白皮书 | 生产过程中的自动化测试

摘要

产品在工作台上接受测试时，通常测试环境是最佳的，产品与激励和测量设备之间具有很短的、直接的线缆连接。但在生产过程中进行测试时，被测设备（DUT）和测试仪器之间可能具有很复杂的连接网络，包括线缆、信号分配装置、信号开关子系统以及连接器转接面板和特定设备的适配器等。所有这些器件对于在产品开发中工作台上的仪器和产品之间直接往返的原始信号的品质不仅不能提升，相反地可能会造成信号品质下降。根本上说，所有的线缆、接口和开关应该被当作是测试仪器的扩展，并且在评估仪器性能的时候必须统筹考虑。这份白皮书会对这些问题进行深入地探讨，重点涉及通道电阻、导线电容和插入损耗对测试结果的影响，以及如何最大程度地减小这些影响。

目录

1.0 一个成功的自动测试系统的目标

1.1 专业术语

2.0 测试信号的历程

3.0 障碍

3.1 通道电阻

3.11 示例 — 基础

3.12 示例 — 引申

3.13 示例 — 解决方案

3.2 信号路由和交流电测量

3.21 示例 — 基础

3.22 示例 — 引申

3.23 示例 — 解决方案

3.3 插入损耗和阻抗不匹配

3.4 高电压

4.0 千兆以太网

5.0 客户定制线缆

5.1 Pickering 的线缆设计工具

6.0 总结

1.0

一个成功的自动测试系统的目标

在研发新产品时，经常需要在实验工作台上手动操作来验证产品设计。一旦完成了对产品设计的验证，满足产品规格和性能要求的任务就被转交给生产测试工程团队来负责。理想的情况是，产品在设计之初就已经将测试的种种要求统筹考虑，但实际上产品测试只能在产品设计好后进行，因此问题往往会在后期逐渐暴露。测试工程团队会创建一个针对产品的测试流程，这项流程属于产品制造过程的一部分，并且测试流程需要足够高效来支持产品制造的要求。这项流程通常是自动化的，从而加快测试以及减少由于测试技术人员的参与而人为造成的误差。在计算机上运行的软件代码控制机架上的测试仪器，这些仪器为被测设备提供激励并且测量来自被测设备的反馈。创建自动测试平台并不容易，往往会因为要求测试平台要足够多功能来支持不同类型产品而使测试变得难上加难。针对不同产品，系统输入输出信号会通过适配装置路由到被测设备，因而不可避免的会引入一些信号连接点，这些连接点可能会破坏测试信号的完整性。

图 1 — 在自动测试设备（ATE）系统中创建连接

图片由 Virginia Panel Corporation 提供

1.1

专业术语

可能会见到的不熟悉的专业术语：

PXI — 针对基于 PCI/PCIe 的模块化测试仪器和开关平台的开放式工业标准

接收器 — 海量互联面板，可在被测设备和测试仪器之间提供连接接口

信号路由系统 — 在被测设备和测试仪器之间的路径上的一切信号，包括开关元器件和任何外部的连接器和线缆

2.0

测试信号的流动

图 2 显示了一台两通道的函数发生器连接到一台被测设备的多个点上。其中会用到一个小型的开关子系统来分配函数发生器的输出。开关和仪器的输入和输出连接到一个共用的接收面板上，然后再接到 一个针对被测设备的适配器上，最后适配器接到被测设备上。

信号通过的路径上存在多个会破坏信号完整性的节点。让我们看一下下图中的例子，一个被测设备需要一个具有最小宽度和最少上升/下降时间的输入脉冲来开启一系列事件。在这个简单的例子中，由函数发生器产生的脉冲信号首先会通过几英尺长的线缆到达测试接口，然后经过一个连接节点以及穿过测试仪器中更多的线缆，然后回到第一层的开关，再次通过接口和测试仪器到达第二层的开关，最后从开关出来到达被测设备。根本上说，十多英尺长的线缆、连接器和开关触点已经成为了函数发生器的一部分。

图 2 — 函数发生器的输入及通往被测设备的路径

信号路径中线缆、开关触点和连接器对于提高信号完整性来说没有帮助，相反地还会造成不良影响。对信号的影响通常不容易计算或预测，尤其是在系统中设计具有多条可能的路径的情况下。这就会对信号完整性和结果测量造成不确定性，从而导致产品质量的不确定性。因此，当一台函数发生器以其标称的技术规格工作时，在测试系统中其输出一旦需要通过信号路由系统，那么就会需要采取一些其它措施来减少影响。

3.0

障碍

在这样的系统中，通常会对函数发生器指定几项具体的规范，比如上升时间、带宽、信号源阻抗和波幅准确度。而信号路由系统则会对电容、通道电阻、插入损耗、反射功率造成影响，并且有很大机会造成阻抗不匹配以及信号衰减的问题。如果在路由系统的设计上思考不全面，那么信号完整性就很可能遭到破坏。这就会对测量造成不确定性， 更重要的是会对即将交付的产品的可靠性造成图 3 所示的情况。

图 3 — 信号路由系统的输出不一定与其输入一致

冒信号失真的风险并非明智之举。任何系统设计都会尽可能让传输系统对于信号来说是透明的，不需要手动设置。那么，我们在进行 ATE 信号路由过程的第一步应该做什么，从而保证拥有一个可靠的系统呢 —— 并且在项目的整个生命周期内是可重复使用的，可维护的以及可为用户最大程度减少成本？

首先，让我们深入了解一下互连系统会给系统工程师带来哪些挑战，以及应该采取哪些措施来降低互连系统对信号完整性的影响。我们将重点关注通道电阻、信号衰减和插入损耗。

3.1

通道电阻

通道电阻是由于线缆、连接器和开关的存在而在信号路径上增加的电阻。关于电阻在电路中的作用，有一些基本常识，比如电阻作为滤波网络的一部分可以减少噪音干扰，或作为衰减器将高电压信号引入可接受范围的连接设备中。但另一方面，电阻也对互连系统造成不良的电压降、传输信号衰减以及发热等一些副作用。在信号路由系统中的电阻会使得信号在到达终点的过程中出现部分流失。

图 4 — 通道电阻引起损耗

如我们之前举的例子说到的，在配置信号路由系统时很容易会把信号路径配置成几十英尺长，从而对直流和射频测量造成问题。导体的直径是跟导通电阻有关的，那么就让我们来了解一下不同规格的线缆是如何影响测试信号的。越粗也就是线规越小的线缆显然要比线规大的线缆能承载更多的电流。增加线缆中铜导线的直径意味着单位长度的电阻变小，通道电阻变小也就意味着消耗的功率越低，也意味着产生的热量越少。以上提到的所有属性对于信号传输都是有利的。然而，为了方便生产部门生产较小尺寸的测试系统，高密度测试仪器（尤其是多通道开关模块）和大规模互连装置通常使用高密度连接器，这些连接器只能容纳较高线规的线缆。图 5 显示了一个 ATE 系统中用到的承载低电平信号的两种常见的线规之间的差别。注意这些规范都是针对在自由空间内的一根导线而言的。如果将线缆捆扎在一起，由于会产生热量，电流规格会大大降低。较高线规的导线的信号导通电阻会比较低规格的大四倍多。

图 5 — 量化引线电阻与线规的关系

3.11

示例 — 基础

让我们看一个具体的示例做进一步的理解，这个示例包含几百个测试点多路复用接到同一个输入上。在这个应用中，开关信号不超过 150V 或 1A。Pickering 生产高密度的PXI模块化开关，包括高密度多路复用模块（图 6）。比较两个模块的规格，两个都满足电压/电流要求，但其中一个要比另一个的通道数多 25%。通道数对于模块化系统来说通常是比较重要的，尤其是对于槽位数比较有限的情况。开关系统在机箱上占用的槽位越少，留给其他仪器或将来扩展的空间就越多。然而，要实现高通道密度，就需要用到 200 针的连接器，对于较低通道密度的则需要一个 160 针的 DIN 连接器。200 针连接器的制造商规定使用的配套导线线规至少为 28 AWG，而 160 针的连接器的导线至少为 20 AWG。这对于系统接线来说有什么意义以及对开关测量有什么影响呢？

图 6 — 两种高密度开关模块之间的对比

3.12

示例 — 引申

让我们来做进一步的说明。假设我们要测试一个产品，我们的测试系统要提供一个 12V、1A的信号源，且具有±5%的准确度。我们创建了一个系统来路由多个开关。在信号源和连接到被测设备的终端之间有 10 英尺的线缆，且还具有一条一样长的线缆用来返回信号。（图 7）。假如我们的系统使用的是线规 28AWG 的导线，那么总的通道电阻是 1.3 欧姆（不考虑任何开关触点电阻）。这个通道电阻会导致电压下降 1.3V —— 要比可接受的误差大了两倍。如果使用线规 22AWG 的导线，电压降会减少至 0.32V，这个数值在我们的容差范围内。注意，任何开关和接口触点都会增加通道电阻，使得损耗进一步增大。

图 7 — 测试系统的线缆显示为电阻，在导线上存在电压降，在被测设备上存在合成电压

3.13

示例 — 解决方案

可以得出一个明显的结论，为了最大程度减小导线电阻，导线长度越短越好。如果必须要用较长的导线，有一个常见的可以弥补不良影响的方法是采用4线信号源或4线测量设备。其中有两条高阻抗的传感线会并列接到信号线上，不管导线长度多少都可以做出相应的调整来补偿损耗。图 8 展示了一个基于阻性传感器的4线测量。假如 RDUT 是一个100Ω 的热敏电阻（RTD），如果采用 2 线机制，那么一个通道电阻会造成大约 3.5℃ 的误差，如果采用 4 线测量则可以消除这些误差从而获得精准的测量。然而，任何好处都伴随着成本，4 线测量对系统密度的要求会大大增加，因为要开关额外的传感线，就需要用到两倍多的开关通道。当要求测量绝对准确时，一般 4 线测量是最佳选择。

图 8 — 4 线测量可弥补多余的导线电阻带来的不良影响

3.2

信号路由和交流测量

自动测试设备（ATE）开关系统，尤其是那些包括射频测量的系统，通常采用较小规格的继电器来构建。比如说单刀双掷（SPDT）或单刀四掷（SP4T）继电器，针对特定的应用要求，使用测试适配器中的外部导线将这些继电器重新进行配置构建不同的拓扑结构。这为系统架构师提供了很大的灵活性，可以根据需要微调开关网络。举个例子， 一个具有八个独立的 SP4T 继电器的开关模块可以通过使用外部同轴导线重新配置成一个两组 SP12T 的多路复用器，从而扩展一个 2 通道示波器的输入输出。在另一个不同的应用中，同样的八个 SP4T 的开关模块还可以配置成一个 4x4 的矩阵。在同一个测试平台上测试高度混合的产品的生产环境中，通常对板卡的灵活性具有很高的要求。然而，要满足这样的灵活性，通常需要额外的同轴线缆来构建更大的开关网络，这对系统性能来说是个不利因素。根据不同的应用，选择的线缆类型可能会非常关键。

3.21

示例 — 基础

让我们测试一下在ATE系统中常用的两种同轴线缆 RG178 和 RG316，下表列出了它们的关键参数，可以看到两组数据很相似。

表 1 — 两种不同的 50Ω 同轴线缆的参数比较

3.22

示例 — 引申

两种线缆具有相同的传播延迟时间以及每英尺相同的电容。两种线缆都需要在 50Ω 的环境下使用。可以注意到在衰减值上两者是不同的。如果我们考虑在一个测试系统中的输出 140MHz 方波的信号源仪器和被测设备之间连接一条 12 英尺的同轴线缆，那么该波形的5次谐波位于 700MHz。信号的衰减是关于频率的函数，使用 RG178 要比 RG316 在 700MHz 频率上多损耗 1.6dB。在更高次谐波的情况下损耗更大。如果线缆长度增加，那么在 700MHz 下的损耗也会相应增大。这会对动态测试造成巨大的影响，比如高次谐波会使得波形的边缘很锋利，从而导致时间变长脉冲变宽。反过来说，任何可以减短总体的信号路由路径的方法都可以允许更多的谐波存在在信号上，波形也更不容易失真。

3.23

示例 — 解决方案

考虑到更长的线缆可获得更长的支持服务期从而更有利于维护，那么缩短信号路由路径的最有效的方法是什么呢？通常会权衡成本、系统针脚、灵活性和性能几方面综合考虑。

由于 ATE 开关系统相当于所有仪器输入输出的枢纽，因此通常会在用户接口上占据最多的针脚。对于一个开关系统来说，具有几千个节点的情况并不稀有，因此在整个系统中用到的线缆数量也会是最多的。那么如果能缩短用户端（或测试系统接收器）和系统之间的距离，系统整体的线缆长度就会随之减短，这对于整个系统来说意义重大。

如果开关卡和其他仪器卡一起放置在一个 PXI 机箱中，可以考虑的缩短距离的一个方法是直接把机箱放在连接面板的后面。如果您使用的是 Virginia Panel 的连接面板或 MAC Panel 的海量互连接收装置的话，也可以使用漏斗形装置将开关和接收器模块集成在一起，从而大幅减少线缆的使用。从开关出来的导线以很短的线程被包裹在漏斗形装置中。尽管与分立线缆相比，带有漏斗组件的海量互连的前期成本更高，但可以通过改善可维护性和性能来提高回报弥补成本（图 9）。

图 9 — PXI 射频开关模块带有集成的接收连接器（图上为 MAC Panel Scout 系统）

最后，考虑开关模块拓扑作为可能的连接主干道来构建开关系统从而缩短线缆长度的办法也是比较聪明的。比如Pickering 的 40-749-511 射频多路复用卡这样的具有多个 SP4T 开关的模块，可提供极佳的设计灵活性。然而，当需要用到一个较大的多路复用模块时，就需要延长接到16个测试点的示波器通道，以及延长用来连接这些模块的接入或接出互连面板的线缆，那么路径长度和电容就会大大增加。在内部被配置为大规模的多路复用器的开关模块，比如 Pickering 的 1x16 的 40-875-001，尽管限制了灵活性，但可以大大减少接线。（图 10）

图 10 — Pickering 的双组 SP16T（左）和八组 SP4T（右）

因此，确保所选的开关组件和信号路径路由系统能够提供足够的净空来满足您要达到的测试要求是很重要的。同时也要考虑到您现在设计的系统可能在将来还会用于其他用途。

3.3

插入损耗和阻抗不匹配

目前为止我们讨论的都是系统的接线对整体的传输路径完整性的影响。当传输信号具有高频成分时，值得关注的一个关键参数就是带宽。带宽根本上定义了能够在一条传输线上通过的最高频率的信号。在一个 ATE 系统中，带宽部分取决于信号路径中各个连接点的插入损耗。开关触点和互连为阻抗不匹配创造了充分的条件，使得系统带宽降低。

一般针对在某个频率上的插入损耗来指定触点和开关。在损耗为 -3dB 的点上，在这个频率上的开关上的功率为信号源输出的功率的一半。试想多个继电器汇集在一条信号路径上，那么累积起来的插入损耗造成的影响是巨大的，哪怕对于低频信号来说造成的影响也是很可观的。图 11 显示了两块 Pickering 开关模块的插入损耗曲线图。一个是由独立的SP4T开关组成的多路复用模块，另一个是由内部串联在一起的 SP4T 继电器组成的 SP16T 的多路复用模块。插入损耗是积累叠加的，并且 SP16T 模块在 -3dB 点的有效带宽也相应降低。

图 11 — 串联的继电器引起的插入损耗

非正弦波是由多个谐波组成的。即使是一个 140MHz 的方波也会被整体带宽为 500MHz 的开关系统所影响。如前文提到的，由于高次谐波会导致波形边缘的锐度受到抑制，从而影响方波的保真度。

因此，确保所选的开关组件和信号路径路由系统能够提供足够的净空来满足您要达到的测试要求是很重要的。同时也要考虑到您现在设计的系统可能在将来还会用于其他用途。

3.4

高电压

对于射频系统，虽然线缆电容大范围地分布在路径上，但也经常会对信号完整性造成影响。另外，电容也会在直流系统中造成严重破坏。在直流系统中，高压信号通过多路复用器开关测量设备。举个例子，闭合一个多路复用器的继电器将一个测量仪器和一个 400V 的信号源连接起来，接下来输入一个低电压信号进行测量。线路中的电容充电至跟信号一样的电平，但在这种情况下，该电平处于高共模状态。当测量结束，开关随即断开。然而，线缆没有路径可以释放存储的能量。当下一个继电器闭合与连接到被测设备上的低压电路导通后，线缆快速地释放能量，导致非常高的尖峰电压。这类尖峰电压（图 12）周期很短且可到达几千瓦 —— 足够熔化继电器触点使其粘连，最糟的情况是损坏被测产品或测试仪器。

图 12 — 高尖峰电压会熔化继电器触点使其焊接粘连

要如何防止这种情况发生呢？一个常见的方法是将一个开关通道专门用作放电电阻（图 13）。每次高电压测量结束后，在进行下一个测量之前，多路复用开关都会切换到专用通道来释放离散的电荷。每次测量都需要多进行这一步操作，但为了防止不良的浪涌电压，从利弊权衡的角度来看是值得的。

图 13 — 使用一个放电通道来释放存储的电压

4.0

千兆以太网和其他高速接口

千兆以太网、USB 和其他高速串行通信接口在汽车、半导体、国防和航天领域的产品上广泛使用。由于这些信号可能是低功率高频率的，要保持这些信号是个难题。USB 的规范参数原来最高为 12Mbps，而最新研发的 USB 4 的速度则计划要比原本的快超过 3000 倍为最高 40Gbps。（图 14）类似的，以太网已经发展成可以在高速下操作，并且只需要很少的数据线。单对的以太网是针对汽车应用的一种新兴技术，目标是像 CAN 总线或其他具有更少连接和更简单布线的标准一样可以传输高速度的数据。

图 14 — USB 4 要比原来的快 3000 倍

由于这些信号功率较低且频率较高，需要在布线上特别花一些心思来保持这些信号。这类信号的连接还需要满足不同技术标准组织规定的阻抗、性能和其他规范要求。USB 和以太网均使用双绞线线缆从而减少来自其他信号的串扰和干扰。出于同样的考虑，有些版本也要求在线缆上加屏蔽保护。然而添加了这些特性就会增加线缆的复杂度、尺寸和成本。通常在较大规模的测试应用中必须要权衡这些利弊。

5.0

客户定制线缆

一旦清楚了设计目标以及决定了要权衡的利弊，接下来比较麻烦的就是设计线缆。很多公司不提供专门用于设计线缆、连接器和针脚的软件工具。这会导致在设计时出现混乱或缺少细节，以及由于缺少文档，很难对使用过的线缆进行重置或标准化。

因此，尤其是在没有内部资源的情况下，测试团队就需要跟定制线缆的厂商合作请他们帮忙挑选元器件以及为完成的设计提供文档。

5.1

Pickering Interfaces 的线缆设计工具 Cable Design Tool

除了上述的办法以外还有一个办法是使用 Pickering 提供的设计工具。Pickering 的线缆设计工具 Cable Design Tool允许用户设计各种规格的线缆，包括定义连接器、导线和针脚。这款工具还可以生成包含材料价格和最终设计图像的文档。这份文档可以帮助提高标准线缆的生产速度，还能被包含在测试平台的定义中。（图 15）

图 15 — Pickering 提供的免费的线缆设计工具

Cable Design Tool

6.0

总结

如果测试仪器和被测设备之间的路径在电气上是“不存在”的，那么测试信号路由就可以被当作是完美的。当然，这是不可能实现的。这里想要强调的是测试工程师必须要尽可能兼顾测试仪器和被测设备之间的方方面面，管理好整个测试通道，包括线缆、开关子系统、连接器和海量互连产品。

要保证线缆和连接器类型跟应用是匹配的，否则再好的开关模块都相当于是没用的。线规太小的导线会导致通道电阻增加以及严重的电压降，从而影响测试结果。一条很长的导线可能具有很大的电容和信号衰减，这可能会损坏开关。当线路放电时，甚至会损坏被测设备。另外还会将快速上升的信号变成缓慢流动的波形。劣质的连接器很快就会坏，从而间断性地导致一些问题。电磁干扰可能会是个问题，除此之外还有很多其他需要考虑的点。

选择一个可以覆盖一系列不同应用要求且适合将来进行扩展的灵活的测试平台可以为系统的设计打下坚实的基础。Pickering 的模块化开关可以为系统设计提供最大的灵活性，且提供的产品类型是业内最丰富齐全的，包括从直流到光开关。（图 16）

图 16 — Pickering 的模块化开关系列

最后要说的是，在某些情况下，线缆是伴随开关模块一起提供的。这些线缆是针对具体的模块专门设计的。如果没有提供配套线缆，那么最好要遵循开关模块的参数规范来定制或购买线缆。Pickering Interfaces 公司拥有一个专门负责线缆和配件的部门以确保线缆和配件跟开关模块的规范相匹配，因此开关模块的性能不会因为线缆和配件的问题而受到影响。