技術(shù)解析：詳解功能測試的信號管理系統(tǒng)
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一個經(jīng)常得不到足夠重視的領(lǐng)域是“信號管理”，基本上就是用于測試的信號開關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和/或配置。信號管理允許系統(tǒng)共享測試資源，并行測試多個UUT。經(jīng)過正確配置的信號管理，有助于最大程度地減小自動測試設(shè)備(ATE)的外形尺寸，從根本上節(jié)省成本。
UUT的測試要求是什么？
在了解設(shè)計(jì)和工藝以及信號管理之前，應(yīng)該先了解UUT。這包括產(chǎn)品類型、配置(單個PCB，預(yù)制PCB，最終產(chǎn)品)、測試規(guī)范、規(guī)劃的測試點(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，你無法確定測試需要花多少成本。只有知道了測試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)行測試了。因此，要么有一套并行儀器，要么通過信號管理將儀器連接到需要測試的UUT。
元件密度對功能測試來說似乎不是問題。畢竟這里主要關(guān)心的是“什么信號進(jìn)入，什么信號輸出。”雖然這么說太簡單化了，但通常是這個道理。給UUT輸入端施加激勵信號后，應(yīng)輸出特定的數(shù)據(jù)集。
但元件密度是其中一個因素，原因有幾個方面。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?？催^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(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？探測是人工還是機(jī)器人做？會使用自動的處理器嗎？所用的I/O連接器方便探測或連接嗎？
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開關(guān)選擇。
信號開關(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)用器用來將單臺儀器或激勵信號路由到UUT上的多個連接，一次一個連接——見圖3。給多個測試點(diǎn)共享單個源或反過來給多個源共享單個測試點(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會形成有害的“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，如果你想要將一個四線測量設(shè)備連接到96個可能的連接，你可能需要多達(dá)1536個繼電器！
系統(tǒng)配置
現(xiàn)在我們已經(jīng)深入理解了測試要求和可用的信號開關(guān)源。下面讓我們考慮一下如何實(shí)現(xiàn)信號管理。
如果看過圖5，你就能見到典型的系統(tǒng)框圖——PC控制器、激勵和響應(yīng)儀器。信號管理子系統(tǒng)位于接口測試適配器(ITA)和儀器之間。
圖5：典型的測試系統(tǒng)框圖。
設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)時(shí)遇到的第一個問題是儀器在UUT和信號管理系統(tǒng)之間是如何互連的。本文提供了兩種不同的架構(gòu)。
圖6：信號通過測試夾具。
圖6顯示了一種“直通”配置。這個設(shè)計(jì)將系統(tǒng)中的儀器連接到接口測試適配器(ITA)。為了將儀器連接到信號管理，它們通過內(nèi)部連線連接到測試夾具。這種配置可以通過修改測試夾具重新配置測試系統(tǒng)，因此是最靈活的。缺點(diǎn)是連線長度太長。另外，每個信號需要經(jīng)過ITA三次才能連接到UUT，這不僅增加了損耗，而且會影響信號完整性。
圖7：硬連線配置。
圖7顯示了一種硬連線配置。在這個裝置中，儀器被直接連線進(jìn)信號管理系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)能夠管理信號長度，確保最好的信號完整性。缺點(diǎn)是重新配置要求重新設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)，限制了靈活性。
選擇大規(guī)?；ミB
提到互連，如果測試系統(tǒng)是要測試許多不同的UUT，那就可以考慮大規(guī)?；ミB系統(tǒng)，也稱為接口測試適配器(ITA)。一個設(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。但請記住，增加額外的連接，會增加電阻和插入損耗，所有這些因素都可能改變測試參數(shù)。根據(jù)具體應(yīng)用，你可能需要評估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用于控制信號路徑和阻抗？后者當(dāng)然會增加成本，但對于精確測試而言可能是必需的。因此，測試預(yù)算一定要保持一定的靈活性。
什么會出錯？
最常見到的錯誤是在配置測試系統(tǒng)時(shí)沒有考慮總的規(guī)格指標(biāo)。例如，測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影響測量通道性能的事實(shí)。
另外一個問題關(guān)乎被開關(guān)的信號。很多時(shí)候測試工程師會錯漏開關(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，功能測試是通過/不通過操作。然而在一些工業(yè)領(lǐng)域，功能測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。信號管理系統(tǒng)可以自動化并加速生產(chǎn)過程中測試期間的校準(zhǔn)。
探測PCB
如果設(shè)計(jì)要求探測UUT以便校準(zhǔn)或驗(yàn)證，那么必需提供足夠的測試點(diǎn)。但是探測一個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，測試焊盤幾乎是不可能提供的。另外，總線速度也會由于這么大的測試焊盤受到傷害。顯然，測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UUT的加載影響，在本例中匹配所用的信號開關(guān)很重要。
自動還是人工測試？
隨著數(shù)量和每線比特速率的增加，也許你想知道測試過程實(shí)現(xiàn)自動化的可能性。自動化的功能性測試本質(zhì)上不需要加載/卸載時(shí)間，可以減少對額外測試系統(tǒng)的需求。
信號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試成本。
但當(dāng)功能測試系統(tǒng)必須跟上線路比特率時(shí)，這可能是個問題。在這種情況下，看看什么樣的測試過程可以并行完成。另外，如果UUT是在貨架上做測試的，那么將測試分開來做是很有好處的。舉例來說，在有6個UUT的貨架中，你可以對前3個UUT做Test#1，對后3個UUT做Test#2，然后使用信號管理將測試再反過來做一遍。
操作員技巧水平
校準(zhǔn)或診斷時(shí)進(jìn)行探測幾乎是必須的。因此可能要求操作人員訪問測試點(diǎn)。只要有可能，都要確保測試點(diǎn)有清晰的標(biāo)記。
要問的問題包括：探針大于測試點(diǎn)嗎？
會不會存在探針短路多個測試點(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別測試點(diǎn)并進(jìn)行探測嗎？操作員需要在一個測試點(diǎn)上保持探針不動多長時(shí)間才能得到精確的讀數(shù)？
詢問以上問題可能迫使測試工程師評估測試探針類型、修改文檔以更好地識別測試點(diǎn)，甚至改變操作員的資質(zhì)。另外一種方法是將信號管理施加到具體應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)探測過程的自動化。
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