Equipos de prueba automáticos

El PC industrial es un ordenador de sobremesa normal empaquetado en un rack estándar de 19 pulgadas con suficientes ranuras PCI/PCIe para alojar las tarjetas de estimulación/detección de señales. Este PC actúa como controlador en el ATE. El desarrollo de las aplicaciones de prueba y el almacenamiento de resultados se gestionan en este PC. La mayoría de los ATE de semiconductores modernos incluyen múltiples instrumentos controlados por ordenador para generar o medir una amplia gama de parámetros. Estos instrumentos pueden incluir fuentes de alimentación de dispositivos (DPS), ^{[ 1 ] [ 2 ]} unidades de medición paramétrica (PMU), generadores de formas de onda arbitrarias (AWG), digitalizadores, E/S digitales y fuentes de alimentación auxiliares. Los instrumentos realizan diferentes mediciones en el DUT y están sincronizados para generar y medir formas de onda en los momentos adecuados. En función del tiempo de respuesta requerido, también se consideran sistemas en tiempo real para la estimulación y la captura de señales.

La interconexión masiva es una interfaz de conector entre los instrumentos de prueba (PXI, VXI, LXI, GPIB, SCXI y PCI) y los dispositivos/unidades bajo prueba (D/UUT). Esta sección actúa como un punto nodal para las señales de entrada y salida entre el equipo de prueba automatizado (ATE) y el D/UUT.

Por ejemplo, para medir el voltaje de un dispositivo semiconductor específico, los instrumentos de procesamiento digital de señales (DSP) del equipo de prueba automático (ATE) miden el voltaje directamente y envían los resultados a una computadora para su procesamiento, donde se calcula el valor deseado. Este ejemplo muestra que los instrumentos convencionales, como un amperímetro , no se utilizan en muchos ATE debido a la cantidad limitada de mediciones que pueden realizar y al tiempo que se requiere para cada medición. Una ventaja clave del uso de DSP para medir los parámetros es el ahorro de tiempo. Si necesitamos calcular el voltaje pico de una señal eléctrica y otros parámetros, debemos emplear un detector de picos, además de otros instrumentos para medir dichos parámetros. Sin embargo, si se utilizan instrumentos basados ​​en DSP, basta con tomar una muestra de la señal y calcular los demás parámetros a partir de una sola medición.

No todos los dispositivos se someten a las mismas pruebas. Las pruebas aumentan los costos, por lo que los componentes de bajo costo rara vez se prueban por completo, mientras que los componentes médicos o de alto costo (donde la confiabilidad es importante) se prueban con frecuencia.

Sin embargo, probar el dispositivo para todos sus parámetros puede ser necesario o no, dependiendo de su funcionalidad y del usuario final. Por ejemplo, si el dispositivo se utiliza en productos médicos o de soporte vital, muchos de sus parámetros deben probarse y algunos deben estar garantizados. Decidir qué parámetros probar es una decisión compleja que depende de la relación costo-beneficio. Si se trata de un dispositivo digital complejo, con miles de compuertas, es necesario calcular la cobertura de fallos de las pruebas. En este caso, la decisión también es compleja y depende de la rentabilidad de las pruebas, la frecuencia, el número y el tipo de entradas/salidas del dispositivo, así como de la aplicación final.

Los sistemas ATE suelen interactuar con una herramienta de posicionamiento automatizada, denominada "manipulador", que coloca físicamente el Dispositivo Bajo Prueba (DUT) en un Adaptador de Interfaz de Prueba (ITA) para que el equipo pueda medirlo. El Adaptador de Interfaz de Prueba (ITA) es un dispositivo que simplemente establece conexiones electrónicas entre el ATE y el Dispositivo Bajo Prueba (también llamado Unidad Bajo Prueba o UUT), pero también puede contener circuitos adicionales para adaptar las señales entre el ATE y el DUT, además de contar con soportes físicos para el montaje del DUT. Finalmente, se utiliza un conector para conectar el ITA con el DUT. Este conector debe soportar las exigencias de un entorno de producción, por lo que suele reemplazarse con frecuencia.

Diagrama de interfaz eléctrica simple: ATE → ITA → DUT (paquete) ← Manipulador

Los sistemas de prueba automatizados (ATE) basados ​​en obleas suelen utilizar un dispositivo llamado sonda que se desplaza sobre una oblea de silicio para probar el dispositivo.

Diagrama de interfaz eléctrica simple: ATE → Sonda → Oblea (DUT)

Una forma de mejorar el tiempo de prueba es probar varios dispositivos simultáneamente. Los sistemas ATE ahora admiten múltiples "sitios" donde los recursos ATE se comparten entre cada sitio. Algunos recursos se pueden usar en paralelo, mientras que otros deben asignarse en serie a cada dispositivo bajo prueba (DUT).

El bus de interfaz de propósito general (GPIB) es una interfaz paralela estándar IEEE-488 (creada por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos  ) que se utiliza para conectar sensores e instrumentos programables a una computadora. GPIB es una interfaz de comunicaciones paralelas digitales de 8 bits capaz de alcanzar velocidades de transferencia de datos superiores a 8 MB/s. Permite la conexión en cadena de hasta 14 instrumentos a un controlador de sistema mediante un conector de 24 pines. Es una de las interfaces de E/S más comunes en instrumentación y está diseñada específicamente para aplicaciones de control de instrumentos. Las especificaciones IEEE-488 estandarizaron este bus y definieron sus especificaciones eléctricas, mecánicas y funcionales, así como sus reglas básicas de comunicación de software. GPIB es ideal para aplicaciones en entornos industriales que requieren una conexión robusta para el control de instrumentos.

El estándar GPIB original fue desarrollado a finales de la década de 1960 por Hewlett-Packard para conectar y controlar los instrumentos programables que fabricaba la compañía. La introducción de controladores digitales y equipos de prueba programables generó la necesidad de una interfaz estándar de alta velocidad para la comunicación entre instrumentos y controladores de diversos proveedores. En 1975, el IEEE publicó la norma ANSI/IEEE 488-1975, Interfaz Digital Estándar IEEE para Instrumentación Programable, que contenía las especificaciones eléctricas, mecánicas y funcionales de un sistema de interfaz. Esta norma fue revisada posteriormente en 1978 (IEEE-488.1) y 1990 (IEEE-488.2). La especificación IEEE 488.2 incluye los Comandos Estándar para Instrumentación Programable (SCPI), que definen comandos específicos que cada clase de instrumento debe cumplir. SCPI garantiza la compatibilidad y la configurabilidad entre estos instrumentos.

El bus IEEE-488 ha sido popular durante mucho tiempo debido a su sencillez de uso y a que aprovecha una amplia selección de instrumentos y estímulos programables. Sin embargo, los sistemas grandes presentan las siguientes limitaciones:

• La capacidad de distribución de controladores limita el sistema a 14 dispositivos más un controlador.
• La longitud del cable limita la distancia entre el controlador y el dispositivo a dos metros por dispositivo o 20 metros en total, lo que sea menor. Esto genera problemas de transmisión en sistemas distribuidos en una habitación o en sistemas que requieren mediciones remotas.
• Las direcciones primarias limitan el sistema a 30 dispositivos con direcciones primarias. Los instrumentos modernos rara vez utilizan direcciones secundarias, por lo que esto impone un límite de 30 dispositivos al tamaño del sistema. ^{[ 4 ]}

El estándar LXI define los protocolos de comunicación para sistemas de instrumentación y adquisición de datos mediante Ethernet. Estos sistemas se basan en instrumentos pequeños y modulares que utilizan una red de área local (LAN) de bajo costo y estándar abierto (Ethernet). Los instrumentos compatibles con LXI ofrecen las ventajas de tamaño e integración de los instrumentos modulares sin las limitaciones de costo y formato de las arquitecturas de chasis de tarjetas. Mediante el uso de comunicaciones Ethernet, el estándar LXI permite un empaquetado flexible, E/S de alta velocidad y el uso estandarizado de la conectividad LAN en una amplia gama de aplicaciones comerciales, industriales, aeroespaciales y militares. Cada instrumento compatible con LXI incluye un controlador de instrumento virtual intercambiable (IVI) para simplificar la comunicación con instrumentos que no son compatibles con LXI, de modo que los dispositivos compatibles con LXI puedan comunicarse con dispositivos que no lo son (es decir, instrumentos que emplean GPIB, VXI, PXI, etc.). Esto simplifica la creación y operación de configuraciones híbridas de instrumentos.

Los instrumentos LXI a veces emplean secuencias de comandos mediante procesadores de secuencias de comandos de prueba integrados para configurar aplicaciones de prueba y medición. Los instrumentos basados ​​en secuencias de comandos ofrecen flexibilidad arquitectónica, un rendimiento mejorado y un menor coste para muchas aplicaciones. Las secuencias de comandos potencian las ventajas de los instrumentos LXI, y LXI ofrece funciones que permiten y mejoran dichas secuencias. Si bien los estándares LXI actuales para instrumentación no exigen que los instrumentos sean programables ni que implementen secuencias de comandos, varias funciones de la especificación LXI prevén instrumentos programables y proporcionan una funcionalidad útil que mejora las capacidades de las secuencias de comandos en instrumentos compatibles con LXI. ^{[ 5 ]}

La arquitectura de bus VXI es una plataforma de estándar abierto para pruebas automatizadas basada en el bus VME . Introducido en 1987, VXI utiliza todos los formatos de Eurocard y añade líneas de disparo, un bus local y otras funciones adecuadas para aplicaciones de medición. Los sistemas VXI se basan en un chasis o unidad central con hasta 13 ranuras en las que se pueden instalar varios módulos de instrumentos VXI. ^{[ 6 ]} El chasis también proporciona toda la alimentación y refrigeración necesarias para el chasis y los instrumentos que contiene. Los módulos de bus VXI suelen tener una altura de 6U .

PXI es un bus periférico especializado en sistemas de adquisición de datos y control en tiempo real. Introducido en 1997, PXI utiliza los formatos CompactPCI 3U y 6U y añade líneas de disparo, un bus local y otras funciones adecuadas para aplicaciones de medición. Las especificaciones de hardware y software de PXI son desarrolladas y mantenidas por la PXI Systems Alliance. ^{[ 7 ]} Más de 50 fabricantes en todo el mundo producen hardware PXI. ^{[ 8 ]}

USB conecta dispositivos periféricos, como teclados y ratones, a las PC. USB es un bus Plug and Play que puede gestionar hasta 127 dispositivos en un solo puerto y tiene un rendimiento máximo teórico de 480  Mbit/s (USB de alta velocidad definido por la especificación USB 2.0). Dado que los puertos USB son características estándar de las PC, representan una evolución natural de la tecnología de puertos serie convencionales. Sin embargo, no se utiliza ampliamente en la construcción de sistemas industriales de prueba y medición por varias razones; por ejemplo, los cables USB no son de grado industrial, son sensibles al ruido, pueden desconectarse accidentalmente y la distancia máxima entre el controlador y el dispositivo es de 30  m. Al igual que RS-232 , USB es útil para aplicaciones en entornos de laboratorio que no requieren una conexión de bus robusta.

RS-232 es una especificación para comunicación serial muy utilizada en instrumentos analíticos y científicos, así como para el control de periféricos como impresoras. A diferencia de GPIB, con la interfaz RS-232 solo es posible conectar y controlar un dispositivo a la vez. RS-232 es una interfaz relativamente lenta, con velocidades de datos típicas inferiores a 20  KB/s. RS-232 es más adecuada para aplicaciones de laboratorio que requieran una conexión más lenta y menos robusta. Funciona con una  fuente de alimentación de ±24 voltios.

El escaneo de límites puede implementarse como un bus de interfaz a nivel de PCB o de sistema para controlar los pines de un circuito integrado y facilitar las pruebas de continuidad (interconexión) en un dispositivo bajo prueba (UUT), así como las pruebas de clúster funcional en dispositivos lógicos o grupos de dispositivos. También puede utilizarse como interfaz de control para otros instrumentos integrados en los propios circuitos integrados (véase IEEE 1687) o para instrumentos que forman parte de un sistema de prueba externo controlable.

Una de las plataformas de sistemas de prueba más recientes emplea instrumentación equipada con procesadores de scripts de prueba integrados y un bus de alta velocidad. En este enfoque, un instrumento "maestro" ejecuta un script de prueba (un pequeño programa) que controla el funcionamiento de los distintos instrumentos "esclavos" del sistema, a los que está conectado mediante un bus de comunicación entre unidades y sincronización de disparos basado en LAN de alta velocidad. La programación mediante scripts consiste en escribir programas en un lenguaje de scripting para coordinar una secuencia de acciones.

Este enfoque está optimizado para transferencias de mensajes pequeños, características de las aplicaciones de prueba y medición. Con una sobrecarga de red mínima y una  velocidad de datos de 100 Mbit/s, es significativamente más rápido que GPIB y Ethernet 100BaseT en aplicaciones reales.

La ventaja de esta plataforma es que todos los instrumentos conectados se comportan como un sistema multicanal integrado, lo que permite a los usuarios escalar su sistema de prueba para adaptarlo a la cantidad de canales requerida de forma rentable. Un sistema configurado en este tipo de plataforma puede funcionar de forma independiente como una solución completa de medición y automatización, con la unidad maestra controlando la selección, la medición, las decisiones de aprobación/rechazo, el control del flujo de la secuencia de prueba, la clasificación y el manipulador o sonda de componentes. La compatibilidad con líneas de disparo dedicadas permite realizar operaciones síncronas entre varios instrumentos equipados con procesadores de scripts de prueba integrados, conectados mediante este bus de alta velocidad, sin necesidad de conexiones de disparo adicionales. ^{[ 9 ]}