自動測試系統(tǒng)計量特性的確定方法研究

劉瑩

摘 要：文章介紹了自動測試系統(tǒng)的一般組成結(jié)構(gòu)，對自動測試設(shè)備資源按信號特征進(jìn)行了分類。通過分析傳輸電纜上的損耗與頻率的關(guān)系，得出了高頻子系統(tǒng)資源主要受介電損耗的影響，模擬電源子系統(tǒng)等低頻類資源主要受趨膚效應(yīng)損耗影響的結(jié)論，為研究計量特性確定了依據(jù)和方法。同時制定了各類子系統(tǒng)資源計量特性的確定原則，確定了通過建立通道模型、計算通道損耗得到自動測試系統(tǒng)計量特性的方法。

關(guān)鍵詞：自動測試系統(tǒng)；計量特性；介電損耗；趨膚效應(yīng)

中圖分類號：TP73+.5；TM93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）05-0078-03

計量特性的研究是自動測試系統(tǒng)開展計量技術(shù)研究工作中的一項重要的內(nèi)容，計量特性確定的準(zhǔn)確程度將直接影響到計量結(jié)果的準(zhǔn)確性，而國內(nèi)目前還沒有與之相關(guān)的檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范[1]。自動測試系統(tǒng)通常是由大量的臺式儀器和PXI、VXI板卡式儀器模塊組成，其計量特性不是系統(tǒng)中儀器的計量技術(shù)指標(biāo)，而是系統(tǒng)整體性的指標(biāo)[2]，這項指標(biāo)還受到自動測試系統(tǒng)中測試通道連接電纜、連接器等因素的影響。本文通過分析自動測試系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、儀器資源特點以及通道損耗等方面的因素，得出自動測試系統(tǒng)計量特性的確定方法。

1 自動測試系統(tǒng)

1.1 組成結(jié)構(gòu)

自動測試系統(tǒng)由自動測試設(shè)備、測試程序集以及相應(yīng)的測試程序集軟件開發(fā)工具三部分組成[2]，如圖1所示。自動測試設(shè)備是自動測試系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，其在測試適配器及測試軟件的配合下，完成對被測對象的性能測試和故障診斷。本文的研究對象主要針對自動測試設(shè)備，即確定自動測試設(shè)備的計量技術(shù)指標(biāo)。

自動測試設(shè)備主要由主控計算機(jī)、各種儀器資源、GPIB等儀器接口總線以及連接器等組成。按照測試需求和信號特征的不同，可以將自動測試設(shè)備的儀器資源分為數(shù)字子系統(tǒng)、模擬子系統(tǒng)、開關(guān)子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)和高頻子系統(tǒng)等。

①數(shù)字子系統(tǒng)主要包括數(shù)字輸入/輸出、定時器/計數(shù)器、串行口等資源。其功能是產(chǎn)生數(shù)字類激勵信號、測試相關(guān)的數(shù)字類信號，以及實現(xiàn)串行通信等功能。

②模擬子系統(tǒng)主要包括示波器、波形發(fā)生器和萬用表等模擬激勵儀器和模擬測試儀器。其功能是產(chǎn)生和測試各種模擬類信號，完成模擬類被測單元的測試任務(wù)。

③開關(guān)子系統(tǒng)主要包括矩陣開關(guān)、多路開關(guān)以及射頻和微波開關(guān)等。在主控計算機(jī)的控制下，通過開關(guān)子系統(tǒng)實現(xiàn)測試過程中傳輸通道的切換。

④電源子系統(tǒng)主要包括直流電源、交流電源和電子負(fù)載等。其功能是提供被測對象所需的各類電源信號。

⑤高頻子系統(tǒng)主要包括射頻、微波信號源、射頻分析儀以及功率計與頻率計等。其功能是提供被測對象所需的射頻、微波類高頻信號。

1.2 工作原理

主控計算機(jī)通過連接器、測試適配器以及GPIB、PXI和VXI等測試總線連接到被測對象，它是自動測試系統(tǒng)的控制中心，控制系統(tǒng)各類激勵儀器資源產(chǎn)生被測對象所需的各類激勵信號，同時控制測試儀器對被測對象產(chǎn)生的響應(yīng)信號進(jìn)行測試，從而完成各類測試任務(wù)。

2 計量特性確定依據(jù)

2.1 計量特性分析

自動測試系統(tǒng)中的儀器資源繁多、功能強(qiáng)大，計量特性的確定通常有以下特點：

①自動測試系統(tǒng)計量特性是指自動測試系統(tǒng)儀器資源體現(xiàn)在連接器處的技術(shù)指標(biāo)，是一個整體性技術(shù)指標(biāo)。在連接器處每一臺儀器都有與之對應(yīng)的傳輸通道，即其計量特性是指系統(tǒng)儀器資源傳輸通道的計量特性[3]。

②自動測試設(shè)備中儀器的技術(shù)指標(biāo)不能作為最終的計量技術(shù)指標(biāo)，但應(yīng)以該技術(shù)指標(biāo)作為計量特性確定的參考基準(zhǔn)，并且按照實際測試時的儀器傳輸通道情況確定計量特性[4]。

③環(huán)境溫濕度的變化也會對儀器以及連接通道的測量準(zhǔn)確度造成一定的影響。實施檢定或校準(zhǔn)時，需要考慮到環(huán)境溫濕度可能在一個較小的范圍內(nèi)波動，而不能直接以自動測試設(shè)備的工作環(huán)境溫濕度作為確定計量特性時的溫濕度范圍。

④如果自動測試設(shè)備中部分儀器的準(zhǔn)確度很高，即分析出的計量特性可能遠(yuǎn)高于測試需求，這樣極可能導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，所以這部分儀器在保證計量方法有效性的情況下，可適當(dāng)放寬計量特性要求。

綜上所述，確定自動測試設(shè)備計量特性時，儀器與連接器之間的連接通道是引起測量誤差的關(guān)鍵因素，下面對傳輸通道損耗進(jìn)行分析。

2.2 傳輸通道損耗分析

自動測試設(shè)備的信號傳輸通道上的損耗主要考慮電纜以及連接器產(chǎn)生的損耗。

2.2.1 電纜損耗

電纜是電信號傳導(dǎo)中常用的媒介，本文以同軸電纜為例分析電纜的損耗情況。同軸電纜的典型結(jié)構(gòu)，如圖2所示，信號傳輸時產(chǎn)生的損耗主要是趨膚效應(yīng)損耗和介電損耗[5]。

因此，確定自動測試設(shè)備計量特性時，儀器資源的傳輸通道損耗按照信號頻率的高低可分類如下：

①射頻、微波類高頻信號在電纜中傳輸時會出現(xiàn)一定的介電損耗，從而對高頻類信號的指標(biāo)精度造成影響。因此，高頻信號儀器資源通道的計量特性要對電纜造成的介電損耗進(jìn)行充分考慮。

②模擬子系統(tǒng)儀器的低頻信號在電纜中傳輸時會出現(xiàn)一定的趨膚效應(yīng)損耗，從而對低頻類信號的指標(biāo)精度造成影響。趨膚效應(yīng)損耗主要指電纜的等效電阻對信號造成的損耗，模擬子系統(tǒng)儀器資源通道的計量特性要對這部分損耗進(jìn)行充分考慮。

③電源子系統(tǒng)儀器的交直流信號也屬于低頻類信號。如果電源信號是高電壓/電流信號時，可以忽略電纜上的損耗；如果電源信號的電壓/電流不大時，則需要考慮電纜的等效電阻對信號造成的趨膚效應(yīng)損耗。因此，電源子系統(tǒng)儀器資源通道的計量特性要因電源信號的具體情況而異。

2.2.2 連接器損耗

連接器在自動測試系統(tǒng)中起到將兩端導(dǎo)線連接在一起的作用，它是一類特殊的導(dǎo)線，所以連接器造成的損耗與電纜造成的損耗相似。VPC公司的幾種連接器，如圖4所示，通?？梢灾苯永卯a(chǎn)品說明書中給出的損耗性能參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行損耗計算。

3 計量特性確定原則

依據(jù)JJF 1059-2012《測量不確定度表示與評定》，結(jié)合上文對自動測試系統(tǒng)計量特性和傳輸通道對儀器計量特性影響的分析，在實際應(yīng)用中確定自動測試設(shè)備計量特性時應(yīng)遵循的原則如下：

①自動測試系統(tǒng)計量特性是儀器在對應(yīng)傳輸通道連接器端口處的技術(shù)指標(biāo)，其確定時應(yīng)以儀器資源的技術(shù)指標(biāo)作為基準(zhǔn)，同時綜合考慮傳輸通道的影響。

②計量特性對環(huán)境溫濕度的要求較為嚴(yán)格，確定計量特性時，應(yīng)將儀器的工作環(huán)境溫濕度控制在規(guī)定的溫濕度范圍內(nèi)，以該溫濕度作為影響精度的溫濕度系數(shù)。

③模擬類儀器傳輸通道的影響相當(dāng)于其等效電阻對模擬類信號的影響，測試時會產(chǎn)生一定的損耗，要以受傳輸通道影響情況為依據(jù)建立通道模型，進(jìn)行損耗分析與計算，進(jìn)而確定模擬類儀器傳輸通道的計量特性。

④電源類儀器傳輸通道的影響相當(dāng)于其等效電阻對電源類信號的影響，該類信號通常工作電壓/電流較大，在傳輸通道上的損耗會相對較??；但當(dāng)電源輸出的電壓/電流較小時，在傳輸通道上損耗會相對較大，這時就需要通過對信號損耗進(jìn)行分析和計算來確定電源類儀器傳輸通道的計量特性。

⑤射頻、微波類高頻信號容易受傳輸通道的影響，應(yīng)充分考慮傳輸中電纜、連接器等影響因素，并結(jié)合信號傳輸?shù)膶嶋H情況計算出傳輸通道的損耗，進(jìn)而確定高頻類儀器傳輸通道的計量特性。

⑥數(shù)字類儀器信號在傳輸時其精度受傳輸通道影響較小，所以在實際應(yīng)用中要通過自動測試系統(tǒng)實際的需求分析，來確定數(shù)字類儀器通道的計量特性。

⑦開關(guān)子系統(tǒng)中包含射頻、微波類開關(guān)，其功能是切換高頻類信號的傳輸通道，實際工作中該類開關(guān)的技術(shù)特性受傳輸通道的影響較大；開關(guān)子系統(tǒng)中同樣包含通道開關(guān)、多路開關(guān)等低頻信號類開關(guān)，該類開關(guān)在工作中相當(dāng)于一根短導(dǎo)線，其技術(shù)特性受傳輸通道的影響較小。

4 計量特性確定方法

通過對自動測試系統(tǒng)計量特性的分析，并依據(jù)計量特性的確定原則，則自動測試系統(tǒng)計量特性的確定方法可歸納如下。

4.1 分析信號傳輸通道

對自動測試系統(tǒng)中信號從始端到終端經(jīng)過的電纜、連接器等傳輸通道進(jìn)行分析，標(biāo)明電纜的型號和長度以及連接器的型號和個數(shù)等。

4.2 建立傳輸通道模型

通過分析信號傳輸通道，再依據(jù)各類子系統(tǒng)資源對應(yīng)的確定原則，建立傳輸通道模型，并根據(jù)信號頻率大小標(biāo)明傳輸通道造成的損耗類型。

4.3 分析傳輸通道損耗

通過分析儀器在檢定時間內(nèi)受各種因素影響而產(chǎn)生的技術(shù)指標(biāo)變化情況，再結(jié)合建立的通道模型對儀器信號在傳輸通道上的損耗進(jìn)行分析和計算。

4.4 確定通道計量特性

綜合考慮儀器資源自身的技術(shù)指標(biāo)和儀器傳輸通道的損耗情況并結(jié)合以上幾步的分析與計算，最終確定自動測試系統(tǒng)的儀器通道對應(yīng)的計量特性。

5 結(jié) 語

本文通過對自動測試系統(tǒng)計量特性進(jìn)行分析，并對傳輸通道上損耗與頻率之間關(guān)系的展開分析研究，得出低頻類系統(tǒng)資源主要受趨膚效應(yīng)損耗影響，高頻類系統(tǒng)資源主要受介電損耗影響的結(jié)論，得出了自動測試設(shè)備計量特性的確定原則，并最終總結(jié)出了自動測試系統(tǒng)計量特性的確定方法，為自動測試系統(tǒng)原位計量工作的開展奠定了基礎(chǔ)。

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