用方案二，实现了高精度，高稳定度的测试信号源。

3.测试电路模块
方案一：将测试集成电路参数的实现分成5个电路检测。

该方案实现各个参数的测量比较好。

但是对于要实现智能测试该方案较复杂，且不能实现电路的智能测试。

方案二：将测试电路分为左右两块，是间插入继电器切换模块并与74LS04的6个非门相连，可实现对每个非门的测量，同时可切换不同测试参数所对应的电路。

综合上述，为了实现自动测量，采用方案二。

4. 信号采集模块
方案一：用AD736 RMS真有效值转换芯片，AD736的响应频率在0∽10KHZ，采用该器件只需将被测的信号加到它的输入端上，就可以得到它的有效值，无需软件处理，测试非常方便。

但是他不能对有些参数进行计算转化为我们需要的参数，且对参数进行比较存储等后面的一系列处理。

因此我们没有选用这个方案。

方案二：对弱信号进行放大，大信号进行直接设计相应电路。

再测量采用A/D转换，将模拟信号数字化，然后进行数据处理。

ARM---LPC2138内置有8路10位的A/D，运用起来非常的方便。

无需外围的电路，转换精度也比较高。

综合比较，我们采用方案二。

5. 电路切换模块
方案一：用3个CD4053模拟开关切换相应的非门和测试电路，可达到以较少的控制线控制多条线路，简化电路。

但其编程较为复杂一点，且输入阻抗较
大对于测量的结果有些误差。

方案二：用12个继电器分两组切换电路。

虽然，驱动电路和布线较多，但编程简单，且对后面电路的测量无误差。

电路如图1.1所示。

综合考虑，为提高测试精度的编程简单，采用方案二。

图1.1 继电器组
6. 恒流源模块
方案一：由晶体管构成镜像恒流源。

该电路的缺点之一在于电流的测量精度受到两个晶体管的匹配程度影响，其中涉及到比较复杂的工艺参数。

另一缺点在于，集电极最大输出电流约为几百毫安，而我们要求输出电流为0.4mA和8mA，因此由晶体管构成的恒流源不适合采用。

方案二：由运算放大器构成恒流电路。

运算放大器构成的恒流电路摆脱了晶体管恒流电路受限于工艺参数的缺点。

由运放构成的恒流电路，输出电流同样能
达到几十毫安，且放大准确又满足设计要求。

鉴于上面分析，本设计采用方案二。

7. 恒压源模块
采用稳压管稳压电路和运算放大器可获得高放大系数的恒压源，在电路参数变化很大时的输出电压仍有很高的精度。

8. 显示方案
方案一：字符型LCD显示。

LED可以用移位寄存器74164或者专用芯片MAX7219驱动，字符型LCD也可以才用74LS164通过同步串口驱动。

优点是控制比较简单，而且串行显示只占用很少的I/O口。

但也有一个很大的缺点，只能显示一些简单的ASCII码字符，显示的信息量有限，对于系统较复杂的功能不适合。

方案二：采用点阵型LCD显示。

点阵型LCD然而占用的I/O口资源较多，控制也较复杂，但其功能却是强大的，显示信息量大，可以保证良好的用户模式。

但我们所剩有I/O资源不够，且扩张会增加电路的复杂。

所以放弃此方案。

方案三：采用LPC2138的UART进行异步串行口通信，将信息充分地发送到PC机上显示。

经过综合考虑我们选择方案三，能充分显示集成电路的参数。

1.2.3系统组成
经过方案比较与论证，最终确定的系统组成框图如图1.2所示。

信号源、AD 转换、键盘控制、继电器控制都是由ARM板与LPC2138实现。

图1.2 系统组成框图
2. 单元电路设计
2.1 参数测试条件（见表2—1）
表2—1
(注：为配合软件编程，AD0.0对应软件编程名为AD0.3，AD1.1对应软件编程名为AD1.5，AD0.2对应软件编程名为AD0.1，AD1.2对应软件编程名为AD1.6，
AD0.1对应软件编程名为AD0.5，AD1.1对应软件编程名为AD1.5，AD0.3对应软件编程名为AD1.7。

)
2.2 主测电路与Vil(max)、Vih(min)测量的设计
图2.1 主测电路图
图2.2 主测电路左侧图
图2.3 主测电路右侧图
(1) 主测电路（图2.1）通过输入一个可变电压信号，同时并上弱信号放大电路和衰减电路以便于相应电压的测量。

再接上继电器控制开关切换非门和电
路。

同时输出端也接入另一组继电器控制开关。

同样输出端也并上弱信号放大电路和衰减电路以便于相应电压的测量。

(2) Vil(max)的测量条件是输出电压Vo=2.7V时的对应输入电压值。

因此，要在输入端接一个周期三角波信号，即在图2.1中DA接入。

输出端接一衰减电路，如图2.1。

通过AD采样通道AD0.2，当其值为2.7V时开启采样通道AD0.0。

(3) 同理Vih(min)的测量是输出端设计运放电路放大输出电压，当其输出AD1.2=0.5V时开启测量通道AD1.1。

2.3 恒流源电路与Voh、Vol测量的设计
图2.4 恒流源电路
(1) 通一个2.5V的稳压管、集成运放和一个三极管构成的恒流源电路，可使电流精确放大和很好的稳压效果。

(2) Voh主要是要在输出端并上一个-0.4mA的恒流源。

图2.1中在继电器组输出端并上图2.4中-0.4mA的电路。

当输入电压Vi=0.8V，开启测量通道AD0.2。

(3) Vol主要是要在输出端并上一个8mA的恒流源。

图2.1中在继电器组输出端并上图2.4中8mA的电路,断开-0.4mA的电路。

当输入电压Vi=2V，开启测量通道AD1.2。

2.4 恒压源电路与Iil、Iol测量的设计
图2.5 恒压源电路
(1) 采用与恒流源相类的恒压源具有相同的精度和稳定性。

(2) Iil的测量电路是输出端需悬空，即将图2.2中继电器输出端断开。

输入端DA2控制输出0.4V的恒压，同时开启通道AD0.1、AD1.1。

Iil = Vil –Vi / R = AD1.1 - AD0.1 / 300
(3) Iol的的测量电路是输入悬空，即将图2.1中继电器的输入端断开、输出端并上图2.5的恒压源电路，断开前面的两个恒流源电路。

开启信号采集通道AD0.3。

Iol = Vx - 0.5 / RL = Vx – 0.5 / 390
3.软件设计
3．1开发软件及编程语言简介
系统采用C语言编程，按模块化方式进行设计，并将各模块集成于LPC2138芯片中，然后通过ARM Developer Suit1.2 软件开发平台进行仿真，对设计文件自动完成逻辑编译，逻辑化简、综合及优化。

经EasyARM模拟显示窗口，显示UART传送的数据。

还可用LPC210_ISP软件可擦除LPC芯片的FLASH的内容。

主程序把转换值发送到串口以坐标形式显示，定时器0中断服务程序,产生三角波。

测试函数定义数组，调用LED显示指示灯，读取测试所对的参数AD 值，判断与设定值匹配否，是则读取参数的测试通道AD值，否则循环等待。

3. 2 程序流程图（图3.1）
图3.1主程序流程图
图3.2 CSh()流程图
4.系统测试
4.1恒流源恒压源的调试和调试结果
1.恒流源0.4mA的调试：用精度万用表接入2V电压源，通过调试可变电阻
器W1如图2.4图所示，直至三极管的集电极电流为0.4mA。

经调试恒流
源电流为0.39mA。

2.恒流源8mA的调试：如图2.4左图，三极管集电极串接一50欧电阻，通过
调试可变电阻器W3，使50欧电阻两端电压为0.4V，则三极管基电极电流为8mA。

经调试恒流源电流为8.1mA。

3.恒压源0.5V的调试：如图2.5所示，在输出端接一50欧的电阻，调节可变
电阻器W2，使得流过电阻的电流大小在0至10mA范围内。

经调试电压为0.51V。

4.2指标测试和测试结果（表4—1）
表4—1
非门2 显示值 1.047 1.39 3.322 0.087 0.243 17.995 Y 非门3 显示值 1.047 1.39 3.322 0.087 0.243 18.000 Y 非门4 显示值 1.047 1.39 3.322 0.087 0.236 17.990 Y 非门5 显示值 1.047 1.39 3.322 0.089 0.243 17.980 Y 非门6 显示值 1.047 1.39 3.322 0.085 0.243 18.000 Y
4.3 电压传输特性
图4.1 示波器测试Vi--Vo参数波形图
5. 结束语
本设计制作完成了题目要求的基本部分的全部要求和发挥部分的部分要求，达到了设计要求。

发挥部分其它一些功能等由于时间有限未完成相应的软件测试。

参考文献：
1. 程手册编委会，集成电路手册分编委会.标准集成电路数据手册TTL电路.北京：电子工业出版社，1992年第3版
2. 周立功、张华.深入浅出ARM7----LPC213x/214x.北京：航空航天大学出版社，2006年第2版
3. 黄智伟，王彦，陈文光，朱卫华.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京：电子工业出版社，2005年
4. 付植桐.电子技术.北京：高等教育出版社，2000年第1版
5. 康华光，邹寿彬.电子技术基础(数字部分).北京：高等教育出版社，2000年第4版
6.宋家友.集成电子线路设计手册.福建科学技术出版社.2002年第一版
附录
附录1器件明细表
附录2系统使用说明
1、将要测试的74LS04集成块插入测试电路版中。

2、接上电源后，运行电路系统。

当有键盘按下时便开始测量各个集成参数值，同时LED灯循环闪烁，数码管显示测试参数的序号。

3、当灯停止闪烁时，便可在显示屏幕上显示其各个集成参数值。

表4.1.1
表4—1。