透過 CableSenseTM 技術避免測試系統停機

自動化測試設定範圍從簡單的單軸連接線連接,到涉及轉接器、切換器、接收器、介面測試轉接器 (ITA) 與/或溫度與振動實驗室的相當複雜的大量互連系統。為了確保測試的品質,您需要在儀器與 DUT 之間保持安全連線。不過,隨著大量互連系統的規模與複雜度不斷提高,潛在的故障點也隨之增加。

圖 1.大量互連設定

由於接近 DUT 的位置最容易受到插入、變更與潛在人為錯誤影響,因此,連線越來越容易發生故障。舉例來說,溫度或振動實驗室內的連接點會在每個 DUT 之間切換,但當 PXI 機箱和接收儀之間的連接線在安裝時,很可能不會經常接觸。

連線故障類型

很遺憾,連接線、接頭與繼電器會隨著時間磨耗,且容易受到操作誤用。連接線可能會鬆動或磨損，針腳可能因插入不當而彎曲，而繼電器也可能比預期更早失效。在測試機複製期間,可能會錯誤地使用不正確的連接線類型或長度,進而造成不必要的量測變化。

圖 2.左側是連接線的金屬防護,可能是機械應力所致。右邊缺少高品質連接線的中央針腳,很容易忽略,尤其是連接線仍在對接時。

使用 CableSense 技術進行設定特性分析

實驗室專家或許能夠以視覺化方式檢查系統,以高階方式偵測變化,但要找出彎曲的針腳或內部連接線故障,仍然很難。而且,對測試工作站進行篡改會造成緊張感,因為有崇高的意願可能會造成新的問題,尤其是插入數量有限的情況下。

圖 3.「最佳猜測」疑難排解不僅浪費時間,還可能不慎在您的設定中造成新的問題。

要降低風險,關鍵在於在測試開始時驗證系統的實體設定,以及早發現常見的 ATE 連接問題,同時盡可能不會干擾測試本身。為了協助您達成此目標,NI 於部分 PXI 示波器型號採用 CableSense 技術,在每個示波器通道的 50 Ω 路徑背後採用脈衝產生器。

圖 4.PXI 示波器前端的 CableSense 脈衝產生器程式方塊圖

NI PXI 示波器與傳統 TDR 類似,會沿著從示波器通道到 DUT 的整個被動式電子路徑傳送脈衝。當脈衝反射回儀器時,您可以隨著時間的推移對阻抗或反射係數進行特性分析、將其與距離相關,並將訊號路徑中的轉接器、切換器、接收器或 ITA 連線列入考量。事實上,由於即時 PXI 示波器已整合於自動化測試系統本身,因此不需要變更任何連線即可執行此特性分析。外部 TDR 或接線測試機必須結合中斷連接、連接線交換或設備交換,才能進行反應式除錯,因此無法成為有效的預防解決方案。

若要套用這項技術,您可以根據已知的黃金設定建立限制遮罩,以做為後續比較的基礎。CableSense 脈衝可透過 NI-SCOPE API 存取,因此您可以透過程式設計方式建立這些遮罩,並在稍後以自動化方式進行驗證,可能是測試序列開始時。比較邏輯可偵測主要故障,例如連接線鬆動或繼電器不良,以及連接線類型或長度不正確的細微故障。您可以根據偏好的頻率來自動化檢查,例如每天早上一次,若是重要且較長的測試,則可針對每個 DUT 進行一次檢查。只要根據自身的變化容忍度量身打造遮罩，即可確保在特定應用中達到所需的重複性，避免發生錯誤故障。

不同於傳統的 TDR,CableSense 技術具有比較邏輯的額外優勢。將 CableSense 對遮罩的檢查自動化,可降低使用 TDR 原則進行除錯的障礙,有時必須具備進階知識與經驗才能有效運用。

遮罩產生

CableSense 技術的關鍵用途,在於透過監控連接線阻抗與長度的方式驗證連線效能。無論連接故障是因為操作錯誤、插入數量高、繼電器故障,或是接線不良或替換錯誤,您都可以使用預先定義的遮罩來比較系統與已知的良好設定回應。任何時候,如果響應波形符合或超出遮罩設定的限制,就會產生錯誤訊息,以警示操作人員系統連線問題及其在系統電路路徑內的位置。

圖 5 顯示了系統的量測響應以及其上限與下限。您可以同時調整時脈 (x 軸) 方向與阻抗或反射係數 (y 軸) 方向的遮罩。左圖顯示了 ±4 Ω 阻抗偏移與 ±100 ps 時間偏移。右圖顯示了 ±2 Ω 阻抗偏移與 ±500 ps 時間偏移。

圖 5.具有不同層級遮罩容錯 (紅) 的量測 CableSense 脈衝 (藍色)

一般而言,您應將這些容錯範圍設為夠寬,以容許應用中的正常變化,但必須設為足以偵測非預期的變化。NI 建議先測試在應用中通常會使用的數條候選連接線,以針對一般設定變異進行特性分析。這項深入分析可協助您判斷適當的時間與阻抗邊限。

重大故障軟體範例:開路 (鬆連接線、不良繼電器)

在下列設定中,PXI 示波器會透過 1 公尺的連接線連接至 PXI 切換器,而 PXI 切換器則會透過第二條 1 公尺的連接線連接至 DUT。這兩條連接線是透過切換器連接,這個切換器的內部路徑約為 40 公分。

初步建立遮罩時,您可以根據自己對設定的知識,將完整的電力路徑分割成子區域,進而提升其未來相關性。為了加強這項功能,您可以使用 x 軸來呈現距離而非時間,並根據所使用連接線的已知介電線進行關聯。在此範例中:

• 距離 0 公尺–1 公尺 = 機箱對切換器
• 距離 1 公尺至 1.4 公尺 = 內部切換路徑
• 距離 1.4 公尺–2.4 公尺 = 切換至 DUT

接著,如果偵測到故障,您的程式可以回報子區域未能使用遮罩限制,以縮小除錯範圍。在下列第一次測試中,設定中沒有任何變更,因此會通過遮罩驗證。

圖 6.CableSense 脈衝通過遮罩檢查,意味著設定與已知的最佳狀態沒有差異。

圖 7 使用相同的設定,但內部切換器路徑已經故意中斷,代表了繼電器故障或切換器路徑不良。在電子路徑的距離略超過 1 公尺內,阻抗波形會急速上升,代表問題站點的開路。遮罩檢查失敗,並正確回報 內部切換器路徑為故障位置。

圖 7.偵測到開路,並將內部切換路徑回報為故障位置。

輕微故障軟體範例:連接線阻抗或長度錯誤

除了開路或短路之外,您還可以使用 CableSense 脈衝找出其他細微問題,例如連接線類型或長度不正確。在圖 8 的設定中,使用一個約 20 公分的短 BNC 連接線建立了遮罩,並連接一個 2 公尺的 BNC 連接線,兩條連接線均應為 50 Ω。

在測試期間,改用了 75 Ω、2 公尺的連接線,導致遮罩故障。圖顯示,前 20 公分內的電力路徑在限制內,但隨後超出遮罩的限制,升至 75 Ω,並在限制內保持 2 公尺的時間。從外部角度來看,在複製測試設定中,很難以視覺化方式偵測連接線使用不當;而電子驗證會更有效率。

圖 8.在預期的 50 Ω 連接線遮罩上,很容易就能偵測出不正確的 75 Ω 連接線。

實際上,如果您的測試序列在初始化區段中回報 CableSense 故障,則可使用如圖 8 所示的 UI,以視覺化方式呈現電子故障,並縮小疑難排解範圍。如需 CableSense 技術實作範例,請參閱「相關連結」區段中的 LabVIEW 示範程式碼。

即時示波器的 CableSense 技術可量測連接線阻抗與連接線長度,類似於傳統的 TDR;不過,有些重要差別。CableSense 功能是測試系統中使用即時示波器進行現場量測驗證的外掛選項,而傳統的 TDR 則為無內建比較邏輯的高效能外接儀器。

傳統 TDR 具有快速邊緣脈衝產生器,其上升時間為數十 picosecond,取樣頻寬則為數十 GHz。相對而言,CableSense 脈衝可達數百毫微秒到數毫微秒,取樣頻寬則介於 100 MHz 到 1.5 GHz 之間。CableSense 取樣是由示波器通道的類比至數位轉換器 (ADC) 與輸入階段進行;因此,如果使用 100 MHz 示波器,脈波取樣將受限於 100 MHz。反之,如果使用 1.5 GHz 示波器,則會以 1.5 GHz 頻寬取樣 CableSense 脈衝。

支援的硬體與 CableSense 規格

每種支援 CableSense 技術的示波器型號,都可隨附不同料號所啟用的技術。視示波器機型而定,CableSense 脈衝產生器所產生的電壓通常介於 0.4 V 到 0.5 V 之間。舉例來說,PXIe-5162 脈衝的額定值為 0.5 V,而 PXIe-5113 的額定值為 0.4 V。這些電壓是以 BNC 接頭量測至多功能數位電錶等高阻抗負載。

表 1.支援 CableSense 技術且具備其額定規格的硬體型號

空間解析度

脈衝結合運作後,就會產生最多可取樣的上升緣速率,而上升緣則決定了系統的空間解析度。頻寬更高的示波器模型能縮短上升時間,最終能縮短空間解析度。傳統 TDR 的空間解析度指的是可唯一識別的阻抗特徵之間的距離;因此,較低的空間解析度會對實體測試設定的變化產生更高的靈敏度。其定義為:

當中

    T_r= 上升時間
     l = 空間解析度
     c = 光速
     ε_r= 介電常數

若要進一步簡化,則是上升時間 (T_r) 乘以標準傳播速度的一半:

當中的 V_p 為傳播速度:

圖 9 所示的範例,在不同阻抗較短且相鄰時,空間解析度可能相當重要。

圖 9.具有 2 組短阻抗變更的傳輸線

圖 10 的圖表顯示 PXIe-5162、PXIe-5113 與 PXIe-5110 的不同上升時間;在此情況下,量測值略高於各自的額定規格。根據此上升時間,標準 RG223 連接線的空間解析度範圍為 2.2 吋至 14.2 吋 (視型號頻寬而定),相對介電常數為 2.25)。

圖 10。PXIe-5162、PXIe-5113 與 PXIe-5110 的上升時間與空間解析度估計

空間解析度範例 1:連接線長度驗證

使用相同的 3 個示波器型號量測了一系列連接線長度,以示範不同型號的不同空間解析度。圖 11 的圖表強化了對較快取樣率與頻寬可提供更好的空間解析度的期望。PXIe-5162 的上升時間是其中最快的,因此可針對小連接線的量測提供最佳波形。如表 2 所示,量測連接線長度與實際值之間的接近程度。

表 2.空間解析度對連接線長度量測準確度的相對影響

圖 11.不同空間解析度會影響每個示波器型號的偵測連接線長度變化較小的能力。PXIe-5162 (第一張圖) 的頻寬最高,且空間解析度最低,因此能清楚區分較短的連接線長度差異。

在監控工作站的連線情況時,應檢查連接線差異,而在比空間解析度所示更小的距離下,即可偵測到差異。在圖 12 中,每張圖表均以 18 吋的連接線長度量測結果,與 PXIe-5162、PXIe-5113 與 PXIe-5110 示波器型號的 19.5 吋連接線量測結果為對比。這三個型號都能偵測連接線長度的變化;不過如圖所示,PXIe-5110 示波器的上升時間較慢,可能會在可靠偵測 1.5 吋長度的變化時造成錯誤。

圖 12.空間解析度對 1.5 吋的相對效應。適用於 1.5 GHz (左)、500 MHz (中) 與 100 MHz (右) 示波器型號的連接線長度變化驗證

空間解析度範例 2:連接線阻抗驗證

阻抗驗證也取決於連接線長度,且空間解析度仍舊適用。若要量測 2 個短連接線區段的阻抗,連接線區段長度至少應大於以空間解析度方程式定義的長度。如圖 13 所示,這兩個不連續性會密切相連。當不連續性長度大約與空間解析方程式定義的長度相同時,即使量測尚未趨穩,也可判斷存在兩種不同的不連續性。在連接線區段長度大約等於上升時間長度之前,量測不會趨穩於 45 Ω 與 55 Ω。

圖 13。使用 PXIe-5162 或 650 ps 的上升時間量測不同長度的阻抗不連續

上升時間與連接線長度

上升時間對連接線長度與阻抗量測的影響,如上方所示。不過,隨著連接線的長度增加,上升時間也會變慢。若頻率低於 1 GHz,主要是因為連接線的皮膚效應造成損耗。

步進響應從 0 V 轉換至除以 2 的最終值的所需時間 T_o 定義為:

其中 A 代表 dB/100 英呎的損耗,L 則是連接線長度ⁱ。

針對 RG58 連接線,A = 17.8 dBm/100 英呎,針對 RG223 連接線,A = 16.7 dB/100 英呎。接著會計算連接線的上升時間:RT = 28.83 * T_o。 表 4 提供各種連接線類型與長度的計算上升時間。

表 3.同軸連接線上升時間與長度

接著,系統的上升時間會視連接線的上升時間,以及 CableSense 脈衝與通道的上升時間而定。

針對 PXIe-5162,表 1 的額定 CableSense 脈衝上升時間為 650 ps,表 3 的 5 公尺 RG223 連接線上升時間約為 990 ps。因此,在 5 公尺連接線末端的空間解析度方程式中使用的整體上升時間約為 1.18 ns。總而言之,這表示,在接近示波器輸入時達到的最大空間解析度。

使用衰減器進行量測

在許多應用中,衰減器會隨附於配線中,如圖 14 的範例所示。

圖 14.含行內衰減器的接線配置

實際情況是,衰減後反射的訊號會隨著回傳至示波器通道而降低,進而減少阻抗不連續性。這種方式通常會對量測品質產生正面影響,但會降低 CableSense 功能的連接線變化偵測能力。圖 15 比較了未衰減的 1 dB 與 10 dB 行內衰減器。

圖 15.各種衰減器對回傳結果的影響

此外,示波器偵測到的阻抗也會因使用的衰減等級而有所不同。舉例來說,使用圖 16 所示的電阻器值時,1 dB 衰減器的開路連接線阻抗約為 436 Ω,而 10 dB 衰減器的開路連接線阻抗約為 61 Ω。

圖 16.1 dB 與 10 dB 50 Ω Pi 衰減器

圖 14 的連接線配置圖 17 顯示 CableSense 脈衝偵測的阻抗。左圖顯示 1 dB 行內衰減器設定會在連接線末端趨穩至 436 Ω,而 10 dB 行內衰減器設定則會趨穩至 61 Ω。右圖顯示相同的縮放資料。您可以使用兩個連接線設定來判斷連接線長度;然而衰減準位越高,您就越難以透過程式設計方式計算距離,同時確保其他阻抗不連續性不會導致連接線末端識別錯誤。

圖 17.適用於具備 1 dB 與 10 dB 行內衰減器的連接線的連接線端偵測