針對功能測試的信號(hào)管理系統(tǒng)
發(fā)布日期:2016年7月20日 瀏覽次數(shù):
功能測試經(jīng)常用于驗(yàn)證總體功能、校準(zhǔn)信息以及諸如醫(yī)療設(shè)備等高風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用的認(rèn)證。較新的測試實(shí)現(xiàn)策略也受預(yù)算、吞吐量、內(nèi)置自檢(BIST)和待測單元(UUT)設(shè)計(jì)等因素的驅(qū)動(dòng)。
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)共享測試資源,并行測試多個(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(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(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(hào)進(jìn)入,什么信號(hào)輸出!彪m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連接器方便探測或連接嗎?
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。
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)位于接口測試適配器(ITA)和儀器之間。
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)模互連系統(tǒng),也稱為接口測試適配器(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(hào)路徑和阻抗?后者當(dāng)然會(huì)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(huì)出錯(cuò)?
最常見到的錯(cuò)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(huì)影響測量通道性能的事實(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——試圖對太高電流進(jìn)行熱開關(guān)可能導(dǎo)致開關(guān)系統(tǒng)損壞。
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(hào)管理系統(tǒng)可以自動(dòng)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(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(hào)開關(guān)很重要。
自動(dòng)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(dòng)化的可能性。自動(dòng)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(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(gè)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(gè)UUT的貨架中,你可以對前3個(gè)UUT做Test#1,對后3個(gè)UUT做Test#2,然后使用信號(hào)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(huì)不會(huì)存在探針短路多個(gè)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(shí)別測試點(diǎn)并進(jìn)行探測嗎?操作員需要在一個(gè)測試點(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試工程師評估測試探針類型、修改文檔以更好地識(shí)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(hào)管理施加到具體應(yīng)用,并實(shí)現(xiàn)探測過程的自動(dòng)化。
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)共享測試資源,并行測試多個(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(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(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(hào)進(jìn)入,什么信號(hào)輸出!彪m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
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。
圖2:基本的開關(guān)配置:在屏蔽和非屏蔽版本中都有SPST、DPST、SPDT
圖3:由99個(gè)復(fù)雜器組成的雙極點(diǎn)例子
Common: 普通
Isolation switches: 隔離開關(guān)
圖4:開關(guān)矩陣可以實(shí)現(xiàn)正確的連接
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)位于接口測試適配器(ITA)和儀器之間。
圖5:典型的測試系統(tǒng)框圖
圖6:信號(hào)通過測試夾具。
Instruments: 儀器
Matrix switches: 矩陣開關(guān)
User switches: 用戶開關(guān)
UUT test fixture: UUT測試夾具
圖7:硬連線配置
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)模互連系統(tǒng),也稱為接口測試適配器(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(hào)路徑和阻抗?后者當(dāng)然會(huì)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(huì)出錯(cuò)?
最常見到的錯(cuò)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(huì)影響測量通道性能的事實(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(hào)管理系統(tǒng)可以自動(dòng)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(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(hào)開關(guān)很重要。
自動(dòng)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(dòng)化的可能性。自動(dòng)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(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(gè)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(gè)UUT的貨架中,你可以對前3個(gè)UUT做Test#1,對后3個(gè)UUT做Test#2,然后使用信號(hào)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(huì)不會(huì)存在探針短路多個(gè)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(shí)別測試點(diǎn)并進(jìn)行探測嗎?操作員需要在一個(gè)測試點(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試工程師評估測試探針類型、修改文檔以更好地識(shí)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(hào)管理施加到具體應(yīng)用,并實(shí)現(xiàn)探測過程的自動(dòng)化。