技術(shù)解析：詳解功能測(cè)試的信號(hào)管理系統(tǒng)
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一個(gè)經(jīng)常得不到足夠重視的領(lǐng)域是“信號(hào)管理”，基本上就是用于測(cè)試的信號(hào)開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和/或配置。信號(hào)管理允許系統(tǒng)共享測(cè)試資源，并行測(cè)試多個(gè)UUT。經(jīng)過正確配置的信號(hào)管理，有助于最大程度地減小自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)的外形尺寸，從根本上節(jié)省成本。
UUT的測(cè)試要求是什么？
在了解設(shè)計(jì)和工藝以及信號(hào)管理之前，應(yīng)該先了解UUT。這包括產(chǎn)品類型、配置(單個(gè)PCB，預(yù)制PCB，最終產(chǎn)品)、測(cè)試規(guī)范、規(guī)劃的測(cè)試點(diǎn)/焊盤尺寸、預(yù)期數(shù)量(每線/天/班等)和預(yù)期的故障頻譜。
顯然我沒有包括“預(yù)算”在內(nèi)。但在理解它之前，你無法確定測(cè)試需要花多少成本。只有知道了測(cè)試UUT需要什么時(shí)，你才能開始投資談判。也只有到那時(shí)，你才能達(dá)成必要的折衷。
高I/O數(shù)量和功能
每個(gè)UUT越來越多的功能，加上不斷縮小的尺寸使得問題更多。由于PCB尺寸很小，這些器件可能還在貨架上就要進(jìn)行測(cè)試了。因此，要么有一套并行儀器，要么通過信號(hào)管理將儀器連接到需要測(cè)試的UUT。
元件密度對(duì)功能測(cè)試來說似乎不是問題。畢竟這里主要關(guān)心的是“什么信號(hào)進(jìn)入，什么信號(hào)輸出。”雖然這么說太簡單化了，但通常是這個(gè)道理。給UUT輸入端施加激勵(lì)信號(hào)后，應(yīng)輸出特定的數(shù)據(jù)集。
但元件密度是其中一個(gè)因素，原因有幾個(gè)方面。首先，更高密度意味著廣泛的功能——即復(fù)雜功能，高I/O數(shù)量，或兩者的組合。看過圖1所示的PCB樣品后，你必須首先回答這些問題：I/O數(shù)量是多少？連接器上有什么類型的信號(hào)(數(shù)字/模擬)？要求什么樣的儀器？有必要進(jìn)行校準(zhǔn)嗎？診斷關(guān)鍵嗎？探測(cè)是人工還是機(jī)器人做？會(huì)使用自動(dòng)的處理器嗎？所用的I/O連接器方便探測(cè)或連接嗎？
圖1：不斷提高的封裝密度可能導(dǎo)致更多的I/O。
一旦我們了解了這些問題，我們就可以查看信號(hào)管理配置了。但在繼續(xù)討論之前，讓我們先看看可用的一些信號(hào)開關(guān)選擇。
信號(hào)開關(guān)類型
簡單地說，開關(guān)就是接通/切斷連接。單刀單擲(SPST)、雙刀雙擲(DPST)和其它開關(guān)配置被用于連接包括電源、負(fù)載和機(jī)械致動(dòng)器等元器件，如圖2所示。在大多數(shù)情況下，主要問題在于電壓、電流和功耗——帶寬在這類應(yīng)用中基本上不成問題。
復(fù)用器用來將單臺(tái)儀器或激勵(lì)信號(hào)路由到UUT上的多個(gè)連接，一次一個(gè)連接——見圖3。給多個(gè)測(cè)試點(diǎn)共享單個(gè)源或反過來給多個(gè)源共享單個(gè)測(cè)試點(diǎn)是非常靈活且極具成本效益的。同樣，電壓、電流和功耗以及并發(fā)連接數(shù)量都是必須要考慮的參數(shù)。在大多數(shù)情況下，復(fù)用器的頻率響應(yīng)也很重要。
圖3：由99個(gè)復(fù)雜器組成的雙極點(diǎn)例子。
在許多應(yīng)用中最靈活的開關(guān)解決方案是交叉點(diǎn)矩陣。如圖4所示，矩陣其實(shí)是一連串的繼電器，它們將特定的Y軸電氣連接與合適的X軸連接連在一起。通過閉合正確的繼電器，事實(shí)上任意Y軸連接都能連接到任意X軸連接。多個(gè)并發(fā)連接也是允許的。這是最容易的連接實(shí)現(xiàn)方式。
圖4：開關(guān)矩陣可以實(shí)現(xiàn)正確的連接。
但矩陣也有它們的局限。第一個(gè)問題是帶寬。大多數(shù)矩陣的帶寬是受限的，因?yàn)榭赡苓B接的數(shù)量和可能很長的未端接信號(hào)會(huì)形成有害的“天線”，或“分支長度”，進(jìn)而限制矩陣的頻率響應(yīng)。
使用矩陣時(shí)要考慮的另外一件事是成本的增加。在UUT和一臺(tái)儀器或一連串儀器之間生成所有可能的連接的能力要求大量繼電器！舉例來說，如果你想要將一個(gè)四線測(cè)量設(shè)備連接到96個(gè)可能的連接，你可能需要多達(dá)1536個(gè)繼電器！
系統(tǒng)配置
現(xiàn)在我們已經(jīng)深入理解了測(cè)試要求和可用的信號(hào)開關(guān)源。下面讓我們考慮一下如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)管理。
如果看過圖5，你就能見到典型的系統(tǒng)框圖——PC控制器、激勵(lì)和響應(yīng)儀器。信號(hào)管理子系統(tǒng)位于接口測(cè)試適配器(ITA)和儀器之間。
圖5：典型的測(cè)試系統(tǒng)框圖。
設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)遇到的第一個(gè)問題是儀器在UUT和信號(hào)管理系統(tǒng)之間是如何互連的。本文提供了兩種不同的架構(gòu)。
圖6：信號(hào)通過測(cè)試夾具。
圖6顯示了一種“直通”配置。這個(gè)設(shè)計(jì)將系統(tǒng)中的儀器連接到接口測(cè)試適配器(ITA)。為了將儀器連接到信號(hào)管理，它們通過內(nèi)部連線連接到測(cè)試夾具。這種配置可以通過修改測(cè)試夾具重新配置測(cè)試系統(tǒng)，因此是最靈活的。缺點(diǎn)是連線長度太長。另外，每個(gè)信號(hào)需要經(jīng)過ITA三次才能連接到UUT，這不僅增加了損耗，而且會(huì)影響信號(hào)完整性。
圖7：硬連線配置。
圖7顯示了一種硬連線配置。在這個(gè)裝置中，儀器被直接連線進(jìn)信號(hào)管理系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)能夠管理信號(hào)長度，確保最好的信號(hào)完整性。缺點(diǎn)是重新配置要求重新設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)，限制了靈活性。
選擇大規(guī)模互連
提到互連，如果測(cè)試系統(tǒng)是要測(cè)試許多不同的UUT，那就可以考慮大規(guī)?；ミB系統(tǒng)，也稱為接口測(cè)試適配器(ITA)。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的ITA系統(tǒng)可以提供一致的結(jié)果，并且很方便地改變UUT。但請(qǐng)記住，增加額外的連接，會(huì)增加電阻和插入損耗，所有這些因素都可能改變測(cè)試參數(shù)。根據(jù)具體應(yīng)用，你可能需要評(píng)估ITA內(nèi)的連接：這些連接是硬連線嗎？是否有專門設(shè)計(jì)的PCB用于控制信號(hào)路徑和阻抗？后者當(dāng)然會(huì)增加成本，但對(duì)于精確測(cè)試而言可能是必需的。因此，測(cè)試預(yù)算一定要保持一定的靈活性。
什么會(huì)出錯(cuò)？
最常見到的錯(cuò)誤是在配置測(cè)試系統(tǒng)時(shí)沒有考慮總的規(guī)格指標(biāo)。例如，測(cè)量通道可能必須呈現(xiàn)特定的特性：線路損耗、電容等。配置系統(tǒng)的工程師只關(guān)注了開關(guān)子系統(tǒng)的性能指標(biāo)，而忽視了電纜和連接器以及儀器特性都會(huì)影響測(cè)量通道性能的事實(shí)。
另外一個(gè)問題關(guān)乎被開關(guān)的信號(hào)。很多時(shí)候測(cè)試工程師會(huì)錯(cuò)漏開關(guān)系統(tǒng)在“冷開關(guān)”(在UUT加電前閉合和斷開繼電器)和“熱開關(guān)”(在UUT加電后閉合和斷開繼電器)時(shí)的性能指標(biāo)。熱開關(guān)時(shí)的電流額定值通常大約是冷開關(guān)時(shí)的一半——試圖對(duì)太高電流進(jìn)行熱開關(guān)可能導(dǎo)致開關(guān)系統(tǒng)損壞。
診斷
在大多數(shù)情況下，功能測(cè)試是通過/不通過操作。然而在一些工業(yè)領(lǐng)域，功能測(cè)試退回到了制造過程中。一些制造商在PCB階段甚至在組裝過程中做一些關(guān)鍵的測(cè)量。
這是因?yàn)榻裉斓碾娮釉O(shè)備具有一次性屬性，設(shè)計(jì)為廉價(jià)性裝配，而且不能被拆解。因此在最終測(cè)試之前驗(yàn)證功能可以避免返工，減少潛在的報(bào)廢可能。信號(hào)管理系統(tǒng)可以自動(dòng)化并加速生產(chǎn)過程中測(cè)試期間的校準(zhǔn)。
探測(cè)PCB
如果設(shè)計(jì)要求探測(cè)UUT以便校準(zhǔn)或驗(yàn)證，那么必需提供足夠的測(cè)試點(diǎn)。但是探測(cè)一個(gè)20mil器件的J型引線不是非常有效果。BGA是不可能的。鑒于今天的封裝密度，測(cè)試焊盤幾乎是不可能提供的。另外，總線速度也會(huì)由于這么大的測(cè)試焊盤受到傷害。顯然，測(cè)試夾具能夠更加精確地用于更小目標(biāo)，但也更加昂貴。為了盡可能減少對(duì)UUT的加載影響，在本例中匹配所用的信號(hào)開關(guān)很重要。
自動(dòng)還是人工測(cè)試？
隨著數(shù)量和每線比特速率的增加，也許你想知道測(cè)試過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的可能性。自動(dòng)化的功能性測(cè)試本質(zhì)上不需要加載/卸載時(shí)間，可以減少對(duì)額外測(cè)試系統(tǒng)的需求。
信號(hào)管理在這種情況下是一種平衡的做法。共享資源可以極大地降低測(cè)試成本。
但當(dāng)功能測(cè)試系統(tǒng)必須跟上線路比特率時(shí)，這可能是個(gè)問題。在這種情況下，看看什么樣的測(cè)試過程可以并行完成。另外，如果UUT是在貨架上做測(cè)試的，那么將測(cè)試分開來做是很有好處的。舉例來說，在有6個(gè)UUT的貨架中，你可以對(duì)前3個(gè)UUT做Test#1，對(duì)后3個(gè)UUT做Test#2，然后使用信號(hào)管理將測(cè)試再反過來做一遍。
操作員技巧水平
校準(zhǔn)或診斷時(shí)進(jìn)行探測(cè)幾乎是必須的。因此可能要求操作人員訪問測(cè)試點(diǎn)。只要有可能，都要確保測(cè)試點(diǎn)有清晰的標(biāo)記。
要問的問題包括：探針大于測(cè)試點(diǎn)嗎？
會(huì)不會(huì)存在探針短路多個(gè)測(cè)試點(diǎn)并損壞UUT的危險(xiǎn)？
有電擊危險(xiǎn)嗎？普通操作員可以快速識(shí)別測(cè)試點(diǎn)并進(jìn)行探測(cè)嗎？操作員需要在一個(gè)測(cè)試點(diǎn)上保持探針不動(dòng)多長時(shí)間才能得到精確的讀數(shù)？
詢問以上問題可能迫使測(cè)試工程師評(píng)估測(cè)試探針類型、修改文檔以更好地識(shí)別測(cè)試點(diǎn)，甚至改變操作員的資質(zhì)。另外一種方法是將信號(hào)管理施加到具體應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)探測(cè)過程的自動(dòng)化。
評(píng)論