【四】如何实现生产过程中的自动化测试？——保证高频信号的准确传输

插入损耗与阻值不匹配

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。

 一般是针对在某个频率上的插入损耗来指定触点和开关。当损耗为 -3dB 时，在这个频率上的开关的功率为信号源输出功率的一半。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1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。可以看到，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 1 — 串联的继电器引起的插入损耗

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2）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2 — 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 3）。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。

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的速度则要比原本的快超过3000倍（最高 40Gbps）。（图4）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。

由于这些信号功率较低且频率较高，需要在布线上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。

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。

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。

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6）

图6 — 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，保证开关模块的性能不会因为线缆和配件的问题而受到影响。