高斯理论 要想高效地使用 QA 流程, 我们首先必须了解统计理论及其在过程建模中的作用 QA 不仅关心产品性能的测试和验证 ; 它还是一种可以提高产品的开发能满足预期要求的系统的方法 验证产品功能的最佳方法是多次观察产品的特征, 并了解这些特征在不同设备上的差异 为此, 您需要测量关键特征并根据测量

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1 使用硬件加速模板测试方法达到六西格玛标准的波形测试 应用指南 1609 简介 工程师使用示波器测试和评估各种不同的信号 示波器在设计和制造领域发挥着重要作用, 它可以直观地显示出电压随时间的变化情况 拥有一台能够精确 直观地显示信号而且易于操作 功能全面的示波器非常重要, 它可使信号的设计和测试变得更轻松 每家制造商都必须解决质量保证 (QA) 问题, 以确保产品总是符合设计和性能标准, 并保持低的故障率 QA 是一种设计流程和提供流程的系统方法, 用于确保产品质量的高度可靠与 持续稳定 作为 QA 流程中的重要环节, 他们必须在设计和验证的每个阶段对产品的工作状况进行多次测试和验证 对于生成电信号的产品, 例如集成电路 (IC) 和现场可编程逻辑阵列 (FPGA), 必须验证每个信号都处于规定的信号完整性容限范围内 由示波器测量的容限指标包括各种信号属性, 例如峰峰值电压 频率 RMS 电压和延迟等 针对使用电信号的产品, 理想的 QA 流程将是在不影响测试时间的条件下, 根据高质量标准 ( 低故障率 ), 使用 大量样本来测试信号 这样的 QA 流程具有三个主要优势 : 1) 可在更短的时间内推出高质量的产品, 加快产品上市速度 2) 更高的客户满意度 3) 使设计人员和工程师可以有更多的时间来从事创新设计, 而不是为解决原有设计的问题而忙碌 本应用指南阐述了适用于 QA 流程的统计分析原理和为达到百万分之 3.4 或更低的故障率的六西格玛的演进, 以 然后, 我们将探究模板测试为电子信号 QA 流程带来的好处, 使用该方法可以在 1.1 秒内达到六西格玛质量标准

2 高斯理论 要想高效地使用 QA 流程, 我们首先必须了解统计理论及其在过程建模中的作用 QA 不仅关心产品性能的测试和验证 ; 它还是一种可以提高产品的开发能满足预期要求的系统的方法 验证产品功能的最佳方法是多次观察产品的特征, 并了解这些特征在不同设备上的差异 为此, 您需要测量关键特征并根据测量结果建立数据库或直方图 出现的频率 经过 50,000 次采样后, 海龟外壳直径的直方图 建立统计数据库, 首先要采集某项特定测量的大量样本 例如, 我们测量某类海龟的外壳直径, 单位精确到毫米, 然后根据外壳尺寸 (y 轴 ) 出现的频率绘制出外壳尺寸图形 (x 轴 ) 我们将会发现, 某些外壳尺寸比其他尺寸出现的频率高 我们还会发现, 随着我们绘制出越来越多的外壳图形, 直方图将呈现出如图 1 所示的曲线 外壳直径 (mm) 图 1: 经过 次采样后, 海龟外壳直径的直方图所呈现出的曲线形状 根据每个样本与下一个样本是否 常所说的高斯 ( 或正态 ) 分布 高斯分布 相互独立, 图形可能呈现出各种形状 在研究统计概率时非常重要, 而且在自 然而, 为了简化和扩展本例的应用, 我 然界中经常可以看到 斑马线的厚度 们假设每个样本都是独立并随机选取的 松树的高度和人类的身高, 这些受大自 ( 换句话说, 就是独立的随机变量 ) 如 然影响的事物, 其测量结果都呈高斯分 果以上两点均有效, 那么图形将呈钟形 布 大多数电信号的特征和形状也呈高 曲线 ( 参见图 1) 这个钟形曲线便是通 斯分布 2

3 高斯理论 ( 续 ) 从龟壳尺寸样本的高斯分布来看, 我们可以计算描述钟形曲线形状的各种重要统计数值 这种分布将以平均值为中心, 以与钟形宽度相关的标准偏差向外延伸 () 在高斯分布中, 测量的全部外壳 ( 样本 ) 中的 68.27% 的样本将出现在平均值左边和右边的一个标准偏差之间 ( 如图 2 所示 ) 随着距离平均值的标准偏差数量增加, 出现在标准偏差之间的样本的百分比随之减少 图 2: 在良好的高斯分布中, 68.27% 的样本出现在平均值左边和右边的一个标准偏差之间 用于电信号的 6 σ 标准 二十世纪八十年代,Motorola 开发了 6σ 企业管理战略, 并将该战略应用于制造流程和商务实践 这个达到六西格玛标准质量的实践获得了极大的成功, 成为了广受欢迎的可显著提高工作效率的技术 获得认可的六西格玛标准是一个不超过百万分之 3.4 故障率 (DPMO) 的流程 这就是说每 1,000,000 个样本中只有 3.4 个异常值 如何使用六西格玛流程测试电信号? 不是测量外壳直径, 而是测量每个信号波形的特定属性 之后, 我们可以确定测量的属性是符合还是超出了特定容限 为使信号达到六西格玛质量标准, 我们必须测量 1,000,000/3.4=297,117 个独立采集的波形 如果测得的 294,117 个波形均无缺陷, 则可确定产品质量已达到六西格玛标准 测量和分析 294,117 个波形是非常耗时的 自动测试台使用市场上现有的示波器经过设置, 可以持续不断地测量和纪录数据, 但是采集和分析 294,117 个波形有时可能需要好几个小时, 甚至几天的时间才能完成 自动测试对波形进行测量以后, 您必须检查是否某些波形未通过特定容限, 并且可能需要重复该步骤 这需要花费大量时间来测试信号和等待结果, 因而将减缓产品的上市速度 3

4 模板测试 测试信号的另一种方法是使用具有模板测试功能的示波器 模板测试无需检查各种参数 ( 例如峰峰值电压 频率 RMS 电压和延迟 ), 测试信号时, 您只需要将信号与正确波形进行比较即可, 它将是您最好的选择 如图 3 所示, 您可以在信号周围设置合格 / 不合格模板或容限 / 限制区域, 指定信号可以和不可以进入的时间和电压区域 如果被测信号中出现毛刺信号, 并且这个波形进入模板区域, 示波器将把这个错误通知用户 您还可以在信号的周围设置禁区模板, 这种方法不需要理想的信号, 只要知道信号正确时的波形就可以了, 如图 4 所示 图 3: 模板测试将您的信号与正确的信号进行比较, 并在信号超出特定限制时通知您 图 4: 模板测试使您指定信号周围的禁区 4

5 模板测试 ( 续 ) 模板测试在研发和制造测试中具有很大的灵活性 在研发过程中, 工程师可以通过大量的波形重复来测试开发的信号 可以测试的波形越多, 他们对设计的正确性越有信心 在制造过程中, 工程师必须对信号进行测试, 以确保交付给客户的设备没有缺陷 模板测试比测试单独的属性可靠性更高, 因为整个信号是依据正确信号来进行测试, 以便找出毛刺信号和 / 或错误 因此, 模板测试在设计和制造过程中能够节省时间和费用, 并确保客户能够更快收到更高质量的产品 现在, 让我们再返回到测量海龟外壳直径的例子 海龟外壳直径采样与特定信号属性采样非常相似 我们可以简化一下这个流程, 不再测量特定的信号属性, 转而使用模板测试对信号进行质量测试 ; 我们不再绘制电压值的直方图, 而是得到模板测试的两个结果 合格或不合格 图 5 显示了未通过模板测试的波形 图 5: 信号未通过 QA 流程时, 模板测试将很容易观察到这个信号 我们不再使用高斯分布来测试结果 ; 而是使用符合六西格玛标准的模板测试来进行衡量 根据以前的方法, 要想达到六西格玛标准, 将会需要测试 294,117 个波形 只有 294,117 个波形均合格, 也就是没有任何样本超出六西格玛的限制, 我们才能保证信号质量符合六西格玛标准! 5

6 加快质量认证过程 在传统的模板测试解决方案中, 示波器通常使用软件算法, 每秒钟测试大约 10 到 60 个波形 对于我们的眼睛来说,60 波形 / 秒 (wps) 的屏幕更新速率已经足够快了 ; 但要累积足够的数据来进行统计, 该解决方案要花费几分钟, 甚至几个小时的时间 要想采集足够的点数以达到 6 σ 分辨率 ( 或以 60 波形 / 秒的速率采集 294,117 个波形样本 ), 则将需要 1.5 小时 由于 IC 和 FPGA 上有很多不同的电信号, 因此, 要使采集到的所有信号都达到六西格玛标准将需要大量的时间 例如, 如果需要按照六西格玛标准对 10 个信号进行探测和测试, 当前的解决方案将要耗费 10.5 个小时以上的时间 如果信号出现错误, 则需重新进行测试, 而这将导致达到六西格玛质量认证的总时间成倍增加 尽管获得六西格玛质量认证是工程师梦寐以求的, 但大多数工程师都无法忍受经过如此长的等待时间才能得到输出结果 安捷伦通过研究当前都有哪些条件限制解决方案达到六西格玛质量标准, 创建出一个硬件加速的模板测试解决方案, 将测试时间从 1.5 小时缩短到 1.1 秒 Agilent InfiniiVision 系列示波器还是业内首款能够根据 " 西格玛 " 质量标准来报告模板测试合格 / 不合格统计结果的示波器 模板测试统计结果可为用户提供各种信息, 其中包括测试的数量 故障的数量 故障率 过程西格玛和测试西格玛品质因数 过程西格玛是根据正在执行的测试数量所能达到的最大西格玛分辨率, 测试西格玛体现的是测试已经达到的实际西格玛效率 使用 InfiniiVision 3000 X 系列示波器, 只需 1.1 秒 ( 取决于时基设置,1.1 秒是采用 10 ns/ 格时的最佳情况 ) 便能采集足够的样本, 达到六西格玛分辨率 图 6 显示了对 100 万个波形进行的测试 ( 时间短于 4 秒 ), 其测试分辨率为 6.2 西格玛 Agilent InfiniiVision 示波器还拥有另一个优势 : 与同类示波器相比, 具有更低的固有垂直噪声 这一点很重要, 因为较低的噪声会影响模板测试的质量和精度 垂直噪声可能导致信号所有区域内的随机噪声增加 ( 尖峰信号 ), 包括触发定时问题 保持不变的触发点可以有效地防止波形的抖动和漂移 如果由于噪声和 / 或触发抖动, 信号漂移出模板限制, 模板测试将会把示波器引入的误差分量视为异常波形, 从而破坏测试结果 低本底噪声是达到六西格玛测试的精度和可靠性的必要条件 Agilent InfiniiVision 示波器专为提供市场上最佳的信号可视性而设计 借助 1,000,000 个波形 / 秒的更新速率, InfiniiVision 3000 X 系列示波器具有更少的死区时间, 因此能够捕获其他示波器可能错过的信号异常 InfiniiVision 3000 X 系列示波器能够执行基于硬件的模板测试, 速度高达 280,000 个波形 / 秒 图 6: 使用具有 1,000,000 个波形 / 秒更新速率的 InfiniiVision 示波器, 仅需几秒钟即可完成分辨率为 6.2 σ 的模板测试 6

7 总结 安捷伦不仅提供市场上速度最快的低噪声模板测试性能, 而且用于 InfiniiVision 示波器的模板测试应用软件还拥有多种功能, 可用来定制测试程序 您可以将模板测试设置为在指定时间内运行, 直到测试达到指定的测试数量, 或者达到某一特定的过程西格玛阈值 InfiniiVision 示波器还可以为您提供以下选择 : 出现异常信号时继续运行 出现异常信号时停止运行或出现异常信号时保存数据 例如, 如果模板测试的目的是为了确保六西格玛效率, 您可以将示波器设置为一直运行, 直到过程西格玛品质因数达到 6 时停止 但这种情况只在大约 294,117 个波形已测试完成后才会出现 如果在测试期间出现异常信号, 波形就会自动停止或保存, 以备稍后进行查看和分析 示波器的这种能力可以确保产品质量在 1.1 秒内达到六西格玛标准, 从而节省研发人员和制造人员的时间和精力 在研发过程中, 工程师可以通过大量的波形重复来测试开发的信号 可以测试的波形越多, 他们对设计的正确性越有信心 在制造过程中, 工程师必须测试信号, 以确保客户不会收到有缺陷的设备 模板测试使工程师能够在研发实验室中花费更少的时间来确保信号的稳定性, 在制造探测方面花费更少的时间来确保信号的可靠性 公司可以节省工时, 然后进行新的盈利投资, 例如新产品设计 同时, 随着公司生产出高质量的产品, 并将其快速投放市场, 客户的满意度也会增加 相关文献 出版物标题出版物类型出版物编号 Mask Test for InfiniiVision Series Oscilloscopes 技术资料 EN InfiniiVision 2000 X-Series Oscilloscopes 技术资料 EN InfiniiVision 3000 X-Series Oscilloscopes 技术资料 EN InfiniiVision 7000 Series Oscilloscopes 技术资料 EN Evaluating Oscilloscopes for Best Waveform Update Rates 应用指南 EN 安捷伦示波器 20 MHz 至 >90 GHz 的多种外形形式 业界领先的技术指标 功能强大的应用软件 7

8 欢迎订阅免费的 根据您的选择即时呈送的产品和应用软件新闻 AdvancedTCA Extensions for Instrumentation and Test (AXIe) 是基于 AdvancedTCA 标准的一种开放标准, 将 AdvancedTCA 标准扩展到通用测试和半导体测试领域 安捷伦是 AXIe 联盟的创始成员 局域网扩展仪器 (LXI) 将以太网和 Web 网络的强大优势引入测试系统中 安捷伦是 LXI 联盟的创始成员 PCI 扩展仪器 (PXI) 模块化仪器提供坚固耐用 基于 PC 的高性能测量与自动化系统 安捷伦渠道合作伙伴 黄金搭档 : 安捷伦的专业测量技术和丰富产品与渠道合作伙伴的便捷供货渠道完美组合 安捷伦优势服务旨在确保设备在整个生命周期内保持最佳状态, 为您的成功奠定基础 我们提供测量与服务方面的专业经验, 支持您设计创新产品 我们不断投资开发新的工具和流程, 努力提高校准和维修效率, 降低拥有成本, 为您的开发工作铺平道路, 让您保持卓越的竞争力 请通过 Internet 电话 传真得到测试和测量帮助 热线电话 : 热线传真 : 安捷伦科技 ( 中国 ) 有限公司地址 : 北京市朝阳区望京北路 3 号电话 : (010) 传真 : (010) 邮编 : 上海分公司地址 : 上海张江高科技园区碧波路 690 号 4 号楼 1-3 层电话 : (021) 传真 : (021) 邮编 : 广州分公司地址 : 广州市天河北路 233 号中信广场 66 层 室电话 : (020) 传真 : (020) 邮编 : 成都分公司地址 : 成都高新区南部园区拓新西一街 116 号电话 : (028) 传真 : (028) 邮编 : 深圳分公司地址 : 深圳市福田中心区福华一路六号免税商务大厦 3 楼电话 : (0755) 传真 : (0755) 邮编 : 西安分公司地址 : 西安市碑林区南关正街 88 号长安国际大厦 D 座 5/F 电话 : (029) 传真 : (029) 邮编 : 安捷伦科技香港有限公司地址 : 香港太古城英皇道 1111 号太古城中心 1 座 24 楼电话 : (852) 传真 : (852) 香港热线 : 香港传真 : (852) tm_asia@agilent.com 本文中的产品指标和说明可不经通知而更改 Agilent Technologies, Inc 出版号 : CHCN 2011 年 5 月印于北京

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