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两个过不了出厂测试的“黑盒子”...

时间:2019-02-06 作者:Michael Kornacker, EDN特约作者 阅读:
隔了十年又生产的相同装置却无法通过出厂前的合格测试…这时候电子工程师得扮演“柯南”,从各种蛛丝马迹中找出真相!

我是一个国防产业制造部门的电子工程师,我们为军方打造通常被称为“黑盒子”的装置。在十五年前,我们曾为一家客户生产了10个黑盒子,那家客户在五年前又请我们帮忙再生产两个,尽管已经过去十年了,我们还是得再次启动该产品生产线。不过,第二批产品有些不同,而且无法通过测试过程;为了解开谜团,得由电路图抽丝剥茧并追踪信号路径。uZ6EETC-电子工程专辑

HEIHEZI.pnguZ6EETC-电子工程专辑

我被分配到的任务就是为那两个新生产的盒子进行合格测试。我们还留着第一批10个盒子专门打造的测试站,配备能检查黑盒子所有功能的仪器;所需的测试包括初始测试(initial test)、老化测试(burn-in test),如果一切顺利,就是最后的验收测试(acceptance test)。只要那两个新生产的黑盒子通过所有程序,就可以出货给客户。uZ6EETC-电子工程专辑

在初始测试程序,那两个盒子并没有遭遇太多麻烦就通过了;老化测试则是要在一个有电热器也有冷冻设备的测试舱进行温度测试。客制化的测试站有长电缆透过测试舱墙上的舷窗与黑盒子连结,老化测试是由环境中的基准检验(baseline test)开始,然后将温度降到-54°C,冷浸在那里几个小时,确保整个盒子都冷透了,然后测试站就会检查盒子的所有功能。uZ6EETC-电子工程专辑

接着我们将温度提高到55°C,热浸几个小时确保整个盒子已经温暖,然后测试站在对盒子的所有功能进行测试。做完热测试,再把温度降低到-55°C进行冷测试,反复四次温度循环,测试过程约需要花32个小时。uZ6EETC-电子工程专辑

就在我试着为第一个盒子做老化测时时,它通过了热测试基线,但四次温度循环的冷测试中,某块板卡上的一颗MIL-STD-1553通讯标准芯片的内建自我测试(built-in self-test,BIST)功能都没有通过冷测试。uZ6EETC-电子工程专辑

MIL-STD-1553是军用通讯标准,用以链接飞行器内的设备进行通讯,我们的测试站有一套设备,专门透过MIL-STD-1553线路测试盒子里的相关功能电路板,以验证系统是否正常运作;通讯的部分通过了冷测试,但通讯芯片本身的内建自我测试功能却在冷测试中失效,这意味着该1553控制器芯片内部有故障。uZ6EETC-电子工程专辑

我用另一个盒子中的相同板卡替换了那块故障的,然后重新进行老化测试;但在四次温度循环中,1553的BIST功能还是在冷测试中失效。我打电话问我们负责BIST设计的一位工程师,他告诉我,1553 BIST完全是芯片内部功能,只需要外部的一个干净频率信号──在此应用案例中为24MHz,来自位于盒子内另一块板卡上的中央处理器;于是我又从另一个盒子取得处理器板卡替换、再次进行老化测试,结果还是一样,1553 BIST功能在冷测试中失效。uZ6EETC-电子工程专辑

这次我直接打电话给我老板叫他来看看情况,我们决定在1553板卡的频率目的地上加一条线拉到测试舱外,这样就可以在冷测试时用示波器来监测。当线路配置好,我们在温度基线上撷取了频率信号的图形,然后降低测试舱温度、冷浸一段时间;几个小时后我们开启黑盒子执行1553 BIST功能──还是失效──并撷取频率信号图形。uZ6EETC-电子工程专辑

但比较前后两个频率信号图形,我们并没有发现明显的差异之处。于是我们又检查了CPU板卡、主板、1553板卡的电路图,还画了一个完整的24MHz频率电路链简图,这时我老板注意到有地方不太对劲。uZ6EETC-电子工程专辑

我们的工程师原本做的设计,是当CPU板卡插到主板时,主板会把源自同一频率信号的两个单独缓冲输出并联;当一个缓冲信号源不足以驱动支持多目的地电路之功能时,并联的缓冲器芯片是可接受的作法,这在信号移动缓慢环境中也许没问题,但当频率信号达24MHz就可能会出状况。每个并联的缓冲器可能得同时开关,而可能一个故障(glitch)就会导致不良后果;不过我们的频率信号图形并没有看到任何故障就是了。uZ6EETC-电子工程专辑

不过我们发现的,是(据推测)并联的缓冲器只有驱动主板上的一个缓冲器,于是我们决定从并联电路暂时移除其中一个缓冲器;因为该板卡是用表面黏着技术,我们只需要将该缓冲器芯片的输出导线解焊、将之从走在线移开,就能有效解除并联的缓冲器配置。之后我们在示波器上检查信号并没有发现任何异常,于是又进行了一次冷测试──嘿嘿,1553 BIST功能这次正常了!我们再次撷取频率信号图形,同样没有发现跟以前有什么不一样。uZ6EETC-电子工程专辑

显然,原始板卡上的并联频率缓冲器芯片,在十年前第一批生产的十个黑盒子上并没有造成问题,但不知道为何新板卡不喜欢这样;我们从示波器的频率信号图形找不到任何错误,不过只要让缓冲器不再并联,就能顺利通过冷测试。确认了是并联频率信号缓冲器芯片的问题之后,我们修改了黑盒子内的板卡,最终它们以出色表现通过了四次温度循环的冷热测试,问题顺利解决!uZ6EETC-电子工程专辑

编译:Judith Cheng EETTAIWANuZ6EETC-电子工程专辑

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