Pass/Fail測試是示波器的一項分析功能,可顯示波形是否符合所定義的標準,這些標準由一個或多個合格條件(qualifying situation)來定義,以判斷波形是否符合標準。

合格條件分為兩大類:光罩測試(mask testing)或參數比較(parameter comparison)。光罩測試將擷取到的波形採樣值與預定義的範本或光罩進行比較,以確定波形樣本是落在光罩範圍內還是外部。參數比較有兩種方式:一是基於被測波形,將測量值與預定義值相比較(參數比較);二是與另一個測量參數相比較(雙參數比較)。對於多個合格條件(即Qn),每個可分別使用任一方法。可先在「pass/fail」對話方塊中選擇這些條件,並定義哪些結果導致通過或失敗的狀態,然後確定應該採取的動作。圖1是一個簡單的光罩測試範例,大多數中高階示波器都具備這種測試功能。

20200220TA31P1 圖1 一個簡單的光罩測試設定。當任何樣本落在光罩之外時停止擷取,紅色異常標記表示落在光罩外部的樣本;測試摘要顯示完成的測試數量、通過的測試數量,以及失敗率。

對於該測試,合格條件Q1被設置為波形C3的光罩測試,合格條件數量隨示波器型號而變化。該示波器支持多達12個合格條件。如本範例所展示,可以使用基於波形的光罩或使用產業標準光罩來進行光罩測試。產業合規性測試通常會為測試光罩提供測試軟體,光罩測試可閘控(gated),從而將測試範圍限制在跡線的某一部分。

Pass/Fail合格條件能夠以多種方式組合,以確定測試是否通過或失敗;還支援子群(subgroups)的邏輯組合,在測試中提供極高的靈活性。此外Pass/Fail測試允許設計人員和技術人員根據其產生的波形測試元件,該測試還可以應用於數學推導的函數,如快速傅立葉轉換(FFT)、參數軌跡(parameter tracks)或訊號封包(signal envelope)。

以測試雷達脈衝為考量,如圖2所示,這是一個1GHz載波的雷達線性調頻(chirp)訊號。

20200220TA31P2 圖2 使用閘控(gating)可以將基於量測參數值的測試限制在瞬態波形的有效(active)部分。在本範例中,由虛垂直線表示的量測閘道(measurement gates)包含波形的測量區域。

像是這種雷達脈衝的調變瞬態波形很難量測,因為它們由有效因素(active element)和無效閒置時間(deadtime)組成,只有在波形在有效活動狀態時才需要進行測量。示波器支援使用閘控量測瞬態波形。使用者在波形的動態部分放置量測閘游標(gate cursors),測量僅限於游標之間的區域。在本測試範例中,頻率測試發生在閘標記之間的區域,即脈衝兩側虛垂直線顯示的區域。

脈衝的頻率平均為1.000013GHz,但其最小和最大值的範圍為985.3MHz~1013.5MHz,這可能符合脈衝調變線性調頻訊號所期望的頻率值。量測閘控將量測值限制在脈衝範圍內,而忽略脈衝幅度為零的雜訊基線(noisy baseline)訊號。另一個量測參數即峰間振幅(the peak to peak amplitude),可以用Pass/Fail測試來量測這些參數的狀態。然而其波形非常複雜,可能需要考慮其他量測方式。可以考慮使用確保訊號對稱的測試方式,即脈衝封包的上升時間和下降時間是相同的。基本量測參數不起作用,因為沒有可直接讀取的參數來量測該特性。

透過對脈衝進行振幅解調(amplitude demodulating)來提取訊號封包是可能的。然後可以將參 數應用於解調封包,如圖3所示為調變域中的訊號檢視。

20200220TA31P3 圖3 利用解調函數來確定雷達脈衝振幅封包20~80%的上升和下降時間,並測試它們之間的差距在1ns以內。

利用顯示在較低格線的數學跡線F3中的解調數學函數來提取雷達脈衝的振幅封包,將20%~80%上升時間和下降時間參數應用於封包,測量結果顯示為參數P5和P6。基於這兩個參數的比較,在測試條件Q3下已經設置了Pass/Fail測試,測試標準為20%~80%的上升時間和下降時間應在1ns的誤差範圍內。參數比較是一種相對較新的測試條件,不以參數的絕對值為基礎,而是以相對值為基礎,即容錯範圍內較大、較小或相等的值。

這個測試範例只使用12個可用的合格條件(Q1到Q12)之一,但可以設置其他測試,所有12個合格條件都可用於確定產生測試失敗或通過的結果。

也可以根據其他調變域資訊進行結構化測試,如雷達載波的線性調頻訊號;可以透過再次解調脈衝來追蹤頻率掃描的變化,這次使用的是頻率解調(frequency demodulation),分析結果如圖4所示。

20200220TA31P4 圖4 使用頻率解調在解調後的波形周圍建立光罩,來測試雷達線性調頻的線性度。

較下方的格線包含頻率解調波形,如先前所量測的,頻率在985.3MHz~1013.5MHz範圍內呈線性變化,解調函數只適用於脈衝非零的區域。已在掃描的線性部分周圍創建了一個光罩(藍色覆蓋層),可再次透過閘控來進行控制,這次將其應用於光罩測試。跡線中每個點的光罩垂直範圍是50kHz。每個採樣點的等效時間增量為100ns,確保所有採樣點都在範本內,這樣的測試保證頻率掃描是線性的。

檢查波形的另一種方法是透過示波器的FFT在頻域中進行檢視;這種方法將顯示波形作為頻率的函數,如圖5所示。

20200220TA31P5 圖5 使用FFT添加頻譜圖,完成時域、調變域和頻域的測試元素:使用四個測試結果的輯組合來整合四個單獨的測試;摘要視圖顯示所有測試元素都已通過。

雷達線性調頻訊號FFT如圖右下方格線所示,顯示了以1GHz為中心的訊號頻譜。光譜形狀具有角度調變(angle modulated)訊號的特徵,在這種情況下是頻率調變。注意,由於雷達脈衝的瞬態特性,FFT加權函數使用矩形加權,寬而平坦的頂部表示頻率的變化。FFT響應可以使用光罩測試功能來測試,就像對雷達訊號的調變域視圖進行測試一樣。閘控用於納入包含較大功率等級的頻率,光罩顯示為灰色覆蓋區域。所有這些測試可以組合在一起,使最終測試包含以下合格條件:

1.FFT跡線都在覆蓋的光罩內;

2.頻率解調訊號在相關光罩中完全包含線性頻率掃描;

3.調變封包20%~80%的上升和下降時間等於1奈秒;(nanosecond)。

4.脈衝的峰間振幅等於147mV±10mV。

圖5底部的測試摘要視圖表明,所有需要測試的條件都通過了這次擷取。這個測試是在Teledyne-LeCroy WaveMaster示波器上完成的。不同的示波器具有不同的功能,使用者應諮詢示波器供應商,以確定特定型號的測試能力。

使用示波器訊號處理功能的了Pass/Fail測試可以提供非常靈活的測試範圍,即使是最複雜的訊號。了Pass/Fail測試對開發期間的少量元件測試有所助益,同時也可以在生產期間於自動化測試環境(ATE)中使用;在示波器中進行ATE測試通常要快一些,因為只需要傳輸測試結果,而不是把所有的訊號都送到測試控制器中並離線處理資料。

(參考原文: Pass/fail testing using an oscilloscope’s signal processing capabilities,by Arthur Pini)

本文同步刊登於EE Times Taiwan 2020年2月號雜誌