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事半功倍的量測心法與技巧
量的好,量的妙,量的呱呱叫

【作者: 編輯部】   2008年10月20日 星期一

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俗話說,「工欲善其事,必先利其器。」對電子工程人員來說,這個「器」真的是事關重大。所使的儀器利不利害,有沒有很精良,絕對會影響最後的產品優劣,是關乎最終系統品質高下的決勝點所在,所以必當細考深究。但除了「器」要「利」之外,這個「工」的角色是不是有扮演好,有沒有具備相一定程度的知識和經驗,更是決定事情成敗的關鍵。否則光有一部價值數百萬的先進機台,但操作和使用的人完全不得要領,糟踏了原先傑出的性能不講,所帶來的成本損失和負面影響更是會對企業造成不小的傷害。因此,人員素質的教育和訓練猶在「利器」之上。


而為了協助電子工程人員能夠正確掌握量測工作的關鍵,同時提升工作進行的效率,本文特別邀請了數家先進量測儀器的供應商來談談該如何做好量測工作,由這些極具經驗的量測專家來傳授一些突破工作瓶頸和增進實力的獨門訣竅。


6個訣竅改善你的量測工作品質

Tips 1:學習正確量測知識 降低人為誤差

太克科技資深經銷業務經理吳俊賢,他同時也是太克科技教育訓練的講師,就明白指出,「人為因素是進行量測工時最主要的誤差來源。」他表示,誤差的產生有三個來源,一個是機器因素,也就是在系統上所產生的;另一個是人為因素,是操作者因知識不足,或對機器操作不熟悉所衍生;最後則是隨機誤差。其中人為誤差所佔的比重最大,是影響量測工作成敗最關鍵的地方。


《圖一  太克科技資深經銷業務經理吳俊賢明白指出,「人為因素是進行量測工時最主要的誤差來源。」》
《圖一 太克科技資深經銷業務經理吳俊賢明白指出,「人為因素是進行量測工時最主要的誤差來源。」》

吳俊賢表示,量測工作是工程師的第二主業,是本業之外最重要的一件事。量測工作做的好,對主業就會有加分的幫助。而如何做的好?最重要的就是避免誤差,同時增加量測工作的效能。而要如何做呢?首先就是要懂得量測,做正確的事(Do the right thing)。他表示,現在許多的學校都已把量測的課程取消了,造成學生在畢業後無法立即上線工作,必須要靠在職的教育訓練和實務工作中學習,才能彌補在量測技術上的落差。這也是為什麼目前量測課程的需求一直很大的原因。


Tips 2:多參考多分享 避免埋頭苦幹

量測工作要進行的正確又順利,一個適合的量測程式是必備工具,因此,量測程式的撰寫與開發是影響工作成效的關鍵所在。在量測程式開發上有多年經驗的國家儀器行銷經理吳維翰特別強調:「進行程式開發時,最要避免埋頭苦幹。」他指出,每個研發都有願景,而在追求的過程中都會遇到障礙,其中有些是可以事先準備的。但大部分的例子都是空有願景,但卻不知如何進行。這個時候就是要尋求協助,參考一下別的工具和建議,多看看其他的方案。


《圖二  國家儀器行銷經理吳維翰特別強調:「進行程式開發時,最要避免埋頭苦幹。」》
《圖二 國家儀器行銷經理吳維翰特別強調:「進行程式開發時,最要避免埋頭苦幹。」》

吳維翰認為,埋頭苦幹對研發工作並沒有幫助,多溝通、多分享,反而能更快的取得效用。他表示,許多工程師都習慣只用固定的模式去解決問題,但通常在效率上並不見得好。例如,某個對C語言很有經驗的工程師,就習慣只用C語言去應付所有問題,在某個應用上也許可行,但若換到另一個則不見的好。此時就應該試試別的工具。他建議量測程式的開發工程師不要只固守一種方式,要多應用,多參考其他的程式,畢竟「條條大路通羅馬」,多方嘗試才是最好的辦法。


Tips 3:影響系統品質,儀器性能絕不妥協

吳俊賢表示,工程師想要提升量測效能可從三個部份來著手,分別是性能、功能及使用者能力。他解釋到,所謂性能,指的儀器本身,使用較高性能的儀器自然能提升量測的效能;再者為功能,功能指的是儀器的應用範圍,功能較多的儀器在執行工作時的效率相對比較高;最後則是使用者的能力,這便關乎人為誤差發生的頻率以及準確性。


吳俊賢強調,很多企業或者工程師在評估該採用哪款儀器時,時常都會因為價格的因素而犧牲了儀器性能,但他認為,儀器的效能是絕對不能妥協的,因為儀器的性能會直接影響最終的產品品質,因此千萬不能因小失大。


Tips 4:參加教育課程是最快的升級方法

至於工程師想要快速提升自量測職能的話,那麼參與課程則是最好的方法。吳俊賢就表示,從量測廠商開設這麼多量測課程就可以看出,量測課程在業界的需求有多大。他指出,根據他在太克開課程的經驗,一堂新的應用課程,時常都會有上百人參加,而一季裡的上課人數也達到4000人以上。


《圖三  浩網科技電子量測事業部經理游浴新表示,客戶的目標都是要降低測試時間,以提高產出效率為主。》
《圖三 浩網科技電子量測事業部經理游浴新表示,客戶的目標都是要降低測試時間,以提高產出效率為主。》

吳維翰也認為,要學好量測技巧最快的方法就是多多上課。他表示,許多的新應用和新方法並不能單靠在實務工作中取得,還是得依賴儀器廠商的教育課程,畢竟這些廠商是站在第一線上,對整個市場的動態和技術演進都較敏感。


Tips 5:提高產出,降低測試時間是終極目標

專門提供先進電子量測、網路維運除錯效能管理、資訊系統整合以及數位視訊測試產品與服務的浩網科技(Infinet)表示,產品測試的關鍵在於速度,客戶的目標都是要降低測試時間,以提高產出效率為主。浩網科技電子量測事業部經理游浴新表示,而原則上,通用型的量測產品都可以滿足大多數情況下的基本需求,但若是遇上要針對特定客戶比較獨特或是簡單需求的話,就必須考慮客制化產品來提高效率。通常客制化的產品需要搭配軟體來定義,去一一修改符合客戶本身操作與測試習慣的功能、介面,例如透過FPGA來更改硬體邏輯支援,提高使用測試效率。


《圖四  儀器的效能是絕對不能妥協的,因為儀器的性能會直接影響最終的產品品質,因此千萬不能因小失大。》
《圖四 儀器的效能是絕對不能妥協的,因為儀器的性能會直接影響最終的產品品質,因此千萬不能因小失大。》

但游浴新也指出,系統整合的量測必須快速聯合多個單位,並形成快又簡單的解決方案,才能達到效率產出的要求。因此,目前多家的量測儀器商開始走向應用系統整合式的ATE,以及使用不受到空間限制的無線網路操作來提高測試效率。


Tips 6:小心ESD放電 安全是重要課題

除了留心技術與實務的經驗的提升外,游浴新更提醒工程人員,「量測時的安全性是很重要的課題。」


遊欲新表示,很多在從事電子量測的工程人員往往會忽視靜電放電(ESD)是讓電子元件甚至是整個電子設備損壞的一個主要原因。有些元件受到ESD 損傷後往往還要經過一段時間後才失效,所以使人難於追蹤,並確定它是ESD 引起的損壞。而且許多電子元件可以被遠低於人能感覺到的靜電放電所損傷。損壞程度從性能下降直到短路那樣嚴重的損壞都有可能。


《圖五  多年前,沒有人會想到工程師要關心自己身體、衣服、鞋、搬運車、塑膠罩、封裝帶及諸如此類與ESD 有關的問題。但今天,我們不得不認真考慮這些問題。》
《圖五 多年前,沒有人會想到工程師要關心自己身體、衣服、鞋、搬運車、塑膠罩、封裝帶及諸如此類與ESD 有關的問題。但今天,我們不得不認真考慮這些問題。》

多年前,沒有人會想到工程師要關心自己身體、衣服、鞋、搬運車、塑膠罩、封裝帶及諸如此類與ESD 有關的問題。但今天,我們不得不認真考慮這些問題。當你漫不經心地用手去拿或摸印刷電路板和元件,特別是微波半導體元件,隨意把電路板或元件直接放入普通塑膠袋/尼龍布袋時,靜電將使它們受到致命的傷害。現在看來,加強防靜電知識的教育是很必要的,目的是使人們對ESD 的危害有足夠的認識,包括從高階管理部門到基層包裝單位,作業部門從晶片製造到裝配測試,儀器使用及安裝和維修人員。


臨場教戰實務(Ⅰ)--串列匯流排應用量測

在電子產品設計時,單一產品裡會用到的串列匯流排不會只有一種,比如一個RF遊戲手把開發來說,需要透過MCU控制的週邊可區分為鍵盤掃描、LCD顯示、RF模組傳輸及記憶體儲存介面,而在這個專案中,工程師會碰到的匯流排訊號有SPI(RF模組傳輸)、IIC(記憶體儲存介面)、LCD12864(LCD顯示)及Parallel Bus(鍵盤掃描)。這些匯流排在速度、實體介面要求和通訊方法學上都有所不同。也因如此,讓設計工程師們面臨許多量測上的難題。若是使用傳統儀器量測串列訊號複雜的觸發方式及多元的傳輸資訊時,不能單以觀察類比訊號的變化來解決研發上的問題了,且必須在長時間的匯流排訊號中進行人工解碼的工作,不但沒有效率而且又容易出錯,反而造成產品研發時程的落後及因錯誤解碼而導致資源浪費的結果發生,且未來將會有更多型態的串列傳輸方式會被開發出來,勢必會形成工程師的另一項挑戰。



《圖六  高速與低速的串列匯流區分》
《圖六 高速與低速的串列匯流區分》資料來源:太克科技

Tips:選擇符合需求的串列匯流排

在不同產業的應用,所選擇匯流排的標準方面並不同,下面是一些進行匯流排選擇的通用參考準則:


1. 評估使用不同串列匯流排在網路上連接各種元件的系統成本。例如,在汽車電子應用中,一個只需要控制功能的系統可以用像LIN這類低成本的串列匯流排來管理。


2. 在效率、速度和可靠性方面確定對你最重要的性能。例如,對於一個安全關鍵系統來講,可靠性是極為重要的,故而CAN是較好的選擇。


3. 確定在網路上將連接多少元件,以及匯流排將可能具有的電容器量。


4.有些串列匯流排對連在網路上的元件數目有限制。注意元件之間的距離,有些串列匯流排只支援短距離通訊。


5.如果用在汽車中,CAN或LIN是較好的選擇。由於它們具有很強的強韌性,因此具有較強的容故障能力和傳輸可靠性。


Tips:善用PA、MSO及LA進行串列匯流量測

根據目前的量測儀器市場分類狀況來看,能夠來幫助工程師抓取串列匯流排的信號,並提供串列匯流排協定的解碼資料的量測儀器可分為三類:Protocol Analyzer、Mixed Signal Oscilloscope和Logic Analyzer。


 Protocol Analyzer就是協定分析儀,簡稱PA。該協定分析儀基本上一台只能分析一種串列匯流排,但是通常具備大容量的儲存記憶體,所以工程師可以抓取比較大量且長的資料來進行分析,可是此協定分析儀沒有提供波形資料讓工程師可以搭配封包資料進行除錯分析,該儀器大部分都是透過USB和電腦做連接,將抓取的資料傳送到電腦螢幕顯示,目前市面上常看到的有USB協定分析儀等。


 Mixed Signal Oscilloscope為混合信號示波器,簡稱MSO。MSO擁有示波器和邏輯分析儀兩種儀器功能,所以可以同時間讓工程師觀測到類比和數位信號,同時也具備串列匯流排分析的功能,但是其所支援的種類不多,可是就因為包含多種量測功能,因此價格昂貴,目前市面上常看到的有太克和安捷倫兩個國際儀器大廠均有此類產品。


 Logic Analyzer是邏輯分析儀,簡稱LA。目前LA有分成單機版的LA和PC_Based的LA兩種,前者單機版LA的優點主要是取樣頻率高、記憶體深度大和量測通道多,缺點體積大且重、價格昂貴和操作複雜;後者PC_Based LA的優點主要是體積小不佔空間、操作簡單、價格便宜、USB電源隨插即用和軟體更新速度快,缺點取樣頻率不高、記憶體深度不大和需搭配電腦使用;兩者都擁有串列匯流排分析的功能,且可以同時監測封包和波形的資料,單機版LA可以分析高速的串列匯流排,PC_Based的LA只能分析低速的串列匯流排,目前市面上常看到的單機版LA有太克和安捷倫兩個國際儀器大廠均有此類產品,PC_Based的LA光在台灣就有三家公司有此產品,但以孕龍科技所的支援串列匯流排的種類最多,高達四十種以上,幾乎涵蓋了所有電子產業所需的低速串列匯流排。



《圖七  PC_Based的LA在台灣就有三家公司有此產品,但以孕龍科技所的支援串列匯流排的種類最多,高達四十種以上。》
《圖七 PC_Based的LA在台灣就有三家公司有此產品,但以孕龍科技所的支援串列匯流排的種類最多,高達四十種以上。》資料來源:孕龍科技

Tips:透過搜尋設定,縮短常信號解讀時間

在廣大的量測應用領域中,太克科技所專注的範圍是中低速的串流應用(Serial Bus)為主,包含I2C、SPI、CAN、LIN及UART等串列標準,以提供先進的示波器解決方案,協助工程人員開發符合規格要求的串列產品。


《圖八  為了解決龐大訊號解讀不易的問題,太克採用了先進的搜尋系統,使用者只需要輸入所需的條件,便可以快速取得所需的頻段。》
《圖八 為了解決龐大訊號解讀不易的問題,太克採用了先進的搜尋系統,使用者只需要輸入所需的條件,便可以快速取得所需的頻段。》

太克科技資深經銷業務經理吳俊賢指出,現在的串列匯流測試儀器都以朝向長記憶體的應用前進。他表示,由於產品訊號的複雜性日漸提高,因此需要更大的記憶體容量來儲存一系列完整的信號。但也因為使用長記憶體的緣故,因此產生了數據資料龐大的問題,如何從中取得正確且有幫助的訊號就成了量測工作者另一個大問題。


吳俊賢表示,為了解決過於龐大的訊號解讀不易的問題,太克採用了非常便利的搜尋系統,使用者只需要輸入所需的條件,便可以快速取得所需的頻段,可有效縮短工程人員解讀訊號的時間。目前太克的DPO3000、DPO4000及DPO7000和DPO7000都具備此搜尋功能。


臨場教戰實務(Ⅱ)--RF與微波頻率量測實務

Tips:電性參數待測物的基本性質是主要考量

游浴新表示,在量測RF 和微波的頻率時,有一些基本的特性需要特別留意。電性參數待測物的基本性質是主要的考量:有分為被動和線性的,或是主動和非線性的。被動的線性元件較容易處理,因為它們在整個工作頻寬範圍內所有允許的輸入功率位準下,增益和相位偏移量一般都是固定的。不過,主動元件就需要格外謹慎,因為它們通常具有非線性的工作區域,對輸入功率相當敏感,可能會在不同的位準產生不同的結果。


於是就產生了在測試系統中加入放大器或衰減器的需要,以精確地控制功率位準,而且也許還要再加入耦合器,將輸入到待測物的功率位準分一些出來再確認是否正確。在高頻下,每一個系統組成要件都具有複數的阻抗值(伴隨有S參數),每多一項連接就有可能與待測物產生不必要的相互影響。


Tips:使用高精確度纜線和配件來量測主動元件

眾所周知,在高頻下功率是很昂貴的,而且如果必須在很廣的頻率範圍提供所需功率的話,還會變得更加昂貴。浩網科技游浴新建議,可以使用精確度高的纜線和配件,尤其是當待測物是主動元件時,要使用向量式網路分析儀(VNA),充分量測纜線和配件的實際阻抗,將VSWR 降到最低;切換矩陣加上其接頭、內部和外部纜線、甚至是任何RF纜線的彎曲半徑等組合,可能因待測物的電壓駐波而產生誤差。此時若要將這項誤差減到最小,可以使用電壓駐波比(VSWR)規格為1:2:1 或更佳的切換矩陣,增加隔離度。如果測試需要同時量測高位準和低位準的信號,則切換矩陣的隔離度規格將會影響量測的正確性。如果通過待測物的路徑有很多條,可以使用信號產生器和頻譜分析儀,儘可能地量測出隔離度的特性。


《圖九  使用PC平台來進行量測工作時,最好也採用多核心的系統。目前NI的Lab View工具也支援多核心系統,若能搭配多核心的系統,在應用上更能相得益彰。》
《圖九 使用PC平台來進行量測工作時,最好也採用多核心的系統。目前NI的Lab View工具也支援多核心系統,若能搭配多核心的系統,在應用上更能相得益彰。》

臨場教戰實務(Ⅲ)--PC平台與Linux系統

Tips:採用多核心系統才能發揮最佳性能

使用PC平台來進行量測工作,就跟使用一般PC的經驗相同,非常容易上手。相較於傳統的量測方式來說,採用PC平台的量測方案能提供客製化的解決方案。可以針對客戶所提出的規格,量身打造最適合該客戶的產品組合,不但彈性高,同時成本也低,不需要購買動則數百萬的量測機器,只需要在既有的電腦上加裝介面卡和安裝軟體即可。此外,使用PC平台的量測方案也具有較大的升級空間。若日後有更進一步的量測工作需求,只要透過軟體的更新和介面卡的更換,便可達到升級的目的。


吳維翰並建議選擇使用PC平台的工程師最好能選用多核心系統。他表示,目前電腦系統的趨勢是朝向多核心發展,因此,使用PC平台來進行量測工作時,最好也是採用多核心的系統,才能發揮出最佳的效能。目前NI的Lab View工具也支援多核心系統,若能搭配多核心的系統,在應用上更能相得益彰。


Tips:Linux系統性能強、成本低

而量測儀器除了使用以Windows為基礎的系統之外,目前市場上也開始出現採用Linux系統的量測儀器。跟Windows平台相比,Linux不但在性能上完全不遜色,在整體成本上更是具有競爭力。吳俊賢就指出,Linux平台的儀器將是另一個趨勢。他表示,由於Linux完全沒有採用成本的問題,因此成本相當低廉。加上為開放源碼的基礎,在設計彈性與支援性能上不會輸給Windows。加上使用體驗與Windows無異,非常具有市場潛力。目前太克已有數款儀器使用Linux系統,也相當受客戶肯定。


他表示,在使用上,客戶完全不會知道自己在使用Linux系統的量測儀器,客戶唯一的感受就是價格便宜,而且品質也不差。


《圖十  專門提供先進電子量測的浩網科技能提供客戶完整的電子產品生命週期的測試。並根據客戶的需求提供靈活並多樣化的選擇及系統整合服務。》
《圖十 專門提供先進電子量測的浩網科技能提供客戶完整的電子產品生命週期的測試。並根據客戶的需求提供靈活並多樣化的選擇及系統整合服務。》
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