電子測量?jì)x器及自動(dòng)測試系統的新概念和新趨勢

進(jìn)入21 世紀以來(lái)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已難以用日新月異來(lái)描述。新工藝、新材料、新的制造技術(shù)催生了新的一代電子元器件，同時(shí)也促使電子測量技術(shù)和電子測量?jì)x器產(chǎn)生了新概念和新發(fā)展趨勢。本文擬從現代電子測量?jì)x器發(fā)展的三個(gè)明顯特點(diǎn)入手，進(jìn)而介紹下一代自動(dòng)測試系統的概念和基本技術(shù)，引入合成儀器的概念，以供讀者參考。

現代電子測量?jì)x器的發(fā)展趨勢

　　儀器性能更加優(yōu)異

　　儀器的性能更加優(yōu)異，測量功能更加強大，儀器的測量精度，測試靈敏度，測量的動(dòng)態(tài)范圍等都達到了前所未有的高度。例如，Agilent 公司的PSA 頻譜分析儀的測量靈敏度高達—169dBm(接近物理界熱噪聲—174dBm) ， PNA 網(wǎng)絡(luò )分析儀的動(dòng)態(tài)范圍高達143dB ， Agilent 83453A 高分辨率分光計分辨帶寬=0.0001nm(亞皮米) (突破皮米分辨帶寬的壁壘) ，Agilent 86107A 精密時(shí)基參考模塊，對小于100ns 的時(shí)延，抖動(dòng)為1.7ps RMS( 突破皮秒抖動(dòng)瓶頸) ，DSO80000系列的示波
器， 其單一A/D 芯片具有20GSa/s 實(shí)時(shí)高采樣率，使之成為世界上采樣率最快的示波器(40GSa/s 實(shí)時(shí)采樣率，13GHz 帶寬) 。另外，更多強大的測量功能被賦予單臺儀表中，如Agilent 公司的8960系列無(wú)線(xiàn)綜合測試儀(集移動(dòng)手機和基站的射頻測試與協(xié)議測試于一身) ； ESG/PSG矢量信號源可以靈活產(chǎn)生包括連續波/調幅/調頻/調相/脈沖調制，全制式通信協(xié)議( GSM/EDGE/WCDMA/TD2SCDMA/CDMAOne/CDMA2000/CDMA20001X2EV/藍牙/WLAN/PHS/PDC/NADC/DECT/TETRA等) ，任意波形及用于今后的其他信號；MSO 混合信號示波器(2/4 個(gè)模擬測量通道+16 個(gè)邏輯分析通道) 使單臺儀器同時(shí)具備示波器和邏輯分析儀的功能； Infiniium示波器內裝VSA 矢量信號分析軟件后也成為世界上測量分析帶寬最寬的矢量信號分析儀。

　　儀器與計算機融為一體

　　儀器和計算機技術(shù)的前所未有的融合。首先，越來(lái)越多的儀器選用以Windows 軟件和Intel 芯片為平臺，采用Windows GUI 和基于軍用標準的軟件，用Windows 軟件代替儀器內部操作軟件，并易于與MS辦公室應用軟件連接，充分發(fā)揮其效能，如Agilent公司的儀器可用Word 語(yǔ)言捕獲屏幕圖像，用Excel語(yǔ)言繪制的波形數據，用Excel 語(yǔ)言捕獲測量數據，易于自由地從互聯(lián)網(wǎng)下載和升級最新的軟件版本，利用Windows Help 提高了儀器操作學(xué)習的方便性；同時(shí)，觸摸屏被廣泛利用，話(huà)音控制可解決雙手同時(shí)被占用時(shí)操作儀器的問(wèn)題，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制儀器操作，并用基于MS Windows 和MS Visual Studio 實(shí)現測試自動(dòng)化；另外，儀器內部的VBA 軟件可有效地幫助實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程中的測試自動(dòng)化

　　其次，由于計算機技術(shù)被大量應用到儀器之中，使得儀器具備了更加先進(jìn)的連通性，如Agilent 公司的儀器大都具備采用了USB 接口，LAN 接口，GPIB 接口。同時(shí)，也安裝了標準光標指示器(鼠標、跟蹤球、觸摸鍵、操縱桿等)和其他部件(鍵盤(pán)、CD RW 驅動(dòng)器、直接連結打印機的并行接口，用于外部監視器的VGA 輸出，內部硬盤(pán)驅動(dòng)器等) 。特別值得一提的是，在軍工等特殊行業(yè)，測試數據的安全性和保密性要求格外重要，為此，Agilent 公司在儀器上設計了可卸出的硬盤(pán)(如PNA 矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀和Infiniium 示波器) ，使工作人員在實(shí)驗室完成測試任務(wù)后，卸出硬盤(pán)，單獨運輸儀器至測試現場(chǎng)(如戰地) ，再由操作人員取出隨身攜帶的硬盤(pán)裝入儀器，再進(jìn)行現場(chǎng)測量，從而保證了數據的安全性和保密性。

　　測試及仿真軟件在儀器中廣泛應用

　　隨著(zhù)計算機的運算速度和處理數據能力的不斷增加，及計算機仿真技術(shù)的廣泛應用，儀器的硬件和測試軟件及仿真軟件的結合越來(lái)越緊密。首先，硬件的模塊化設計，使得通過(guò)不同的硬件模塊組合配以不同的軟件，從而形成不同功能的儀器和不同的測試解決方案，如Agilent 公司的DAC-J 寬帶示波器86100C ，通過(guò)插入不同的模塊并配以不同軟件，該儀器可成為抖動(dòng)分析儀，寬帶示波器，數字通信分析儀，時(shí)域反射分析儀；此外，VXI 結構的測試儀器更加充分地解釋了模塊化結構儀器的靈活配置和應用。

　　其次，軟件無(wú)線(xiàn)電的概念已有了全新的解釋和現實(shí)的應用，Agilent 公司的89601A 矢量分析軟件是實(shí)現這一理念的最好例證，它利用計算機強大的數學(xué)運算和數據處理能力將大量的數字信號處理功能和數據分析功能充分展現在計算機軟件之中，通過(guò)與不同的數據采集前端(如VXI 結構的矢量信號分析儀，頻譜分析儀， Infiniium 數字示波器) 相結合，組合出不同功能的矢量信號分析儀。

　同時(shí)，其捕獲的信號和數據分析的結果可以作為EDA 仿真軟件(如Agilent 公司的ADS 高級設計仿真軟件) 的數據輸入來(lái)源，用于驅動(dòng)ADS 高級設計仿真軟件進(jìn)行部件及系統級仿真；并且，ADS 高級設計仿真軟件的仿真結果可送入Agilent 公司的ESG/PSG矢量信號源產(chǎn)生出信號通過(guò)VSA 矢量信號分析儀的捕獲和分析，反過(guò)來(lái)可進(jìn)行產(chǎn)品設計與真實(shí)產(chǎn)品之間的數據驗證，即實(shí)現設計、仿真、測量和驗證的有機結合。以Agilent ADS 高級設計仿真軟件為代表的EDA 軟件，通過(guò)與Agilent 公司測試儀器(包括:頻譜分析儀，網(wǎng)絡(luò )分析儀，信號源，示波器，邏輯分析儀等) 的動(dòng)態(tài)鏈接，從而實(shí)現了測量域與仿真域的有機結合，在設計、仿真和驗證之間架起了橋梁，從而加速設計，提高設計質(zhì)量，完善系統及部件的半實(shí)物仿真手段，達到迅速拓展滿(mǎn)足需要的測量解決方案的目的。

　　自動(dòng)測試系統的發(fā)展歷史和現狀

　　隨著(zhù)測量?jì)x器功能的不斷提高和完善，
與其相關(guān)的自動(dòng)測試系統(特別是軍用ATS 測試系統) 的組建與發(fā)展也經(jīng)歷了從臺式儀器ATS 系統到卡式儀器ATS 系統，從卡式儀器ATS 系統到卡式儀器與臺式儀器混合的ATS 系統的發(fā)展過(guò)程。到目前為止，VXI 結構的儀器(主要對于大通道數的數字信號測量) 與GPIB 標準的臺式儀器(主要對于性能要求嚴格的射頻/微波信號測量) 相結合組建ATS 測試系統已成為軍用ATS 測試系統普遍遵從的主流原則和典范。這與以美國為代表的軍工用戶(hù)在90年代提倡的采用COTS(Commercial Off-the-Shelf) 流行商用儀器來(lái)構建軍用ATS 測試系統有很大關(guān)系，它可以極大地降低整個(gè)測試系統的組建、開(kāi)發(fā)、維護、替換和升級的成本。

　　但是，由于軍工行業(yè)系統研制周期和認證周期相對較長(cháng)，系統維護和需要支持的周期通常在10年至20年，而民用科技的發(fā)展日新月異，流行商用儀器的更新速度越來(lái)越快，一些COTS產(chǎn)品在軍工行業(yè)被大規模全面使用之前就已廢型和停產(chǎn)，對于已定型的測試系統的維護和支持成為軍工客戶(hù)面臨的最大問(wèn)題，特別是那些基于特定硬件而開(kāi)發(fā)的測試軟件(TPS) 的維護、支持和更新更是面臨巨大的挑戰。這一點(diǎn)在中國的客戶(hù)群中也遇到了同樣的問(wèn)題。如何實(shí)現硬件的可互換性和軟件的可互操作性成為保證整個(gè)系統生命力和生命周期的關(guān)鍵。與此同時(shí)，軍用ATS 測試系統還要滿(mǎn)足其可靠性、機動(dòng)性和靈活性的要求，并盡可能地降低開(kāi)發(fā)、維護的成本，節省人力資源，改進(jìn)硬件的現場(chǎng)替換效率和維修中心替換效率，改進(jìn)武器系統快速應對地區乃至全球支持的戰略要求。

　　下一代的自動(dòng)測試系統

　　下一代測試技術(shù)及測試系統的標準

　　以美國為首的用戶(hù)和儀器廠(chǎng)商近一年以來(lái)提出了一種新的測試儀器理念和技術(shù)以解決COTS 儀器帶來(lái)的問(wèn)題，并同時(shí)滿(mǎn)足未來(lái)測試系統的發(fā)展要求。該技術(shù)稱(chēng)之為NxTest ，它就是基于LAN 的模塊化合成儀器(Synthetic Instrument) 。安捷倫科技公司和VXI Technology 公司于2004年9 月為自動(dòng)測試系統推出基于LAN 的下一代模塊化平臺標準化- LXI。

　　LXI (儀器的LAN 擴展) 不僅提供了機架和堆疊式儀器的嵌入式測量技術(shù)和PC 標準I/O 連接能力，還實(shí)現了基于插卡式儀器的系統的模塊化特點(diǎn)并減小了體積。對于為航空/國防、汽車(chē)、工業(yè)、醫療和消費電子市場(chǎng)開(kāi)發(fā)電子產(chǎn)品的研發(fā)和制造工程師來(lái)說(shuō)，LXI 緊湊靈活的封裝、高速輸入/輸出和可靠的測量功能有效地滿(mǎn)足了他們的需求。VXI 總線(xiàn)為所有高密度高速度應用提供了理想的標準，LXI 則同時(shí)融合了VXI 和以太網(wǎng)的優(yōu)勢，為用戶(hù)提供了一個(gè)良好的高性能儀器平臺，滿(mǎn)足VXI 通常沒(méi)有滿(mǎn)足的應用需求。LXI 基于LAN 的結構為例，為在航空和國防行業(yè)中長(cháng)壽命儀器的實(shí)現奠定了基礎。LXI 沒(méi)有帶寬、軟件或計算機底板結構限制。它可以利用日益提高的以太網(wǎng)吞吐量，為面臨下一代自動(dòng)測試系統挑戰的工程師提供理想的解決方案。

　　LXI 標準將由LXI 協(xié)會(huì )負責管理。LXI 協(xié)會(huì )是一家由主要測試測量公司組成的非營(yíng)利機構。該集團的目標是開(kāi)發(fā)、支持和推廣LXI 標準。安捷倫科技公司和VXI Technology 公司利用其擁有悠久歷史的模塊化儀器設計，推出LXI 平臺，這是測試系統使用的開(kāi)放式標準儀器發(fā)展中必然的可行一步。由于幾乎每臺電腦中都內置了以太網(wǎng)(LAN) ，以太網(wǎng)已經(jīng)成為業(yè)界廣泛認同的通信接口�；ヂ�(lián)網(wǎng)硬件價(jià)格正不斷下降，速度正不斷提高，局域網(wǎng)提供了其它點(diǎn)到點(diǎn)接口標準中沒(méi)有提供的對等通信。測試和測量工程師日益認識到使用高速局域網(wǎng)替代專(zhuān)有測試測量接口(如GPIB) 的好處，業(yè)內需要更低成本、更高帶寬和更快的數據傳送速率，這給專(zhuān)有測試測量接口提出了挑戰。


　　LXI 測試測量模塊是為用于設計檢驗或制造測試系統而優(yōu)化的。連接局域網(wǎng)的能力使得各模塊可以裝在世界上任何地方，并從世界上任何地方訪(fǎng)問(wèn)模塊。與采用昂貴電源、底板、控制器和MXI 卡和電纜的模塊化組件不同，LXI 模塊自帶處理器、局域網(wǎng)連接、電源和觸發(fā)輸入。LXI 模塊可以采用全寬或半寬，高度為一個(gè)機架單位或兩個(gè)機架單位，實(shí)現了非常簡(jiǎn)便的混配功能。信號輸入和輸出位于正面，局域網(wǎng)和輸入交流電源則位于每個(gè)LXI 模塊的背面。LXI 模塊由計算機控制， 不要求傳統機架和堆疊式儀器配備的顯示器、按鈕和撥號裝置。LXI模塊采用標準網(wǎng)絡(luò )瀏覽器診斷問(wèn)題，使用IVI-COM驅動(dòng)程序進(jìn)行通信，簡(jiǎn)化了系統集成。

　　LXI 儀器的特點(diǎn)

　　 LXI 儀器具備了以下五大特點(diǎn)：

　　(1) 開(kāi)放式工業(yè)標準

　　LAN 和AC 電源是業(yè)界最穩定和生命周期最長(cháng)的開(kāi)放式工業(yè)標準，也由于其開(kāi)發(fā)成本低廉，使得各廠(chǎng)商很容易將現有的儀器產(chǎn)品移植到該LAN-Based儀器平臺
上來(lái)。

　　(2) 向后兼容性

　　因為L(cháng)AN-Based 模塊只占1/2 的標準機柜寬度，體積上比可擴展式(VXI/PXI) 儀器更小。同時(shí)，升級現有的ATS 不需重新配置，并允許擴展為大型卡式儀器(VXI/PXI) 系統。

　　(3) 成本低廉

　　在滿(mǎn)足軍用和民用客戶(hù)要求的同時(shí)，保有現存臺式儀器的核心技術(shù)， 結合最新科技， 保證新的LAN-based 模塊的成本低于相應的臺式儀器和VXI/PXI 儀器。

　　(4) 互操作性

　　作為合成儀器(Synthetic Instruments) 模塊，只需30～40種左右的通用模塊即可解決軍用客戶(hù)的主要測試需求。如此相對較少的模塊種類(lèi)，可以高效且靈活地組合成面向目標服務(wù)的各種測試單元，從而徹底降低ATS 系統的體積，提高系統的機動(dòng)性和靈活性。

　　(5) 新技術(shù)及時(shí)方便的引入

　　由于這些模塊具備完備的I/O 定義文檔(由軍標定義) ，所以，模塊和系統的升級僅需核實(shí)新技術(shù)是否涵蓋其替代產(chǎn)品的全部功能。如此看來(lái)，合成儀器(Synthetic Systems) 將實(shí)現下述五大目標: ①非常長(cháng)的產(chǎn)品和系統支持周期，應用軟件將不再依賴(lài)于特定的硬件。②很小的系統體積，儀器不包含多余的顯示、輸入和其它美學(xué)設計部分。③應用清晰明確，儀器界面一致，升級快捷方便。④系統生命周期與產(chǎn)品生命周期保持一致。⑤供應商獨立，測量硬件與測量技術(shù)沒(méi)有直接聯(lián)系。

　　展望未來(lái)

　　綜上所述，21 世紀的電子測量?jì)x器隨著(zhù)芯片技術(shù)和DSP 技術(shù)的發(fā)展將達到前所未有的高性能，隨著(zhù)計算機技術(shù)與儀器的進(jìn)一步融合， 儀器的易操作性，易升級性，測量能力，數據處理和分析能力，都得到了大幅度提高。與此同時(shí)，軟件無(wú)線(xiàn)電正越來(lái)越多地被應用到各個(gè)領(lǐng)域， 仿真技術(shù)將為用戶(hù)的設計和驗證提供了更加強大和方便的工具。自動(dòng)測試系統經(jīng)歷了從GPIB 系統到VXI 系統，從VXI 系統到VXI 與GPIB 混合系統的發(fā)展歷程， 越來(lái)越多的軍工用戶(hù)希望擁有一種長(cháng)壽命且高性能的系統標準體系來(lái)承擔日益復雜的測試壓力和維護成本的壓力，面對未來(lái)的挑戰，LXI 儀器將在繼承現有測試技術(shù)的基礎之上，為下一代測試技術(shù)和測試儀器，特別是ATS 測試系統的革新帶來(lái)新的希望。