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自动测试设备

自动测试设备（Automatic test equipment）简称ATE，是指可以利用自动化技术，针对产品进行快速测试的设备，被测试的产品会称为被测器件（DUT）。简单的自动测试设备可能只包括电脑控制的万用表，也可能是包括许多复杂测试设备（实体或是仿真的电子测试设备），其目的是针对复杂的电子产品进行自动化测器以及故障诊断。自动测试设备也可以测试复杂的电子半导体封装，或进行芯片测试（英语：wafer testing），待测器件可以是单片系统及集成电路。

Keithley Instruments Series 4200
Keithley仪器的4200系列电容电压量测设备（CVU）

自动测试设备的应用场合

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自动测试设备常用在电子制造产业中，在电子零件及产品制造完成后进行测试。自动测试设备也常用在航空电子及汽车电子的零组件测试，或是用在雷达或无线通信的军事应用中。

用在半导体产业

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半导体的自动测试设备，可以测试许多的电子零件和系统，从简单的组件（例如电阻器、电容器和电感组件）到集成电路（IC）、印刷电路板（PCB），甚至组装好的复杂电子系统。为了这些需求，会使用探针卡来进行测试。ATE系统的目的是要减少验证特定零件需要的时间，并且在进一步组装前，提早发现零件的问题。为了降低制造成本并且提高产率（yield），半导体零件需要在组装后进行测试，避免有缺陷的产品没检测到，最后在客户端故障。

组成组件

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自动测试设备中会用主控制器（多半是电子计算机）控制信号源及量测仪器。以往ATE系统中会用依客户需求设计的控制器或是继电器电路。会用机械手臂将被测器件放在自动测试设备上，此一手臂会称为handler或prober，透过客化的界面测试适配器（Interface Test Adapter，简称ITA）转换ATE的资源给被测器件。

工业电脑

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自动测试设备中使用的电脑会是工业电脑，是放在机柜系统上的电脑，有足够的PCI / PCIe插槽可以连接信号产生设备或是感测设备。此工业电脑会是自动测试设备中的控制器。测试应用程序的开发以及测试结果的存储都会在这个电脑上。大部分现代的ATE都会包括电脑控制的仪器，可以提供物理信号（电压、电流）或是量测许多的信号。仪器可能包括待测设备的电源（设备电源供应器，device power supplies，DPS）[1][2]、参数化量测设备（parametric measurement units，PMU）、任意波形发生器（arbitrary waveform generators，AWG）、模拟数字转换设备、数字IO以及测试设备电源。测试设备可以针对待测设备进行不同的量测，由工业电脑控制，在适当的时机提供信号（或是电压、电流）或进行量测。依照所要求的反应时间，也会考虑使用实时系统来产生信号以及截取信号。

大量连接设备

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大量连接设备（英语：mass interconnect）（mass interconnect）是测试仪表（PXI, VXI, LXI, GPIB, SCXI及PCI）和被测器件之间的连接器接口。是自动测试设备和被测器件之间信号输入输出的节点。

例子：电压量测

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假设要量测特定半导体的电压，会用自动测试设备中的数字信号处理（DSP）仪器直接量测电压，将结果送到电脑进行信号处理，计算出其电压值。这个例子可以看出传统的设备（例如电流表）因为其可量测的数量有限，再加上要进行量测所需要的时间，可能无法用在电动测试设备中。利用数字信号处理来量测参数的好处是量测时间。假如要计算电子信号的峰值电压以及其他参数，需要用一个峰值检测仪表，再加上量测其他参数的仪表。若使用以数字信号处理为基础的仪表，可以针对信信号采样，就可以计算其他的参数。

测试参数的需求以及测试时间的考量

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每一种设备的测试方式可能会有所不同。测试会增加成本，因此低成本的产品很少会进行完整的测试，而医疗设备或是高单价，要求可靠度的设备就会有许多的量测。

是否要测试设备的所有参数，这一方面是考虑设备的机能需求，以及设备的应用场合。例如，设备是用在医疗或是相关安全或生命的产品上，就需要量测许多的参数，其中一些参数还需要有资料佐证。要量测多少参数的决策本身很复杂，需考虑成本以及产能。若设备是复杂的数字设备，有上千个逻辑门，需考虑测试故障的覆盖率。决策需以测试的经济效益来考量，包括测试频率，设备IO的数量和种类，设备的机能需求，设备的应用场合等因素。

Handler、晶圆测试器及测试转接器

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自动测试设备可以用来测试已封装的集成电路，或是直接针对晶圆进行测试。测试集成电路会用Handler将器件放在客制的界面板（界面测试转接器，Interface Test Adapter）上，而测试晶圆会利用高精度的晶圆测试器（prober）直接测试。

自动测试系统若要测试集成电路，会有一个自动化的定位系统（称为handler），此系统将待测器件放在界面测试转接器（Interface Test Adapter，ITA）上，以便让系统进行量测。界面测试转接器有可能只是单纯将自动测试系统以及待测器件的电路连接在一起，但也有可能其中有额外电路进行信号转换，也有机构来固定待测器件。最后会有电子连接器连接界面测试转接器以及自动测试系统。此连接器需要承受生产线的严格要求，因此常会需要更换。

测试芯片的自动测试系统会使用芯片测试器（Prober），靠近芯片并且进行测试。

要加快测试速度的一个方式是一次测试多个器件。若ATE有用到多个设备，而且是每个设备轮流使用，就可以用多站的方式进行测试。某个设备测试这个器件时，由其他的设备测试其他的器件。

自动测试设备的程序开发

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ATE电脑会用现代的编程语言（例如C语言、C++、Java、Python、LabVIEW或Smalltalk）再加上一些额外的指令来控制ATE设备，使用的应用程序接口（API）可能是标准的，也可能是某厂商专用的。也可能会用到一些特定的编程语言，例如ALTAS（英语：Abbreviated Test Language for All Systems）。自动化测试设备可也可能透过测试执行引擎（英语：test execution engine）进行自动化，例如国家仪器的TestStand软件[3]。

有时会用ATPG来设计测试的流程。

测试资料输出（STDF）

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许多半导体产业使用的自动测试系统会输出标准测试资料格式（STDF）的文件。

诊断

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自动测试设备的诊断机能是指识别出哪一个组件故障的功能。自动测试设备的测试会进行二个基本的功能。第一个是确认被测器件是否有正常工作，第二个是当被测器件没有正常工作时，诊断其原因。诊断可能是最困难而且最花时间的部分。对ATE来说，可能会将失效缩减到器件的某一区或是某几区的组件。若要再进一步改善诊断，可以加入模拟指纹分析（英语：analog signature analysis）测试。诊断常用飞针测试（英语：flying probe）来进行。

测试设备切换

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在测试系统中加入高速的切换系统（英语：Automatic test switching）可以在多个设备的测试时更快，更省成本，也可以减少错误以及成本。设计测试系统的切换配置需要了解要切换的设备，以及要进行的测试，也要知道切换设备的硬件信息。

平台

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目前有许多模块化的电子仪器平台，常用在建立自动化的电子测试和量测系统上。这些系统常用在进料检测、质量保证，或是电子产品半成品或成品的生产测试。工业标准的通信接口会链接信号源以及量测设备，设备可能是在机柜系统，或是在机箱或大型机的系统，由外部电脑上执行的定制软件所控制。

平台的通信接口有分为GPIB/IEEE-488、LXI（英语：LAN_eXtensions_for_Instrumentation）、VXI（英语：VME eXtensions for Instrumentation）、PXI（英语：PCI eXtensions for Instrumentation）、USB、RS-232等接口。

GPIB/IEEE-488

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通用接口总线（The General Purpose Interface Bus）是为了让传感器和可编程设备可以和电脑通信，由电气电子工程师学会定义的标准并行接口，其标准为IEEE-488。GPIB是数字8位的并行通信接口，其资料传输率可以超过8 Mbytes/s，可以用菊花链拓扑的方式，最多连接14个设备到控制器，用的是24-pin连接器。这是仪表上最常用的I/O接口，也是特别为仪器控制应用所设计的接口。IEEE-488规范将此总线标准化，也定义其电子、机构以及功能上的规格，也定义了基本的软件通信规则。GPIB最适合用在工业环境，需要稳定仪表连线的应用中。

原始的GPIB标准是由HP在1960年代末所开发，目的是要控制HP制造的可编程设备。数字控制器以及可编程测试设备的导入，产生了需要在不同厂商的设备以及控制器之间的标准高速通信接口的需求。IEEE在1975年发布了ANSI/IEEE标准488–1975, IEEE Standard Digital Interface for Programmable Instrumentation，其中包括了接口系统的电气、机构及机能规格。此标准在1978年（IEEE-488.1）和1990年（IEEE-488.2）改版，IEEE 488.2规格包括了SCPI（可编程仪器标准命令），其中定义了各仪表分类需要遵守的特定指令。SCPI确保仪表的兼容性，也可以彼此设置配置。

IEEE-488因为容易使用，大部分的可编程仪表以及信号源也支持，已流行很长的时间。不过在大型系统中，有以下的限制。

  • Driver fanout能力受限，只能连接14个设备以及一个控制器。
  • 线长限制各设备之间的距离需小于二米，线长全长不得超过20米，因此若是分散在一个房间内的系统，或是需要远程量测的系统，都会有问题。
  • Primary addresses限制网络上只能有30个设备。IEEE-488还有secondary address，但现今的设备很少使用[4]。

LXI

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LXI（英语：LAN eXtensions for Instrumentation）（LAN eXtensions for Instrumentation）是将以太网扩展到仪器的标准，定义了使用以太网的仪器以及资料截取系统的通信协议。这类的系统是以小的模块化仪器为基础，使用低成本，开放性的网络（以太网）。LXI兼容的仪器有模块化仪器在体积和集成上的优势，没有卡片机架架构的成本以及外形因素的限制。因为使用以太网通信，LXI标准的数据包比较可变，有高速I//O，使用的网络可以用在商业、工业、航太以及军用。每一个LXI兼容的仪器都会提供可互换虚拟仪器（Interchangeable Virtual Instrument，IVI）驱动程序以简化和非LXI设备的通信，因此LXI兼容设备可以和其他设备（例如使用GPIB、VXI、PXI接口的设备）通信，简化混合式系统配置的建构以及运作。

有些LXI仪器会支持脚本指令（scripting），会使用嵌入式的测试脚本处理器来规划测试以及量测的应用。以脚本为基础的仪器其架构较灵活，可以提升性能，在许多的应用上成本也比较低。脚本可以增强LXI仪器的便利性。LXI也提供开启脚本的功能。目前LXI的标准没有要求仪器要可以程序化，也没有要求要支持脚本，但LXI规格中的一些功能预期有可编程的仪器，也提供强化LXI兼容设备脚本能力的一些实用功能[5]。

VXI

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VXI（英语：VXI）（VME eXtensions for Instrumentation）网络是以VMEbus（英语：VMEbus）为基础，用在自动化测试上的开放标准平台。VXI在1987年开始导入，有Eurocard（英语：Eurocard）的外形因素，加上了触发线、局域网，以及适用在量测应用上的一些功能。VXI系统是以最多13个插槽的大型主机或机箱为基础，上面可以安装不同的VXI仪器模块[6]。机箱也会提供电源，并且处理机箱及其中模块的散热功能。VXI网络模块一般高度会是6U（六个机架单位）。

PXI

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PXI（英语：PXI）（PCI eXtensions for Instrumentation）是特别用在资料截取以及实时控制系统的周边网络。PXI是在1997年导入,使用CompactPCI 3U或6U的外型因素，加上了触发线、局域网，以及适用在量测应用上的一些功能。PXI的硬件规格和软件规格是由PXI系统联盟（PXI Systems Alliance）开发及维护[7]。全世界有超过50家厂商在开发PXI的硬件[8]。

USB

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USB是连接电脑和其周边（例如键盘、鼠标等）的网络，有即插即用的特性，一个端口最多可以处理127个设备，理论最高速度是480 Mbit/s（USB 2.0规格中定义的高速USB）。因为USB端口已是电脑的标准功能，也常用来取代传统的串列通信接口。不过在工业测试和量测系统的应用还不多，原因如下：USB缆线不是工业等级的，对噪声很敏感，可能会不小心将USB线和设备（或电脑）断线，而且控制器和设备的最大距离只有30米。USB常用在实验室，较不要求稳定连线的应用。

RS-232

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RS-232是串列通信的规格，常用在分析以及科学仪器上，也用来控制电脑周边设备（例如打印机）。RS-232和GPIB不同，透过RS-232接口，一次只能链接一个设备。RS-232的速度也比较慢，资料率一般小于20 kbytes/s。RS-232最适用在实验室较慢，较不要求稳定连线的应用。其电源是±24 V。

JTAG/边界扫描

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JTAG/边界扫描（IEEE Std 1149.1）可以用做是PCB层级或是系统层级的接口网络，目的是控制IC的针脚，有助于进行互连测试，也可以做逻辑器件或是器件群的功能集群测试。也可以用来作为仪表的控制接口，这个功能可以嵌入在IC内（例如IEEE 1687），或是放在仪表中，是外部可控测试系统的一部分。

测试脚本处理器以及沟道扩展网络

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最近发展的测试系统平台，有些的仪器会有仪器内的测试脚本（test script）处理器以及高速网络。此架构下，“主站”仪器执行测试脚本（小型的程序），控制测试系统中许多“从站”仪器的运作，这些仪器透过高速以LAN为基础的触发同步机制，以及各单元之间的通信网络来进行。利用脚本程序可以协调一连串的动作。

此作法在小资料量传输时的效果最好，这也是测试和量测应用程序的特点。可以用100Mbit/s的资料发送率，以及非常少的网络负载，在实际应用上比GPIB和100BaseT以太网要快很多。

此平台的优点是所有相连接的仪器可以表现的像一个紧密集成的多通路系统，用户可以调整其测试系统，以节省成本的方式提供需要的沟道数量。以此方式架构的系统可以是独自的量测及自动化系统，由主站单元控制资料来源、量测、测试通过或不通过的判断、测试程序的流程控制、以及组件的handler或prober。支持专门的触发线，表示不需要额外的触发接线，就可以透过测试脚本处理器以及高速网络达到多个设备的同步运作[9]。

参考资料

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  1. ^ Jose Moreira, Hubert Werkmann. An Engineer's Guide to Automated Testing of High-Speed Interfaces. Artech House. 2010 [2015-10-12]. ISBN 9781607839842. （原始内容存档于2021-05-15）. 
  2. ^ Mark Baker. Demystifying Mixed Signal Test Methods. Elsevier. 3 June 2003 [2015-10-12]. ISBN 9780080491066. （原始内容存档于2021-05-07）. 
  3. ^ What is TestStand?. National Instruments. [2021-05-12]. （原始内容存档于2022-02-04）. 
  4. ^ ICS Electronics. Extending the GPIB Bus （页面存档备份，存于互联网档案馆） Retrieved December 29, 2009.
  5. ^ Franklin, Paul and Todd A. Hayes. LXI Connection.Benefits of LXI and Scripting. July 2008. Retrieved January 5, 2010.
  6. ^ Hardware Mechanical Components VXI Chassis and Case Manufacturers （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Retrieved December 30, 2009.
  7. ^ PXI Systems Alliance. Specifications （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Retrieved December 30, 2009.
  8. ^ PXI Systems Alliance. Member Roster 互联网档案馆的存档，存档日期2010-09-05. Retrieved December 30, 2009.
  9. ^ Cigoy, Dale. R&D Magazine.Smart Instruments Keep Up With Changing RD Needs （页面存档备份，存于互联网档案馆） Retrieved January 4, 2009.

相关条目

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外部链接

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