摘要

產品在工作臺上接受測試時，通常測試環境是最佳的，產品與激勵和測量設備之間具有很短的、直接的線纜連接。但在生產過程中進行測試時，被測設備（DUT）和測試儀器之間可能具有很復雜的連接網絡，包括線纜、信號分配裝置、信號開關子系統以及連接器轉接面板和特定設備的適配器等。所有這些器件對于在產品開發中工作臺上的儀器和產品之間直接往返的原始信號的品質不僅不能提升，相反地可能會造成信號品質下降。根本上說，所有的線纜、接口和開關應該被當作是測試儀器的擴展，并且在評估儀器性能的時候必須統籌考慮。這份白皮書會對這些問題進行深入地探討，重點涉及通道電阻、導線電容和插入損耗對測試結果的影響，以及如何最大程度地減小這些影響。

目錄

1.0 一個成功的自動測試系統的目標

1.1 專業術語

2.0 測試信號的歷程

3.0 障礙

3.1 通道電阻

3.11 示例 — 基礎

3.12 示例 — 引申

3.13 示例 — 解決方案

3.2 信號路由和交流電測量

3.21 示例 — 基礎

3.22 示例 — 引申

3.23 示例 — 解決方案

3.3 插入損耗和阻抗不匹配

3.4 高電壓

4.0 千兆以太網

5.0 客戶定制線纜

5.1 Pickering 的線纜設計工具

6.0 總結

1.0

一個成功的自動測試系統的目標

在研發新產品時，經常需要在實驗工作臺上手動操作來驗證產品設計。一旦完成了對產品設計的驗證，滿足產品規格和性能要求的任務就被轉交給生產測試工程團隊來負責。理想的情況是，產品在設計之初就已經將測試的種種要求統籌考慮，但實際上產品測試只能在產品設計好后進行，因此問題往往會在后期逐漸暴露。測試工程團隊會創建一個針對產品的測試流程，這項流程屬于產品制造過程的一部分，并且測試流程需要足夠高效來支持產品制造的要求。這項流程通常是自動化的，從而加快測試以及減少由于測試技術人員的參與而人為造成的誤差。在計算機上運行的軟件代碼控制機架上的測試儀器，這些儀器為被測設備提供激勵并且測量來自被測設備的反饋。創建自動測試平臺并不容易，往往會因為要求測試平臺要足夠多功能來支持不同類型產品而使測試變得難上加難。針對不同產品，系統輸入輸出信號會通過適配裝置路由到被測設備，因而不可避免的會引入一些信號連接點，這些連接點可能會破壞測試信號的完整性。

圖 1 — 在自動測試設備（ATE）系統中創建連接

圖片由 Virginia Panel Corporation 提供

1.1

專業術語

可能會見到的不熟悉的專業術語：

PXI — 針對基于 PCI/PCIe 的模塊化測試儀器和開關平臺的開放式工業標準

接收器 — 海量互聯面板，可在被測設備和測試儀器之間提供連接接口

信號路由系統 — 在被測設備和測試儀器之間的路徑上的一切信號，包括開關元器件和任何外部的連接器和線纜

2.0

測試信號的流動

圖 2 顯示了一臺兩通道的函數發生器連接到一臺被測設備的多個點上。其中會用到一個小型的開關子系統來分配函數發生器的輸出。開關和儀器的輸入和輸出連接到一個共用的接收面板上，然后再接到 一個針對被測設備的適配器上，最后適配器接到被測設備上。

信號通過的路徑上存在多個會破壞信號完整性的節點。讓我們看一下下圖中的例子，一個被測設備需要一個具有最小寬度和最少上升/下降時間的輸入脈沖來開啟一系列事件。在這個簡單的例子中，由函數發生器產生的脈沖信號首先會通過幾英尺長的線纜到達測試接口，然后經過一個連接節點以及穿過測試儀器中更多的線纜，然后回到第一層的開關，再次通過接口和測試儀器到達第二層的開關，最后從開關出來到達被測設備。根本上說，十多英尺長的線纜、連接器和開關觸點已經成為了函數發生器的一部分。

圖 2 — 函數發生器的輸入及通往被測設備的路徑

信號路徑中線纜、開關觸點和連接器對于提高信號完整性來說沒有幫助，相反地還會造成不良影響。對信號的影響通常不容易計算或預測，尤其是在系統中設計具有多條可能的路徑的情況下。這就會對信號完整性和結果測量造成不確定性，從而導致產品質量的不確定性。因此，當一臺函數發生器以其標稱的技術規格工作時，在測試系統中其輸出一旦需要通過信號路由系統，那么就會需要采取一些其它措施來減少影響。

3.0

障礙

在這樣的系統中，通常會對函數發生器指定幾項具體的規范，比如上升時間、帶寬、信號源阻抗和波幅準確度。而信號路由系統則會對電容、通道電阻、插入損耗、反射功率造成影響，并且有很大機會造成阻抗不匹配以及信號衰減的問題。如果在路由系統的設計上思考不全面，那么信號完整性就很可能遭到破壞。這就會對測量造成不確定性， 更重要的是會對即將交付的產品的可靠性造成圖 3 所示的情況。

圖 3 — 信號路由系統的輸出不一定與其輸入一致

冒信號失真的風險并非明智之舉。任何系統設計都會盡可能讓傳輸系統對于信號來說是透明的，不需要手動設置。那么，我們在進行 ATE 信號路由過程的第一步應該做什么，從而保證擁有一個可靠的系統呢 —— 并且在項目的整個生命周期內是可重復使用的，可維護的以及可為用戶最大程度減少成本？

首先，讓我們深入了解一下互連系統會給系統工程師帶來哪些挑戰，以及應該采取哪些措施來降低互連系統對信號完整性的影響。我們將重點關注通道電阻、信號衰減和插入損耗。

3.1

通道電阻

通道電阻是由于線纜、連接器和開關的存在而在信號路徑上增加的電阻。關于電阻在電路中的作用，有一些基本常識，比如電阻作為濾波網絡的一部分可以減少噪音干擾，或作為衰減器將高電壓信號引入可接受范圍的連接設備中。但另一方面，電阻也對互連系統造成不良的電壓降、傳輸信號衰減以及發熱等一些副作用。在信號路由系統中的電阻會使得信號在到達終點的過程中出現部分流失。

圖 4 — 通道電阻引起損耗

如我們之前舉的例子說到的，在配置信號路由系統時很容易會把信號路徑配置成幾十英尺長，從而對直流和射頻測量造成問題。導體的直徑是跟導通電阻有關的，那么就讓我們來了解一下不同規格的線纜是如何影響測試信號的。越粗也就是線規越小的線纜顯然要比線規大的線纜能承載更多的電流。增加線纜中銅導線的直徑意味著單位長度的電阻變小，通道電阻變小也就意味著消耗的功率越低，也意味著產生的熱量越少。以上提到的所有屬性對于信號傳輸都是有利的。然而，為了方便生產部門生產較小尺寸的測試系統，高密度測試儀器（尤其是多通道開關模塊）和大規模互連裝置通常使用高密度連接器，這些連接器只能容納較高線規的線纜。圖 5 顯示了一個 ATE 系統中用到的承載低電平信號的兩種常見的線規之間的差別。注意這些規范都是針對在自由空間內的一根導線而言的。如果將線纜捆扎在一起，由于會產生熱量，電流規格會大大降低。較高線規的導線的信號導通電阻會比較低規格的大四倍多。

圖 5 — 量化引線電阻與線規的關系

3.11

示例 — 基礎

讓我們看一個具體的示例做進一步的理解，這個示例包含幾百個測試點多路復用接到同一個輸入上。在這個應用中，開關信號不超過 150V 或 1A。Pickering 生產高密度的PXI模塊化開關，包括高密度多路復用模塊（圖 6）。比較兩個模塊的規格，兩個都滿足電壓/電流要求，但其中一個要比另一個的通道數多 25%。通道數對于模塊化系統來說通常是比較重要的，尤其是對于槽位數比較有限的情況。開關系統在機箱上占用的槽位越少，留給其他儀器或將來擴展的空間就越多。然而，要實現高通道密度，就需要用到 200 針的連接器，對于較低通道密度的則需要一個 160 針的 DIN 連接器。200 針連接器的制造商規定使用的配套導線線規至少為 28 AWG，而 160 針的連接器的導線至少為 20 AWG。這對于系統接線來說有什么意義以及對開關測量有什么影響呢？

圖 6 — 兩種高密度開關模塊之間的對比

3.12

示例 — 引申

讓我們來做進一步的說明。假設我們要測試一個產品，我們的測試系統要提供一個 12V、1A的信號源，且具有±5%的準確度。我們創建了一個系統來路由多個開關。在信號源和連接到被測設備的終端之間有 10 英尺的線纜，且還具有一條一樣長的線纜用來返回信號。（圖 7）。假如我們的系統使用的是線規 28AWG 的導線，那么總的通道電阻是 1.3 歐姆（不考慮任何開關觸點電阻）。這個通道電阻會導致電壓下降 1.3V —— 要比可接受的誤差大了兩倍。如果使用線規 22AWG 的導線，電壓降會減少至 0.32V，這個數值在我們的容差范圍內。注意，任何開關和接口觸點都會增加通道電阻，使得損耗進一步增大。

圖 7 — 測試系統的線纜顯示為電阻，在導線上存在電壓降，在被測設備上存在合成電壓

3.13

示例 — 解決方案

可以得出一個明顯的結論，為了最大程度減小導線電阻，導線長度越短越好。如果必須要用較長的導線，有一個常見的可以彌補不良影響的方法是采用4線信號源或4線測量設備。其中有兩條高阻抗的傳感線會并列接到信號線上，不管導線長度多少都可以做出相應的調整來補償損耗。圖 8 展示了一個基于阻性傳感器的4線測量。假如 RDUT 是一個100Ω 的熱敏電阻（RTD），如果采用 2 線機制，那么一個通道電阻會造成大約 3.5℃ 的誤差，如果采用 4 線測量則可以消除這些誤差從而獲得精準的測量。然而，任何好處都伴隨著成本，4 線測量對系統密度的要求會大大增加，因為要開關額外的傳感線，就需要用到兩倍多的開關通道。當要求測量絕對準確時，一般 4 線測量是最佳選擇。

圖 8 — 4 線測量可彌補多余的導線電阻帶來的不良影響

3.2

信號路由和交流測量

自動測試設備（ATE）開關系統，尤其是那些包括射頻測量的系統，通常采用較小規格的繼電器來構建。比如說單刀雙擲（SPDT）或單刀四擲（SP4T）繼電器，針對特定的應用要求，使用測試適配器中的外部導線將這些繼電器重新進行配置構建不同的拓撲結構。這為系統架構師提供了很大的靈活性，可以根據需要微調開關網絡。舉個例子， 一個具有八個獨立的 SP4T 繼電器的開關模塊可以通過使用外部同軸導線重新配置成一個兩組 SP12T 的多路復用器，從而擴展一個 2 通道示波器的輸入輸出。在另一個不同的應用中，同樣的八個 SP4T 的開關模塊還可以配置成一個 4x4 的矩陣。在同一個測試平臺上測試高度混合的產品的生產環境中，通常對板卡的靈活性具有很高的要求。然而，要滿足這樣的靈活性，通常需要額外的同軸線纜來構建更大的開關網絡，這對系統性能來說是個不利因素。根據不同的應用，選擇的線纜類型可能會非常關鍵。

3.21

示例 — 基礎

讓我們測試一下在ATE系統中常用的兩種同軸線纜 RG178 和 RG316，下表列出了它們的關鍵參數，可以看到兩組數據很相似。

表 1 — 兩種不同的 50Ω 同軸線纜的參數比較

3.22

示例 — 引申

兩種線纜具有相同的傳播延遲時間以及每英尺相同的電容。兩種線纜都需要在 50Ω 的環境下使用。可以注意到在衰減值上兩者是不同的。如果我們考慮在一個測試系統中的輸出 140MHz 方波的信號源儀器和被測設備之間連接一條 12 英尺的同軸線纜，那么該波形的5次諧波位于 700MHz。信號的衰減是關于頻率的函數，使用 RG178 要比 RG316 在 700MHz 頻率上多損耗 1.6dB。在更高次諧波的情況下損耗更大。如果線纜長度增加，那么在 700MHz 下的損耗也會相應增大。這會對動態測試造成巨大的影響，比如高次諧波會使得波形的邊緣很鋒利，從而導致時間變長脈沖變寬。反過來說，任何可以減短總體的信號路由路徑的方法都可以允許更多的諧波存在在信號上，波形也更不容易失真。

3.23

示例 — 解決方案

考慮到更長的線纜可獲得更長的支持服務期從而更有利于維護，那么縮短信號路由路徑的最有效的方法是什么呢？通常會權衡成本、系統針腳、靈活性和性能幾方面綜合考慮。

由于 ATE 開關系統相當于所有儀器輸入輸出的樞紐，因此通常會在用戶接口上占據最多的針腳。對于一個開關系統來說，具有幾千個節點的情況并不稀有，因此在整個系統中用到的線纜數量也會是最多的。那么如果能縮短用戶端（或測試系統接收器）和系統之間的距離，系統整體的線纜長度就會隨之減短，這對于整個系統來說意義重大。

如果開關卡和其他儀器卡一起放置在一個 PXI 機箱中，可以考慮的縮短距離的一個方法是直接把機箱放在連接面板的后面。如果您使用的是 Virginia Panel 的連接面板或 MAC Panel 的海量互連接收裝置的話，也可以使用漏斗形裝置將開關和接收器模塊集成在一起，從而大幅減少線纜的使用。從開關出來的導線以很短的線程被包裹在漏斗形裝置中。盡管與分立線纜相比，帶有漏斗組件的海量互連的前期成本更高，但可以通過改善可維護性和性能來提高回報彌補成本（圖 9）。

圖 9 — PXI 射頻開關模塊帶有集成的接收連接器（圖上為 MAC Panel Scout 系統）

最后，考慮開關模塊拓撲作為可能的連接主干道來構建開關系統從而縮短線纜長度的辦法也是比較聰明的。比如Pickering 的 40-749-511 射頻多路復用卡這樣的具有多個 SP4T 開關的模塊，可提供極佳的設計靈活性。然而，當需要用到一個較大的多路復用模塊時，就需要延長接到16個測試點的示波器通道，以及延長用來連接這些模塊的接入或接出互連面板的線纜，那么路徑長度和電容就會大大增加。在內部被配置為大規模的多路復用器的開關模塊，比如 Pickering 的 1x16 的 40-875-001，盡管限制了靈活性，但可以大大減少接線。（圖 10）

圖 10 — Pickering 的雙組 SP16T（左）和八組 SP4T（右）

因此，確保所選的開關組件和信號路徑路由系統能夠提供足夠的凈空來滿足您要達到的測試要求是很重要的。同時也要考慮到您現在設計的系統可能在將來還會用于其他用途。

3.3

插入損耗和阻抗不匹配

目前為止我們討論的都是系統的接線對整體的傳輸路徑完整性的影響。當傳輸信號具有高頻成分時，值得關注的一個關鍵參數就是帶寬。帶寬根本上定義了能夠在一條傳輸線上通過的最高頻率的信號。在一個 ATE 系統中，帶寬部分取決于信號路徑中各個連接點的插入損耗。開關觸點和互連為阻抗不匹配創造了充分的條件，使得系統帶寬降低。

一般針對在某個頻率上的插入損耗來指定觸點和開關。在損耗為 -3dB 的點上，在這個頻率上的開關上的功率為信號源輸出的功率的一半。試想多個繼電器匯集在一條信號路徑上，那么累積起來的插入損耗造成的影響是巨大的，哪怕對于低頻信號來說造成的影響也是很可觀的。圖 11 顯示了兩塊 Pickering 開關模塊的插入損耗曲線圖。一個是由獨立的SP4T開關組成的多路復用模塊，另一個是由內部串聯在一起的 SP4T 繼電器組成的 SP16T 的多路復用模塊。插入損耗是積累疊加的，并且 SP16T 模塊在 -3dB 點的有效帶寬也相應降低。

圖 11 — 串聯的繼電器引起的插入損耗

非正弦波是由多個諧波組成的。即使是一個 140MHz 的方波也會被整體帶寬為 500MHz 的開關系統所影響。如前文提到的，由于高次諧波會導致波形邊緣的銳度受到抑制，從而影響方波的保真度。

因此，確保所選的開關組件和信號路徑路由系統能夠提供足夠的凈空來滿足您要達到的測試要求是很重要的。同時也要考慮到您現在設計的系統可能在將來還會用于其他用途。

3.4

高電壓

對于射頻系統，雖然線纜電容大范圍地分布在路徑上，但也經常會對信號完整性造成影響。另外，電容也會在直流系統中造成嚴重破壞。在直流系統中，高壓信號通過多路復用器開關測量設備。舉個例子，閉合一個多路復用器的繼電器將一個測量儀器和一個 400V 的信號源連接起來，接下來輸入一個低電壓信號進行測量。線路中的電容充電至跟信號一樣的電平，但在這種情況下，該電平處于高共模狀態。當測量結束，開關隨即斷開。然而，線纜沒有路徑可以釋放存儲的能量。當下一個繼電器閉合與連接到被測設備上的低壓電路導通后，線纜快速地釋放能量，導致非常高的尖峰電壓。這類尖峰電壓（圖 12）周期很短且可到達幾千瓦 —— 足夠熔化繼電器觸點使其粘連，最糟的情況是損壞被測產品或測試儀器。

圖 12 — 高尖峰電壓會熔化繼電器觸點使其焊接粘連

要如何防止這種情況發生呢？一個常見的方法是將一個開關通道專門用作放電電阻（圖 13）。每次高電壓測量結束后，在進行下一個測量之前，多路復用開關都會切換到專用通道來釋放離散的電荷。每次測量都需要多進行這一步操作，但為了防止不良的浪涌電壓，從利弊權衡的角度來看是值得的。

圖 13 — 使用一個放電通道來釋放存儲的電壓

4.0

千兆以太網和其他高速接口

千兆以太網、USB 和其他高速串行通信接口在汽車、半導體、國防和航天領域的產品上廣泛使用。由于這些信號可能是低功率高頻率的，要保持這些信號是個難題。USB 的規范參數原來最高為 12Mbps，而最新研發的 USB 4 的速度則計劃要比原本的快超過 3000 倍為最高 40Gbps。（圖 14）類似的，以太網已經發展成可以在高速下操作，并且只需要很少的數據線。單對的以太網是針對汽車應用的一種新興技術，目標是像 CAN 總線或其他具有更少連接和更簡單布線的標準一樣可以傳輸高速度的數據。

圖 14 — USB 4 要比原來的快 3000 倍

由于這些信號功率較低且頻率較高，需要在布線上特別花一些心思來保持這些信號。這類信號的連接還需要滿足不同技術標準組織規定的阻抗、性能和其他規范要求。USB 和以太網均使用雙絞線線纜從而減少來自其他信號的串擾和干擾。出于同樣的考慮，有些版本也要求在線纜上加屏蔽保護。然而添加了這些特性就會增加線纜的復雜度、尺寸和成本。通常在較大規模的測試應用中必須要權衡這些利弊。

5.0

客戶定制線纜

一旦清楚了設計目標以及決定了要權衡的利弊，接下來比較麻煩的就是設計線纜。很多公司不提供專門用于設計線纜、連接器和針腳的軟件工具。這會導致在設計時出現混亂或缺少細節，以及由于缺少文檔，很難對使用過的線纜進行重置或標準化。

因此，尤其是在沒有內部資源的情況下，測試團隊就需要跟定制線纜的廠商合作請他們幫忙挑選元器件以及為完成的設計提供文檔。

5.1

Pickering Interfaces 的線纜設計工具 Cable Design Tool

除了上述的辦法以外還有一個辦法是使用 Pickering 提供的設計工具。Pickering 的線纜設計工具 Cable Design Tool允許用戶設計各種規格的線纜，包括定義連接器、導線和針腳。這款工具還可以生成包含材料價格和最終設計圖像的文檔。這份文檔可以幫助提高標準線纜的生產速度，還能被包含在測試平臺的定義中。（圖 15）

圖 15 — Pickering 提供的免費的線纜設計工具

Cable Design Tool

6.0

總結

如果測試儀器和被測設備之間的路徑在電氣上是“不存在”的，那么測試信號路由就可以被當作是完美的。當然，這是不可能實現的。這里想要強調的是測試工程師必須要盡可能兼顧測試儀器和被測設備之間的方方面面，管理好整個測試通道，包括線纜、開關子系統、連接器和海量互連產品。

要保證線纜和連接器類型跟應用是匹配的，否則再好的開關模塊都相當于是沒用的。線規太小的導線會導致通道電阻增加以及嚴重的電壓降，從而影響測試結果。一條很長的導線可能具有很大的電容和信號衰減，這可能會損壞開關。當線路放電時，甚至會損壞被測設備。另外還會將快速上升的信號變成緩慢流動的波形。劣質的連接器很快就會壞，從而間斷性地導致一些問題。電磁干擾可能會是個問題，除此之外還有很多其他需要考慮的點。

選擇一個可以覆蓋一系列不同應用要求且適合將來進行擴展的靈活的測試平臺可以為系統的設計打下堅實的基礎。Pickering 的模塊化開關可以為系統設計提供最大的靈活性，且提供的產品類型是業內最豐富齊全的，包括從直流到光開關。（圖 16）

圖 16 — Pickering 的模塊化開關系列

最后要說的是，在某些情況下，線纜是伴隨開關模塊一起提供的。這些線纜是針對具體的模塊專門設計的。如果沒有提供配套線纜，那么最好要遵循開關模塊的參數規范來定制或購買線纜。Pickering Interfaces 公司擁有一個專門負責線纜和配件的部門以確保線纜和配件跟開關模塊的規范相匹配，因此開關模塊的性能不會因為線纜和配件的問題而受到影響。