基于差频检测技术的高速AD单粒子翻转评估方法研究

2020-05-30彭惠薪郑宏超于春青

原子能科学技术 2020年5期

彭惠薪，李哲，郑宏超，于春青

(北京微电子技术研究所，北京 100076)

模数转换器(AD)作为连接模拟信号和数字信号的桥梁，在电子系统中占有越来越重要的地位。在航天系统中，AD的性能对设备在辐射环境中能否正常工作有很大影响，因此航天器系统中的AD必须具备一定的抗辐照能力。随着抗辐照AD的速度、精度、性能等各方面明显提升，如何对高速高精度AD的单粒子效应进行全面测试成为急需解决的问题，而高速高精度AD电路的单粒子翻转效应测试是其中的难点。目前，国内外对于高速高精度AD电路单粒子翻转效应测试方法进行了一定的研究[1-3]。Kruckmeyer等[4-5]提出目前空间用通信设施的传输带宽需求已达1 GSPS，甚至更高，输入信号已进入奈坤斯特第2或第3区间，对于这些高速的数据转换，输出数据的监控和抓取变得非常复杂。而以往AD电路的单粒子翻转效应测试常采用静态输入的方法，不能完整体现电路在应用时的运行状态。为了更为准确地反映高速AD的抗单粒子翻转效应能力，应在测试时为其提供高频动态输入，且在对器件单通道输出进行采样时发现，动态输入模式下，器件表现出更多的单粒子翻转错误。

本文基于差频检测的原理设计一套应用于高速高精度AD的单粒子翻转效应测试系统，为保证采集数据的完整性，基于低压差分信号(LVDS)串并转换的数据采集模块设计实现多通道的数据采集[6-7]，并利用差分功耗分析(DPA)对时钟和数据进行相位校准[8-10]，增加数据采集的可靠性。在重离子辐照环境下，以一款8位3 GSPS的AD为目标器件，对测试系统进行试验验证。

1 基于差频检测的单粒子翻转效应测试方法

1.1 差频检测原理

差频检测是指输入信号频率接近2倍的奈奎斯特频率，由于输入信号的频率非常接近采样时钟的频率，则会发生混叠现象，这时AD的输出将会是一个很缓慢的正弦波。当输出采样点间差值为1 LSB(最低有效位)时，输入信号频率为：

fin=fs/(2Nπ)

其中：fin为输入信号频率；fs为采样频率；N为ADC的位分辨率。

图1 差频测试示意图Fig.1 Schematic of beat frequency test

图1为差频测试示意图。当采样频率为1 GHz、输入信号为998.76 MHz时，则输出1.24 MHz的缓慢正弦波。由于动态信号具有较高的频率，所以在AD的输入模块部分施加了更大的压力，因而更易在电路的模拟部分产生更长的瞬态脉冲。

在差频测试时应当保证AD的输出在每个时钟周期的变化尽量小，若输出的变化很大，由于单粒子翻转引起的输出变化很小，则错误检测软件会检测不到。因此应使AD的输出变化小于最小分辨率，才能监测到更精确的单粒子翻转错误(图2)。

图2 AD在差频测试下的输出Fig.2 Output of AD under beat frequency test

1.2 单粒子翻转效应判据

在对待测高速数字电路进行单粒子翻转测试时，一般用位单粒子翻转截面(单位为μm2/bit)描述器件单粒子效应特性，但在AD电路中利用位翻转来描述无意义，因为在AD中每位的值会根据输出数据的不同不断变化。

AD单粒子翻转效应主要表现为可恢复的多次或单次转换错误。对高速AD的单粒子翻转效应进行判别时，应实时监测AD输出值，判断其输出值和预期值是否存在瞬时的、可自行恢复的偏差，且偏差的大小是否超过了可接受的范围。在差频检测的方法中，具体的判别方法是利用现场可编程门阵列(FPGA)将高速AD的不同位输出还原为1个数值，比较前后两个值的差值，若差值超过所设定的阈值，且在短时间内差值可恢复到阈值内，则认为参试器件发生了1次单粒子翻转错误。触发阈值的设定需综合考虑参试器件的性能和系统噪声的影响。

2 高速AD单粒子翻转效应测试方法

参试器件是一款抗辐照8位3 GSPS高速AD，采用单电源1.9 V供电，典型功耗为1.9 W。器件采用高速模数转换电路以及数字自校准技术，保证器件的高速度和高动态特性。器件内部集成串行接口，支持用户控制单数据速率(SDR)、双数据速率(DDR)等多种工作模式。

在对高速AD进行单粒子翻转效应测试时，利用信号源产生749 MHz的正弦信号输入至AD，FPGA以750 Msps采样率进行采集，由于发生频谱混叠，利用软件程序设计的方法将采集得到的AD输出还原为1 MHz正弦信号。对比相邻采样点数值，若相差大于设定阈值(综合考虑参试器件性能和本底噪声的影响，阈值设置为7 LSB)，则认为发生单粒子事件。

为实现对发生单粒子错误的混叠波形进行完整还原，选用深度为4 096的FIFO对采集到的输出数据进行缓存，以保证至少还原出3个周期的混叠波形。通过设置触发方式，将发生单粒子错误前2 045个点及出错后2 046个点打包上传至上位机，可使还原出的错误波形位于中间位置，便于后期数据处理时对单粒子翻转效应类型的分析与判读。此外，上位机会对单粒子翻转个数进行初步识别和统计，并将出错波形的数据及图象存储在指定位置。

3 系统设计

3.1 硬件设计

超高速AD的单粒子翻转效应测试系统主要包括电源供电模块、输入信号模块、FPGA控制和采集模块、人机交互和串口通信模块、示波器监测模块、错误监测统计和上传模块。其硬件结构如图3所示。

图3 高速AD电路单粒子翻转效应测试系统Fig.3 SEU effect test system of high-speed AD

为保证高速AD处于良好的高频工作状态，在电源设置上选用纹波较小的低压差线性稳压电源供电。通过FPGA实现对AD电路的控制和输出数据的采集，将AD的输出数据接口、SPI接口及其他控制接口同FPGA相连。根据AD不同的输出形式，在FPGA建立数据接收模块对输出数据进行采集和缓存，然后进行输出数据单粒子翻转的判读。

高速AD内部既含有模拟集成电路，又存在数字集成电路，所以当离子辐射到其内部时，可能会产生较为复杂的单粒子效应。对于AD而言，单粒子翻转效应主要表现为输出码值的偏离。因此单粒子翻转效应检测方法的设计要点之一是实现对AD输出信号的完整采样。基于差频检测的原理，测试系统将以750 Msps的采集率对输出数据进行采集，为保证输出数据采样完整，利用LVDS串并转换及DPA相位校准，对多通道高速输出数据进行降频处理。

图4为LVDS收发处理，LVDS接收器输出时钟设定为输入时钟8分频，接收端每个通道锁定独立时钟相位，通过位对齐操作将数据并行输出。上传数据时需从并行数据中恢复出每个字节。750/8分频的输出时钟，将8个时钟沿采集的128 bit数据存储在宽度为128、数组长度为128字节的二维FIFO中，还原成8个时钟时刻的单字节数据。

图4 LVDS收发处理Fig.4 Receiving and transmitting process of LVDS

为保证数据传输的完整性，测试系统使用FIFO存储器在异步转换、串行通信中对数据进行缓存[11-13]，它主要使用在数据接口部分，用于存储与缓冲两个异步时钟之间的数据，并可在两个不同时钟系统之间快速而方便地传输实时数据，实现对错误数据的缓存和上传。

测试系统采用两个FIFO存储器模块，FIFO的写时钟为AD的随路时钟经过延时得到，其中FIFO_1主要实现错误波形的捕获，根据单粒子事件的触发条件将FIFO控制在半满状态，当发生单粒子错误时，将检测到的错误捕获，并将前后的数据通过串行数据端口发送给上位机；FIFO_2主要实现实时波形的显示，该模块在写满和读空之间循环执行，持续的通过串行接口模块向上位机发送数据。

FIFO_1的错误数据的缓存方式如图5所示，当未出现错误时，使FIFO_1始终处于半满状态，写入和读出速度相等，当检测到单粒子翻转错误时，FIFO_1开始关闭读出，当FIFO_1写满后将整个数据上传。选用FIFO_1宽度为64 bit、深度为4 096，由写入到读出会有5个周期延时，因此当检测到FIFO_1满时还有5个数据未进入，因此最终总上传数为4 091。

图5 错误数据缓存Fig.5 Error data caching

3.2 软件设计

软件设计的主要目的是实现对单粒子翻转效应测试系统的控制，及对单粒子效应错误类型进行预判并统计错误数。

单粒子翻转效应检测软件界面如图6所示，数据采集与处理系统采用RS232电平进行数据传输，利用数据处理软件对AD输出的差频信号进行波形还原，将数字输出图形化，用于观测输出数据明显的失真，对采集到的错误在幅值和持续时间上进行分类统计。测试系统采用两个窗口对待测高速AD输出的实时波形与出错波形进行显示，并对发生错误的波形图像及错误数进行保存。

图6 串行通信和实时波形显示Fig.6 Serial communication and display of real-time waveform

图7 软件设计流程Fig.7 Software design flow

单粒子翻转效应测试系统的控制主要利用硬件编程的方法控制FPGA为待测芯片提供使能信号，为待测AD进行SPI写读配置，以保障待测高速AD处于正常的模数转换工作状态，采集待测高速AD的输出并将其还原成字，通过比对相邻输出点的LSB差值的大小判断器件是否发生单粒子效应。软件设计流程如图7所示。其流程为：1) 上电初始化配置，使待测高速AD器件进入正常工作模式，设置输入信号和时钟，控制AD电路进行模数转换；2) 利用FPGA对输出数据进行采集，并将输出的二进制码转化为10进制，通过数据采集与单粒子效应检测软件将输出还原为正弦波，若信号发生明显的畸变和失真，并在长时钟周期内不能恢复，则认为待测AD发生了单粒子功能中断；3) 若未发生单粒子功能中断，则比较连续两个输出的差值，若差值大于设定的阈值，则认为发生了单粒子翻转，统计错误总数并保存发生错误的波形；4) 当辐照离子总数达到107cm-2，或单粒子中断错误数达到10次，则停止辐照试验。

4 结果与分析

参试器件进行重离子辐照试验，试验用重离子能量及其LET值列于表1。

表1 试验用重离子能量及其LET值Table 1 Energy and LET of ions in test

对于待测高速AD发生单粒子效应类型的判断主要依靠于对AD发生单粒子错误时出错波形的分析。在重离子试验过程中，待测器件的错误波形主要有中断和翻转错误波形两种形式

(图8)。图8中横坐标为采样点编号0～4 091，纵坐标为各采样点还原得到的数字输出值，黑色线为还原出的待测AD输出，红色线为两相邻输出点的LSB差值。由图8a可看出，在被重离子辐照期间，待测高速AD的差频输出发生较大失真，因此判断待测器件发生了单粒子中断效应；在单粒子中断效应发生后的波形中存在一瞬时的尖峰，此错误很有可能被判别为单粒子翻转错误，但由于中断发生后的波形已与之前的波形有明显的相位差别，因而此类错误不应再单独记为单粒子效应错误，而应统一归为1次单粒子中断错误并对测试系统进行初始化。发生此类单粒子中断效应很可能是因为待测高速AD中内部的数据寄存器发生或传递了单粒子翻转，导致在锁相环等区域出现输出异常。

由图8b可知，器件在重离子辐照期间，输出未发生波形失真或畸变，但在某一时刻待测器件两相邻输出点之间的LSB差值超出了所设定的阈值，因此判断待测器件发生单粒子翻转效应。造成待测高速AD发生单粒子翻转效应的成因很多，芯片内部的基准电路、锁相环、高速LVDS数据接收、混频开关电路和电流源阵列若受到重离子辐照影响，均有可能造成待测器件发生翻转。综合处理数据结果可得到参试器件单粒子翻转错误截面与LET之间的威布尔曲线[14-15]，如图9所示(纵坐标已做归一化处理)。