【導讀】功能測試是為驗證總體功能和校準信息等高風險認證。功能測試又受吞吐量、待測單元設計、內置自檢等因素的制約。信號管理系統一直得不到重視，本文就針對功能測試的信號管理系統進行詳細的解析。
一個經常得不到足夠重視的領域是“信號管理”，基本上就是用于測試的信號開關系統的設計和/或配置。信號管理允許系統共享測試資源，并行測試多個UUT。經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備(ATE)的外形尺寸，從根本上節省成本。
UUT的測試要求是什么？
在了解設計和工藝以及信號管理之前，應該先了解UUT。這包括產品類型、配置(單個PCB，預制PCB，最終產品)、測試規范、規劃的測試點/焊盤尺寸、預期數量(每線/天/班等)和預期的故障頻譜。
顯然我沒有包括“預算”在內。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，你才能開始投資談判。也只有到那時，你才能達成必要的折衷。
高I/O數量和功能
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。畢竟這里主要關心的是“什么信號進入，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，應輸出特定的數據集。
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——即復雜功能，高I/O數量，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數量是多少？連接器上有什么類型的信號(數字/模擬)？要求什么樣的儀器？有必要進行校準嗎？診斷關鍵嗎？探測是人工還是機器人做？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。但在繼續討論之前，讓我們先看看可用的一些信號開關選擇。
信號開關類型
簡單地說，開關就是接通/切斷連接。單刀單擲(SPST)、雙刀雙擲(DPST)和其它開關配置被用于連接包括電源、負載和機械致動器等元器件，如圖2所示。在大多數情況下，主要問題在于電壓、電流和功耗——帶寬在這類應用中基本上不成問題。
圖2：基本的開關配置：在屏蔽和非屏蔽版本中都有SPST、DPST、SPDT。
[page] 復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。給多個測試點共享單個源或反過來給多個源共享單個測試點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連接數量都是必須要考慮的參數。在大多數情況下，復用器的頻率響應也很重要。
圖3：由99個復雜器組成的雙極點例子。
在許多應用中最靈活的開關解決方案是交叉點矩陣。如圖4所示，矩陣其實是一連串的繼電器，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，事實上任意Y軸連接都能連接到任意X軸連接。多個并發連接也是允許的。這是最容易的連接實現方式。
圖4：開關矩陣可以實現正確的連接。
但矩陣也有它們的局限。第一個問題是帶寬。大多數矩陣的帶寬是受限的，因為可能連接的數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”，進而限制矩陣的頻率響應。
使用矩陣時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備連接到96個可能的連接，你可能需要多達1536個繼電器！
系統配置
現在我們已經深入理解了測試要求和可用的信號開關源。下面讓我們考慮一下如何實現信號管理。
如果看過圖5，你就能見到典型的系統框圖——PC控制器、激勵和響應儀器。信號管理子系統位于接口測試適配器(ITA)和儀器之間。
圖5：典型的測試系統框圖。
設計測試系統時遇到的第一個問題是儀器在UUT和信號管理系統之間是如何互連的。本文提供了兩種不同的架構。
圖6：信號通過測試夾具。
圖6顯示了一種“直通”配置。這個設計將系統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，因此是最靈活的。缺點是連線長度太長。另外，每個信號需要經過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，儀器被直接連線進信號管理系統。這種設計能夠管理信號長度，確保最好的信號完整性。缺點是重新配置要求重新設計測試系統，限制了靈活性。
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選擇大規模互連
提到互連，如果測試系統是要測試許多不同的UUT，那就可以考慮大規模互連系統，也稱為接口測試適配器(ITA)。一個設計良好的ITA系統可以提供一致的結果，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。根據具體應用，你可能需要評估ITA內的連接：這些連接是硬連線嗎？是否有專門設計的PCB用于控制信號路徑和阻抗？后者當然會增加成本，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時沒有考慮總的規格指標。例如，測量通道可能必須呈現特定的特性：線路損耗、電容等。配置系統的工程師只關注了開關子系統的性能指標，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。
另外一個問題關乎被開關的信號。很多時候測試工程師會錯漏開關系統在“冷開關”(在UUT加電前閉合和斷開繼電器)和“熱開關”(在UUT加電后閉合和斷開繼電器)時的性能指標。熱開關時的電流額定值通常大約是冷開關時的一半——試圖對太高電流進行熱開關可能導致開關系統損壞。
診斷
在大多數情況下，功能測試是通過/不通過操作。然而在一些工業領域，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鍵的測量。
這是因為今天的電子設備具有一次性屬性，設計為廉價性裝配，而且不能被拆解。因此在最終測試之前驗證功能可以避免返工，減少潛在的報廢可能。信號管理系統可以自動化并加速生產過程中測試期間的校準。
探測PCB
如果設計要求探測UUT以便校準或驗證，那么必需提供足夠的測試點。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，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很重要。
自動還是人工測試？
隨著數量和每線比特速率的增加，也許你想知道測試過程實現自動化的可能性。自動化的功能性測試本質上不需要加載/卸載時間，可以減少對額外測試系統的需求。
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。
但當功能測試系統必須跟上線路比特率時，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
校準或診斷時進行探測幾乎是必須的。因此可能要求操作人員訪問測試點。只要有可能，都要確保測試點有清晰的標記。
要問的問題包括：探針大于測試點嗎？
會不會存在探針短路多個測試點并損壞UUT的危險？
有電擊危險嗎？普通操作員可以快速識別測試點并進行探測嗎？操作員需要在一個測試點上保持探針不動多長時間才能得到精確的讀數？
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，甚至改變操作員的資質。另外一種方法是將信號管理施加到具體應用，并實現探測過程的自動化。
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