自動測試系統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的一般組成結構，對自動測試設備資源按信號特征進行了分類。通過分析傳輸電纜上的損耗與頻率的關系，得出了高頻子系統資源主要受介電損耗的影響，模擬電源子系統等低頻類資源主要受趨膚效應損耗影響的結論，為研究計量特性確定了依據和方法。同時制定了各類子系統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計量特性的方法。

關鍵詞：自動測試系統；計量特性；介電損耗；趨膚效應

中圖分類號：TP73+.5；TM93 文獻標識碼：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開展計量技術研究工作中的一項重要的內容，計量特性確定的準確程度將直接影響到計量結果的準確性，而國內目前還沒有與之相關的檢定規程、校準規范[1]。自動測試系統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中儀器的計量技術指標，而是系統整體性的指標[2]，這項指標還受到自動測試系統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組成結構、儀器資源特點以及通道損耗等方面的因素，得出自動測試系統計量特性的確定方法。

1 自動測試系統

1.1 組成結構

自動測試系統由自動測試設備、測試程序集以及相應的測試程序集軟件開發工具三部分組成[2]，如圖1所示。自動測試設備是自動測試系統的主體結構，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備，即確定自動測試設備的計量技術指標。

自動測試設備主要由主控計算機、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，可以將自動測試設備的儀器資源分為數字子系統、模擬子系統、開關子系統、電源子系統和高頻子系統等。

①數字子系統主要包括數字輸入/輸出、定時器/計數器、串行口等資源。其功能是產生數字類激勵信號、測試相關的數字類信號，以及實現串行通信等功能。

②模擬子系統主要包括示波器、波形發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。

③開關子系統主要包括矩陣開關、多路開關以及射頻和微波開關等。在主控計算機的控制下，通過開關子系統實現測試過程中傳輸通道的切換。

④電源子系統主要包括直流電源、交流電源和電子負載等。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，它是自動測試系統的控制中心，控制系統各類激勵儀器資源產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生的響應信號進行測試，從而完成各類測試任務。

2 計量特性確定依據

2.1 計量特性分析

自動測試系統中的儀器資源繁多、功能強大，計量特性的確定通常有以下特點：

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

②自動測試設備中儀器的技術指標不能作為最終的計量技術指標，但應以該技術指標作為計量特性確定的參考基準，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環境溫濕度的變化也會對儀器以及連接通道的測量準確度造成一定的影響。實施檢定或校準時，需要考慮到環境溫濕度可能在一個較小的范圍內波動，而不能直接以自動測試設備的工作環境溫濕度作為確定計量特性時的溫濕度范圍。

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

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

2.2 傳輸通道損耗分析

自動測試設備的信號傳輸通道上的損耗主要考慮電纜以及連接器產生的損耗。

2.2.1 電纜損耗

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

因此，確定自動測試設備計量特性時，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一定的介電損耗，從而對高頻類信號的指標精度造成影響。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行充分考慮。

②模擬子系統儀器的低頻信號在電纜中傳輸時會出現一定的趨膚效應損耗，從而對低頻類信號的指標精度造成影響。趨膚效應損耗主要指電纜的等效電阻對信號造成的損耗，模擬子系統儀器資源通道的計量特性要對這部分損耗進行充分考慮。

③電源子系統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損耗。因此，電源子系統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中起到將兩端導線連接在一起的作用，它是一類特殊的導線，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，通常可以直接利用產品說明書中給出的損耗性能參數指標進行損耗計算。

3 計量特性確定原則

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

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

②計量特性對環境溫濕度的要求較為嚴格，確定計量特性時，應將儀器的工作環境溫濕度控制在規定的溫濕度范圍內，以該溫濕度作為影響精度的溫濕度系數。

③模擬類儀器傳輸通道的影響相當于其等效電阻對模擬類信號的影響，測試時會產生一定的損耗，要以受傳輸通道影響情況為依據建立通道模型，進行損耗分析與計算，進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小；但當電源輸出的電壓/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，應充分考慮傳輸中電纜、連接器等影響因素，并結合信號傳輸的實際情況計算出傳輸通道的損耗，進而確定高頻類儀器傳輸通道的計量特性。

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

⑦開關子系統中包含射頻、微波類開關，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的技術特性受傳輸通道的影響較大；開關子系統中同樣包含通道開關、多路開關等低頻信號類開關，該類開關在工作中相當于一根短導線，其技術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計量特性的分析，并依據計量特性的確定原則，則自動測試系統計量特性的確定方法可歸納如下。

4.1 分析信號傳輸通道

對自動測試系統中信號從始端到終端經過的電纜、連接器等傳輸通道進行分析，標明電纜的型號和長度以及連接器的型號和個數等。

4.2 建立傳輸通道模型

通過分析信號傳輸通道，再依據各類子系統資源對應的確定原則，建立傳輸通道模型，并根據信號頻率大小標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受各種因素影響而產生的技術指標變化情況，再結合建立的通道模型對儀器信號在傳輸通道上的損耗進行分析和計算。

4.4 確定通道計量特性

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

5 結 語

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

參考文獻：

[1] 孫寶江，沈士團，陳星.自動測試系統校準方法研究[J].宇航計測技術，

2007，（1）.

[2] 尤海鵬，高運征，羅超，等.自動測試系統完全計量的研究與實現[J].測試

技術學報，2011，（5）.

[3] 紀明霞，吳凌燕，丁國臣.從計量角度探討機載ATE技術指標的確定[J].

計測技術，2007，（1）.

[4] 尤海鵬，高運征，劉佳波.軍用自動測試系統裝備計量保障的深入研究 [J].計量與測試技術，2014，（5）.

[5] Benrard Hyland.電纜損耗對自動測試設備的影響[J].電子設計工程，

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[6] 易燕，劉波.自動測試設備中電纜損耗補償[J].計算機與數字工程，2009，

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