消費電子行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新熱潮使得消費者們對產品技術改進速度的期望達到一個前所未有的高度。不但產品變得越來越復雜，日益激烈的競爭也大大縮短了典 型的設計周期。因此，如果一個企業(yè)能夠通過高效的設計和測試流程將一個產品從原理圖轉變?yōu)楫a品，那么它就具有了行業(yè)的競爭優(yōu)勢。
雖然完善開發(fā)工藝往往需要企業(yè)進行變革，但工程師也可以采取一些實用的技巧來縮短產品上市時間。本文章不僅探討了如何通過簡單的設計選擇來實現更佳的制造工藝，也討論了如何慎重地選擇測試軟件和硬件。三個最重要的最佳實踐包括：
• 可制造性設計和調試
• 編寫可擴展且可復用的測試代碼
• 復制開發(fā)過程中各個階段的物理制造環(huán)境
為了了解從產品設計到產品測試的最佳實踐，我們必須考慮到生產測試目的往往與設計驗證目的大相徑庭。設計驗證測試是為了驗證產品在各種操作條件下滿足規(guī)格參 數。而生產測試的目的是確保產品能夠正確組裝，并且各個組建能夠正常運作。盡管這兩個目的之間存在差異，工程師可以通過精心的設計將驗證測試開發(fā)應用于制 造中。請注意，盡管此處描述的最佳實踐專門應用于射頻產品開發(fā)，但其中的原理適用于任何類型的商業(yè)產品設計。
可制造性設計
在許多企業(yè)中，開發(fā)小組往往到了設計周期的最后環(huán)節(jié)才會考慮生產測試。然而，為了在生產中也能夠利用設計階段的一些成果，設計人員必須從設計初期就預期生產 測試可能存在的問題。很多時候，如果在設計過程早期就考慮生產測試，就可對測試信號/電路的布局和接入做出更加合適的決策，從而減少驗證和生產測試的總體成本。
例如，在產品的初始設計中添加高度集成的ASIC等控制電路往往是非常困難的。這使得需要用昂貴的測試設備來仿真設備的運行環(huán)境–從而導致更長的測試時間和更昂貴的測試成本。例如，手機芯片缺乏非信令模式將會大大增加產品的驗證時間。如果產品的初始設計沒有包含非信令模式，工程師將 不得不以更昂貴的成本來測試無線電，同時基站的仿真進程也會大大減慢。因此，通過在產品的初始設計中添加關鍵控制電路，工程師使用信號發(fā)生器和信號分析儀 等成本較低的測試設備就能能夠縮短驗證所需要的時間。
減少潛在生產問題的一種最簡單的方法是嚴格遵守設計規(guī)則，如元件間距、“排除區(qū)域”以 及正確的焊盤形狀，以防止出現元件”立起”。PCB制造商和芯片制造商通常會提供設計規(guī)則檢查軟件，以確保設計的產品可實際投入制造。從最初的電路布局開 始就一直遵循這些設計準則是非常重要的。盡管設計人員通常趨向于到了后期設計才開始重視設計規(guī)則，但這一延遲往往使得更改變得更加難以實現。另一方面，從 初始設計就開始重視設計規(guī)則的工程師將會設計出更可靠的產品，也更容易從設計過渡到生產。
探測和調試
如果要在復雜的設計中確定潛在的制造問題，一個實用技巧是使用正確的調試和測試接口。工程師通?？梢酝ㄟ^兩種主要方法來提高其電路測試、調試或故障排除能 力。一種方法是在產品設計中添加探針墊片和各種測試接口。另一種方法是在進行初始設計的同時開發(fā)生產級測試夾具，以確保更多的可重復驗證測量。
在開發(fā)過程中，工程師經常使用手動探針來排除電路故障。但是，手動探針經常會產生測量誤差，并且可能會導致工程師對電路性能作出不正確的假設。在設計和制造 時，為工程師提供產品性能的詳細信息是至關重要的。因此，設計人員必須考慮如何以可重復的方式來探測系統(tǒng)的性能，同時對電路的阻抗影響最小。在設計初期考 慮探測需求可幫助確保電路布局和元器件的放置方便工程師進行正確的性能探測。
工程師由于成本原因往往不愿意使用板卡間連接器。如果工程師考 慮到衰減因素，并使用正確的探針和焊盤圖案，則探針可作為一個可行的解決方案。對于低頻率(低于100 MHz)應用，設計者經常使用“彈簧”式探針來測量特定PCB印制線的信號。這些探針因其彈簧機械作用(類似于彈簧單高蹺)而得名，與合適的探針墊片一起 使用時效果非常好。但是對于RF頻率應用，彈簧式探針及焊盤墊很容易受到一系列高頻相關寄生行為的影響，這些行為可能會影響阻抗匹配和插入損耗等電氣性能。
針對射頻和微波頻率有幾種探測解決方案，一種行之有效的解決方案是利用寬帶同軸探針。同軸探針，如圖所示的Everett Charles K- 50L，具有SMA連接器，便于連接至頻譜分析儀或功率計。雖然探針和探針焊盤墊可用于許多情況，但射頻工程師通常不愿意使用探針墊片，因為它們可能會產 生破壞性電容，降低電路的性能。一個常見的解決方法是根據實際的電路板印制線來設計探針墊片。例如，設計者如果知道之后會用到RF探針，就可以針對這種探 針進行電路板的幾何形狀(例如印制線寬和接地層間距)設計，而無需特定幾何形狀的焊盤墊。在某些情況下，可以使用表面組裝元件焊盤作為探針墊，從而讓工程 師能夠在元器件拆除的情況下通過匹配的接口探測電路。
圖1. Everett Charles同軸探針的原理圖。
另一種適用于驗證和生產測試的有效解決方案是使用帶有集成開關的同軸連接器。 在該方法中，單刀雙擲開關通過連接探針的機械作用進行驅動。因此，當探針未連接時，該開關自動連線至一個接線端，探針接合時，則連接至另一個接線端。這一 集成的連接器/開關探針最初是針對手機行業(yè)而設計，用于斷開天線，以通過連接器來測量RF功率?，F在，射頻工程師有了各種頻率在12 GHz及以上的高性能設備可供選擇。
最佳電路布局實踐
可制造性設計中一個重要卻往往被忽 視的因素是關鍵電路的隔離，如圖2所示的典型接收器的結構圖。為了充分確定單個元器件的性能，設計人員必須能夠將放大器和混頻器隔離開以及將混頻器與本地 振蕩器隔離開。如果合成器沒有通過任何接口直接連接到混頻器來隔離放大器和混頻器，會使合成器潛在故障問題的排查變得更加困難。通過將這些接口分離以及單 獨測試每個部分，工程師可以使用更復雜的元器件來準確地進行故障排除。分離重要接口有若干個種方法。其中一種方法是通過物理方式來隔開每個子組件的布局， 然后通過SMA等同軸連接器來連接它們。但是，SMA連接器往往會增加設計尺寸和成本。集成開關/連接器組件(例如以上所述的組件)提供了一個很好的解決 方案，因為它們能夠很好地連接放大器、混頻器和本地振蕩器，而幾乎不會產生任何插入損耗。[!--empirenews.page--]
圖2. 典型的收發(fā)儀架構。
通過可復用測試代碼來關聯(lián)測量數據
測試工程師經常面臨的另一個問題是將生產數據與驗證測試過程中獲得的測量結果關聯(lián)起來。數據關聯(lián)之所以困難有幾個原因，包括不同測試設備的使用、測試夾具的影響以及物理環(huán)境的改變。其中最容易解決的一個問題是驗證和工程生產測試使用不同測量算法造成的誤差。
一 般來說，研發(fā)小組通常需要擁有性能非常高的設備才能確保儀器的規(guī)格限制不會影響驗證測試結果。而大規(guī)模生產作業(yè)所需的大量儀器而通常需要生產測試設備的成 本能夠最優(yōu)化。然而，由于驗證測試和生產測試的需求不同，企業(yè)往往使用完全不同的測試設備–因而導致了測量數據無法關聯(lián)等問題，另外還需要工程師花費額外的精力去編寫測試軟件。
由于測量算法之間的不同會導致測量結果的差異，提高驗證和生產測試相關性的一個最簡單步驟是確保所有測量使用的是相同的測量算法。工程師可以通過一些方法來確保算法的標準化，如：
• 使用運行于PC(或PXI系統(tǒng))而不是測試儀器上的軟件算法;
• 在驗證測試和生產測試使用中類似的測試設備(同一供應商);• 使用業(yè)界定義的測量，如根據IEEE標準定義的測量。
其中，確保測量算法標準化最簡單的方法是在產品開發(fā)的各個階段使用來自同一供應商的儀器。該方法還可幫助工程師在生產測試階段更輕松地利用用于驗證測試的測試代碼。
將驗證測試代碼復用于制造測試
盡管將驗證測試代碼復用于生產中似乎是一個顯而易見的最佳做法，但這對軟件架構有特殊要求。例如，想要在生產測試中利用設計驗證測試中的代碼，采用模塊化、 分層式軟件架構是至關重要的。在編程驗證測試所需的軟件時，工程師通常會為了盡快的寫出代碼而忽略代碼架構或長期可支持性。但是，由于驗證測試所需的測量 很多與工業(yè)測試是一樣的，因而確保驗證測試代碼的靈活性是非常重要的。
編寫測試軟件代碼中一個簡單的最佳方法是采用硬件抽象層。該方法是將對特定設備的底層驅動調用封裝在更高級的函數中。這種方法使得未來修改測試代碼、添加額外設備的工作變得更為簡單，而不需要大范圍地重寫。如圖3所 示，使用硬件抽象層需要測試代碼的架構能夠讓特定儀器的驅動程序調用包含于該儀器產品系列的函數調用框架之中。雖然這需要更周全的前期設計，但使用硬件抽 象層可提高測試代碼的復用率，最終減少測試軟件開發(fā)的時間。請注意，相比于其他本身具有層次性的編程語言，比如NI LabVIEW系統(tǒng)設計軟件或其他類似的語言，硬件抽象層的層次性相對更為直接。
圖3. 傳統(tǒng)方法與硬件抽象層方法比較。[!--empirenews.page--]
請注意，圖3 所示架構中重要的一點是將配置待測設備的代碼和配置儀器的代碼分開。雖然待測設備的配置和儀器的配置通常并行進行，但最好還是將這兩個任務獨立開來。在某 些情況下，尤其是測試速度成為最重要因素時，測試執(zhí)行軟件能夠自動配置兩個獨立的函數調用，使其并行執(zhí)行。
驗證和制造物理環(huán)境的一致性
工程實驗室的物理環(huán)境通常與制造工廠的物理環(huán)境大相徑庭。盡管這似乎違背常理，但制造工廠的環(huán)境變化往往遠多于實驗室。此外，溫度變化、電力質量問題甚至是 來自其他設備的虛假響應都可能會影響測試結果。因此，最后一項最佳實踐就是確保驗證測試過程中的物理環(huán)境與生產工廠的物理環(huán)境完全一致。
雖然生產環(huán)境中存在各種會影響測試結果的挑戰(zhàn)，但溫度變化可能是最顯著的一個。在制造工廠中，高密度的電子設備會散發(fā)大量不斷變化的熱輻射。此外，其他的簡 單因素也可能影響局部環(huán)境溫度，比如測試設備位于空調出風口下方或者靠近門口。因此，雖然條件理想的制造工廠可能在大范圍內可以很好地控制環(huán)境溫度，但要 控制待測設備的局部溫度還是非常困難的。這些溫度變化不僅會影響設備的準確性，還會在很大程度上影響待測設備的性能。
在我多年的制造經驗 中，我曾親自觀察過有的工廠將環(huán)境溫度控制在1℃以內，但特定測試站的局部溫度波動卻高達10℃。這里舉個例子說明溫度對測量質量的影響，對于典型的高頻 放大器，溫度每變化1℃，功率的變化可達0.03 dB。儀器和復雜的設備通常在一個信號鏈中會用到多個放大器——因而溫度變化導致的功率誤差將迅速累加。如果要將輸出功率調整至功率放大器所需的較小范圍，如±0.5分貝(或更小)，則如此大的溫度變化將會導致嚴重的問題。
降低電磁設備造成的溫度變化的一個最好方法是確保良好的空氣流通。 此外，每次進行RF測量時(無論是驗證階段還是制造階段)順便進行溫度測量是非常有好處的。尤其是在較大型的PCB設計中，板載溫度傳感器是監(jiān)測溫度的有 效方法之一。通過監(jiān)測溫度，工程師可以將每次的RF測量與環(huán)境條件相關聯(lián)。因此，溫度數據通?？梢杂糜诮忉岒炞C和生產測試結果之間的差異。
夾具
另一種在驗證階段中重現制造環(huán)境的方法是使用標準化的夾具。對于許多企業(yè)，夾具通常到了產品開發(fā)過程的生產階段才會被重視。雖然夾具對測量性能可能會產生正 面或負面的影響，但開發(fā)周期的早期階段使用符合制造要求的夾具是非常重要的。夾具的設計和制造應該與早期設計或初始設計同時進行。
在特性描 述階段，設計測試工程師往往會使用較差的布線解決方案，如使用很難反嵌的劣質纜線或連接器。該階段如果使用用于生產測試的高質量夾具，則有以下好處。首 先，在驗證測試使用夾具可提高測量的可重復性和穩(wěn)定性，進而提高測量質量。其次，也是更重要的一點，在驗證過程中使用質量較好的夾具往往可以幫助工程師更 好地將驗證測試結果和生產測試結果關聯(lián)起來。如圖4所示的板卡級夾具。
圖4. 板卡級驗證和制造測試夾具。
符合制造要求的夾具也使得工程師只需與操作人員進行少量的溝通就可測試DUT。常用的制造級夾具可為射頻/模擬測量、控制I / O以及直流電源提供可重復接口。此外，夾具還可以屏蔽電磁等重要環(huán)境干擾因素，同時具有更好的散熱效果。夾具還可最大程度減少人手的接觸– 該因素也會影響產品的熱特性。
電磁輻射
確保驗證和生產階段物理環(huán)境一致性的最后一個方法 是測量和補償(如果有必要)電氣環(huán)境。一般情況下，驗證實驗室的電氣干擾相對較少。由于實驗室中需要測試產品和電子設備都比制造工廠少，因而干擾因素也較 少。在某些情況下，如果驗證實驗室使用屏蔽性能好的外殼，可保護DUT不受外界雜散輻射的影響。
進行驗證測試時，一個重要的最佳的辦法是在 實驗室里重現制造環(huán)境。例如，可以使用頻譜分析儀來測量電磁輻射干擾，然后在驗證實驗室中使用其他DUT來重現這一干擾。其他需要重現的干擾因素包括電源 變化。在電源穩(wěn)定性更為重要的環(huán)境中使用制造設備時，對電源進行分析尤為重要。通過在驗證測試過程中仿真制造測試，工程師可以預測測試系統(tǒng)的魯棒性，同時 還可確定對測試限制的影響。這樣可以預防制造初期可能產生的測試問題。
結論
隨著電子行業(yè)的競爭日益激烈，更快速地從產品設計過渡到制造測試的能力已經對于企業(yè)越來越重要。正如本文所述，工程師必須提高對可制造性設計、測試代碼開發(fā)以及制造環(huán)境條件的認識。在設計初期考慮這些因素將可幫助工程師大幅提高效率，快速從產品設計過渡到產品制造。
Bill Reid是美國國家儀器公司的首席硬件架構師，擁有29年的射頻/微波行業(yè)經驗。他在微波產品設計、開發(fā)制造測試系統(tǒng)、客戶咨詢以及行政管理等方面都具有豐富的專業(yè) 知識。他加入NI已經有12年，擔任過商業(yè)和技術管理者。除了系統(tǒng)和板卡級設計經驗，Bill還擁有豐富的計量經驗，負責為NI射頻產品制定校準流程和精 度模型。在加入NI之前，Bill曾受聘于通用動力、EG&G、德州儀器和諾基亞手機公司。Bill擁有伊利諾大學芝加哥分校的電氣工程學士學位和加州州 立大學富勒頓分校的碩士學位。
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