In-Circuit-Testing (ICT) pode ser definido como um sistema de validação de PCBs de forma a verificar montagem correta dos componentes, por presença ou por valor, curtos e ou trilhas em aberto, garantindo a correta fabricação da placa. Os principais desafios dos sistemas de teste in-circuit são a velocidade, custo eficácia, precisão, repetibilidade e o paralelismo, tanto dos Devices Under Test (Dispositivo sob teste - DUT) quanto dos componentes nas placas.
"Os principais desafios dos sistemas de teste in-circuit são a velocidade, custo eficácia, precisão, repetibilidade e o paralelismo, tanto dos Devices Under Test (Dispositivo sob teste - DUT) quanto dos componentes nas placas. "
Principais componentes do In-Circuit
O sistema mínimo para realização dos testes ICTs consistem em: Fixture, sistema de medição e sistemas de Comutação.
Fixture
Os Fixtures são dispositivos usados para testar consistentemente os DUTs, no caso do ICT são compostos por uma cama de agulhas que vão gerar contato com os pontos de teste de uma PCB, permitindo a realização de medições, por isso o nome de "bed of nails tester" (testador de cama de "pregos"/agulhas em inglês).
O principio de funcionamento pode ser explicado de forma bastante simples: ao se abaixar a tampa o sistema é travado e, geralmente, o fixture é comandado a descer as agulhas, processo denominado "engage".
Os contatos elétricos realizados pelos pontos de teste são conectados a um sistema de medição, podendo este ser uma placa de aquisição analógica ou uma DMM - Digital Multimeter. De forma geral o sistema irá validar a montagem dos componentes, medindo os valores nominais (dentro de uma determinada tolerância) ou por presença em casos em que a malha não permite que seja realizada a medição. Não raro, alguns ICTs, após a medição dos componentes passivamente, ou seja, com a placa não alimentada, performa medições funcionais, com a placa ligada, principalmente em casos que o custo de encapsulamento da peça é alto e detectar uma falha funcional apenas após a montagem pode representar um custo muito grande.
Pontos de Teste - Também conhecidos como Test Points
Pontos de teste são "locais" dentro das PCBs que são usados para permitir o "acesso elétrico" a placa de forma que sinais possam ser medidos e/ou injetados na placa como mostram as imagens abaixo.
Usando os Test Points
Após o processo de "engage" ser realizado e as agulhas entrarem em contato com a PCBs agulhas de teste serão usadas no seguinte formato:
O princípio é o mesmo de um multímetro, o sistema vai medir de forma direta a resistência entre o Test point high e test point low. Entretanto, em PCBs reais a medição não vai ser tão fácil assim de simplesmente realizar a medida apontando dois pontos devido a influência dos outros componentes da placa, criando a necessidade de se utilizar estratégias complementares, como os Test Guards.
Os guards vão gerar corrente elétrica nos terminais periféricos aos TPs selecionados para medição.
Abaixo pode se ver um exemplo real com uma placa DMM e uma DMM-Guard da NI (antiga National Instruments):
Na imagem acima tempos R1 sendo medido e o sistema de guard "bloqueando o vazamento" de corrente por R2 e R3.
Analisando outro cenário, para realizar a medição do capacitor C1 utilizaríamos o TP2 e o TP4, contudo, os resistores R4 e R2 vão interferir diretamente na medição. Sendo assim, usamos o TP3 e o TP1 como guards, ou seja, aplicamos uma corrente nesses pontos de forma que a corrente do capacitor C1 não "escorra" para os outros componentes.
O mesmo princípio se aplicaria para realizar a medição de outros componentes em qualquer sistema do gênero.
Agora se observarmos os resistores R1 e R2 mesmo utilizando os guards não conseguiremos impedir o "vazamento" de corrente, nesses casos como proceder?
Existe uma alternativa relativamente simples: retirar o componente e observar a medição e verificar o efeito na medição em comparação com a medição antes do componente ser retirado, o que ocorre entre os TP2 e TP3 com TP1 de guard quando R2 é retirado do sistema? Vamos supor dois cenários:
Cenário 1:
Vamos supor que medida antes da remoção de R2 era de 2kOhms e após a remoção e medida passou a ser de 1kOhms, isso significa que podemos atestar a presença de R2 por valor.
Cenário 2:
Após a remoção de R2, o sistema mede uma resistência infinita. Isso significa que precisaremos estudar qual o comportamento da PCB com R2 e sem R1. Provavelmente num cenário como esse a falta de R1 ou de R2 acusaria uma falha, sendo assim podemos considerar a medição dele em conjunto, num passo de teste que avalia a presença dos dois componentes.
Medição e Comutação
Praticamente nenhum sistema de medição terá uma densidade de canais suficientes para realizar a medição de dezenas de componentes, sendo assim a solução é a utilização de sistemas de matrizes:
Matrizes de relê, como o próprio nome sugere, são um conjunto de reles organizados de tal forma a te permitir comutar os sinais entre sua PCB e seu sistema de medição, por exemplo, a sua DMM ou sua placa analógica. A densidade de canais vai ser definida pela quantidade de linhas e de colunas de uma placa, e os tipos de reles utilizados tem uma influência direta na velocidade de abertura e fechamento dos sinais, ou seja, da comutação entre eles intervindo diretamente na agilidade das medições do seu sistema.
Na imagem abaixo podemos ver a topologia de uma matriz de rele:
Padrão ouro, precisão e acurácia
Dado ao fato de que em um sistema real as medições dos componentes dificilmente serão os valores nominais, durante o processo de desenvolvimento das especificações de teste uma placa previamente validada em laboratório onde a montagem e o funcionamento foram validados de forma empírica será o "padrão ouro", ou seja, o padrão que as demais peças precisam seguir. Por exemplo, dado um resistor de valor nominal 1kOhms com tolerância de 10% que teve medida empírica de 700Ohms quando montada na PCB, qual valor deve ser considerado para o teste?
Para cenários como esse a estratégia de Offset é usada. Uma vez que se sabe, empiricamente, que a montagem está correta no pós processamento da medida ela pode ser centralizada através de uma adição ou subtração do valor faltante para centralizar a medida. Exemplos:
Valor nominal 10kOhms com um valor medido empiricamente na PCB montada de 10,5kOhms, teremos um offset de 0,5kOhms
Valor nominal de 100kOhms com um valor medido empiricamente na PCB montada de 102kOhms, teremos um offset de -2kOhms.
Valor nominal de 500Ohms com um valor medido empiricamente na PCB montada de 380kOhms, teremos um offset de 120Ohms.
Porém o uso dos offsets não garante repetibilidade de medidas, por exemplo, a peça do exemplo 1 acima num DUT pode medir 10,05kOhms e num outro DUT medir 9,01kOhms, considerando que mesmo que ambos estejam dentro da tolerância para parâmetros de qualidade essas medidas estão longe de estarem precisas, apesar de estarem dentro da tolerância. Esse conceito pode ser observado na imagem abaixo:
E um bom sistema de teste precisa ser preciso e acurado. Um maneira de centralizar essas medidas se dá por meio da repetição dos testes, ou seja, na hora de realizar um único componente ao invés de medi-lo apenas uma única vez, você pode realizar diversas medidas e realizar uma média de forma que o testador seja preciso e acurado.
Vamos considerar um testador realizando a medição de um capacitor de 10nF. Os TPs de teste e os guards foram corretamente selecionados e o offset devidamente calculado. Agora considere que para garantir precisão utilizaremos 5 medidas:
Medida 1 | Medida 2 | Medida 3 | Medida 4 | Medida 5 |
9,9nF | 10,2nF | 10,1nF | 9,8nF | 10,1nF |
O resultado a ser analisado pelo sistema de teste será o valor médio dessas 5 medidas acima, ou seja, 10,02nF, deixando assim a medida mais acurada e mais precisa.
Outro fator importante que irá interferir na medida é o tempo, assim como quando usamos o multímetro de bancada para medir um componente leva um tempo para que o mesmo estabilize, ou seja, o mesmo se aplica aos testadores do tipo ICT com tempo típicos em torno de 5-10ms por repetição de medida. A direção dos TPs High e Low influenciam no tempo de estabilidade. Sendo assim durante a validação do padrão ouro de uma placa PCB precisa-se estabelecer:
As direções dos TPs High e Low, e a posição dos TP Guards
Offset - caso necessário
Repetição e tempo entre as repetições
Para alcançar acurácia, precisão e repetibilidade todos os fatores acimas precisam ser combinados em seu ponto ótimo e não necessariamente serem maximizados sempre que possível. Nos próximos capítulos de nossa séria sobre testes automatizados trataremos dos fatores de analise de qualidade, os MSAs.
Você sabia que a Blue Eyes Systems oferece um sistema de teste universal para sistemas In-Circuit ? Confira no link abaixo:
Referências Bibliográficas:
[01] L. S. Milor, "A tutorial introduction to research on analog and mixed-signal circuit testing," in IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, vol. 45, no. 10, pp. 1389-1407, Oct. 1998, doi: 10.1109/82.728852.
[02] Bateson, John. In-Circuit Testing. 1.ed. Springer, 1985
[03] National Instruments Corporation, Developing Test Programs with TestStandᵀᴹ Course Manual, Austin, Texas, 2017.
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