ATE大规模高带宽接口通用适配组合的设计与实现

刘赵云1，王宏伟2，邱颖豪2

（1.海军驻航天三院军事代表室，北京 100074；2.北京航天测控技术有限公司，北京 100041）

ATE大规模高带宽接口通用适配组合的设计与实现

刘赵云1，王宏伟2，邱颖豪2

（1.海军驻航天三院军事代表室，北京 100074；2.北京航天测控技术有限公司，北京 100041）

针对以往自动测试设备接口适配问题，采用模拟总线的设计思想，构建大规模的接口通用适配组合，采用阻抗匹配设计实现大于15 MHz的信号带宽，采用路径自动规划算法均等化使用模拟总线；通过网络分析仪和示波器测试接口通用适配组合的带宽和隔离度，并在项目中选取多种典型电路单元进行适配试验，验证了通用接口适配功能的实用性。

ATE；模拟总线；接口适配；路径规划；信号带宽

0 引言

ATE（automatic test equipment）的测试对象是各种各样的电路单元，被测电路单元种类多、接口形式千差万别，ATE的接口如何与被测电路单元接口适配的问题较多。以往的自动测试设备多采用一个UUT（unit under test）配置一块适配板的方式，如果采用这一方式，完成例如雷达这种电子装备电路板的测试，将需要配置数千块适配板，数量极其庞大，其适配成本相当的昂贵。采用这种一对一的适配方法的另一弊端就是测试流程开发时在软件平台需逐一指定适配信号，效率较低。目前业界都在研究应用接口适配通用技术，基本都通过矩阵开关实现信号的自动切换，但信号路由规模较小、自动化程度较低，同时由电路单元信号多种多样，尤其是各种数字信号及脉冲信号，对信号通道的带宽要求很高，这些问题可能严重影响ATE在电路单元测试领域的应用。

本文采用模拟总线的设计思想，构建大规模的通用接口适配网络，采用高频、低频阻抗匹配设计实现大于15 MHz的信号带宽，采用路径自动规划算法均等化使用模拟总线。通过网络分析仪和示波器测试ATE接口适配组合的信号带宽，确认信号带宽指标的实现情况，并在项目中选取多种典型电路单元进行适配试验，验证了ATE通用接口适配功能的实用性。

1 ATE组成

ATE由激励类仪器、测量类仪器、供电电源、主控计算机、显示器、接口通用适配组合等组成，如图1所示。

图1 ATE组成框图

本文重点阐述接口通用适配组合的设计与实现，进而实现ATE接口通用适配能力。

2 硬件设计

在测试设备中，为了提高仪器的使用效率，实现信号通道的自动切换，通常将常用的激励和测量资源通过矩阵开关、采样开关等仪器对资源进行扩展。本文中主要针对中低频测试资源（激励类资源、测量类资源）进行开关扩展。在接口通用适配组合的设计中，借鉴Arinc608A标准中的模拟总线的设计思想，从而实现UUT接插件上外部信号接点的灵活配置。

接口通用适配组合实现原理如图2所示。该组合由双线8 选32矩阵开关和3选1信号选择板卡组成，主要设计指标如下：

1）适配规模：32*128；

2）通道带宽：不小于15 MHz

3）通道间隔离度：不大于－20 dB。

图2 接口适配组合实现总体框图

行矩阵是1块8*32矩阵开关，列矩阵是4块8*32矩阵开关串行连接，行矩阵与列矩阵背靠背连接，公共的8通道作为模拟总线8通道bus1～bus8，组成32*128基于模拟总线的开关网络。基于模拟总线的开关网络与128通道数字IO资源并列连接到4块3选1信号选择板卡上，最终实现了模拟类资源和数字资源适配到128个用户端口。

行矩阵的的仪器资源可根据测试需求进行配置。

用户端口资源类型可根据需求选择模拟激励与测试资源、数字IO、悬空中的某种类型。

3 信号带宽技术指标的实现

接口通用适配组合在实现信号路径自动切换的同时如何确保各种数字信号、脉冲信号以及模拟信号的信号完整性，从而确保测试的准确性，是本项设计的关键，涉及的关键指标主要是信号带宽。

行矩阵、列矩阵均为VXI模块，串行连接信号路径较长，信号每经过一个矩阵都会有一定程度的衰减。要实现接口通用适配组合15 MHz信号带宽，对行列矩阵的信号带宽要求很高，普通矩阵开关的信号带宽一般在10 MHz左右，无法满足设计需要。

为解决带宽瓶颈，开关矩阵采用了新的组成方式。与传统的8x32开关矩阵的区别是：在8x32开关矩阵之外增加了控制开关减小阵列内部分叉，同时开关矩阵和信号连接器分布在两块板缩短引线长度。开关矩阵中开关的排列方式如图3所示。主要进行如下设计提高信号带宽：

图3 AMC2629矩阵开关排列方式

a）本矩阵由4个8x8矩阵组成，在这个矩阵中，每列开关之后都多加一个控制开关。这种控制开关的作用是：当该列中没有开关闭合时，可以设置控制开关断开；输入信号不必通过该列，减少天线效应，可以提高信号带宽。

b）把4个8x8子矩阵两两分布在两块PCB上，优点有：矩阵更加松散，增大了布线间距，有效减少串扰；减少连接器与开关矩阵布线长度，减少输入输出信号的损耗；降低开关导通电阻。

采用高频、低频阻抗匹配设计最大限度地实现接口通用适配组合每条路径的阻抗匹配，进而实现信号带宽指标。

1）高频阻抗匹配设计

在较高频率测试中，必须考虑反射的问题。信号传输路径阻抗失配，会引起信号反射，这是测试中不希望出现的现象。对于高频信号而言，材料之间介电常数的任何变化都会导致特性阻抗的变化和阻抗失配问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，这种波长较短的信号在线缆上传输时就会呈现出波的形式，在具有不同特性阻抗的结点上就会发生反射，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的属性。当测试设备中传输线的长度大于其传输信号波长的1／10时，由功率损耗而导致的测量误差值得我们关注。

公式（1）是计算信号在特定速度因子（VF）的线缆中传输时的波长。

其中：VF为线缆的速度因子，f为信号频率，λ为信号的波长。一般线缆的速度因子为0.66。

按照公式（1）计算15 MHz信号在线缆中传输的波长是13.2 m，那么接口通用适配组合信号带宽要达到15 MHz，其传输线缆的长度不能超过1.32 m。

为实现信号路径传输线级的阻抗匹配，接口通用适配组合在缩短线缆长度和线缆选择方面进行了如下设计：

a）ATE普遍采用的信号接收器ICA（interface connector assembly）是一种开合式的结构形式，传统线缆走线采用折弯捆扎的方式的进行走线，线缆长度较长，这里我们采用盒式直连走线方式，仪器模块连接器到ICA的线长缩短为原来的1／3左右。

b）优化矩阵开关的级联方式，缩短信号路径长度。采用以往的级联方式，测试资源需经过5级矩阵，经过7个开关到达最远端的输出端口。采用优化后的级联方式，测试资源只需经过3级矩阵，经过5个开关，这样信号经由级联矩阵的最长线长减少为原来1／2。另一方面，开关数量的减少在一定程度上提高接口通用适配组合的可靠性。

图4 折弯走线方式与盒式直连走线方式示意图

通过a），b）两方面设计，最长信号路径长度能够严格控制在1.3 m以内。

图5 矩阵级联方式的对比

c）选用高品质线缆。数字IO采用1.1 mm同轴电缆，电缆阻抗与数字IO资源的输出阻抗相匹配；模拟信号采用双绞屏蔽电缆。

反射现象不仅出现在不匹配的传输线中，而且出现在不匹配的开关元件以及PCB的布线中。因此，阻抗匹配不仅仅是传输线级的问题，同时也是电路板上器件、连接器、布局布线的问题。一个开关板卡是由多个不同的元件组成的，其中任何元件之间的阻抗失配都会影响整个开关板的插入损耗和驻波比指标，进而影响信号带宽。

为实现信号路径板卡级的阻抗匹配，接口通用适配组合中进行了如下设计：

a）依据接口通用适配组合的信号带宽指标要求，分解板卡级信号路径的驻波比和插入损耗指标，对开关器件严格的筛选；

b）对接口通用适配组合中所有板卡进行严格的阻抗匹配设计，选择具有合适几何结构及适当长度的PCB布线，且信号与地之间特性阻抗按照50Ω设计，改善信号与其参考之间的阻抗匹配特性。

图6是按照普通方法设计的单块板卡的插入损耗、驻波比实测图，图示结果表明单块板卡20 MHz以下频率的信号的最大插入损耗为0.7 dB，驻波比最大为1.43。接口通用适配组合采用这种板卡，信号经由板卡级最长路径时的最大插入损耗为2.8 dB，再加上传输线级插入损耗，不能满足信号带宽要求。

图7是按照本文方法设计的单块板卡的插入损耗、驻波比实测图，图示结果表明单块板卡20 MHz以下频率的信号的最大插入损耗为0.27 dB，驻波比最大为1.2。与图6相比插入损耗、驻波比指标更优，接口通用适配组合采用这种板卡，信号的最大插入损耗为1.08 dB，可实现更高的信号带宽。

图6 依据普通方法设计的单块板卡插入损耗、驻波比实测图

图7 依据本文方法设计的单块板卡插入损耗、驻波比实测图

2）低频阻抗匹配设计

在低频电路中，一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的匹配情况，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑。为提高低频电路信号源跟负载之间匹配性，设计如下：

在接口适配组合用户端口前端增加3种信号匹配电阻。针对不同被测对象，通过匹配电阻的选择，增强仪器与负载之间的阻抗匹配。匹配电阻可根据测试需求进行灵活配置，可配置50Ω、75Ω、1KΩ、10KΩ和1mΩ等。实现框图如图8所示。

图8 接口适配组合中3选1板卡的实现原理框图

经过上述设计，成功实现了规模为32*128，信号带宽大于15 MHz的接口通用适配组合。

4 软件设计

接口通用适配组合信号路径的建立最多涉及5块矩阵开关及4块信号选择板卡的控制，如何在测试流程开发过程通过简单便捷的配置完成信号路径的建立是软件设计非常重要的重点之一；模拟总线通道是信号进出的公共通道，大多数测试可能仅使用2～4中仪器资源，采用简单的路径建立算法会导致模拟总线的前几通道使用频率很高，大幅降低开关的寿命，所以如何实现模拟总线通道的智能配置，尽量均等使用模拟总线各通道是软件设计的另一个重点。

本文提出一种路径自动规划算法满足接口通用适配组合上述需求。

信号路径规划算法包括模拟总线控制程序、模拟总线仲裁程序、模拟总线状态监测程序、模块驱动程序组成。路径自动规划算法体系架构如图9所示。

图9 信号路径规划算法的实现原理框图

图10 接口通用适配组合配置界面

行矩阵前端配置仪器资源名称、通道与接口通用适配组合配置界面绑定，测试流程开发时，不需要手动指定信号路径，只需选择仪器名称和用户端口，执行时软件后台通过路径规划算法自动建立路径，配置界面如图10所示。

路径规划算法首先读取配置的仪器名称、通道及用户端口号，根据仪器类型及通道计算出行矩阵的列号，根据用户端口号计算出使用哪些列矩阵及信号选择开关，然后查询当前模拟总线通道是否被占满，如果占满则给出提示，请用户选择释放资源；如果模拟总线未被占满，则查询模拟总线通道针对当前配置的资源有无冗余，如果有冗余，则查询当前可使用的模拟总线每通道累计使用次数，选择使用次数最低的模拟总线通道作为行、列矩阵配置的依据；如果无冗余，根据模拟总线通道号配置行、列矩阵，记录当前模拟总线通道的累计使用次数。把配置参数传递给板卡驱动程序，控制板卡建立信号路径，测试完毕后查询当前配置的仪器资源类型，如果是采集类仪器，则释放当前使用的模拟总线通道及对应路径上所有开关；如果是激励类仪器，则根据测试流程的配置进行释放信号路径的控制。

路径规划算法详细实现如图11所示。

图11 路径规划算法详细实现框图

5 测试验证

采用网络分析仪测试接口通用适配组合的信号带宽指标。指标测试结果见表1。

表1 接口通用适配组合指标测试表

接口通用适配组合信号路径最远端（ROW32—COL128）3 dB信号带宽测试结果如图12所示。图中插入损耗的指标曲线与纵轴－3交叉对应横轴频点18.06 MHz，该频点即为信号路径（ROW32—COL128）的信号带宽。

图123 dB信号带宽测试结果

指标实测结果表明接口通用适配组合所有通道信号带宽指标大于18 MHz，通道间隔离度小于－23 dB。

配置本文设计接口通用适配组合的ATE在某雷达电路板测试项目中进行了应用，选取了目标模拟器控制板、滤波存储板、参数测量板、时序控制板4种典型电路单元，其信号类型涵盖数字信号、模拟脉冲信号、指令信号等，把4种典型电路单元通过一块适配板与ATE接口进行通用适配，应用结果表明，配置本文设计接口通用适配组合的ATE适配功能实用，开发测试流程配置方便，模拟总线使用频次均等，能够满足4种典型电路单元的各种信号的测试需求。

6 结束语

随着各军兵种对应用ATE加强装备维修保障工作的重视，以及ATE朝小型化、集成化、通用化发展趋势，ATE设备将测试不同年代设计的、各种信号类型、各种连接器接口的电路单元，接口适配问题会越来越突出。本文在分析以往自动测试设备接口适配问题基础上，采用模拟总线的设计思想，构建大规模的通用接口适配网络；采用路径自动规划算法均等化使用模拟总线。通过网络分析仪测试接口通用适配组合的信号带宽指标，并在项目中适配多种典型电路单元，验证了通用接口适配功能的实用性。本文设计的大规模高带宽接口通用适配组合能够有效提升ATE与不同种类电路单元的接口适配能力，具有较好的推广价值。

［1］ARINC Specification 608A.Design Guidance for Avionic Test E-quipment［R］.Aeronautical Radio INc，1993.

［2］张在德，曹乃森，蒋晓松.ATE通用性设计与实现［J］.计算机测量与控制，2003，11（11）：830-832.

［3］任献彬，李相平.ATS模拟总线及其控制模型的建立［J］.计算机测量与控制，2003，11（6）：417-419.

Design and Implementation of ATE Universal Adapter Combination Which Has Large－scale High－bandwidth Interfaces

Liu Zhaoyun1，Wang Hongwei2，Qiu Yinghao2

（1.Navy Military Representative Office of the Third Research Institute of China Aerospace Science，Beijing 100074，China；2.Beijing Aerospace Measurement＆Control Tchnology CO.LTD，Beijing 100041，China）

the conventional automatic test equipment interface adapter problem，Using design simulation bus，Construction of largescale general－purpose interface adapter combinations，Using impedance matching design to achieve greater than 15 MHz signal bandwidth，Using automatic path planning algorithm for equalization use analog bus，Bandwidth and isolation network analyzer and oscilloscope test interface universal adapter combinations，And select a variety of typical circuit unit in the project to be adapted test，Universal interface adapter to verify the practicality of function.

ATE；analog bus；interface adapter；route plan；signal bandwidth

1671-4598（2016）08-0279-04

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.076

：TP273

：A

2016-06-17；

：2016-07-21。

刘赵云（1973-），男，大学，工程师，主要从事导弹总体方向的研究。