傳統(tǒng)測試設(shè)備與合成儀器的選擇

　　過去幾年來，測試工程師們不斷地獲得有關(guān)合成儀器的各種信息。圍繞合成儀器的歷史、含義以及其優(yōu)勢的很多評論，誕生了各種各樣的文章。如果你是一位測試工程師或一個(gè)測試工程經(jīng)理，曾有過大規(guī)模商用（或許基于cPCI/PXI）測試系統(tǒng)架構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)，可能會將合成儀器與虛擬儀器關(guān)聯(lián)起來。如果你是做軍工、航天市場，并參加過多個(gè)政府工程，你可能會認(rèn)為合成儀器就是NxText和ARGCS（Agile Reconfigurable Global Combat Support）計(jì)劃。

　　在各種情況中，都很難實(shí)現(xiàn)針對大批量要求以及高測量性能要求的測試應(yīng)用，并考慮到評估和選擇一個(gè)微波綜合測試環(huán)境的最實(shí)用方面。本文將描述一個(gè)選擇過程，指導(dǎo)客戶為相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中發(fā)射接收（T/R）模塊測試選擇一個(gè)綜合實(shí)現(xiàn)方法。

　　事實(shí)上與任何商用市場相比，過去軍工航天領(lǐng)域的測試系統(tǒng)都沒有在短期內(nèi)應(yīng)對過大批量需求?？紤]一下這種情況：一家軍工航天企業(yè)成功地進(jìn)入了為相控陣?yán)走_(dá)建立T/R模塊的業(yè)務(wù)。此時(shí)，該公司通常會從只為單臺雷達(dá)建造一個(gè)或幾個(gè)單元，轉(zhuǎn)而根據(jù)不同的雷達(dá)應(yīng)用情況，制造數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)單元。設(shè)想一名測試工程師，一直與從事T/R模塊的設(shè)計(jì)與原型工作的一組混合信號微波元件工程師進(jìn)行合作。經(jīng)過多次提議，無數(shù)次會議，很多設(shè)計(jì)變動，并對一些原型累積了數(shù)千小時(shí)的測試數(shù)據(jù)，工程小組終于獲得了引進(jìn)幾千到數(shù)百臺雷達(dá)的業(yè)務(wù)，每單業(yè)務(wù)需要的模塊數(shù)都比以前制造的原型總數(shù)高出兩個(gè)數(shù)量級。事實(shí)上，第一個(gè)制造合同（階段或批次）可能等同于完成整個(gè)開發(fā)周期所需時(shí)間。不要忘記還有建立與測試極其良好匹配與高性能T-R模塊的附加需求，它的數(shù)量是工程開發(fā)與提議階段次數(shù)的數(shù)千倍。

　　第一個(gè)生產(chǎn)測試計(jì)劃作出來后，需要進(jìn)行分析以糾正尺寸，根據(jù)生產(chǎn)需求選擇測試設(shè)備類型并確定測試平臺數(shù)量。在分析支持中，根據(jù)對原型的工程測試經(jīng)驗(yàn)獲得測試時(shí)間基準(zhǔn)。這一過程結(jié)束時(shí)的研究結(jié)果表明，每個(gè)模塊需要大約四小時(shí)的測試時(shí)間，前提是在生產(chǎn)階段也采用與工程開發(fā)階段相同的方案。若考慮被測模塊數(shù)量以及合同的時(shí)間長度，這些結(jié)果可能會對財(cái)務(wù)和日程表有什么影響？怎樣做才能找到一個(gè)實(shí)際可行而有益的解決方案？

　　被測設(shè)備（DUT）

　　在回應(yīng)以上問題以前，先讓我們再多了解一下DUT。一個(gè)T/R模塊基本上是一個(gè)微型發(fā)射機(jī)/接收機(jī)（收發(fā)機(jī)），它需要對相位與振幅控制帶寬脈沖信號作放大、發(fā)射，以及接收。發(fā)射/接收功能需要快速切換和高度隔離。所有各級都必須在整個(gè)工作頻段內(nèi)有良好的匹配，尤其是I/P端口。T/R電路需要盡可能高效（尤其是發(fā)射端），以降低功率需求，并在盡可能小的外形尺寸下減少散熱。這點(diǎn)非常重要，因?yàn)榭赡芤谝粋€(gè)相對較小的空間內(nèi)安裝多個(gè)模塊。此時(shí)，散熱和可靠性問題（除了連續(xù)和一致的性能以外）就成為重要考慮。其它參數(shù)也很重要，如諧波、壓縮點(diǎn)/輸出動態(tài)范圍、三階互調(diào)（TOI）、接收機(jī)噪聲系數(shù)（為獲得最好的靈敏度），以及占空比等。

　　因此，為確保DUT的質(zhì)量與符合性，在開發(fā)期間，需要對上述所有參數(shù)仔細(xì)測量、優(yōu)化和驗(yàn)證，并在生產(chǎn)期間作快速檢驗(yàn)。另外，由于這些模塊有靈活的頻率，可以通過可編程移相器作電動控制，并且有可變的輸出/輸入功率，需要在大量條件與狀態(tài)下檢驗(yàn)所有的特性參數(shù)。所有這些就得到了一個(gè)由多維測量下多個(gè)測量點(diǎn)定義的測量空間，它確實(shí)需要高速和高測量精度，以降低不確定性，從而經(jīng)濟(jì)而高效地完成測試。測試環(huán)境還要極其穩(wěn)定，對所有測量都表現(xiàn)良好的相關(guān)性，包括相同模塊和所有模塊之間，因?yàn)橐粋€(gè)雷達(dá)陣列的質(zhì)量對各個(gè)T/R模塊質(zhì)量有相同的依賴。

　　生產(chǎn)測試計(jì)劃

　　當(dāng)在工程模式下測試時(shí)，不僅需要對T-R模塊原型的全部參數(shù)和特性做大量測試，而且還要系統(tǒng)地超越標(biāo)準(zhǔn)的性能參數(shù)，從而能同時(shí)提供性能（模塊必須承受的超出規(guī)格條件的量）與制造（元件與制造活動產(chǎn)生的變動有多少）的安全容限。這種情況下，必定有大量的重復(fù)測試，因?yàn)橐鞅匾男拚头倒?，直到確保了所需的性能和制造參數(shù)。于是，在工程階段，測試活動幾乎與制造階段同樣頻繁，但它們主要集中在對某些模塊的反復(fù)測試，而不是對多個(gè)模塊作逐一測試。在此階段，很多公司就開始確定生產(chǎn)中所需要的測試環(huán)境，從而避免重復(fù)工作，并提供DUT測試環(huán)境從工程到生產(chǎn)階段的無縫轉(zhuǎn)移。

　　在生產(chǎn)測試中，速度與精度是關(guān)鍵。為了達(dá)到更好的成本效益，生產(chǎn)環(huán)境中要保證盡可能少的測試站（盡可能少的操作人員），以及盡可能高的吞吐量，同時(shí)保持最大的產(chǎn)量。在這種情況下，有兩個(gè)額外因素就非常重要：

　　? 完全統(tǒng)一并遵循公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)（如NIST）的系統(tǒng)級校準(zhǔn)工作。這樣能確保高精度、低不確定性，以及一致的測量結(jié)果。

　　? 生產(chǎn)測試環(huán)境與開發(fā)測試環(huán)境之間的質(zhì)量一致性。這有助于高產(chǎn)量，以及高度相關(guān)的測量結(jié)果。

　傳統(tǒng)測試系統(tǒng)與合成儀器

　　在激勵測量測試過程中有五個(gè)關(guān)鍵的時(shí)間元素：DUT設(shè)置（包括預(yù)熱）、激勵設(shè)置、響應(yīng)設(shè)置、校準(zhǔn)與實(shí)際測量。

　　在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，必須用一臺中心計(jì)算機(jī)或控制器來協(xié)調(diào)測試過程的各個(gè)步驟。單臺儀器的校準(zhǔn)必須考慮互連電纜、連接器等的因素，它們會增加測試站之間的測量不確定性。另外，必須在各臺儀器之間建立某種水平的同步機(jī)制，以確保正確的信號注入、捕捉與分析。對于T/R模塊，DUT需要電源、控制、通信、監(jiān)控，還需要與設(shè)備其余部分的同步。

　　在一個(gè)合成儀器中，激勵、響應(yīng)和DUT接口都緊密地集成與同步。校準(zhǔn)在系統(tǒng)級完成，直到DUT接口。因此大大減少了不確定性的來源。整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)同質(zhì)環(huán)境運(yùn)行，而不是一種多對象的組合。

　　五個(gè)測量通道對一個(gè)測量通道

　　對于T/R模塊的測量，需要五種傳統(tǒng)儀器：頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、噪聲系數(shù)分析儀、調(diào)制分析儀和功率計(jì)。

　　而在合成儀器中，所有需要的測量都通過一個(gè)響應(yīng)通道完成，一般采用公共的數(shù)字化數(shù)據(jù)。測試者不需要在多臺儀器之間轉(zhuǎn)換就能完成測量，只有一個(gè)測量通道，而無需考慮多個(gè)通道。

　　測量時(shí)間應(yīng)只受DUT性能與延遲/安定特性的限制。一旦實(shí)現(xiàn)這種情況，測試環(huán)境便為按速度進(jìn)行優(yōu)化。

　　對于傳統(tǒng)儀器環(huán)境，測量時(shí)間依賴于使用的各臺儀器，還有測量路徑與數(shù)據(jù)測量的轉(zhuǎn)換、同步，以及系統(tǒng)級的中心控制/排序。由于它們都與各自儀器緊密關(guān)聯(lián)，因此測量本身無法作優(yōu)化，也無法利用公共的采樣/數(shù)字化數(shù)據(jù)塊。

　　對于合成儀器，可以對多個(gè)測量作排序，充分利用公共的數(shù)據(jù)塊，實(shí)現(xiàn)測量空間的優(yōu)化。此時(shí)，儀器之間與測量/數(shù)據(jù)路徑之間不存在切換問題，環(huán)境自身就是同步的，包括DUT?？刂?排序可獲取所有系統(tǒng)資源的最大性能優(yōu)勢。此外，環(huán)境為同質(zhì)性，允許作連續(xù)計(jì)算、信號處理和條件運(yùn)行。

　　讓我們看一下對T/R模塊的多個(gè)基準(zhǔn)測試，考慮到平均有20個(gè)不同測試案例，傳統(tǒng)機(jī)架與堆疊測試系統(tǒng)需要約3至4小時(shí)的測試時(shí)間。而一個(gè)經(jīng)高度優(yōu)化的合成儀器只需要4至6分鐘的測試時(shí)間，其中1分鐘還用于DUT的預(yù)熱。即使考慮了基準(zhǔn)近似，以及在生產(chǎn)測試環(huán)境中更換DUT所花的時(shí)間，采用綜合測試環(huán)境也可以將測試速度提高30倍。

　　如果比較這兩種系統(tǒng)的成本，混合型合成儀器的首次建設(shè)成本一般只有傳統(tǒng)機(jī)架-堆疊系統(tǒng)成本的10%?？紤]在一段時(shí)期內(nèi)節(jié)省的測試時(shí)間，混合型合成儀器具有優(yōu)異的成本特性。如果我們再考慮較少的測試站數(shù)會占用較小的空間，需要更低的供電要求，則其經(jīng)濟(jì)性是不容置疑的。

　　更方便支持未來更新升級

　　在選擇過程中，還需要特別檢查一個(gè)額外項(xiàng)，那就是在更長的時(shí)間周期內(nèi)，兩種系統(tǒng)能在多大程度上管理設(shè)備的更新、適應(yīng)新的需求和重新配置，以支持多種產(chǎn)品系列。

　　傳統(tǒng)機(jī)架-堆疊系統(tǒng)采用“叉車”方案管理設(shè)備更新問題，即更換。不過，如果一種儀器不再生產(chǎn)，更換就變得不可能，而必須修改測試程序和測試執(zhí)行方法，以適應(yīng)不相同的儀器。如果新需求落入了相應(yīng)儀器的性能包絡(luò)中，就可能要適應(yīng)新的需求，并為不同產(chǎn)品/產(chǎn)品系列重新配置一個(gè)傳統(tǒng)解決方案。舉個(gè)例子，如果一些測量或全部測量都需要運(yùn)行在一個(gè)較高頻率下，則全部相關(guān)儀器都必須能支持?jǐn)U展的頻率。那些不支持的儀器就必須換掉，哪怕只是在較高頻率下作一次測量。

　　另一方面，合成儀器在管理設(shè)備更新和改變需求方面特別靈活。由于合成儀器是基于測試，而不是基于儀器，因此它們不受設(shè)備更新的影響。當(dāng)需要作新的測量時(shí)，可以簡單地在綜合測試環(huán)境中編寫代碼（只要總的系統(tǒng)性能包絡(luò)能支持）。如果一個(gè)新需求的測量落在當(dāng)前包絡(luò)的外面，需要的只是更換或增加一個(gè)或多個(gè)模塊，其特性（如有較高的工作頻率）可將系統(tǒng)性能包絡(luò)擴(kuò)展到新的測量需求。

　　應(yīng)用實(shí)例

　　一旦完成了對最優(yōu)測試環(huán)境類型的選擇，仍然需要針對特定應(yīng)用去做環(huán)境的實(shí)現(xiàn)和定制。對于最終用戶，可以購買或開發(fā)各種模塊與軟件，然后嘗試建立一個(gè)合成儀器系統(tǒng)，不過也有現(xiàn)成的解決方案，可大大簡化這一過程。其中一個(gè)解決方案就是Aeroflex的SMART^E（綜合多功能自適應(yīng)可重配置測試環(huán)境）。對此特例，模塊測試環(huán)境（工作頻率高達(dá)40GHz）被選擇為這一測試應(yīng)用的基本環(huán)境（見圖1）。

　　客戶作出這一選擇的依據(jù)不僅是它的性能和持有/運(yùn)行成本，還有大幅減少的啟動成本。它們包括與測試環(huán)境中DUT集成（不是簡單的接口）相關(guān)的活動，以及將測試計(jì)劃轉(zhuǎn)換為一系列可執(zhí)行測試程序/順序。