技术解析：详解功能测试的信号管理系统

功能测试是为验证总体功能和校准信息等高风险认证。功能测试又受吞吐量、待测单元设计、内置自检等因素的制约。信号管理系统一直得不到重视，本文就针对功能测试的信号管理系统进行详细的解析。
一个经常得不到足够重视的领域是“信号管理”，基本上就是用于测试的信号开关系统的设计和/或配置。信号管理允许系统共享测试资源，并行测试多个UUT。经过正确配置的信号管理，有助于最大程度地减小自动测试设备(ATE)的外形尺寸，从根本上节省成本。

UUT的测试要求是什么？

在了解设计和工艺以及信号管理之前，应该先了解UUT。这包括产品类型、配置(单个PCB，预制PCB，最终产品)、测试规范、规划的测试点/焊盘尺寸、预期数量(每线/天/班等)和预期的故障频谱。

显然我没有包括“预算”在内。但在理解它之前，你无法确定测试需要花多少成本。只有知道了测试UUT需要什么时，你才能开始投资谈判。也只有到那时，你才能达成必要的折衷。

高I/O数量和功能

每个UUT越来越多的功能，加上不断缩小的尺寸使得问题更多。由于PCB尺寸很小，这些器件可能还在货架上就要进行测试了。因此，要么有一套并行仪器，要么通过信号管理将仪器连接到需要测试的UUT。

元件密度对功能测试来说似乎不是问题。毕竟这里主要关心的是“什么信号进入，什么信号输出。”虽然这么说太简单化了，但通常是这个道理。给UUT输入端施加激励信号后，应输出特定的数据集。

但元件密度是其中一个因素，原因有几个方面。首先，更高密度意味着广泛的功能——即复杂功能，高I/O数量，或两者的组合。看过图1所示的PCB样品后，你必须首先回答这些问题：I/O数量是多少？连接器上有什么类型的信号(数字/模拟)？要求什么样的仪器？有必要进行校准吗？诊断关键吗？探测是人工还是机器人做？会使用自动的处理器吗？所用的I/O连接器方便探测或连接吗？


图1：不断提高的封装密度可能导致更多的I/O。

一旦我们了解了这些问题，我们就可以查看信号管理配置了。但在继续讨论之前，让我们先看看可用的一些信号开关选择。

信号开关类型

简单地说，开关就是接通/切断连接。单刀单掷(SPST)、双刀双掷(DPST)和其它开关配置被用于连接包括电源、负载和机械致动器等元器件，如图2所示。在大多数情况下，主要问题在于电压、电流和功耗——带宽在这类应用中基本上不成问题。

复用器用来将单台仪器或激励信号路由到UUT上的多个连接，一次一个连接——见图3。给多个测试点共享单个源或反过来给多个源共享单个测试点是非常灵活且极具成本效益的。同样，电压、电流和功耗以及并发连接数量都是必须要考虑的参数。在大多数情况下，复用器的频率响应也很重要。


图3：由99个复杂器组成的双极点例子。

在许多应用中最灵活的开关解决方案是交叉点矩阵。如图4所示，矩阵其实是一连串的继电器，它们将特定的Y轴电气连接与合适的X轴连接连在一起。通过闭合正确的继电器，事实上任意Y轴连接都能连接到任意X轴连接。多个并发连接也是允许的。这是最容易的连接实现方式。


图4：开关矩阵可以实现正确的连接。

但矩阵也有它们的局限。第一个问题是带宽。大多数矩阵的带宽是受限的，因为可能连接的数量和可能很长的未端接信号会形成有害的“天线”，或“分支长度”，进而限制矩阵的频率响应。

使用矩阵时要考虑的另外一件事是成本的增加。在UUT和一台仪器或一连串仪器之间生成所有可能的连接的能力要求大量继电器！举例来说，如果你想要将一个四线测量设备连接到96个可能的连接，你可能需要多达1536个继电器！

系统配置

现在我们已经深入理解了测试要求和可用的信号开关源。下面让我们考虑一下如何实现信号管理。

如果看过图5，你就能见到典型的系统框图——PC控制器、激励和响应仪器。信号管理子系统位于接口测试适配器(ITA)和仪器之间。


图5：典型的测试系统框图。

设计测试系统时遇到的第一个问题是仪器在UUT和信号管理系统之间是如何互连的。本文提供了两种不同的架构。


图6：信号通过测试夹具。

图6显示了一种“直通”配置。这个设计将系统中的仪器连接到接口测试适配器(ITA)。为了将仪器连接到信号管理，它们通过内部连线连接到测试夹具。这种配置可以通过修改测试夹具重新配置测试系统，因此是最灵活的。缺点是连线长度太长。另外，每个信号需要经过ITA三次才能连接到UUT，这不仅增加了损耗，而且会影响信号完整性。


图7：硬连线配置。

图7显示了一种硬连线配置。在这个装置中，仪器被直接连线进信号管理系统。这种设计能够管理信号长度，确保最好的信号完整性。缺点是重新配置要求重新设计测试系统，限制了灵活性。

选择大规模互连

提到互连，如果测试系统是要测试许多不同的UUT，那就可以考虑大规模互连系统，也称为接口测试适配器(ITA)。一个设计良好的ITA系统可以提供一致的结果，并且很方便地改变UUT。但请记住，增加额外的连接，会增加电阻和插入损耗，所有这些因素都可能改变测试参数。根据具体应用，你可能需要评估ITA内的连接：这些连接是硬连线吗？是否有专门设计的PCB用于控制信号路径和阻抗？后者当然会增加成本，但对于精确测试而言可能是必需的。因此，测试预算一定要保持一定的灵活性。

什么会出错？

最常见到的错误是在配置测试系统时没有考虑总的规格指标。例如，测量通道可能必须呈现特定的特性：线路损耗、电容等。配置系统的工程师只关注了开关子系统的性能指标，而忽视了电缆和连接器以及仪器特性都会影响测量通道性能的事实。

另外一个问题关乎被开关的信号。很多时候测试工程师会错漏开关系统在“冷开关”(在UUT加电前闭合和断开继电器)和“热开关”(在UUT加电后闭合和断开继电器)时的性能指标。热开关时的电流额定值通常大约是冷开关时的一半——试图对太高电流进行热开关可能导致开关系统损坏。

诊断

在大多数情况下，功能测试是通过/不通过操作。然而在一些工业领域，功能测试退回到了制造过程中。一些制造商在PCB阶段甚至在组装过程中做一些关键的测量。

这是因为今天的电子设备具有一次性属性，设计为廉价性装配，而且不能被拆解。因此在最终测试之前验证功能可以避免返工，减少潜在的报废可能。信号管理系统可以自动化并加速生产过程中测试期间的校准。

探测PCB

如果设计要求探测UUT以便校准或验证，那么必需提供足够的测试点。但是探测一个20mil器件的J型引线不是非常有效果。BGA是不可能的。鉴于今天的封装密度，测试焊盘几乎是不可能提供的。另外，总线速度也会由于这么大的测试焊盘受到伤害。显然，测试夹具能够更加精确地用于更小目标，但也更加昂贵。为了尽可能减少对UUT的加载影响，在本例中匹配所用的信号开关很重要。

自动还是人工测试？

随着数量和每线比特速率的增加，也许你想知道测试过程实现自动化的可能性。自动化的功能性测试本质上不需要加载/卸载时间，可以减少对额外测试系统的需求。

信号管理在这种情况下是一种平衡的做法。共享资源可以极大地降低测试成本。

但当功能测试系统必须跟上线路比特率时，这可能是个问题。在这种情况下，看看什么样的测试过程可以并行完成。另外，如果UUT是在货架上做测试的，那么将测试分开来做是很有好处的。举例来说，在有6个UUT的货架中，你可以对前3个UUT做Test#1，对后3个UUT做Test#2，然后使用信号管理将测试再反过来做一遍。

操作员技巧水平

校准或诊断时进行探测几乎是必须的。因此可能要求操作人员访问测试点。只要有可能，都要确保测试点有清晰的标记。

要问的问题包括：探针大于测试点吗？

会不会存在探针短路多个测试点并损坏UUT的危险？

有电击危险吗？普通操作员可以快速识别测试点并进行探测吗？操作员需要在一个测试点上保持探针不动多长时间才能得到精确的读数？

询问以上问题可能迫使测试工程师评估测试探针类型、修改文档以更好地识别测试点，甚至改变操作员的资质。另外一种方法是将信号管理施加到具体应用，并实现探测过程的自动化。