電子測量儀器和自動測試系統(tǒng)的新概念和趨勢

前言

進入21世紀以來，科學技術的發(fā)展已經(jīng)難以用飛速的變化來形容。新工藝、新材料、新制造技術催生了新一代電子元器件，同時也催生了電子測量技術和電子測量儀器的新概念和新發(fā)展趨勢。本文擬從現(xiàn)代電子測量儀器發(fā)展的三個明顯特征入手，介紹下一代自動測試系統(tǒng)的概念和基本技術，并介紹合成儀器的概念，供讀者參考。

現(xiàn)代電子測量儀器的發(fā)展趨勢

更好的儀器性能

儀器性能更加優(yōu)異，測量功能更加強大，儀器的測量精度、測試靈敏度、測量動態(tài)范圍等都達到了前所未有的高度。例如，安捷倫PSA頻譜分析儀的測量靈敏度高達-169dBm（接近物理世界的熱噪聲-174dBm），PNA網(wǎng)絡分析儀的動態(tài)范圍高達143dB，分辨率帶寬為Agilent 83453A高分辨率光譜儀=0. 0001nm（亞皮米）（突破皮米分辨率帶寬壁壘），Agilent 86107A精密時基參考模塊，延遲小于100ns，抖動1.@ >7ps RMS（突破皮秒抖動瓶頸），DSO80000系列示波器

其單片A/D芯片具有20GSa/s的實時高采樣率，使其成為世界上最快的采樣示波器（40GSa/s實時采樣率，13GHz帶寬）。此外，賦予單臺儀器更強大的測量功能，如Agilent 8960系列無線綜合測試儀（集成手機和基站射頻測試和協(xié)議測試）；ESG/PSG矢量信號源可靈活生成 包括連續(xù)波/調幅/調頻/相位調制/脈沖調制，全標準通信協(xié)議（GSM/EDGE/WCDMA/TD2SCDMA/CDMAOne/CDMA2000/CDMA20001X2EV/Bluetooth/WLAN/PHS /PDC/NADC/DECT/TETRA 等），未來使用的任何波形和其他信號；MSO混合信號示波器（2/4模擬測量通道+16邏輯分析通道）使單臺儀器同時具備示波器和邏輯分析儀的功能；Infiniium 示波器配備了 VSA 矢量信號分析軟件，后來成為世界上測量分析帶寬最寬的矢量信號分析儀。

儀表與計算機一體化

儀器和計算機技術的前所未有的整合。首先，越來越多的儀器使用Windows軟件和Intel芯片為平臺，使用Windows GUI和軍用標準軟件，將儀器內部操作軟件替換為Windows軟件，并且易于與MS辦公應用軟件連接，充分發(fā)揮其功效。例如，安捷倫的儀器可用于捕獲Word語言的屏幕圖像、Excel語言繪制的波形數(shù)據(jù)以及Excel語言捕獲的測量數(shù)據(jù)。很容易從互聯(lián)網(wǎng)上免費下載和升級最新的軟件版本。使用Windows Help提高儀器操作學習的便利性；同時，觸摸屏應用廣泛自動測量設備，語音控制可以解決雙手同時占用操作儀器的問題。儀器操作通過網(wǎng)絡控制，測試自動化通過MS Windows和MS Visual Studio實現(xiàn)。此外，可以使用儀器內部的VBA軟件有效幫助實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的測試自動化

其次，由于計算機技術在儀器上的廣泛應用，使儀器具有更先進的連接性。例如，安捷倫的大部分儀器都配備了USB接口、LAN接口和GPIB接口。同時，標準光標指示器（鼠標、軌跡球、觸摸鍵、操縱桿等）和其他組件（鍵盤、CD RW 驅動器、直接連接打印機的并行接口、用于外接顯示器的 VGA 輸出、內置硬盤）安裝）驅動器等）。特別值得一提的是，在軍工等特殊行業(yè)，測試數(shù)據(jù)的安全保密要求尤為重要。為此，安捷倫在儀器（如 PNA 矢量網(wǎng)絡分析儀和 Infiniium 示波器）上設計了可移動硬盤。),

測試和仿真軟件廣泛應用于儀器儀表

隨著計算機計算速度和數(shù)據(jù)處理能力的不斷提高，以及計算機仿真技術的廣泛應用，儀器硬件、測試軟件和仿真軟件的結合越來越緊密。首先，硬件的模塊化設計，可以讓不同的硬件模塊與不同的軟件結合，形成不同功能、不同測試方案的儀器，比如安捷倫的DAC-J寬帶示波器86100C，通過插入不同的模塊，配備不同的軟件，儀器可成為抖動分析儀、寬帶示波器、數(shù)字通信分析儀、時域反射分析儀；此外，

其次，軟件無線電的概念有了全新的詮釋和實際應用。Agilent 89601A 矢量分析軟件是實現(xiàn)這一概念的最好例子。它利用計算機強大的數(shù)學運算和數(shù)據(jù)處理能力來轉換大量的數(shù)字信號。處理功能和數(shù)據(jù)分析功能在計算機軟件中得到充分展現(xiàn)，結合不同的數(shù)據(jù)采集前端（如VXI結構矢量信號分析儀、頻譜分析儀、Infiniium數(shù)字示波器）自動測量設備，將矢量信號分析與不同功能的儀器相結合。

同時，捕獲的信號和數(shù)據(jù)分析結果可作為EDA仿真軟件（如安捷倫的ADS高級設計仿真軟件）的數(shù)據(jù)輸入源，驅動ADS高級設計仿真軟件進行元器件級和系統(tǒng)級仿真；并且，ADS 可以將高級設計仿真軟件的仿真結果發(fā)送到安捷倫的 ESG/PSG 矢量信號源，生成由 VSA 矢量信號分析儀捕獲和分析的信號。反過來，可以進行產(chǎn)品設計和實際產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)驗證。設計、仿真、測量和驗證的有機結合。以安捷倫ADS高級設計仿真軟件為代表的EDA軟件，通過與安捷倫的測試設備（包括：頻譜分析儀、網(wǎng)絡分析儀、信號源、

自動測試系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

隨著測量儀器功能的不斷改進和完善，

相關自動化測試系統(tǒng)（尤其是軍用ATS測試系統(tǒng)）的建立和發(fā)展也經(jīng)歷了從臺式儀器ATS系統(tǒng)到卡式儀器ATS系統(tǒng)，從卡式儀器ATS系統(tǒng)到卡式儀器和臺式儀器混合ATS系統(tǒng)的發(fā)展過程。至此，VXI結構的儀器（主要針對大通道數(shù)字信號測量）和GPIB標準臺式儀器（主要針對射頻/微波信號測量的嚴格性能要求）組合形成ATS測試系統(tǒng)，已成為軍用ATS測試系統(tǒng)一般遵循主流原則和模型。這與1990年代以美國為代表的軍事用戶所倡導的使用COTS（Commercial Off-the-Shelf）流行的商業(yè)儀器構建軍用ATS測試系統(tǒng)有很大關系?？梢源蟠鬁p少整個測試系統(tǒng)的形成和開發(fā)。、維護、更換和升級費用。

但是，由于軍工行業(yè)的系統(tǒng)開發(fā)周期和認證周期比較長，系統(tǒng)維護和支持的周期通常為10到20年，民用技術的發(fā)展日新月異。流行的商用儀器的更新速度越來越快。一些COTS產(chǎn)品在完全用于軍工工業(yè)之前就被報廢和停產(chǎn)。最終確定的測試系統(tǒng)的維護和支持已成為軍事客戶面臨的最大問題，尤其是基于特定硬件開發(fā)的測試軟件（TPS）。維護、支持和更新更具挑戰(zhàn)性。這一點在中國客戶群中也遇到了同樣的問題。如何實現(xiàn)硬件的互換性和軟件的互操作性，成為保證整個系統(tǒng)生命周期和生命周期的關鍵。同時，軍用ATS測試系統(tǒng)必須滿足其可靠性、移動性和靈活性要求，盡可能降低開發(fā)和維護成本，節(jié)省人力資源，提高硬件更換效率和維修中心更換效率。完善武器系統(tǒng)，快速響應地區(qū)和全球保障的戰(zhàn)略要求。并提高硬件更換效率和維修中心更換效率。完善武器系統(tǒng)，快速響應地區(qū)和全球保障的戰(zhàn)略要求。并提高硬件更換效率和維修中心更換效率。完善武器系統(tǒng)，快速響應地區(qū)和全球保障的戰(zhàn)略要求。

下一代自動測試系統(tǒng)

下一代測試技術和測試系統(tǒng)標準

在過去的一年里，以美國為首的用戶和儀器制造商提出了新的測試儀器概念和技術，以解決COTS儀器帶來的問題，滿足未來測試系統(tǒng)的發(fā)展需求。這種技術叫做NxTest，是一種基于LAN（Synthetic Instrument）的模塊化合成儀器。Agilent Technologies 和 VXI Technology 于 2004 年 9 月推出了用于自動化測試系統(tǒng)的下一代基于 LAN 的模塊化平臺標準化 LXI。

LXI（Instrument LAN Expansion）不僅提供了機架式和可堆疊式儀器的嵌入式測量技術和PC標準I/O連接能力，而且實現(xiàn)了基于插入式儀器的系統(tǒng)模塊化特性，減小了體積。對于為航空航天/國防、汽車、工業(yè)、醫(yī)療和消費電子市場開發(fā)電子產(chǎn)品的研發(fā)和制造工程師而言，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足了他們的需求。VXI 總線為所有高密度和高速應用提供了理想的標準，而 LXI 同時結合了 VXI 和以太網(wǎng)的優(yōu)點，為用戶提供良好的高性能儀器平臺，滿足VXI通常無法滿足的應用需求。例如，LXI 基于 LAN 的結構為在航空航天和國防工業(yè)中實現(xiàn)長壽命儀器奠定了基礎。LXI 沒有帶寬、軟件或計算機背板結構限制。它可以利用不斷增長的以太網(wǎng)吞吐量，為面臨下一代自動化測試系統(tǒng)挑戰(zhàn)的工程師提供理想的解決方案。

LXI 標準將由 LXI 協(xié)會管理。LXI 協(xié)會是一個由主要測試和測量公司組成的非盈利組織。該小組的目標是開發(fā)、支持和推廣 LXI 標準。安捷倫科技和 VXI 科技利用其長期以來的模塊化儀器設計推出了 LXI 平臺，這是開發(fā)用于測試系統(tǒng)的開放標準儀器的必然且可行的一步。由于幾乎每臺計算機都內置了以太網(wǎng)（LAN），因此以太網(wǎng)已成為業(yè)界廣泛認可的通信接口。Internet 硬件價格在下降，速度在提高，局域網(wǎng)提供了其他點對點接口標準中沒有提供的對等通信。測試和測量工程師越來越意識到使用高速局域網(wǎng)替代專有測試和測量接口（例如 GPIB）的好處。行業(yè)需要更低的成本、更高的帶寬和更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，這對專有測試和測量接口提出了挑戰(zhàn)。.

LXI 測試和測量模塊經(jīng)過優(yōu)化，可用于設計檢驗或制造測試系統(tǒng)。連接到局域網(wǎng)的能力允許每個模塊安裝在世界任何地方，并從世界任何地方訪問該模塊。與使用昂貴電源、背板、控制器和 MXI 卡和電纜的模塊化組件不同，LXI 模塊帶有自己的處理器、LAN 連接、電源和觸發(fā)器輸入。LXI模塊可以是全寬或半寬，高度為一個機架單元或兩個機架單元，實現(xiàn)了非常簡單的混音功能。信號輸入和輸出在前面，LAN和輸入交流電源在每個LXI模塊的背面。LXI 模塊由計算機控制，不需要顯示器、按鈕、以及傳統(tǒng)機架和堆疊儀器的撥號設備。LXI 模塊使用標準的網(wǎng)絡瀏覽器診斷問題，并使用 IVI-COM 驅動程序進行通信，簡化了系統(tǒng)集成。

LXI儀器的特點

LXI儀器具有以下五個特點：

(1) 開放行業(yè)標準

LAN和AC電源是業(yè)界最穩(wěn)定、生命周期最長的開放行業(yè)標準。由于開發(fā)成本低，制造商可以輕松地將他們現(xiàn)有的儀器產(chǎn)品遷移到基于 LAN 的儀器平臺。

過來。

(2) 向后兼容性

由于 LAN-Based 模塊僅占標準機柜寬度的 1/2，因此體積比可擴展 (VXI/PXI) 儀器小。同時，升級現(xiàn)有的 ATS 不需要重新配置，并允許擴展為大型盒式儀器 (VXI/PXI) 系統(tǒng)。

(3) 低成本

在滿足軍用和民用客戶需求的同時，還保持現(xiàn)有臺式儀器的核心技術，結合最新技術，確保新的基于局域網(wǎng)的模塊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，只需要30-40種左右的通用模塊即可解決軍用客戶的主要測試需求。這樣相對較少的模塊可以高效靈活地組合成各種面向目標服務的測試單元，從而徹底減少ATS系統(tǒng)的體積，提高系統(tǒng)的移動性和靈活性。

(5) 及時方便地引入新技術

因為這些模塊有完整的I/O定義文檔（軍用標準定義），模塊和系統(tǒng)的升級只需要驗證新技術是否涵蓋了其替代產(chǎn)品的所有功能。這樣，Synthetic Systems 將實現(xiàn)以下五個目標： ① 非常長的產(chǎn)品和系統(tǒng)支持周期，應用軟件將不再依賴于特定的硬件。②系統(tǒng)體積小，儀器不含多余的顯示、輸入等美觀設計部件。③應用清晰明了，儀器界面一致，升級快捷方便。④系統(tǒng)生命周期與產(chǎn)品生命周期一致。⑤供應商是獨立的，測量硬件和測量技術沒有直接聯(lián)系。

展望未來

綜上所述，隨著芯片技術和DSP技術的發(fā)展，21世紀的電子測量儀器將實現(xiàn)前所未有的高性能。隨著計算機技術與儀器的進一步融合，儀器的操作簡便性、升級能力、測量能力等數(shù)據(jù)處理和分析能力都得到了極大的提高。同時，軟件無線電越來越多地應用于各個領域，仿真技術將為用戶提供更強大、更便捷的設計和驗證工具。自動測試系統(tǒng)經(jīng)歷了從GPIB系統(tǒng)到VXI系統(tǒng)，從VXI系統(tǒng)到VXI和GPIB混合系統(tǒng)的發(fā)展過程。