混合边界扫描典型元件的特性试验

1 引言

　　用于混合信号边界扫描的IEEE1149.4标准提出后，针对模拟电路的边界扫描技术得到了广泛的关注。然而，由于支持IEEE1149.4标准的芯片很少，因此，在电子功能模件可测性设计中展示的成功示例不多。考虑很多文献在介绍IEEE1149.4标准时都已提到National Semiconductor公司于2004年研发的元件STA400，但具体工作过程和应用结果却鲜见报道。为此，本文将对这种元件进行实际试验的经验加以总结，指出其工作原理、操作方式、试验电路和测试结果，力求为读者在可测性设计过程中实际应用混合信号边界扫描技术提供确有价值的参考。

2 混合边界扫描测试的操作原理

　　IEEE1149.4混合信号边界扫描的测试标准包含IEEE1149.1针对数字信号的测试结构，即测试存取端口(TAP)和数字边界模块(DBM)。同时，又在此基础上为模拟电路测试提供了施加激励和监测响应的通道，增加了模拟测试访问接口(ATAP)、测试总线接口电路(TBIC)、内部模拟测试总线(AB1、AB2)和模拟边界扫描模块(ABM)。
如图1所示，在支持IEEE1149.4的芯片功能结构中，AT1可以作为施加激励信号(电压/电流)的入口，而AT2则可作为测量响应(电压/电流)的出口。

　　从芯片内部看，TBIC负责将AT1端的激励信号送往内部测试总线AB1，将AB2采集的测试响应送回AT2；至于激励信号到底送往被测电路的哪个引脚、其响应到底来自哪个引脚，则由ABM中内部开关的连接状态决定。TAP控制器通过边界扫描链路将控制这些内部开关的控制矢量移入控制寄存器BRC，从而可以利用JTAG接口操作内部开关，建立模拟测试总线与测试节点之间的通路。

　　如图2所示，ABM中的内部开关SB1和SB2使模拟测试总线AB1或AB2可与器件中任一模拟功能引脚相连。内部开关SD可以隔离内核功能电路。SG可将模拟功能引脚连接到参考电位VG。SH、SL提供VH、VL两种逻辑电平，VTH作为阈值电平，用来检测引脚的逻辑电平特性，从而使简单互连测试中桥接、短路或断路的故障诊断，可以通过数字信号的测试方式，更为简便地实现。

　　为了控制ABM的开关矩阵，IEEE1149.4将ABM中六个内部开关的通断状态排列组合，归纳总结成20种（P0~P19）模式。ABM单元的这些模式与开关矩阵中开关状态的对应关系如表1所示。
 
　　这里，在P0模式作用下引脚与内核功能和测试电路都完全隔离；在P1~P5模式下功能引脚与内核功能隔离，但芯片引脚与内部测试总线相通，这些模式主要用于扩展互连测试；P6~P7模式用于测量参考电位；P8、P12模式在简单互连测试中连接逻辑值；P9~P11以及P13~P15模式用在模拟测试中测量VH和VL的参数；P16是正常工作模式，引脚只与内核功能相接；P17~P19是在PROBE和INTEST指令中的测试条件。

　　TBIC模拟开关矩阵包括10个开关，工作模式和开关状态之间的具体关系如表2所示。

　　P0是正常工作模式，此刻内部测试总线与外部测试总线断开；为了抑制噪声，内部测试总线与Vclamp相连；P1~P3是主要测试模式，这时外部测试总线与内部测试总线连接起来；P4~P7主要用于简单互连测试，此时内部测试总线与外部测试总线完全断开，处于噪声抑制状态；P8~P9模式可进行测试总线的特性测量，即使AT1和AT2在内部相通。

3 边界扫描典型元件及其应用方式

　　STA400是NS公司生产的一种支持IEEE1149.4标准的边界扫描电子元件，其内核功能为双二选一（或单四选一）的模拟通道选择器，内部功能如图3所示。这是一种20引脚的TSSOP封装芯片，包含11个ABM模块和1个TBIC，能够提供多个用于模拟量测试的“虚拟探针”。
　　依据STA400的 BSDL文件，可知其内部没有器件标识寄存器，指令寄存器为20位。共48位BSC依次排列构成边界扫描链，用以控制其ABM和TBIC中内部开关的动作。其中BSC0距TDO最近，距TDI最远。这里将BSDL文件中有关指令代码和BSC配置的主要信息归纳如下，以供编程时参考。
4 典型应用方式分析

　　可测性设计的要点在于建立合理的测点，提供对电路进行测试的能力，且不影响正常的工作。现以图4所示的典型数据采集器测试通道作为示例，其前置电路可为滤波、放大电路，后置电路可为A/D转换电路。根据可测性要求插入通道开关，以便能够在必要时切断前、后电路的相互影响，通过外加条件来测试前、后电路的工作情况。这里，利用STA400的内核通道开关输出A01连接后置电路，而用其输入A1和A0分别连接前置电路和测试基准信号。这样，就可利用通道开关，将后置电路（A/D转换器）的输入切换到标准参考信号，从而不必依赖前置电路（系统输入通道）的好坏，均能实现校准A/D转换器的目的。
　　同时，利用STA400的模拟信号边界扫描功能，还可直接了解数据采集器前向通道的工作状态。即在PROBE指令作用下由AT2直接测取引脚A1所连电路处的实际信号（此刻数据采集器系统可以正常工作），也可在EXTEST指令作用下切断芯片内核功能，在芯片测试状态同样通过AT2测取引脚A1所连前置电路的实际信号。

　　另外，为了观察后置通道A/D转换器的工作状况，可以通过EXTEST指令的作用将AT1施加的测试激励信号加到芯片引脚A01处。

　　上述分析表明，采用诸如STA400的典型边界扫描元件确实能够构建颇为理想的虚拟测点，提高电子产品的可测性水平。但也同时带来问题，那就是增设的通道开关特性是否能够满足原系统的性能要求？模拟开关的等效电阻有多大？是否会改变系统输入信号的电压？当系统输入为交流信号时，可用的带宽有何限制？采用模拟边界扫描时STA400的ABM和BTIC内部开关特性有何影响？其等效电阻是多少？幅频特性和相频特性如何？显然，上述问题直接关系边界扫描元件的实际应用，也是开展可测性设计工作无法回避的问题。为此，本文将在下面部分通过实际试验工作的总结分析，来具体回答这些问题。

5 工作特性的试验结果

　　试验工作分元件的内核功能、边界扫描完备性、引脚到AT2和AT1到引脚的模拟通道能力等几个方面分别进行。

　　为了测试元件内核功能中的模拟开关特性，确定其导通时的等效电阻，可设置芯片的控制信号C0=0、C1=0、Mode=1、CE=1、CEI=0。然后分别改变连接在后置电路处的负载电阻和从引脚A0处的输入电压，测取引脚A01处的输出电压，从而可以算出不同电压和电流条件下通道开关的等效导通电阻。具体试验的结果如表5所示。

　　可见开关通道导通时的等效电阻很小，故用此开关作为数据采集器通道时，只要后置电路的输入阻抗在２kΩ以上，便可得到满意的通道特性。

　　为了进一步观察开关通道的频率响应，可将直流输入信号换成可变频率的正弦波，并在幅值=2V、负载电阻=10kΩ的条件下观测输出信号的波形，并得出如图5所示的频率特性实测曲线。

　　试验结果表明：STA400的模拟通道带宽可达10MHz以上，远高于普通模拟开关芯片。如CD4051在相同条件下的等效电阻约为300Ω以上，在1MHz频率下幅值衰减超过-3dB，滞后相角约为20度。

　　为了确保STA400的模拟边界扫描功能，应首先进行完备性测试来验证芯片本身边界扫描的基本功能。由于STA400不支持IDCODE指令，可通过TDI输入 BYPASS指令后，从TDI移入数据，并从TDO观察输出以判断该芯片的边界扫描基本功能。

　　实际性能测试可从输入PRELOAD指令开始；再将引脚A1的ABM内部开关工作模式设为P1，也将TBIC的内部开关工作模式设成P1，并把由此形成的控制矢量作为数据串行输入到边界扫描单元中；然后通过施加EXTEST（或PROBE）指令使其控制内部开关产生相应的动作，从而在引脚A1-AB2-AT2之间形成信号通道。在此基础上通过对引脚A1施加直流信号，并分别改变所加输入电压和连接到AT2处的负载电阻（一端接地），从而算出不同电压和电流条件下模拟边界扫描内部开关的等效导通电阻。具体试验的主要结果如表6所示，可见等效电阻大于先前芯片内核开关电路的等效电阻。
　　上述测试结果为A1-AB2-AT2通道上两个模拟开关的内阻串联值。

　　将所加直流电压换成正弦信号，并通过逐次改变频率和幅值后对比输出响应，计算出通道的幅频和相频特性（如图6所示）。


　　同理，为了观察引脚AT1-AB1-A01之间形成的激励通道特性，可先加载PRELOAD指令；再将引脚A01处的ABM配置为P2，TBIC配置成P2，形成控制矢量串行输入；然后施加EXTEST指令控制内部开关动作。测试AT1-AB1-A01通路两个模拟开关内阻串联值也在1kΩ到2kΩ之间，最终测得的频率响应也与图6曲线相似，不再赘述。

6 结论

　　本文所述针对STA400的实测结果表明：其内核开关性能优越，可广泛用于电子电路可测性设计中信号通道要求串接开关的多种场合。同时，也应充分发挥芯片支持的IEEE1149.4混合边界扫描功能。其可加载（监控）的直流电压为-0.4V~5V，允许工作电流为500uA，交流信号的幅频带宽可达1MHz以上，相移3度以下的频段也在30kHz以上。这样，可用芯片内核开关为数采系统建立可切换的校准功能通道；而以芯片所有通道引脚作为虚拟测点，通过边界扫描的简便操作方式，提供满足混合信号电子电路可测性设计要求的故障诊断测试通道。