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，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，并參加過多個政府工程，你可能會認為合成儀器就是NxText和ARGCS（Agile Reconfigurable Global Combat Support）計劃。

　　在各種情況中，都很難實現(xiàn)針對大批量要求以及高測量性能要求的測試應用，并考慮到評估和選擇一個微波綜合測試環(huán)境的最實用方面。本文將描述一個選擇過程，指導客戶為相控陣雷達系統(tǒng)中發(fā)射接收（T/R）模塊測試選擇一個綜合實現(xiàn)方法。

　　事實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)成功地進入了為相控陣雷達建立T/R模塊的業(yè)務(wù)。此時，該公司通常會從只為單臺雷達建造一個或幾個單元，轉(zhuǎn)而根據(jù)不同的雷達應用情況，制造數(shù)百甚至數(shù)千個單元。設(shè)想一名測試工程師，一直與從事T/R模塊的設(shè)計與原型工作的一組混合信號微波元件工程師進行合作。經(jīng)過多次提議，無數(shù)次會議，很多設(shè)計變動，并對一些原型累積了數(shù)千小時的測試數(shù)據(jù)，工程小組終于獲得了引進幾千到數(shù)百臺雷達的業(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)高出兩個數(shù)量級。事實上，第一個制造合同（階段或批次）可能等同于完成整個開發(fā)周期所需時間。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。

　　第一個生產(chǎn)測試計劃作出來后，需要進行分析以糾正尺寸，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)驗獲得測試時間基準。這一過程結(jié)束時的研究結(jié)果表明，每個模塊需要大約四小時的測試時間，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)量以及合同的時間長度，這些結(jié)果可能會對財務(wù)和日程表有什么影響？怎樣做才能找到一個實際可行而有益的解決方案？

　　被測設(shè)備（DUT）

　　在回應以上問題以前，先讓我們再多了解一下DUT。一個T/R模塊基本上是一個微型發(fā)射機/接收機（收發(fā)機），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。這點非常重要，因為可能要在一個相對較小的空間內(nèi)安裝多個模塊。此時，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/輸出動態(tài)范圍、三階互調(diào)（TOI）、接收機噪聲系數(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)仔細測量、優(yōu)化和驗證，并在生產(chǎn)期間作快速檢驗。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)下檢驗所有的特性參數(shù)。所有這些就得到了一個由多維測量下多個測量點定義的測量空間，它確實需要高速和高測量精度，以降低不確定性，從而經(jīng)濟而高效地完成測試。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，因為一個雷達陣列的質(zhì)量對各個T/R模塊質(zhì)量有相同的依賴。

　　生產(chǎn)測試計劃

　　當在工程模式下測試時，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)地超越標準的性能參數(shù)，從而能同時提供性能（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，必定有大量的重復測試，因為要作必要的修正和返工，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測試，而不是對多個模塊作逐一測試。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，同時保持最大的產(chǎn)量。在這種情況下，有兩個額外因素就非常重要：

　　? 完全統(tǒng)一并遵循公認標準（如NIST）的系統(tǒng)級校準工作。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關(guān)鍵的時間元素：DUT設(shè)置（包括預熱）、激勵設(shè)置、響應設(shè)置、校準與實際測量。

　　在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，必須用一臺中心計算機或控制器來協(xié)調(diào)測試過程的各個步驟。單臺儀器的校準必須考慮互連電纜、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。

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

　　五個測量通道對一個測量通道

　　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。

　　而在合成儀器中，所有需要的測量都通過一個響應通道完成，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，只有一個測量通道，而無需考慮多個通道。

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

　　對于傳統(tǒng)儀器環(huán)境，測量時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，可以對多個測量作排序，充分利用公共的數(shù)據(jù)塊，實現(xiàn)測量空間的優(yōu)化。此時，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)計算、信號處理和條件運行。

　　讓我們看一下對T/R模塊的多個基準測試，考慮到平均有20個不同測試案例，傳統(tǒng)機架與堆疊測試系統(tǒng)需要約3至4小時的測試時間。而一個經(jīng)高度優(yōu)化的合成儀器只需要4至6分鐘的測試時間，其中1分鐘還用于DUT的預熱。即使考慮了基準近似，以及在生產(chǎn)測試環(huán)境中更換DUT所花的時間，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)機架-堆疊系統(tǒng)成本的10%。考慮在一段時期內(nèi)節(jié)省的測試時間，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額外項，那就是在更長的時間周期內(nèi)，兩種系統(tǒng)能在多大程度上管理設(shè)備的更新、適應新的需求和重新配置，以支持多種產(chǎn)品系列。

　　傳統(tǒng)機架-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，以適應不相同的儀器。如果新需求落入了相應儀器的性能包絡(luò)中，就可能要適應新的需求，并為不同產(chǎn)品/產(chǎn)品系列重新配置一個傳統(tǒng)解決方案。舉個例子，如果一些測量或全部測量都需要運行在一個較高頻率下，則全部相關(guān)儀器都必須能支持擴展的頻率。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。當需要作新的測量時，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）。如果一個新需求的測量落在當前包絡(luò)的外面，需要的只是更換或增加一個或多個模塊，其特性（如有較高的工作頻率）可將系統(tǒng)性能包絡(luò)擴展到新的測量需求。

　　應用實例

　　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用去做環(huán)境的實現(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。其中一個解決方案就是Aeroflex的SMART^E（綜合多功能自適應可重配置測試環(huán)境）。對此特例，模塊測試環(huán)境（工作頻率高達40GHz）被選擇為這一測試應用的基本環(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，以及將測試計劃轉(zhuǎn)換為一系列可執(zhí)行測試程序/順序。