АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ НА РАДИАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ
AUTOMATED SYSTEM FOR TESTING INTEGRATED CIRCUITS FOR RADIATION STABILITY

Изобретение относится к радиационной технике и может быть использовано для проведения испытаний интегральных микросхем различных типов и классов (в т.ч. микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции с 8/16/32-битным параллельным интерфейсом) на радиационную стойкость в условиях воздействия импульсных и стационарных ионизирующих излучений, генерируемых соответствующими установками (в т.ч. моделирующими установками-ускорителями и импульсными ядерными реакторами) и источниками.
Под радиационной стойкостью (PC) интегральных микросхем (ИМС) понимается способность ИМС сохранять функциональную и параметрическую работоспособность во время и (или) после воздействия ионизирующих излучений (ИИ).
Под ИИ понимаются проникающие гамма-, тормозное, рентгеновское, гамма-нейтронное, нейтронное и протонное излучения, а также лазерное излучение, электронные пучки и тяжелые заряженные частицы.
Известна автоматизированная система контроля (АСК) для исследований функциональной и параметрической работоспособности БИС запоминающих устройств с 8-битным параллельным интерфейсом на моделирующих установках в условиях воздействия импульсных ИИ (см. Сборник докладов IV научно-технической конференции "Молодежь в науке", ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", Саров, 2006, с.541-545).
АСК содержит облучаемый блок (ОБ) с одним образцом БИС запоминающего устройства (ЗУ), размещаемый в прямом потоке, импульсного ИИ моделирующей установки (МУ), блок управления и функционального контроля (БУФК) на основе микроконтроллера (МК) с программным обеспечением (ПО), выходы и выходы-входы которого соединены с соответствующими входами и входами-выходами ОБ, многоканальное буферное согласующее устройство (БСУ), входы которого соединены с соответствующими выходами и входами-выходами ОБ и БУФК, блок фильтрации и опторазвязок (БлФОР), вход которого соединен с соответствующим выходом формирователя синхросигналов МУ, стабилизированные источники электропитания (ИЭП), выходы которых соединены с входами напряжений питания БУФК, БСУ и БлФОР, контрольно-измерительную аппаратуру (КИА), измерительные входы которой через блок трассировок (БлТ) соединены с выходами БСУ, генераторы импульсов (ГИ), входы внешнего запуска которых соединены с выходом БлФОР, а выходы - с соответствующими входами БУФК, ПЭВМ с ПО, USB-порт которой соединен с соответствующими входами и выходами автономного преобразователя интерфейса (ПрИнт), другие вход и выход которого соединены с соответствующими входом и выходом БУФК.
АСК разработана для радиационных исследований работоспособности БИС запоминающих устройств (ЗУ) с 8-битным параллельным интерфейсом и номинальным напряжением питания в диапазоне от 4,5 до 6,0 В (СтОЗУ, ПЗУ и др.) в пассивном и активном режимах функционирования.
2
АСК не обеспечивает контроль работоспособности ИМС ЗУ с 16/32-битным параллельным интерфейсом и с интерфейсами SMBus, SPI, IC, а также ИМС других классов и ИМС с номинальным напряжением питания в диапазоне от 3,0 до 3,6 В.
Кроме того, вышеуказанная система имеет следующие недостатки:
а) общее число выходов и входов/выходов БУФК, где может генерироваться функциональный тест (ФТ) для исследуемой БИС ЗУ, ограничено 20, при этом число входов/выходов составляет 8;
б) сравнительно низкая производительность 8-разрядного МК в БУФК - менее 2 MIPS (Million Instructions Per Second), при этом длительность выполнения команд задается не в периодах тактовой частоты, а в машинных циклах;
в) отсутствие программных средств автоматизации конфигурирования МК и разработки ПО МК;
г) отсутствие возможности внутрисхемного программирования МК в БУФК, внутрисхемной неинтрузивной отладки и периферийного сканирования ПО МК;
д) отсутствие возможности программного управления временными параметрами интерфейса внешней памяти МК в БУФК и, как следствие, необходимость схемотехнической реализации в блоке, наряду с программным режимом обращения к ячейкам памяти тестируемой БИС ЗУ, подключаемой к БУФК как внешняя память МК, специального аппаратного режима, обеспечивающего при считывании данных из БИС ЗУ сравнимые длительности активного и пассивного уровней сигналов управления. Схемотехническая реализация аппаратного режима потребовала применения специальных схем обрамления МК на основе ИМС логических вентилей, регистров, триггеров, мультиплексоров, двоичных счетчиков, буферных передатчиков и приемников-передатчиков серии 1554. Аппаратная часть БУФК достаточно жестко привязывает его к исследованиям работоспособности в основном БИС ЗУ и существенно ограничивает возможность формирования в БУФК сложных ФТ для БИС других классов;
е) сложность настройки аппаратной части БУФК на испытания конкретного типа БИС ЗУ - требуется распайка соответствующим образом более 25 перемычек на плате БУФК;
ж) сравнительно низкая частота обращения к отдельной ячейке памяти в накопителе исследуемой БИС ЗУ - не более 600 кГц;
з) чувствительность БУФК к воздействию цуга знакопеременных наводок амплитудой более ±10 В и суммарной длительностью более 5 мкс, генерируемых в контурах АСК во время работы мощного линейного индукционного ускорителя. Воздействие знакопеременных наводок на интегральные микросхемы обрамления МК в БУФК периодически приводит к их несанкционированному переключению и аварийной остановке выполнения цикла тестирования исследуемой БИС ЗУ непосредственно после воздействия импульсного тормозного излучения;
и) схемотехническая реализация многоканального БСУ на основе транзисторных повторителей.
Вышеуказанная система является наиболее близкой к заявляемому автоматизированному комплексу по технической сущности и поэтому выбрана в качестве прототипа.
Решаемой технической задачей является создание автоматизированного комплекса для испытаний интегральных микросхем различных типов и классов (в т.ч. БИС и СБИС с 8/16/32-битным параллельным интерфейсом) на радиационную стойкость.
Достигаемым техническим результатом является расширение функциональных возможностей заявляемого автоматизированного комплекса и повышение его устойчивости к воздействию знакопеременных наводок.
Для достижения технического результата в автоматизированном комплексе для испытаний интегральных микросхем на радиационную стойкость, содержащем источник ионизирующих излучений, в прямом потоке которых размещают облучаемый блок, по крайней мере, с одной испытываемой интегральной микросхемой, детекторы ионизирующих излучений, блок управления и функционального контроля на основе микроконтроллера с программным обеспечением, выходы и выходы-входы которого соединены с соответствующими входами и входами-выходами облучаемого блока, многоканальные буферные согласующие устройства, входы которых соединены с соответствующими выходами и входами-выходами облучаемого блока и блока управления и функционального контроля, многоканальный блок фильтрации и опторазвязок, входы которого соединены с соответствующими выходами формирователя синхросигналов источника ионизирующих излучений, стабилизированные источники электропитания, выходы которых соединены с входами напряжений питания блока управления и функционального контроля, буферных согласующих устройств и блока фильтрации и опторазвязок, автономные средства измерений, измерительные входы которых соединены с выходами буферных согласующих устройств и облучаемого блока, генераторы импульсов, входы внешнего запуска которых соединены с выходами блока фильтрации и опторазвязок, а выходы соединены с соответствующими входами блока управления и функционального контроля и входами внешнего запуска средств измерений, ПЭВМ с программным обеспечением, USB-порт которой соединен с соответствующими входами и выходами автономного преобразователя интерфейса, другие вход и выход которого соединены с соответствующими входом и выходом блока управления и функционального контроля, новым является то, что дополнительно введены бесперебойные источники электропитания, выходы которых через первую группу сетевых фильтров соединены с входами напряжения питания средств измерений, генераторов импульсов, стабилизированных источников электропитания и ПЭВМ, вторая группа сетевых фильтров, к выходам которых подключены входы напряжения питания бесперебойных источников электропитания, по крайней мере, один датчик импульсного ионизирующего излучения, выход которого подключен к измерительному входу средства измерения, в блок управления и функционального контроля дополнительно введены многоканальные быстродействующие оптроны, входы которых соединены с выходами генераторов импульсов, а выходы - с соответствующими входами-выходами микроконтроллера, приемопередатчик интерфейса информационного канала, вход и выход которого соединены с выходом и входом преобразователя интерфейса, первый формирователь управляющих сигналов, входы которого соединены с соответствующими входами-выходами микроконтроллера, а выходы - с управляющими входами приемопередатчика интерфейса информационного канала, многоканальные быстродействующие устройства защиты от знакопеременных перенапряжений, многоканальные буферные приемопередатчики/преобразователи уровня, входы-выходы которых соединены с входами-выходами микроконтроллера, а выходы-входы через резисторы согласования волнового сопротивления кабелей соединены с входами и входами-выходами облучаемого блока и входами быстродействующих устройств защиты, второй формирователь управляющих сигналов, входы которого соединены с соответствующими входами-выходами микроконтроллера, а выходы - с входами-выходами одного из приемопередатчиков/преобразователей уровня, первый нерегулируемый вторичный источник питания, входы которого соединены с выходами первого стабилизированного источника электропитания, а выходы - с входами напряжения питания микроконтроллера, первого и второго формирователей управляющих сигналов, приемопередатчика интерфейса информационного канала, многоканальных быстродействующих оптронов и с первой шиной питания многоканальных буферных приемопередатчиков/преобразователей уровня, регулируемый вторичный источник питания, входы которого соединены с выходами первого стабилизированного источника электропитания, а выходы - со второй шиной питания многоканальных буферных приемопередатчиков/преобразователей уровня, с входами напряжения питания быстродействующих устройств защиты и облучаемого блока, первая группа коммутирующих элементов, входы которых подключены к соответствующему входу регулируемого вторичного источника питания и через резистор - к выходу регулируемого вторичного источника питания, а выходы - к первым выводам группы резисторов, вторые выводы которых соединены с общей цифровой шиной питания, монитор напряжения питания, вход и выход которого подключены к соответствующим входам регулируемого вторичного источника питания, вторая группа коммутирующих элементов, входы которых подключены к соответствующим входам-выходам микроконтроллера, а выходы - к управляющим входам многоканальных буферных приемопередатчиков/преобразователей уровня, при этом в многоканальных буферных согласующих устройствах каждый канал выполнен на основе прецизионных операционных усилителей или быстродействующих буферов, к выходам которых подключены резисторы согласования волнового сопротивления фидерных магистралей, а входы двухполярного напряжения питания которых соединены с выходами второго и третьего стабилизированных источников электропитания, при этом блок фильтрации и опторазвязок выполнен многоканальным, каждый канал которого состоит из последовательно соединенных коммутирующего устройства, интегрирующей схемы, формирователя импульсов и быстродействующего оптрона, причем входы напряжения питания коммутирующих устройств, интегрирующих схем и формирователей импульсов всех каналов соединены с выходами второго нерегулируемого вторичного источника питания, входы которого соединены с выходами четвертого стабилизированного источника электропитания, а входы напряжения питания оптронов всех каналов соединены с выходами пятого стабилизированного источника электропитания.
Введение в блок управления и функционального контроля (БУФК) многоканальных быстродействующих оптронов, приемопередатчика интерфейса RS-485, формирователей управляющих сигналов на ИМС серии 1526, многоканальных быстродействующих устройств защиты от знакопеременных перенапряжений, многоканальных буферных приемопередатчиков/преобразователей уровня, регулируемого вторичного источника питания на основе регулируемого линейного стабилизатора напряжения (ЛСН) со сверхнизким падением напряжения, монитора напряжения питания и применение микроконтроллера смешанных сигналов (системы на кристалле) позволяет расширить функциональные возможности заявляемого автоматизированного комплекса и обеспечить защиту ИМС в БУФК и в других технических средствах (ТС) комплекса от воздействия знакопеременных наводок при проведении радиационных испытаний ИМС на мощных МУ.
Выполнение многоканального буферного согласующего устройства (БСУ) на основе прецизионных операционных усилителей или быстродействующих буферов обеспечивает:
а) большое входное сопротивление и малую входную емкость для измеряемых входных и выходных сигналов испытываемой ИМС;
б) усиление мощности измеряемых сигналов для передачи их на автономные средства измерений по длинным согласованным измерительным каналам;
в) требуемую точность дистанционных динамических и статических измерений электрических и временных параметров испытываемой ИМС на автономных СИ утвержденных типов.
Выполнение функциональных узлов многоканального блока фильтрации и опторазвязок (БлФОР) на основе ИМС серии 1533 и быстродействующих оптронов обеспечивает:
а) фильтрацию по длительности сигналов, поступающих на входы блока, и, как следствие, блокирование паразитных сигналов с длительностью менее 5 мкс;
б) формирование, на основе истинных синхросигналов источника ИИ, внутренних синхросигналов автоматизированного комплекса определенной длительности и амплитуды;
в) гальваническую развязку внутренних синхросигналов автоматизированного комплекса от индустриального контура источника ИИ.
Введение в автоматизированный комплекс бесперебойных источников электропитания (БИЭП) обеспечивает, при необходимости, перевод во время работы источника ИИ всех ТС автоматизированного комплекса на автономное питание от аккумуляторов БИЭП для снижения уровней наводок в управляющем, измерительном и информационном контурах комплекса и, как следствие, обеспечивает требуемую точность измерений электрических и временных параметров испытываемой ИМС на автономных СИ.
Принцип работы автоматизированного комплекса для испытаний интегральных микросхем на радиационную стойкость поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена структурная схема автоматизированного комплекса.
На фиг.2 приведена структурная схема блока управления и функционального контроля.
На фиг.3 приведена структурная схема многоканального буферного согласующего устройства.
На фиг.4 приведена структурная схема многоканального блока фильтрации и опторазвязок.
Автоматизированный комплекс для испытаний интегральных микросхем на радиационную стойкость содержит (см. фиг.1) источник ионизирующих излучений (ИИ) 18, в прямом потоке которых размещают облучаемый блок (ОБ) 16, по крайней мере, с одним испытываемым образцом интегральной микросхемы (ИМС), автономные детекторы ИИ 19, установленные в области размещения испытываемого образца ИМС в ОБ 16, блок управления и функционального контроля (БУФК) 12 на основе микроконтроллера смешанных сигналов (МК) 20 с программным обеспечением (ПО), выходы и выходы-входы которого соединены с соответствующими входами и входами-выходами ОБ 16, многоканальные буферные согласующие устройства (БСУ) 13, 14, 15, входы которых соединены с соответствующими выходами и входами-выходами ОБ 16 и БУФК 12, многоканальный блок фильтрации и опторазвязок (БлФОР) 2, входы которого соединены с соответствующими выходами формирователя синхросигналов (ФСИ) 1 источника ИИ 18, стабилизированные источники электропитания (ИЭП) 4, выходы которых соединены с входами напряжений питания БУФК 12, БСУ 13, 14, 15 и БлФОР 2, автономные средства измерений (СИ) 5, 6, измерительные входы которых соединены с выходами БСУ 13, 14, 15 и ОБ 16, генераторы импульсов (ГИ) 3, входы внешнего запуска которых соединены с выходами БлФОР 2, а выходы соединены с соответствующими входами БУФК 12 и входами внешнего запуска СИ 5, 6, ПЭВМ 7 с ПО, USB-порт которой соединен с соответствующими входами и выходами автономного преобразователя интерфейса (ПрИнт) 8, другие вход и выход которого соединены с соответствующими входом и выходом БУФК 12, бесперебойные источники электропитания (БИЭП) 9, выходы которых через первую группу сетевых фильтров (СФ) 11 соединены с входами напряжения питания СИ 5, 6, ГИ 3, стабилизированных ИЭП 4 и ПЭВМ 7, вторая группа СФ 10, к выходам которых подключены входы напряжения питания БИЭП 9, по крайней мере, один датчик импульсного ИИ 17, выход которого подключен к измерительному входу СИ 6, при этом в БУФК 12 (см. фиг.2) введены многоканальные быстродействующие оптроны (Опт) 29, 30, входы которых соединены с выходами ГИ 3, а выходы - с соответствующими входами-выходами МК 20, приемопередатчик интерфейса информационного канала (ППИнт) 28, вход и выход которого соединены с выходом и входом ПрИнт 8, первый формирователь управляющих сигналов (ФУС) 27, входы которого соединены с соответствующими входами-выходами МК 20, а выходы - с управляющими входами ППИнт 28, многоканальные быстродействующие устройства защиты (УЗ) от знакопеременных перенапряжений 50-63, многоканальные буферные приемопередатчики/преобразователи уровня (ПП/ПУ) 36-42, входы-выходы которых соединены с входами-выходами МК 20, а выходы-входы через резисторы согласования волнового сопротивления кабелей 43-49 соединены с входами и входами-выходами ОБ 16 и входами быстродействующих УЗ 50-63, второй ФУС 31, входы которого соединены с соответствующими входами-выходами МК 20, а выходы - с входами-выходами ПП/ПУ 39, первый нерегулируемый вторичный источник питания (НВИП) 21, входы которого соединены с выходами первого стабилизированного ИЭП 4, а выходы - с входами напряжения питания МК 20, первого 27 и второго 31 ФУС, ППИнт 28, многоканальных быстродействующих Опт 29, 30 и с первой шиной питания многоканальных буферных ПП/ПУ 36-42, регулируемый вторичный источник питания (РВИП) 22, входы которого соединены с выходами первого стабилизированного ИЭП 4, а выходы - со второй шиной питания многоканальных буферных ПП/ПУ 36-42, с входами напряжения питания быстродействующих УЗ 50-63 и ОБ 16, первая группа коммутирующих элементов (КУ) 25, входы которых подключены к соответствующему входу РВИП 22 и через резистор 24 - к выходу РВИП 22, а выходы - к первым выводам группы резисторов 26, вторые выводы которых соединены с общей цифровой шиной питания GND, монитор напряжения питания (МНП) 23, вход и выход которого подключены к соответствующим входам РВИП 22, вторая группа КУ 32-35, входы которых подключены к соответствующим входам-выходам МК 20, а выходы - к управляющим входам многоканальных буферных ПП/ПУ 36, 37, 38, 42, при этом в многоканальных БСУ 13, 14, 15 (см. фиг.3) каждый канал выполнен на основе прецизионных операционных усилителей (ОУ) 66-85 или быстродействующих буферов (BUF) 66-85, к выходам которых подключены резисторы согласования волнового сопротивления фидерных магистралей 86-105, а входы двухполярного напряжения питания которых соединены с выходами второго и третьего стабилизированных ИЭП 4, при этом БлФОР (см. фиг.4) выполнен многоканальным, каждый канал которого состоит из последовательно соединенных коммутирующих устройств (КУ) 106-110, интегрирующей схемы (ИнтСх) 111-115, формирователя импульсов (ФИ) 116-120 и быстродействующих оптронов 121-125, причем входы напряжения питания КУ 106-110, ИнтСх 111-115 и ФИ 116-120 в каждом канале соединены с выходами второго нерегулируемого вторичного источника питания (НВИП) 126, входы которого соединены с выходами четвертого ИЭП 4, а входы напряжения питания оптронов 121-125 в каждом канале соединены с выходами пятого ИЭП 4.
Автоматизированный комплекс предназначен для радиационных испытаний широкого перечня ИМС различных типов и классов - процессоры, сопроцессоры, МК, ЗУ, интерфейсные ИМС и др.
Испытываемые ИМС могут иметь различные номинальные значения напряжения питания, различное количество входов управления, различное количество входов, выходов и (или) входов-выходов данных, функционировать в соответствии с различными временными диаграммами и пр. Кроме того, испытываемые ИМС могут представлять собой как управляемые устройства (сопроцессоры, запоминающие устройства, интерфейсные БИС и др.), так и управляющие устройства (микропроцессоры, МК и др.).
Среди основных характеристик ИМС, для испытаний работоспособности которых предназначен автоматизированный комплекс, можно выделить следующие:
- диапазоны напряжений питания - от 2,4 до 3,0 В, от 3,0 до 3,6 В, от 3,0 до 6,0 В, от 4,5 до 7,5 В;
- стандарт входных/выходных уровней - 3,3V-LVCMOS/LVTTL, 5V-CMOS;
- общее число входов управления и входов, выходов и (или) входов-выходов данных - до 54;
- число входов-выходов данных - до 32;
- низкая нагрузочная способность: как правило, максимально допустимый выходной ток - не более 1 мА, максимально допустимая емкость нагрузки - от 10 до 50 пФ.
Основными задачами радиационных испытаний ИМС являются:
- определение уровня ИИ бессбойной работы ИМС (УБР), при котором во время и (или) после воздействия ИИ гарантированно не происходит обратимых и необратимых нарушений функциональной работоспособности ИМС в различных режимах функционирования, а изменения нормируемых электрических и временных параметров не превышают допустимых (критериальных) значений;
- определение времени потери функциональной (ВПФР) и (или) параметрической (ВППР) работоспособности испытываемой ИМС при воздействии ИИ с уровнем, большим, чем УБР.
В соответствии с назначением автоматизированный комплекс обеспечивает выполнение в автоматизированном режиме следующих функций (до, во время и после воздействия ИИ):
- программную генерацию сложных многоканальных функциональных тестов (ФТ) для испытываемой ИМС в соответствии с временными диаграммами ее функционирования (как моделирующих работу ИМС в составе соответствующих приборов, так и оговоренных в нормативной документации (НД));
CC
CCS
CCO
IL
IH
LIL
LIH
OL
OH
A(A)
A(CE)
CEZ
- дистанционные динамические и статические измерения на СИ утвержденных типов 5, 6 основных электрических и временных параметров испытываемой ИМС (U, I, I, U, U, U, U, U, U, t, t, t и др.), характеризующих ее работоспособность в различных режимах функционирования.
Степень сложности многоканального ФТ, генерируемого в автоматизированном комплексе для испытываемой ИМС, должна удовлетворять принципу достаточности таким образом, чтобы на основании результатов проведенных испытаний гарантировать функциональную и параметрическую работоспособность ИМС в конкретных условиях применения.
Соответствие функциональной и параметрической реакции испытываемой ИМС на поданные ФТ требуемым по НД нормам свидетельствует о сохранении ее работоспособности в условиях воздействия ИИ.
Автоматизированный комплекс представляет собой управляющую информационно-измерительную систему:
- с настраиваемой на конкретный тип испытываемой ИМС открытой схемотехнической архитектурой БУФК 12;
- с переменным ПО МК 20 в БУФК 12 и, при необходимости, с переменным ПО ПЭВМ 7. ПО МК 20 в БУФК 12 разрабатывается под каждый новый тип испытываемой ИМС;
- с переменной комплектацией как СИ 5, 6, так и другими техническими средствами (ТС) - БлФОР 2, ГИ 3, ПЭВМ 7, ПрИнт 8, БИЭП 9, СФ 10, 11, БСУ 13, 14, 15, датчиком ИИ 17 (комплектация автоматизированного комплекса определяется конкретным типом испытываемой ИМС и типом источника ИИ 18).
ОБ 16 предназначен для размещения и, при необходимости, электромагнитного экранирования испытываемого образца (образцов) ИМС и пассивных внешних электронных компонентов, соответствующих ее тестовой схеме включения.
В ОБ 16 испытываемый образец ИМС размещается на печатной плате или в специальном контактном устройстве, пассивные внешние электронные компоненты размещаются на отдельной печатной плате.
Конструктивно ОБ 16 представляет собой жестко скрепленную этажерку с верхним расположением испытываемого образца ИМС и с поддоном, на котором установлены соответствующие соединители. В зависимости от типа источника ИИ 18 ОБ 16 выполняется либо безкорпусным, либо в металлическом тонкостенном корпусе, либо в толстостенном двухслойном металлическом корпусе со слоями из магнитомягкого сплава и сплава с высокой электропроводностью.
ОБ 16 не является универсальным и разрабатывается и изготавливается под конкретный тип и конструктивное исполнение испытываемой ИМС.
Перед проведением испытаний на корпус ОБ 16 в области расположения испытываемого образца ИМС устанавливаются автономные детекторы ИИ 19, обеспечивающие регистрацию уровней ИИ, воздействовавших на образец ИМС.
На источнике ИИ 18 ОБ 16 размещается в прямом потоке ИИ.
Входы, выходы и входы-выходы ОБ 16 через согласованные кабели подключаются к выходам и выходам-входам БУФК 12 и входам БСУ 13, 14, 15, размещенных на расстоянии от 0,15 до 7 м от ОБ 16 (в зависимости от типа источника ИИ 18), а также, через согласованные фидеры или фидерные магистрали, - к СИ 5, 6.
БУФК 12 является функциональным ядром автоматизированного комплекса и обеспечивает программную генерацию 54-канального ФТ для испытываемого образца ИМС в ОБ 16.
БУФК 12 реализован на основе МК смешанных сигналов 20, который имеет следующие основные характеристики - процессорное ядро CIP-51 (70% команд выполняется за один период тактовой частоты), тактовую частоту до 100 МГц, производительность до 100 MIPS, встроенный откалиброванный генератор 24,5 МГц, встроенную систему фазовой автоподстройки частоты с программируемыми коэффициентами деления и умножения частоты, 64 входа-выхода общего назначения, интерфейс внешней памяти данных с программно задаваемыми временными параметрами и функционирующий как в мультиплексированном, так и в немультиплексированном режимах, Flash-память объемом 128 кбайт, доступную для программной записи данных, встроенное ОЗУ объемом 8 кбайт и пр.
БУФК 12 имеет открытую схемотехническую архитектуру, что позволяет настраивать его аппаратную часть (при помощи КУ 25, 32, 33, 34, 35) на испытания определенного типа ИМС.
В БУФК 12 ФТ формируются программно на входах-выходах портов МК 20 Р0, Р2, Р3, Р4, Р5, Р6, Р7 в соответствии с алгоритмами модулей ПО МК 20 как с использованием встроенных в кристалл МК 20 интерфейсов, так и без их использования, а также во втором ФУС 31, входы которого подключены к соответствующим входам-выходам порта Р4 МК 20, а выходы - к соответствующим входам-выходам ПП/ПУ 39. ФТ передаются в ОБ 16 через ПП/ПУ 36-42 и резисторы 43-49 по согласованным кабельным линиям.
БУФК 12 выполнен так, что 22 канала (из 54-х, где генерируется ФТ) могут функционировать только как выходы (входы-выходы портов Р5, Р6 МК 20 и выходы ФУС 31 и соответствующие им ПП/ПУ 40, 41, 39), а остальные 32 канала могут функционировать как входы-выходы (входы-выходы портов Р0, Р2, Р3, Р7 МК 20 и соответствующие им ПП/ПУ 36, 37, 38, 42). Как следствие, одновременно с функцией генератора ФТ БУФК 12, при необходимости, может выполнять функцию однопорогового, 32-разрядного логического анализатора уровней сигналов на выходах и входах-выходах испытываемой ИМС.
БУФК 12 обеспечивает два варианта хранения результатов логического анализа уровней сигналов на выходах и входах-выходах испытываемой ИМС:
- оперативное хранение во встроенном в кристалл МК 20 ОЗУ емкостью 8 кбайт;
- долговременное хранение в определенных банках встроенной энергонезависимой Flash-памяти МК 20 емкостью по 32 кбайт.
БУФК 12 обеспечивает два варианта передачи сохраненных в памяти МК 20 данных в ПЭВМ 7:
- передача по кабелю длиной до 1 м через соответствующие входы и выходы интерфейса JTAG МК 20, соединитель 65 и автономный отладочный адаптер USB to JTAG;
- передача по кабелю в стандарте RS-485 длиной до 30 м через соответствующие входы-выходы встроеннного в МК 20 универсального асинхронного приемника-передатчика UART1, ППИнт 28 и ПрИнт 8.
Управление БУФК может осуществляться или посредством внутренних синхросигналов автоматизированного комплекса, формируемых последовательно включенными ФСИ 1, БлФОР 2, ГИ 3 и передаваемых на соответствующие входы-выходы порта Р1 МК 20 через быстродействующие Опт 29, 30, или по командам ПЭВМ 7, передаваемыми в UART1 МК 20 через ПрИнт 8 и ППИнт 28. МК 20 в БУФК может обрабатывать до четырех внутренних синхросигналов комплекса, два из которых могут быть конфигурированы как внешние прерывания МК 20.
БУФК 12 обеспечивает возможность радиационного испытания одновременно нескольких ИМС с 8/16-битным параллельным интерфейсом.
ПО МК 20 в БУФК 12 является переменным и разрабатывается по модульному принципу на языке Макроассемблер под конкретный тип испытываемой ИМС в соответствии с временными диаграммами ее функционирования в различных режимах.
ПО МК 20 обеспечивает выполнение следующих основных функций:
- инициализацию и конфигурацию встроенных устройств цифровой и аналоговой периферии МК 20 для испытаний ИМС конкретного типа;
- обработку внутренних синхросигналов автоматизированного комплекса и (или) команд ПЭВМ 7;
- генерацию различных ФТ (в соответствии с различными алгоритмами модулей ПО МК 20) для испытываемой ИМС в ОБ 16 в соответствии с внутренними синхросигналами автоматизированного комплекса и (или) командами ПЭВМ 7;
- сохранение во встроенных в кристалл МК 20 ОЗУ или в определенных банках энергонезависимой Flash-памяти результатов логического анализа уровней сигналов на выходах и входах-выходах испытываемой ИМС в ОБ 16;
- передачу в ПЭВМ 7 сохраненных в памяти МК 20 данных через встроенные в МК 20 интерфейс JTAG или UART1.
Для программирования и отладки ПО МК 20 в БУФК 12 используются автономный отладочный адаптер USB to JTAG и ПЭВМ 7.
Вывод на СИ 5, 6 основных электрических и временных параметров испытываемой ИМС, характеризующих ее функциональную и параметрическую работоспособность в условиях воздействия ИИ, осуществляется через 20-канальные БСУ 13, 14, 15 и согласованные измерительные фидерные магистрали с волновым сопротивлением 75 или 100 Ом длиной до 25 м.
В качестве автономных СИ 5, 6 в автоматизированном комплексе используются:
6
- цифровые запоминающие осциллографы (в т.ч. осциллографы смешанных сигналов) с объемом памяти не менее 10 отсчетов/канал;
6
- логический анализатор с числом каналов не менее 64 и объемом памяти не менее 10 отсчетов/канал;
- цифровые мультиметры.
Применение ПЭВМ 7 в автоматизированном комплексе не всегда является обязательным. ПО ПЭВМ 7 включает специальную и стандартные компоненты. Специальное ПО ПЭВМ 7 разрабатывается на языке высокого уровня и обеспечивает выполнение следующих основных функций:
- формирование команд для управления режимами функционирования БУФК 12;
- обработку массивов данных, принятых от БУФК 12;
- представление результатов контроля функциональной работоспособности испытываемой ИМС в текстовом или табличном виде.
Стандартное ПО ПЭВМ 7 включает, помимо прикладных программных пакетов, специализированные средства разработки ПО МК 20 - Макроассемблер, Компоновщик, Библиотекарь, Мастер Конфигурации, Интегрированную Среду Разработки.
Во время проведения радиационных испытаний ИМС управляющий, измерительный и информационный контуры автоматизированного комплекса, при необходимости, могут гальванически развязываться от индустриального контура источника ИИ 18 (СИ 5, 6, БлФОР 2, ГИ 3, ИЭП 4, ПЭВМ 7, и, как следствие, ПрИнт 8, БУФК 12, БСУ 13, 14, 15, ОБ 16 переводятся на автономное питание от аккумуляторов БИЭП 9), что обеспечивает существенное снижение уровня помех, генерируемых в управляющем, измерительном и информационном контурах комплекса при работе мощных МУ.
Датчик ИИ 17 требуется при выполнении работ на импульсных МУ (например, на ускорителях), где он выполняет функцию "свидетеля" выхода соответствующего ИИ и, при необходимости, отображает на СИ 6 форму импульса ИИ.
Порядок размещения ТС автоматизированного комплекса на источнике ИИ 18 определяется типом источника.
Например, при выполнении работ на импульсной МУ порядок размещения ТС комплекса определяется требованиями радиационной безопасности, характеристиками испытываемых ИМС и принципом построения комплекса (см. фиг.1):
- в облучательном зале МУ в прямом потоке ИИ размещаются ОБ 16 с испытываемой ИМС, автономные детекторы ИИ 19 и, при необходимости, датчик ИИ 17;
- в облучательном зале МУ (на расстоянии до 7 м от ОБ 16) размещаются БУФК 12 и БСУ 13, 14, 15;
- в измерительном зале МУ за биологической защитой размещаются персонал автоматизированного комплекса, СИ 5, 6, БлФОР 2, ГИ 3, ИЭП 4, ПЭВМ 7, ПрИнт 8, БИЭП 9, СФ 10, 11.
Включение ТС комплекса осуществляется в следующей последовательности - СФ 10, БИЭП 9, СФ 11, ПЭВМ 7, СИ 5, 6, ГИ 3 и, далее, ИЭП 4 с включенной блокировкой выхода: четвертый и пятый ИЭП - для БлФОР 2, второй и третий ИЭП - для БСУ 13, 14, 15, первый ИЭП - для БУФК 12.
Подготовка ГИ 3 к применению включает операции задания способов запуска и требуемых значений амплитуды, длительности и времени задержки внутренних синхросигналов автоматизированного комплекса.
Подготовка СИ 6 (осциллографов) к применению включает операции задания способов запуска и требуемых разверток по вертикали и горизонтали (при этом обязательным условием является установка на запись предыстории измеряемых сигналов на 10% полной шкалы по горизонтали).
Подготовка ИЭП 4 к применению включает операции задания требуемых значений выходных напряжений и токов.
Снятие блокировки выхода ИЭП 4 осуществляется строго в следующем порядке: четвертый и пятый ИЭП - для БлФОР 2, второй и третий ИЭП - для БСУ 13, 14, 15, первый ИЭП - для БУФК 12.
При снятии блокировки выхода первого ИЭП 4 на входы НВИП 21, МНП 23 и РВИП 22 в БУФК 12 подается напряжение питания в диапазоне от 4,5 до 7,0 В.
DD
НВИП 21, построенный на основе нерегулируемого ЛСН с низким падением напряжения, формирует напряжение питания для 3,3В-ядра БУФК, включающего МК 20 (U), первый 27 и второй 31 ФУС, ППИнт 28, Опт 29, 30 и первую шину питания многоканальных буферных ПП/ПУ 36-42.
DD
Выходное напряжение НВИП 21 подается также на входы МК 20 "СР0+" (вход "+" встроенного компаратора напряжения 0), "MONEN" (вход встроенной схемы слежения за напряжением питания U) и через RC цепочку 64 - на вход "/RST" (вход внешнего сброса МК).
РВИП 22, построенный на основе быстродействующего регулируемого ЛСН со сверхнизким падением напряжения, формирует фиксированное напряжение питания из ряда 3,0; 3,3; 3,6; 4,5; 5,0; 5,5 В для ОБ 16, испытываемой ИМС в ОБ 16, второй шины питания многоканальных буферных ПП/ПУ 36-42 и быстродействующих многоканальных УЗ 50-63. Конкретное значение выходного напряжения РВИП 22 предварительно задается соответствующей установкой КУ 25, подключающего к входу "ADJ" ЛСН и второму выводу резистора 24 соответствующий резистор из группы резисторов 26.
МНП 23, выход которого подключен к входу "Shutdown" ЛСН в РВИП 22, обеспечивает временную задержку включения РВИП 22 относительно включения НВИП 21 (что требуется по условиям применения ПП/ПУ 36-42 - напряжение на первую шину питания ПП/ПУ должно подаваться раньше, чем на вторую), а также блокирует выход РВИП 22 в случае аварийного снижения его входного напряжения менее 2,7 В.
ОБ 16 выполняется таким образом, что при подаче напряжения питания испытываемый образец ИМС переводится в статический режим функционирования с низким энергопотреблением.
DD
DD
RST
DD
При подаче на соответствующие входы МК 20 напряжения питания U встроенная схема слежения удерживает МК 20 в состоянии сброса в течение определенного времени задержки после того, как U превысит уровень U на входе "/RST", что позволяет U стабилизироваться.
По завершении сброса в МК 20 выполняется модуль ПО, обеспечивающий начальную установку МК 20 в требуемое для проведения испытаний ИМС состояние - конфигурируются соответствующим образом встроенные устройства цифровой и аналоговой периферии, определяются соответствующие сегменты памяти различных классов, определяются глобальные и локальные переменные, константы и пр.
В результате предварительной настройки аппаратной части БУФК 12 (соответствующей установки КУ 32-35) и начальной программной установки МК 20 ПП/ПУ 36-42 переводятся в требуемый режим функционирования (приемники или передатчики) с установленным или снятым Z-состоянием их выходов.
По завершении выполнения модуля начальной установки ПО МК 20 переходит в режим ожидания соответствующего внутреннего синхросигнала комплекса или соответствующей команды от ПЭВМ 7.
Внутренние синхросигналы комплекса подаются на соответствующие входы-выходы порта Р1 МК 20 через Опт 29, 30 в БУФК 12 от последовательно включенных ФСИ 1, БлФОР 2, ГИ 3 либо в автоматическом, либо в ручном режиме.
Команды от ПЭВМ 7 подаются на вход "RX1" UART1 МК 20 (соответствующий вход-выход порта Р1) через ПриИнт 8 и ППИнт 28 (предварительно ППИнт 28 через ФУС 27 программно переводится в режим приемника соответствующей установкой соответствующих входов-выходов порта Р1МК 20).
При подаче на соответствующие входы-выходы МК 20 внутреннего синхросигнала комплекса или команды от ПЭВМ 7 начинается выполнение соответствующего модуля ПО МК 20 на генерацию определенного ФТ для испытываемой ИМС в ОБ 16.
При необходимости, до импульса ИИ в БУФК 12 может быть подан внутренний синхросигнал автоматизированного комплекса "запуск модуля ПО МК 20 для предварительной установки испытываемой ИМС в требуемое перед облучением состояние" (например, для испытаний ИМС СтОЗУ - запуск модуля записи определенного кода ("шахматы", или "бегущий 0", или "бегущая 1", или любой др.) во все адресное пространство).
При необходимости, перед импульсом ИИ (например, за 2 мин) осуществляется перевод БлФОР 2, ИЭП 4, СИ 5, 6, ПЭВМ 7 на автономное питание от аккумуляторов БИЭП 9 (выключаются СФ 10).
Также, при необходимости испытаний ИМС в динамическом режиме функционирования во время и после воздействия ИИ, перед импульсом ИИ в БУФК 12 подается внутренний синхросигнал комплекса "запуск модуля ПО МК 20 для испытаний ИМС в динамическом режиме функционирования" (например, для испытаний ИМС СтОЗУ выполняется запуск модуля ПО для циклического считывания кода из всего адресного пространства).
Во время воздействия ИИ на испытываемую ИМС в ФСИ 1 формируется синхросигнал МУ "Импульс ИИ" и, как следствие, БлФОР 2 и ГИ 3 формируют внутренние синхросигналы комплекса:
- синхросигнал "запуск осциллографов (СИ 6)";
- если ИМС облучалась в динамическом режиме функционирования, то через определенное время задержки после импульса ИИ - синхросигнал "запуск модуля ПО МК 20 для перевода испытываемой ИМС в статический режим функционирования" (например, для испытаний ИМС СтОЗУ по данному сихросигналу в МК 20 должно быть остановлено выполнение модуля ПО для циклического считывания кода из всего адресного пространства по завершении текущего цикла или цикла, следующего за текущим);
- если ИМС облучалась в статическом режиме, то через определенное время задержки после импульса ИИ - синхросигнал "запуск модуля ПО МК 20 для перевода испытываемой ИМС в динамический режим функционирования" (например, для испытаний ИМС СтОЗУ по данному сихросигналу в МК 20 должен быть запущен модуль ПО для определенного числа циклов считывания кода из всего адресного пространства).
Через (2…4) мин после импульса ИИ осуществляется перевод БИЭП 9 на питание от сети 220 В, 50 Гц (включаются СФ 10).
Полученные во время импульса ИИ осциллограммы сохраняются на электронных носителях в виде файлов в форматах, установленных производителями СИ 6.
При необходимости, внутренним синхросигналом комплекса или по команде ПЭВМ 7 запускается модуль ПО МК 20 для передачи сохраненных в памяти МК 20 результатов ФК испытываемой ИМС в ПЭВМ 7.
Далее осуществляется выключение ТС комплекса, при этом выключение ИЭП 4 осуществляется строго в следующей последовательности: первый ИЭП - для БУФК 12, второй и третий ИЭП - для БСУ 13, 14, 15, четвертый и пятый ИЭП - для БлФОР 2.
ОБ 16 извлекается из зоны воздействия ИИ, автономные детекторы ИИ 19 снимаются с корпуса ОБ 16 и передаются персоналу источника ИИ 18 для измерения уровней ИИ, воздействовавших на испытываемую ИМС.
Результаты измерений параметров ИМС и результаты ФК оперативно обрабатываются для принятия решения:
- о продолжении испытаний в последующих импульсах ИИ данного образца ИМС;
- о замене в ОБ 16 данного образца ИМС на другой и продолжении испытаний;
- о завершении испытаний на данном типе источника ИИ 18.
Для подтверждения практической возможности реализации предлагаемого изобретения были изготовлены блоки ОБ 16, БСУ 13, 14, 15, БлФОР 2, макет блока БУФК 12, разработано ПО для МК 20 в БУФК 12, автоматизированный комплекс был полностью скомплектован и испытан на импульсном источнике ИИ 18 (импульсном ядерном реакторе). Проведенные испытания подтвердили работоспособность и практическую ценность заявляемого автоматизированного комплекса. Методика выполнения измерений (МВИ) электрических и временных параметров ИМС различных типов и классов с применением заявляемого автоматизированного комплекса при проведении радиационных испытаний на источниках ИИ аттестована метрологической службой ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" и включена в специальный раздел Федерального реестра аттестованных методик.