在測試業界所定義的基礎儀器,一般最常的用途是做檢測、除錯,因此一般手持式的儀表都歸類在此範疇中,例如電表、示波器或交流阻抗分析(LCR)表等。因為類似行動裝置,所以除考慮操作的便利性外,手持式儀表在設計時還要考慮到撞擊、環境(如溫度、溼度)及電池續航力等問題。
在實驗室或生產線中的需求就不同了,在實驗室中大部分的使用者是研發工程師,所需要的是彈性的設定及精確測試數據,而生產線要的是高效率測試速度、長時間監控能力及穩定的測試結果等。所以同樣以電表為例,實驗室開出來的規格往往是具備高位數解析度及功能配備齊全的單通道儀表,用以因應不同的測試條件;而產線則是要提供可連結電腦及遠端控制的能力,如通用介面匯流排/區域網路/通用序列匯流排(GPIB/LAN/USB)/PXI等介面,另外因為測試成本的考量,往往會搭配多工器(Multiplexer)、矩陣(Matrix)等做多通道的切換,而成為一個資料擷取系統(Data Logger)。
在不同的測試需求下,設備選用的考量也會有所不同,基本上,測試的目的就是要以科學的方式驗證其電子物理特性,此時儀器就像一個工具,每一種測試架構大多是伴隨著相關的應用而來,對應在不同的領域,相信許多產品都會提供相關的應用手冊供使用者參考,本文僅針對萬用電表(DMM Digital Multi Meter)及資料擷取器做一概括性的介紹。
萬用電表選用考量多
一般基本的萬用電表是用來做交流對直流(AC-DC)電壓、交流對直流電流及電阻的檢測,比較進階的萬用電表可搭配熱耦合(Thermal Couple,如J-type/T-type/K-type)來量測溫度,也可當作計頻器量測頻率,如交流訊號或數位脈衝波的周期;或者提供簡易的脈衝波產生器,可用來提供數位的開關;或是利用充放電行為檢定二極體的極性以及計算出等效的電容值等。
關於電表的選用,除上述的功能性是否符合需求外,有效的顯示位元數也是另一考量,例如四位半(圖1)、五位半到八位半等。簡單來說,量測的取樣是由高位元的類比數位轉換(Analog to Digital Converter, ADC)達成,ADC的位元數愈高,能分析的解析度就愈好;以四位半來說,即可有四個位數達到0~9的全位顯示,但另外半位不能達到全位,例如可以顯示如0~19,999的數字。而對於二進位的ADC來說,相當於15位元可涵蓋的範圍,也就是215=32,768,同理,如六位半就至少需要22位元ADC。不過有些顯示並不僅是19,999,而會有另外一個規格如計數(Counts),如50,000筆計數就是可在四位半的數字中顯示0~50,000。
圖1 可提供四位半量測精準度及電腦資料擷取能力的手持式電表範例 |
另一個萬用電表的規格考量,是測試的更新速度及精確度,這兩者之間有些許的關係,更新速度對使用者而言除較快的反應時間外,另外一個隱藏的問題是雜訊的抑制能力。由於並不是所有標榜四位半的電表都有相同的精準度,因此一般比較簡易的設備為達到一樣的解析度,在ADC的設計上會使用多次平均(Moving Average)或積分的方式來達成,這主要與硬體的規格及設計的抗雜訊能力有關,在同樣的熱雜訊的條件下,越多次的平均可有效增加位元數,因此在同樣精確度條件下,反應時間越快越好。
最後一個可能會用到的是資料的蒐集,在比較高階的手持式電表或實驗等級的儀表中會提供與電腦連線的能力,這樣的好處是在擷取數據後,可以作為信度、效度統計分析的用途。
搭配多工/矩陣切換器滿足多元測試需求
在電子功能性測試(Electric Functional Test, EFT)中,要量測的測試點數量可能不只一個,而且每一個測試點要求的規格也不盡相同,例如測試一個可以控制不同按鍵、觸控螢幕的電路板,可能要有模擬接上面板時的工作能力,如量測電阻、開路、短路的情形來模擬手指觸控的位置。另外,也可能要有量測脈衝波的工作週期(Duty Cycle)來檢測背光調整能力,以及偵測溫度以確定系統自動斷電保護能力等等。
雖然這些都是萬用電表可達到的功能,但由於這麼多的測試點,導致使用者不太可能用那麼多的儀表去一一量測,所以一般都是以分工器及M乘以N的矩陣方式以分時多工的時序來達成。其中分工器的架構是一對多,而矩陣的方式是多對多;分工器主要是一次一個以時序的方式做往復的切換,又稱為Scan,而矩陣則是搭配不同的串、並聯及不同的訊號源如直流、交流及訊號間的切換使用,而因應不同測試的條件,又有分成一線式(如電壓開關)、兩線式(電壓、電流量測)及四線式(精密電阻量測)數種的接法。
值得注意的是,切換器本身僅提供路徑的切換而不具備量測功能,所以要搭配適當的主機才算是完整的主體(圖2),一般使用切換的情況都是以長時間檢測、生產測試居多,常用的控制介面除1970年一直持續到今的GPIB外,新一代的是以PXI及LXI為目前市場的主流。顧名思義,PXI介面是以電腦PCI架構為主軸,不同功能的插卡模組就好像PCI匯流排的延伸,就好像早期在組裝電腦一般,只要選定使用者需要的功能區塊,就可組合成客製化的測試機,在高速的背板PCIe的協定上可達到4Gbit/s以上的資料傳輸能力,而PXIe介面就是承襲這樣的優點,可作為大量資料傳輸如高畫質(HD)影像等測試用途。
圖2 左是以PXI架構為主體的六十四通道多工器,右是以LXI為架構的萬用電表,主機搭配的是4×8的矩陣切換器。 |
而另外一類是LXI,其好處是儀器可有比較彈性的大小而不用拘泥在PXI的機箱中,且儀器與儀器或儀器與電腦之間的連接只須要透過平常用的網路線,透過IP路由器或交換器,就可做到數百公里外的遠端控制。
此外,還有一個好處是大部分的LXI儀器可單機獨立使用且一般有實體按鍵做操作,不用像PXI是虛擬程式介面控制,且一定要有電腦、作業系統才能工作,以基礎的功能性測試領域來說,其實PXI介面已經足夠,而PXI介面因為需要有主機的關係,所以起始的價格一般會比LXI來得高,一般建議如果是測試通道在六十個以下,每點最快的測試速度在數十毫秒(ms)以上(不包含待測物上、下架時間),則LXI會比較具有價格優勢,如果在有限的空間,數百個測試點或需要每秒有數百個甚至上千個測試結果,那就非PXI莫屬了。
剛提到的多工或矩陣等切換器,雖然通道數或功能性相當,但也會因為內部繼電器(Relay)元件的物理特性不同而有不同的應用範圍,一般常見的有電樞(Armature)、簧片(Reed)及場效電晶體(FET)三類(圖3),表1則是這三種繼電器元件特性設計的路由切換比較表,以能承載的電壓及最大的頻寬來說,電樞的工作力是三者中最好的,但以往復壽命及切換速度來說,互補式金屬氧化物場效電晶體(CMOS FET)無疑是最佳的選擇。
圖3 從左至右分別為電樞、簧片及場效電晶體三種工作原理意圖。 |
萬用電表是一個相當基本的工具,搭配多工及資料擷取器就可量測基礎的電性,在電子功能性測試的市場中占有相當大的比例,本文對儀表的規格、介面上提供一些看法,裨益使用者可選對適當的儀表。