Im Rohde & Schwarz Werk werden etwa 3.000 unterschiedliche Baugruppen mit bis zu 8.000 Bauteilen, 50.000 Bauteilanschlüssen und 8.000 Netzen auf bis zu 40 Lagen geprüft. Die Losgrößen reichen von einem (one piece flow) bis etwa 1500 Stück. Die Tests sollten mit möglichst wenig Prozess- und Prüfschritten realisiert werden. Jeder zusätzliche Prozessschritt bedingt zusätzliche Rüstkosten zur Vorbereitung des ATE und Logistikkosten für Transport und Handhabung der Prüflinge (DUT). Ziel ist eine kosteneffiziente und schnelle Fehlerdiagnose, möglichst auf der Ebene der Bauteil-
anschlüsse.
Um der großen Dynamik bezüglich Varianz, Komplexität und Stückzahl gerecht zu werden, setzt das Werk auf standardisierte Rack-integrierte und skalierbare Prüfsysteme. Sie basieren auf der modularen Testplattform R&S CompactTSVP (Test System Versatile Platform) des Unternehmens und ergänzendem Zubehör wie Stromversorgungen. Die Testplattform unterstützt sämtliche bekannte elektrischen Prüfmethoden: von Strukturtestmethoden wie In-Circuit-, Vectorless- und Boundary-Scan-Tests bis hin zur komplexen dynamischen Funktionsprüfung.
In-Circuit-Tests
Mit einem In-Circuit-Test (ICT) wird in den Schaltungen der Bauteile getestet und deren Anschlüsse auf korrekte Werte bzw. Funktion geprüft. Folgendes spricht für den ICT:
- Gute Fehleraussage auf Bauteilanschlussebene
- Hohe Prüfgeschwindigkeit
- Automatische Testgenerierung über softwarebasierte Postprozessoren (ATG)
- Effektive Methode zur zerstörungsfreien Prüfung von Schutzbeschaltungen
- Keine oder kaum Details zur Funktionalität einer Schaltung notwendig
- Der Kontakttest ermöglicht eine implizite Fehlerdiagnose des Prüfaufbaus und Prüfadapters.
Mit einem analogen ICT prüft man an einem spannungslosen Prüfling Verbindungen auf Leiterplatten oder Bauelemente auf Kurzschlussfreiheit, Widerstände, Induktivitäten und Kapazitäten. Das betrifft zum Beispiel Dioden, Transistoren und FETs, aber auch Relais. Mittels vektorloser Prüfmethoden kann die korrekte Bestückung von ICs nachgewiesen werden.
Mit einem digitalen ICT ist die zu prüfende Baugruppe bereits mit Spannungen versorgt. Damit lassen sich auch logische Bauelemente (ICs) auf Funktion prüfen. Die Generierung der Prüfvektoren (parallele Bit-Pattern) geschieht modellbasierend über einen Automatischen Test Generator (ATG). Allerdings erfordert die Erstellung von digitalen Testmodellen eine hohe Detailkenntnis bezüglich der Funktion der jeweiligen Bauteile. Die hohe Komplexität moderner Komponenten und Taktraten von mehreren hundert Megahertz sprechen gegen digitale ICTs, da die zu vertretbaren Kosten kaum realisierbar sind. Hinzu kommt, dass viele Baugruppen nicht genügend geeignete Testpunkte für digitale ICT-Messungen zur Verfügung stellen.
Zudem bieten umgekehrt viele ATEs zu wenig digitale Testkanäle, sodass der Testingenieur für die Messungen mehrere Bausteine zu Clustern zusammenfassen muss. Doch nicht jeder automatische Testgenerator unterstützt Cluster, was die Implementierung erheblich erschwert.
Funktionstest
Aus diesem Grund verzichten inzwischen viele Testabteilungen auf den digitalen ICT und führen lieber einen Funktionstest durch. Doch dazu sind tiefgehende Schaltungskenntnis notwendig, die oftmals nur der Entwickler des Prüflings hat. Das erfordert eine intensive Abstimmung zwischen Entwicklungsabteilung und Testlabor. Auch das Bedienpersonal des ATE benötigt Expertenwissen, um aus den Ergebnissen eines Funktionstests, der ganze Schaltungsbereiche umfasst, Rückschlüsse auf die Bauteil- und Anschlussebene ziehen zu können. Zudem muss das ATE in der Lage sein, eine komplette Umgebung eines Prüflings zu emulieren, was die Anforderungen an die Prüfausstattung und damit die Kosten in die Höhe treibt.
Boundary Scan Test
Der von der Joint Test Action Group (JTAG) entwickelte Boundary Scan Test (BST) ist unter IEEE 1149.1 – 8 normiert. Mit diesem Verfahren können Verbindungen zwischen Pins mit der Boundary-Scan-Funktion (Grenzpfadabtastung) geprüft und Kurzschlüsse festgestellt werden. Bei BS-fähigen integrierten Bausteinen ist an jedem Ein- oder Ausgang eine BS-Zelle eingebaut. Die Zellen sind seriell zu einer Kette verknüpft, welche die gesamte I/O-Struktur der integrierten Schaltung umfasst. Ein IC besitzt mindestens vier eigens reservierte Steuerungs- und Daten-Pins. Dabei handelt es sich um Testdaten-Eingang (TDI) und -Ausgang (TDO), einen Test-Takt (TCK) und einen Test-Mode-Select-Anschluss (TMS) sowie den optionalen Test-Reset-Eingang (TRST). Diese Pins ergeben zusammen den Test Access Port (TAP). Über die reine Testfunktion hinaus bieten viele Speicherbausteine mit Boundary Scan über den TAP-Bus auch Möglichkeiten, den betreffenden Baustein in-circuit zu programmieren. Flüchtige Speicher wie RAM-Bausteine können durch Programmieren und anschließendes Auslesen von Bitmustern über die Boundary-Scan(BS)-Zellen angeschlossener BS-Bauteile überprüft werden. Dabei werden die zugehörigen Lötverbindungen geprüft. Auch programmierbare Speicher wie Flash-Speicher lassen sich so programmieren. Bei Mikroprozessoren können über die meist als JTAG-Schnittstelle bezeichnete Verbindung auch Diagnoseprogramme für Debugging und Fehlersuche laufen. Damit ist der Einsatz spezieller und meist teurer In-Circuit-Emulatoren hinfällig.
Auch für Non-Boundary-Scan-Schaltungsbereiche
Die Verwendung von BS hat bei Rohde & Schwarz Memmingen eine lange Tradition, vor allem auch für Non-BS-Schaltungsbereiche. Doch dafür waren bisher spezielle Zusatzschaltungen notwendig, welche ebenfalls über BS steuerbar waren. In diese mussten prüflingsspezifische Wechseladapter mit hohem Aufwand eingebaut werden. So ließen sich Verbindungen des Prüflings über Steckverbinder hinweg prüfen. Um auf diese aktiven Zusatzschaltungen in den Wechseladaptern verzichten zu können, benötigt das ATE eine digitale Pin-Elektronik, die über eine Boundary-Scan-Software angesteuert werden kann und zudem durch den ATG vollständig abgedeckt ist.
Gängige BST-Entwicklungsumgebungen enthalten in der Regel digitale Testmodelle für Non-BS-Bauteile. Zudem sind die BSDL-Files mit den Pin-Zellen-Zuordnungen für zahlreiche BS-Komponenten hinterlegt.
Die Echtzeitfähigkeit von Bausteinen mit hoher Takt- bzw. Vektorrate lässt sich mit BS-unterstützten embedded Testmethoden prüfen. Dabei werden modellbasierte Monitor-Programme bzw. IPs (Intellectual Property) in die Mikrocontroller bzw. FPGAs geladen und von außen über Steuer-Pins oder das JTAG-Interface angesteuert. Auch diese vergleichsweise komplexen Modelle werden im Rahmen gängiger BST-Entwicklungsumgebungen zumindest optional zur Verfügung gestellt.
Während bei Non-BS-Bauteilen die Bauteil-Logik mittels BST implizit mit geprüft wird, ist dies bei hochintegrierten Bauteilen wie Mikrocontroller und FPGAs nicht unbedingt der Fall. Aber auch ein digitaler ICT ist nicht in der Lage, eine fehlerfreie interne komplexe Logik nachzuweisen. Manche BS-Bauteile bieten zumindest die Möglichkeit, mit einem INTEST bzw. ‚Run build In Self-Test‘ (RUNBIST) einen internen Selbsttest auszuführen und die Ergebnisse zur Analyse bereitzustellen. Diese rein internen Prüfungen können an einer beliebigen Anzahl von Bauteilen simultan durchgeführt werden, was Prüfzeit spart.
Voraussetzungen für die digitale Pin-Elektronik
Die digitale Pin-Elektronik des Testers muss Non-BS-Netze für BST zugänglich machen, indem sich die Pin-Elektronik möglichst nahtlos einfügt und so tut, als wäre diese ein Array aus Boundary-Scan-Zellen (Virtual Channel). Dies setzt voraus, dass die BST-Software die Kontrolle über die Pin-Elektronik übernehmen kann. Eine geeignete Pin-Elektronik vorausgesetzt, stehen hierzu prinzipiell zwei Möglichkeiten zur Verfügung. Entweder die Steuerung erfolgt über die Hardware, indem die Pin-Elektronik selbst ein JTAG-Interface zur Remote-Steuerung anbietet, oder die BST-Software verfügt über einen virtuellen Device-Treiber. Auf die damit erzeugten virtuellen I/O-Zellen kann die BST-Software völlig transparent wie auf normale BS-Zellen zugreifen.
Entscheidung für die Eigenentwicklung
Das Werk in Memmingen nutzt das im Haus entwickelte und als Produkt im Markt etablierte modulare Testsystem R&S CompactTSVP. Die vorhandenen Module für dieses System ermöglichen bereits einen umfangreichen analogen ICT und FCT. Auch BST ist mit gemischt analogen und digitalen Methoden möglich. Das gleiche gilt für die HF-Schaltmodule des Systems. Doch bisher gab es kein Modul, das hybride Analog- und Digital-Pin-Elektronik auf einer 1-Slot-Einheit vereint. Verfügbare Lösungen anderer Hersteller kamen nicht in Frage, weil sie nicht kompatibel zum vorhandenen Testsystem waren und auch nicht die Anforderungen der Werkleitung erfüllten. Dies bezog sich vor allem auf die Leistungsfähigkeit, Kompaktheit, Energieeffizienz und Geräuschentwicklung.
Das daraufhin selbst entwickelte PXI-Hybrid-Modul bietet im Vergleich zu einer Kauflösung fünfmal mehr Kanäle bei vergleichbarem Raumbedarf. Die integrierten Treiber und Sensoren (D/S) arbeiten im Klasse-D-Schaltbetrieb und sind daher sehr energieeffizient. Zudem erzeugt das Modul kaum wahrnehmbare Betriebsgeräusche, sodass sich die Lösung auch für Büroumgebungen oder Entwicklungslabore eignet.
Programmgesteuertes Multiplexen
von Prüfsignalen
Das im Unternehmen entwickelte Modul für die Testplattform R&S CompactTSVP ist voll kompatibel zum 90-Kanal-Schalt-Matrixmodul R&S TS-PMB. So konnte das Unternehmen bestehende Systeme ohne negative Seiteneffekte und Nacharbeit migrieren. Wie beim Switch-Matrixmodul ist damit ein programmgesteuertes Multiplexen von Prüflingssignalen untereinander und dank des R&S Analogbusses zu weiteren Stimulus- und Messmodulen des Systems, aber auch zu cPCI/PXI-Modulen anderer Hersteller möglich. Das ist für den analogen ICT und Funktionstest unabdingbar.
Die hybride Schaltungstopologie des PXI-Hybrid-Moduls erweitert den analogen Anwendungsbereich um digitale Fähigkeiten, indem jeder Kanal um einen digitalen Treiber/Sensor-Kanal (D/S) ergänzt wird. Damit ist die BS-Fähigkeit hergestellt. Jeder D/S-Kanal kann per Hybrid-Relais galvanisch von den analogen Kanälen getrennt werden. Das spart im Bedarfsfall die zusätzliche Konfiguration weiterer digitaler Input/Output-Module und ermöglicht so eine hocheffiziente Konfiguration der modularen Plattform.
Prüftiefe steigt wesentlich
Die D/S-Kanäle lassen sich einzeln in ihrer Richtung umschalten und jederzeit zurücklesen, was eine BS-Prüfung über Baugruppen- und Steckergrenzen hinweg erlaubt. Dies erhöht wesentlich die Prüftiefe. Um die Detektion von Kurzschlüssen und Pegeln auch in verbotenen Spannungsbereichen bestmöglich zu unterstützen, verfügt das PXI-Hybrid-Modul an jedem D/S-Kanal über einen Fensterkomparator. Deren Schaltschwellen, als auch die Ausgangsspannungen der Treiber lassen sich in 6 Gruppen zu jeweils 15 Kanälen einstellen. Auf diese Weise sind zeitgleich Schaltungsbereiche mit unterschiedlichen Spannungs-Niveaus prüfbar. Die je Kanal individuell zuschaltbaren Pull-Up/Down-Widerstände erhöhen mit einfachen Mitteln die Prüfabdeckung eines BS-Interconnection-Tests. So lassen sich Tristate-Busstrukturen umfassender prüfen, da statt eines floatenden Ausgangs an einem abgeschalteten Treiber nun ein definierter Pegel gemessen werden kann.
Bessere Signalintegrität bei einfacherem
Prüfaufbau
Die Zusammenführung der analogen und digitalen Welt auf dem PXI-Hybrid-Modul reduziert in hohem Maße Übergangsresiduen, was zu einer Verbesserung der Signalintegrität führt. Denn diese Übergangswiderstände können sich negativ auf Signalpegel oder Signallaufzeit auswirken. Während in einer herkömmlichen kombinierten Lösung aus einzelnen analogen Schalt- und digitalen I/O-Modulen zur Herstellung von quasi-hybriden Messtechniklösungen Mehrfachverbindungen notwendig waren, genügen nun einzelne Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Die Verbindungen in den Prüfadaptern lassen sich wesentlich einfacher herstellen, sind wartungsfreundlicher und damit kostengünstiger.
Auch für Funktionstests
Spezifikationen in Datenblättern und Produktbeschreibungen machen zusätzlich einen Funktionstest (FCT) notwendig. Nur mit einem FCT beziehungsweise einem Performance-Test kann die Einhaltung von Datenblattangaben nachgewiesen werden, wozu sich das PXI-Hybrid-Modul dank einer Vielzahl von zusätzlichen Funktionen ebenfalls eignet.
So kann das integrierte D/S-FPGA serielle Protokolle wie I2C, SPI und Microwire emulieren. Dabei sind gleichzeitig bis zu acht unabhängige Takte mit variablem Puls-Pausen-Verhältnis möglich. Damit können beispielsweise Arbeitspunkte von DC/DC-Wandlern eingestellt werden. Zur PWM-Analyse, etwa für eine FAN-Steuerung, zeichnet die Testlösung auf acht unabhängigen Kanälen bis zu jeweils 1024 Flankenwechsel zeitlich korreliert auf. Für Frequenzmessungen mit einer Auflösung von 7,5 ns stehen acht unabhängige digitale Frequenzzähler zur Verfügung. Dank der Rekonfigurierbarkeit des D/S-FPGAs kann für spezielle Anwendungen zur Laufzeit das D/S-FPGA mit applikationsspezifischer Funktionalität geladen werden. Damit kann gezielt auf Besonderheiten eines Prüflings reagiert werden. Die Prüfung von Schnittstellen wird oft auch durch einfache Loop-Verbindungen am DUT-Stecker durchgeführt.
Eine einfache Drahtbrücke kaschiert aber einen möglichen Kurzschluss gerade dieser Signal-Pins. Es ist daher sicherer, die Loop schaltbar auszulegen. Über die Matrix-Relais des PXI-Hybrid-Moduls kann dies bequem erfolgen. Zudem ergibt sich noch die interessante Möglichkeit des Signal-Multiplexings. Ein Prüflings-Signalausgang kann im Zeitmultiplex mehrere Prüflings-Eingänge bedienen.
Offene Systemarchitektur
Die völlig offene Systemarchitektur auch hinsichtlich der Anbindung an übergeordnete Testmanagement-Software und Testablaufsteuerungen ist dank dem zugrundeliegenden generischen Treiber-Konzepts äußerst flexibel in der Anwendung und ist konform mit dem offenen Standard VISA (Virtual Instrument Software Architecture) bzw. IVI (Interchangeable Virtual Instrumentation). Die Treiberaufrufe entsprechend den Aufrufkonventionen von Win32 DLLs, womit eine Verwendung in gängigen SW-Entwicklungsumgebungen und Programmiersprachen möglich ist. Das PXI-Hybrid-Modul lässt sich problemlos in gängige BS-Entwicklungsumgebungen einbinden, wofür ein entsprechendes BSDL-File zur Verfügung steht.
https://memmingen.rohde-schwarz.com
Das neue PXI-Hybrid-Modul
Applikationen
- Schalt-Matrix für analogen In-Circuit- und Funktionstest
- Virtuelle Testkanäle für voll integrierte Boundary-Scan-Anwendungen
- Gemischte Anwendungen im Bereich analoger und digitaler Funktionstest
- Programmierung von Prüflings-Firmware parallel oder seriell, z. B.: SPI u. I2C
- Realistische Emulation von Prüflings-Umgebungen
Funktionen
- 90 analoge Kanäle (125 V, 1 A) können auf 8 systemweite Analogbusse gemultiplext werden
- 90 Hybrid-Relais trennen die Driver/Sensoren von der analogen Schaltmatrix
- 90 Treiber / Sensoren (D/S)
– Drive Funktionen 1(Hi), 0 (Lo), Z (High-Z)
– Sensor-Funktionen 1(Hi), 0 (Lo), X (Tristate)
– Multiplex-Verhältnis digital/analog 1:1
- 90 einzeln schaltbare Pull Up/Down Widerstände
- 6 Pegelfamilien je 15 Kanäle
- Volle Selbsttestfähigkeit
- In-System-Kalibrierfähigkeit.
Das 90-Kanal-Stimulus- und parametrische Messmodul prüft elektronische Baugruppen und Geräte analog und digital.Foto: Rohde & Schwarz Messgerätebau
Fotos: Rohde & Schwarz Messgerätebau
