Archived: 運用 NI PXIe-6556 數位 ATE 模組設計半導體 ATE

NI PXIe-6556 可運用自身介面來整合受測裝置 (DUT) 與其他儀控設備。圖 1 顯示連結功能的接腳分佈。您可透過 VHDCI 接頭存取主要的數位 I/O。另有第二組 VHDCI 接頭可用於遠端感測線路。同樣地，模組前端具備 3 組 SMA 接頭，可匯入與操作外部時脈，並連接 PFI 接頭。針對可程式化函式介面 (programmable functional interface，PFI)，您可以在軟體中將其設計為輸出或輸入，或將其定義為時脈或觸發架構的通訊埠。圖 1 顯示將 PFI4 做為 DDC 52clock，並將 PFI5 做為選通訊號。

圖 1. NI PXIe-6556 高密度接頭的接腳分佈

NI 提供多種選項供您銜接 VHDCI 與 PFI 線路。您可透過 SHC68-C68-D4 接線直接連結，這款抗雜訊式的 50 Ω 接線具備阻抗匹配與最低串音等特性，專為保有訊號品質而設計。NI 亦提供 0.5 m 至 2 m 的長度規格，且接線兩端均為 VHDCI 介面。若要輕鬆銜接印刷電路板 (PCB)，NI 亦提供 PCB 安裝用接頭。不同的接線盒均具備螺絲固定端點 (CB-2162)，或單端點 SMB 分接 (SMB-2163)。若要直接從 NI PXIe-6556 連至排針，則可選用內建飛線的 SHC68-H1X38 連接線。圖 2 顯示部分 NI 連結選項的範例。

圖 2. NI 數位與類比 I/O 連結選項

若僅是一般的連結作業，則連結解決方案適合用於開發或特性參數描述應用。若要重複且快速連接 NI PXIe-6556，則應使用大量銜接解決方案。大量銜接亦常見於製造業的自動化測試設備。雖然該主題超過此篇技術文章的範圍，但若需要優異連結功能，且要輕鬆存取數位 I/O 硬體模組，就必須透過大量銜接作業來建構 DUT 平台。

NI 持續與 MAC Panel 以及 Virginia Panel 密切合作。此兩家製造商均提供多種連結解決方案。圖 3 顯示從 DUT 至 PXI 系統的連接。

圖 3. 透過 SCOUT MAC Panel 介面的 PXI 系統大量銜接解決方案

圖 4. 實際機架並連至 Virginia Panel 的大量銜接

數位碼型是由數位狀態 (如 0、1、Z) 與時序資訊所組成。雖然有多種方法可呈現數位碼型，但只要數位狀態與時序資訊相同，所造成的數位碼型亦將相同。當然，這並不表示所有數位測試設備均可產生這些碼型，畢竟各款測試器均有各自的功能與限制；但若忽略測試器的專屬限制不談，其實有更多方法可呈現數位碼型。若以圖 5 中的碼型為例：

圖 5. 數位碼型時序圖

若將此數位碼型呈現為時序集合與數位資料，則 tset1 可定義為

基於上述定義，則 tset1 數位資料可定義為向量列表或掃描鏈。

若要取代時序集合，則可多倍取樣而獲得資料，並指定特定速率以執行該碼型。針對上述碼型，若每 50 ns (20 MHz) 取樣一次，則可重新建構碼型，而不需修改訊號時序。假設時脈率為 20 MHz，則數位碼型可呈現為

如先前所述，所有方法均可呈現與圖 5 相同的數位碼型。這裡必須再次強調：並非所有測試器均可產生此碼型，而是您可以透過多種方法來呈現數位碼型。

若要進一步了解 NI PXIe-6556 的功能，可考慮參閱下列取自於 WGL 檔案的 Timeplate：

若不熟悉 WGL 檔案的時序定義，這裡則要先解釋一下：

D = Logic 0；S = Apply pattern data；x = Mask output (無需理會)；Q = Expect pattern data

雖然 NI PXIe-6556 不支援時序集合，但如先前所述，只要透過多倍取樣與內建記憶體，即可呈現數位向量。若要對碼型進行多倍取樣，首先應決定所需的時脈率。為了妥善利用相關資源，則可透過最低時脈率而滿足自己的需求。針對 tp1 而言，各組輸出傳輸均達 X*(5 ns) + C，而此處的 X 為整數，C 則為各個輸出通道的常數偏移。因為各組傳輸均達 X*(5 ns) + C，所以輸入通道亦適用；同樣地，此處的 C 為各個輸入通道的常數。

由於所有通道均是 5 ns 的倍數再加上 1 組偏移，因此可將時脈率設定為 1/(5 ns) 或 200 MHz。若要達到 C 的偏移值，則必須設定適合的位置延遲。延遲值則如下表所示。

¹WGL 檔案將根據裝置而定義訊號方向。NI 介面卡則會根據機板而定義訊號方向。這表示，HSDIO 命名會與 WGL 檔案 (輸入將對應產生；輸出將對應擷取) 相反。

在套用上面的延遲值之後，NI PXIe-6556 就能透過 tp1 的 Timeplate 來產生任何波形。

達到 100 ns 的 Timeplate 期間
因為內建時脈是以 200 MHz 執行，因此 NI PXIe-6556 的各個樣本輸出為 5 ns。若要建立長度 100 ns 的波形，則需要 20 個樣本。所以，WGL 檔案所定義的各組向量，均代表 NI PXIe-6556 上的 20 個樣本。

針對 GPIO 線路建置時序集合
如先前所述，各個樣本均持續 5 nsM，而 WGL 檔案的各組向量均為 20 個樣本。若將此條件與延遲表納入考量，則下表顯示必須要有 20 個樣本數值，才能針對各個 GPIO 線路，從 WGL 檔案建構 1 組向量。

¹ NI PXIe-6556 可驅動 0、1、Z 邏輯。 D 狀態應由「數位向量所定義的值」取代。
² NI PXIe-6556 可驅動 0、1、Z 邏輯。 P 狀態應由「數位向量所定義的先前數值」取代。
³ NI PXIe-6556 能與 L、H 與 X 狀態進行比較。Q 狀態應由「數位向量所定義的值」取代。

若要證實已正確建置此時序集合，請檢驗 GPIO_3。當 NI PXIe-6556 正產生資料時，邏輯會在 1 個期間 (5 ns) 之後變化，而剩下的 95 ns 均保持目前數值。這就如同 WGL 檔案所定義的 Timeplate 一樣。在比較資料時，除了第十一、十二組樣本之外，NI PXIe-6556 將忽略所有資料。這時請記得，擷取作業已延遲 1ns，且此值會比較 11*(5 ns) + (1 ns) 或 56 ns，還有 12*(5 ns) + (1 ns) 或 61 ns 所得出的結果。在其他任何時候 (即是從 0 ns 至 56 ns；還有從 66 ns 至 100 ns)，該值均為 Timeplate 所定義的 X。

現在假設數位碼型使用了 tp2。這時，您可以使用 tp1 的相同步驟。將內建時脈率判定在 (1/7.8125 ns) 或 128 MHz 也十分理想。因為所有值均為 7.8125 ns 的倍數，所以不需偏移。使用 4 組樣本，即可建立 WGL 檔案所定義的任何碼型。

若讓 WGL 檔案納入「tp1 與 tp2 Timeplate 同時使用的向量」，將發生什麼情況呢？若以 tp1 設定執行 tp2 碼型，則有效的 Timeplate 應為

請注意，依初始數值的不同，期間與許多邊緣也有相異。雖然某些應用可忽略此變化，仍請假設此一動作不受允許，並嘗試改善碼型時序。

在理想狀態下，您可以提高內建時脈率，並達到「可精確呈現此 2 組 Timeplate」的解析度。在上述情況中，因為 NI PXIe-6556 最高可達 200 MHz 時脈率，所以無法滿足此需求。

由於無法提升時脈率，從 tp1 切換至 tp2 時，您可以重新設定硬體，反之亦然。在重新設定硬體時，硬體可保有最後的數值。在重設硬體時，只要應用與 DUT 可接受數個毫秒的延遲，即可做為解決之道。

若應用無法接受數個毫秒的延遲，或應用必須常常切換 tp1 與 tp2，則可調整「取樣時脈正緣值」的延遲，以區分 2 組時序集合之間的差異。雖然這樣不如重設硬體來得精確，仍是提升準確度的好方法。

假設可將 tp2 的期間強制達到 30 ns，就可達到 ±860 邊緣間隔的準確度。若應用允許所有 tp2 數值從 32 MHz 調整為 33.3 MHz (仍是 30 ns 期間)，則不論有沒有使用時序集合，均可執行波形，而不需進一步調整時序或重設機板。

對已經熟悉「指定時序集合」的工程師來說，多倍取樣似乎較難以理解，但其實大多數工程師並不需要了解多倍取樣資料的初步細節。僅需稍微動點手腳，即可透過轉換器改變數位資料的格式。

有了必要的軟體工具與生產測試平台之後，即可將數位資料儲存為多種檔案，例如：

• WGL (.wgl)
• STIL (.stil)
• VCD (.vcd)
• EVCD (.evcd)
• Teradyne (.atp)
• Advantest (.pin、.tim、.tmap、.pat)
• Verigy (.avc、.dvc)
• LTX (.evo、.eva)

這些檔案又可區分為兩種類別，第一種就是從模擬作業所產生的檔案 (WGL、STIL、VCD、EVCD)。而不論使用哪種檔案格式，均根據設計工程師所使用的工具與封包而定。請記住，設計工程師可選擇將資料儲存為一種以上的格式。

第二種類別則包含特定測試器所用的檔案，例如 .atp。當然，這些檔案往往是由「上述模擬檔案轉換或匯入的資料」所構成。但並非一定要透過模擬檔案，才能得出這些資料。某些時候，測試作業往往會使用特定通訊協定，以讀取與寫入暫存記憶體。如此一來，僅需指令碼或手動即可產生檔案。

雖然工具可轉換檔案格式，但一般仍需具備原始檔案，才能產生測試器的專屬檔案。所有測試器均有其限制，若要在測試器上執行特定波形，就可能需要調整時序。若要移至其他測試器，則又必須再次調整時序，此時就會產生另外檔案，才能完整取代之前測試器的檔案。但這種「可完整取代之前測試器」的檔案，又不一定適合代表最原始的檔案。正因如此，NI 可支援轉換多種模擬檔案。

WGL/STIL

Test System Strategies Incorporated (TSSI) TD-Scan 工具為半導體產業的通用工具，可針對模擬與測試檔案，同時將其轉換為測試器的特定格式。在使用 NI 產品時，您可以透過 TD-Scan 工具轉換 STIL 與 WGL 檔案。在轉換 STIL 或 WGL 檔案時，即可如圖 2 調整時序集合，接著將 STIL/WGL 檔案轉換為 ASCII 架構的格式，以利 NI 產品使用。 若要進一步了解 TD-Scan 工具，可參閱使用 TD-Scan 搭配 NI 高速數位裝置技術文件。

圖 6. TD-Scan 時序編輯的圖片

VCD

透過 NI 數位波形編輯軟體 (Digital Waveform Editor)，即可匯入 VCD 檔案。當中的圖形化使用者介面 (GUI) 可引導您完成整個程序。首先，請選擇訊號種類 (驅動、比較、雙向)，如圖 3 所示。當使用雙向訊號時，下一步就是選擇輸出驅動訊號，並連接合適的雙向訊號。因為 VCD 並不具備訊號方向資訊，所以此為必要步驟。如果為 WGL 與 EVCD 等較新格式，則不需此步驟。

圖 7. VCD Import Wizard 的訊號選擇步驟

一旦連接雙向訊號之後，請選擇取樣率，並視需要置換特定數位狀態。在設定完畢之後，VCD 檔案隨即匯入 NI 數位波形編輯軟體 (Digital Waveform Editor)，讓使用者可儲存資料並搭配使用 NI 高速數位 I/O 裝置，包含 NI PXIe-6556 在內。

雖然多款測試器均可測試單一特定裝置，但測試工程師鮮少能直接連至 DUT，或在首次嘗試就讓所有波形完美運作。為了確實找出問題根源，測試工程師需要使用除錯工具。以下為可搭配 NI PXIe-6556 使用的除錯工具。

波形分析與修正

透過 NI 數位波形編輯軟體 (Digital Waveform Editor)，即可檢視並修改數位波形。圖 8 為數位波形編輯軟體的影像。

圖 8. NI 數位波形編輯軟體 (Digital Waveform Editor)

硬體比較

只要使用硬體比較，即可產生 H、L、X 狀態。若進入的訊號並不如預期 (如擷取「0」卻產生「H」)，則代表樣本錯誤。若樣本發生錯誤，則 NI PXIe-6556 將儲存錯誤通道、樣本編號，還有連續發生的次數 (可選擇是否記錄)。圖 9 為硬體比較作業所回傳的資料。

圖 9. 硬體比較資料

已擷取的資料

只要透過測試程式，就可讀取並分析已擷取的數位資料，或透過數位波形編輯軟體，將資料儲存至磁碟並加以分析。圖 10 為 LabVIEW 所擷取的數位資料。

圖 10. LabVIEW 擷取的數位資料

客制化除錯工具

透過 NI 軟體，即可建立專屬的除錯工具。圖 11 即是透過 LabVIEW 所建立的 Shmoo 圖。

圖 11.LabVIEW Shmoo Plot

若要為測試作業而擴充數位通道數，則可為 PXI 機箱新增模組。視所用的機箱與所需的通道數而定，您可能需要將單一機箱擴充為多組機箱。針對大多數的 ATE 應用，NI 建議選用 NI PXIe-1075 機箱，以容納混合式訊號測試硬體。只要使用此 18 槽式機箱，最多可新增 8 個 NI PXIe-6556 模組。而 8 個 NI PXIe-6556 模組則可達 224 個 Per-pin Parametric Measurement Unit (PPMU) 通道。若要擴充超過 224 個通道，則可使用 NI MXI-Express 技術橋接多組機箱。圖 12 即為擴充範例。

圖 12. 擴充為多組 PXI 機箱

在新增多個 NI PXIe-6556 模組之後，您或許會想要同步化所有模組的時序，使其能成為單一的高通道數裝置。此時則可搭配 NI-TClk 技術。只要是 NI SMC 架構的模組化產品 (如 RF 儀器、示波器、高速數位裝置、類比波形產生器)，均具備 NI-TClk 同步化工具。透過各款裝置的同步化電路，即可同步化時脈訊號，且精確度可達 40 ps 的時脈歪曲。若要進一步了解 NI-TClk 技術，請參閱 NI T-Clock 技術 - 適用於模組化儀器 (MI) 的時序與同步化技術文件。

圖 13 範例顯示針對多個 NI PXIe-6556 模組，於 LabVIEW 中建置 NI-TClk 的方法。

圖 13. 顯示 T-Clock 整合 2 個模組的 LabVIEW 程式圖

結論

NI PXIe-6556 針腳電子測試介面卡可靈活用於針腳的數位測試與量測作業。針對高精確度的訊號控制/測試，您可以從眾多 NI 連結功能進行挑選。若將 NI PXIe-6556 使用於製造測試作業，則有多種大量銜接選項 (如 MAC Panel 與 Virginia Panel) 可供選用。NI PXIe-6556 另具備彈性的軟體介面，可支援 C、.NET、LabVIEW。雖然無法搭配混合的時序集合，但可透過多倍取樣技術來自行建立。這些多倍取樣技術均有其不同的資料延遲與資料歪曲方法，可讓您建立客制化的時序集合。 NI PXIe-6556 可匯入與匯出常見的多種數位波形格式，例如 WGL 與 STIL。NI 會透過 TSSI 軟體工具建置部分波形轉換作業，以相容於 NI PXIe-6556 所能直接處理的數位波形資料型態。一旦取得所需的波形資料型態之後，您可能需要進行數位波形的除錯。在此情況下，NI 數位波形編輯軟體 (Digital Waveform Editor) 將有助於進行數位波形的呈現與除錯作業。另外，您也可以透過 LabVIEW 波形顯示函式來建立如 Shmoo Plot 的圖表，客制化自己所需的報表。若要整合多個 NI PXIe-6556 模組，NI 提供的 NI-TClk 函式可管理既定的觸發延遲，讓模組達到 40 ps 的同步化效能。若單一機箱的模組數量已無法滿足應用需求，還能利用 MXI 技術，讓 NI-TClk 橋接多組機箱。