電子測量儀器及自動測試系統(tǒng)的新概念和新趨勢

進入21 世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已難以用日新月異來描述。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，同時也促使電子測量技術(shù)和電子測量儀器產(chǎn)生了新概念和新發(fā)展趨勢。本文擬從現(xiàn)代電子測量儀器發(fā)展的三個明顯特點入手，進而介紹下一代自動測試系統(tǒng)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(xiàn)代電子測量儀器的發(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 精密時基參考模塊，對小于100ns 的時延，抖動為1.7ps RMS( 突破皮秒抖動瓶頸) ，DSO80000系列的示波
器， 其單一A/D 芯片具有20GSa/s 實時高采樣率，使之成為世界上采樣率最快的示波器(40GSa/s 實時采樣率，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系列無線綜合測試儀(集移動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(xù)波/調(diào)幅/調(diào)頻/調(diào)相/脈沖調(diào)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 個模擬測量通道+16 個邏輯分析通道) 使單臺儀器同時具備示波器和邏輯分析儀的功能； Infiniium示波器內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)的軟件，用Windows 軟件代替儀器內(nèi)部操作軟件，并易于與MS辦公室應(yīng)用軟件連接，充分發(fā)揮其效能，如Agilent公司的儀器可用Word 語言捕獲屏幕圖像，用Excel語言繪制的波形數(shù)據(jù)，用Excel 語言捕獲測量數(shù)據(jù)，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(xí)的方便性；同時，觸摸屏被廣泛利用，話音控制可解決雙手同時被占用時操作儀器的問題，通過網(wǎng)絡(luò)控制儀器操作，并用基于MS Windows 和MS Visual Studio 實現(xiàn)測試自動化；另外，儀器內(nèi)部的VBA 軟件可有效地幫助實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的測試自動化

　　其次，由于計算機技術(shù)被大量應(yīng)用到儀器之中，使得儀器具備了更加先進的連通性，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，也安裝了標(biāo)準(zhǔn)光標(biāo)指示器(鼠標(biāo)、跟蹤球、觸摸鍵、操縱桿等)和其他部件(鍵盤、CD RW 驅(qū)動器、直接連結(jié)打印機的并行接口，用于外部監(jiān)視器的VGA 輸出，內(nèi)部硬盤驅(qū)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)的安全性和保密性要求格外重要，為此，Agilent 公司在儀器上設(shè)計了可卸出的硬盤(如PNA 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和Infiniium 示波器) ，使工作人員在實驗室完成測試任務(wù)后，卸出硬盤，單獨運輸儀器至測試現(xiàn)場(如戰(zhàn)地) ，再由操作人員取出隨身攜帶的硬盤裝入儀器，再進行現(xiàn)場測量，從而保證了數(shù)據(jù)的安全性和保密性。

　　測試及仿真軟件在儀器中廣泛應(yīng)用

　　隨著計算機的運算速度和處理數(shù)據(jù)能力的不斷增加，及計算機仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，儀器的硬件和測試軟件及仿真軟件的結(jié)合越來越緊密。首先，硬件的模塊化設(shè)計，使得通過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 ，通過插入不同的模塊并配以不同軟件，該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，VXI 結(jié)構(gòu)的測試儀器更加充分地解釋了模塊化結(jié)構(gòu)儀器的靈活配置和應(yīng)用。

　　其次，軟件無線電的概念已有了全新的解釋和現(xiàn)實的應(yīng)用，Agilent 公司的89601A 矢量分析軟件是實現(xiàn)這一理念的最好例證，它利用計算機強大的數(shù)學(xué)運算和數(shù)據(jù)處理能力將大量的數(shù)字信號處理功能和數(shù)據(jù)分析功能充分展現(xiàn)在計算機軟件之中，通過與不同的數(shù)據(jù)采集前端(如VXI 結(jié)構(gòu)的矢量信號分析儀，頻譜分析儀， Infiniium 數(shù)字示波器) 相結(jié)合，組合出不同功能的矢量信號分析儀。

　同時，其捕獲的信號和數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可以作為EDA 仿真軟件(如Agilent 公司的ADS 高級設(shè)計仿真軟件) 的數(shù)據(jù)輸入來源，用于驅(qū)動ADS 高級設(shè)計仿真軟件進行部件及系統(tǒng)級仿真；并且，ADS 高級設(shè)計仿真軟件的仿真結(jié)果可送入Agilent 公司的ESG/PSG矢量信號源產(chǎn)生出信號通過VSA 矢量信號分析儀的捕獲和分析，反過來可進行產(chǎn)品設(shè)計與真實產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)驗證，即實現(xiàn)設(shè)計、仿真、測量和驗證的有機結(jié)合。以Agilent ADS 高級設(shè)計仿真軟件為代表的EDA 軟件，通過與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) 的動態(tài)鏈接，從而實現(xiàn)了測量域與仿真域的有機結(jié)合，在設(shè)計、仿真和驗證之間架起了橋梁，從而加速設(shè)計，提高設(shè)計質(zhì)量，完善系統(tǒng)及部件的半實物仿真手段，達到迅速拓展?jié)M足需要的測量解決方案的目的。

　　自動測試系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

　　隨著測量儀器功能的不斷提高和完善，
與其相關(guān)的自動測試系統(tǒng)(特別是軍用ATS 測試系統(tǒng)) 的組建與發(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)到卡式儀器與臺式儀器混合的ATS 系統(tǒng)的發(fā)展過程。到目前為止，VXI 結(jié)構(gòu)的儀器(主要對于大通道數(shù)的數(shù)字信號測量) 與GPIB 標(biāo)準(zhǔn)的臺式儀器(主要對于性能要求嚴(yán)格的射頻/微波信號測量) 相結(jié)合組建ATS 測試系統(tǒng)已成為軍用ATS 測試系統(tǒng)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在90年代提倡的采用COTS(Commercial Off-the-Shelf) 流行商用儀器來構(gòu)建軍用ATS 測試系統(tǒng)有很大關(guān)系，它可以極大地降低整個測試系統(tǒng)的組建、開發(fā)、維護、替換和升級的成本。

　　但是，由于軍工行業(yè)系統(tǒng)研制周期和認(rèn)證周期相對較長，系統(tǒng)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越快，一些COTS產(chǎn)品在軍工行業(yè)被大規(guī)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(tǒng)的維護和支持成為軍工客戶面臨的最大問題，特別是那些基于特定硬件而開發(fā)的測試軟件(TPS) 的維護、支持和更新更是面臨巨大的挑戰(zhàn)。這一點在中國的客戶群中也遇到了同樣的問題。如何實現(xiàn)硬件的可互換性和軟件的可互操作性成為保證整個系統(tǒng)生命力和生命周期的關(guān)鍵。與此同時，軍用ATS 測試系統(tǒng)還要滿足其可靠性、機動性和靈活性的要求，并盡可能地降低開發(fā)、維護的成本，節(jié)省人力資源，改進硬件的現(xiàn)場替換效率和維修中心替換效率，改進武器系統(tǒng)快速應(yīng)對地區(qū)乃至全球支持的戰(zhàn)略要求。

　　下一代的自動測試系統(tǒng)

　　下一代測試技術(shù)及測試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)

　　以美國為首的用戶和儀器廠商近一年以來提出了一種新的測試儀器理念和技術(shù)以解決COTS 儀器帶來的問題，并同時滿足未來測試系統(tǒng)的發(fā)展要求。該技術(shù)稱之為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 月為自動測試系統(tǒng)推出基于LAN 的下一代模塊化平臺標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)I/O 連接能力，還實現(xiàn)了基于插卡式儀器的系統(tǒng)的模塊化特點并減小了體積。對于為航空/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)和制造工程師來說，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 總線為所有高密度高速度應(yīng)用提供了理想的標(biāo)準(zhǔn)，LXI 則同時融合了VXI 和以太網(wǎng)的優(yōu)勢，為用戶提供了一個良好的高性能儀器平臺，滿足VXI 通常沒有滿足的應(yīng)用需求。LXI 基于LAN 的結(jié)構(gòu)為例，為在航空和國防行業(yè)中長壽命儀器的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。LXI 沒有帶寬、軟件或計算機底板結(jié)構(gòu)限制。它可以利用日益提高的以太網(wǎng)吞吐量，為面臨下一代自動測試系統(tǒng)挑戰(zhàn)的工程師提供理想的解決方案。

　　LXI 標(biāo)準(zhǔn)將由LXI 協(xié)會負(fù)責(zé)管理。LXI 協(xié)會是一家由主要測試測量公司組成的非營利機構(gòu)。該集團的目標(biāo)是開發(fā)、支持和推廣LXI 標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)計，推出LXI 平臺，這是測試系統(tǒng)使用的開放式標(biāo)準(zhǔn)儀器發(fā)展中必然的可行一步。由于幾乎每臺電腦中都內(nèi)置了以太網(wǎng)(LAN) ，以太網(wǎng)已經(jīng)成為業(yè)界廣泛認(rèn)同的通信接口�；ヂ�(lián)網(wǎng)硬件價格正不斷下降，速度正不斷提高，局域網(wǎng)提供了其它點到點接口標(biāo)準(zhǔn)中沒有提供的對等通信。測試和測量工程師日益認(rèn)識到使用高速局域網(wǎng)替代專有測試測量接口(如GPIB) 的好處，業(yè)內(nèi)需要更低成本、更高帶寬和更快的數(shù)據(jù)傳送速率，這給專有測試測量接口提出了挑戰(zhàn)。


　　LXI 測試測量模塊是為用于設(shè)計檢驗或制造測試系統(tǒng)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問模塊。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，高度為一個機架單位或兩個機架單位，實現(xiàn)了非常簡便的混配功能。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LXI 模塊的背面。LXI 模塊由計算機控制， 不要求傳統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器診斷問題，使用IVI-COM驅(qū)動程序進行通信，簡化了系統(tǒng)集成。

　　LXI 儀器的特點

　　 LXI 儀器具備了以下五大特點：

　　(1) 開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

　　LAN 和AC 電源是業(yè)界最穩(wěn)定和生命周期最長的開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也由于其開發(fā)成本低廉，使得各廠商很容易將現(xiàn)有的儀器產(chǎn)品移植到該LAN-Based儀器平臺
上來。

　　(2) 向后兼容性

　　因為LAN-Based 模塊只占1/2 的標(biāo)準(zhǔn)機柜寬度，體積上比可擴展式(VXI/PXI) 儀器更小。同時，升級現(xiàn)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(tǒng)。

　　(3) 成本低廉

　　在滿足軍用和民用客戶要求的同時，保有現(xiàn)存臺式儀器的核心技術(shù)， 結(jié)合最新科技， 保證新的LAN-based 模塊的成本低于相應(yīng)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的主要測試需求。如此相對較少的模塊種類，可以高效且靈活地組合成面向目標(biāo)服務(wù)的各種測試單元，從而徹底降低ATS 系統(tǒng)的體積，提高系統(tǒng)的機動性和靈活性。

　　(5) 新技術(shù)及時方便的引入

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

　　展望未來

　　綜上所述，21 世紀(jì)的電子測量儀器隨著芯片技術(shù)和DSP 技術(shù)的發(fā)展將達到前所未有的高性能，隨著計算機技術(shù)與儀器的進一步融合， 儀器的易操作性，易升級性，測量能力，數(shù)據(jù)處理和分析能力，都得到了大幅度提高。與此同時，軟件無線電正越來越多地被應(yīng)用到各個領(lǐng)域， 仿真技術(shù)將為用戶的設(shè)計和驗證提供了更加強大和方便的工具。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 與GPIB 混合系統(tǒng)的發(fā)展歷程， 越來越多的軍工用戶希望擁有一種長壽命且高性能的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系來承擔(dān)日益復(fù)雜的測試壓力和維護成本的壓力，面對未來的挑戰(zhàn)，LXI 儀器將在繼承現(xiàn)有測試技術(shù)的基礎(chǔ)之上，為下一代測試技術(shù)和測試儀器，特別是ATS 測試系統(tǒng)的革新帶來新的希望。