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请问如何对ASIC进行测试?

59 芯片 探测器 测试
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如何检测低能量、高密度的X射线辐射?
如何对ASIC进行测试
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2021-4-13 06:23:20   评论 分享淘帖 邀请回答

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  介绍
  我们的物理解决方案能够检测低能量、高密度的X射线辐射(见图1)。我们设计了专用的X射线探测器的读数ASIC,如 DEDIX[1]、RG64[2]和SXDR64[3],这些都是用于读取硅条探测器,以及诸如PX90[4]的芯片(该芯片采用90纳米CMOS技术构造,并用于读取像素探测器(见图2))。我们的芯片包含多达几千个读数通道,以单光子计数模式工作,这意味着如果某个撞击探测器的光子的能量超过一定的阈值,读数通道就可以对其计数。所有的芯片都包含模拟和数字部分,并具有数字通信接口,用于控制ASIC并输出所采集的数据。每个接口可能有不同数量的针脚,可以与不同的数字I / O一起工作,速度高达200MHz。我们需要尽可能快地测试ASIC,得到结果并作进一步的处理。
  
  图1. 使用DEDIX ASIC进行X射线检测
  
  图2. 将PX90芯片连接到PCB
  创建虚拟仪器
  我们对ASIC进行测试,以确保制作的芯片参数满足要求。为此,我们需要与芯片进行通信,以比特流的形式采集数据,并将其转换为有意义的表示方式。然后,我们需要测量物理参数(在此案例中,即测量给定时间内的光子数),并根据所获取的数据计算ASIC模拟参数。我们需要以最佳的方式表示结果,从而尽可能地得到正确的结论。市场上没有能够满足这种要求的现成设备,因此,我们决定使用NI 产品自己开发。
  我们的虚拟仪器(如图3中的图形用户界面所示),是通过NI PXI机箱以及插在其中的模块化设备构建的,模块化设备包括:用于快速计算的具有双核处理器的NI PXIe-8106控制器,以及用于连接控制和数据信号传输的NI PXI-6562高速DIO模块。我们还使用NI PXI-4071数字万用表模块以精确测量10分之几nA范围内的芯片偏置电流,使用NI PXI-4110电源模块以快速精确地控制需要的电位,使用NI PXI-6259多功能DAQ模块来进行各种其它测量,并控制模拟输出电压。
  
  图3. DEDIX数据采集虚拟仪器的前面板
  我们选择美国国家仪器公司的设备,是因为它们具有覆盖广泛、并易于使用的驱动,通过LabVIEW API,可以在高级的应用程序中很容易地使用它们。在测试过程中,我们需要为8个数字输入线设置延迟(相对于输出时钟信号),使用LabVIEW 和 PXI-6562,只花费5分钟便实现了该功能。
  在与ASIC建立通信后,我们对数字比特流进行分析,这对于观察和调试专用的数字波形数据非常有用。我们从 LabVIEW函数选板中选择了一些函数来适当地剪切、移动以及转换比特流数据,并将其转化为能够代表X射线强度的表示方式。通过这些数据,我们可以计算 ASIC参数,如增益、噪声,以及通道或像素间的直流电平分布。我们还使用了许多数学函数,如差分、拟合(高斯函数和专用误差修正函数),以及对数组和其它基本数据类型的各种操作。LabVIEW提供了所有这些函数,所以我们可以快速地实现这些应用。
  由于收集了大量的数据需要处理,所以设备的性能至关重要。例如, PX90芯片包含了一个32x40的阵列(共1,280像素),用于对射入的X-射线进行计数,该芯片需要对一个模拟参数(阈值扫描)进行测量,从而对所有的像素数据进行拟合。而如果想计算出芯片的校准参数,则需要将这一测试过程重复256次。这意味着我们需要重复30万次以上的数据拟合过程,而这一过程所耗的时间又是非常关键。使用LabVIEW2010,程序员可以配置for循环以利用多核处理器的性能。借助这一特性,我们在一个8核处理器上将计算速度提高了七倍以上。
  结论
  我们构建了一个能够可靠快速地测试产品的虚拟仪器。它采用了诸多种类的模块化仪器,因此我们无需使用其它设备就可以完成必要的测试。我们的虚拟仪器构建在LabVIEW所编写的专用软件的基础上,因此用户可以设置适当的测试配置、ASIC参数,并读取数据,然后在图形化用户界面上显示分析后的结果。正是由于基于NI产品构建的这个系统方案,使得我们可以节省一年的测试时间。例如,日本Rigaku公司在高速、位置灵敏的探测器系统中采用了我们的一个产品。随着我们新的虚拟仪器的出现,用在测试设备中ASIC所花费的时间缩减至不到三个月。
2021-4-13 13:48:30 评论

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