最大化自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的精度

在設(shè)計(jì)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，精度的最大化通常是關(guān)鍵的考慮因素。確定如何最大化精度總是很困難的。絕大多數(shù)測(cè)試工程師會(huì)求助于他們所評(píng)估的儀器的技術(shù)參數(shù)表，寄希望于這些文檔能夠提供所有的答案。然而，其它因素對(duì)于最大化您的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的精度也是同樣重要的。
本文檔為您提供的五個(gè)步驟，可以最大化您的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的精度。這五個(gè)步驟如下所示：

1．解讀儀器規(guī)范

評(píng)估一個(gè)儀器的精度時(shí)，其數(shù)據(jù)參數(shù)表是寶貴的資源。然而，重要的是要明白，不同儀器廠商時(shí)常在規(guī)定測(cè)量精度時(shí)使用不同的術(shù)語，或者使用相似的術(shù)語表示不同的意義。因而，清楚地理解定義儀器特性時(shí)所涉及的所有參數(shù)是很重要的。在許多情況下，分辨率（resolution）、精密度（precision）和精確度（accuracy）等術(shù)語是互換使用的，但它們所代表的真正意義還是差別較大的。雖然通常都認(rèn)為一個(gè)6?位數(shù)字萬用表（DMM）必定可以精確到6?位，但往往情況并非如此。這里的位數(shù)僅僅關(guān)系到儀器所顯示的數(shù)字的位數(shù)，并不是輸入信號(hào)的可分辨的最小變化。您需要查驗(yàn)儀器的靈敏度和有效精度是否足夠高，以保證該儀器將為您提供所需的測(cè)量精度。

例如，一個(gè)6?位DMM能夠表示一個(gè)給定范圍，如1,999,999個(gè)計(jì)數(shù)或單元。但如果儀器的噪聲的峰峰值為20個(gè)計(jì)數(shù)，那么可分辨的最小變化必須至少為0.52 x 20個(gè)計(jì)數(shù)，因?yàn)榉直媛省獌x器可以可靠檢測(cè)的輸入信號(hào)的最小變化——等于高斯噪聲的電位或計(jì)數(shù)乘以0.52。因而，該6?位DMM的有效位數(shù)（ENOD）為：

2．考慮校準(zhǔn)需求

無論您為自己的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)所選擇的儀器的精度如何，重要的是要意識(shí)到，所有儀器中所用到的電子部分的精度會(huì)隨時(shí)間發(fā)生偏差。持續(xù)工作的時(shí)間以及環(huán)境條件的影響會(huì)加劇這樣的偏差。隨著時(shí)間的推移，組件值的偏差將給您的測(cè)量帶來更大的不確定性。要想解決這個(gè)問題，必須定期校準(zhǔn)您的儀器。 外部校準(zhǔn)就是將儀器的性能與已知的標(biāo)準(zhǔn)精度進(jìn)行比較。可以用文檔的形式記錄外部校準(zhǔn)的結(jié)果，以表明測(cè)量結(jié)果相對(duì)已知標(biāo)準(zhǔn)的偏差，但更多的情況是，外部校準(zhǔn)也包括儀器測(cè)量能力的調(diào)整，以確保其測(cè)量精度在廠商提供的范圍內(nèi)。許多廠商提供了精度演化表, 這些表反映了儀器自最近一次外部校準(zhǔn)后不確定性的變化的清晰輪廓。

要想完成一個(gè)儀器的外部校準(zhǔn)，您可以將其送回原廠，或者送至一個(gè)校準(zhǔn)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室。此外，您也可以自己實(shí)現(xiàn)外部校準(zhǔn)。無論您采取何種方式，重要的是認(rèn)識(shí)到，對(duì)于不同廠商，一個(gè)特定類型儀器的外部校準(zhǔn)間隔不總是相同的。一個(gè)廠商函數(shù)發(fā)生器的外部校準(zhǔn)間隔可能是一年；而另一個(gè)廠商具備同等或更好精度規(guī)范的函數(shù)發(fā)生器的外部校準(zhǔn)間隔可能是兩年。為了減少自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的維護(hù)成本，您應(yīng)該選擇第二個(gè)廠商的儀器。選擇儀器時(shí)，您需要仔細(xì)考慮外部校準(zhǔn)的間隔。

除了外部校準(zhǔn)，一些廠商的儀器還包含自校準(zhǔn)的功能。具備自校準(zhǔn)功能的儀器包含如精度電位參考等硬件資源，這樣您就可以快速校準(zhǔn)該儀器，而不必將其搬離測(cè)試系統(tǒng)或者與外部校準(zhǔn)硬件連接。自校準(zhǔn)并不能完全替代外部校準(zhǔn)，它只是提供了一種在外部校準(zhǔn)之間改善儀器測(cè)量精度的方法。

保持恰當(dāng)校準(zhǔn)的儀器會(huì)減少測(cè)量誤差（原文中的reduced應(yīng)為reduces），改善測(cè)量值間的連續(xù)性，并保證測(cè)量的精確性。參見《解讀校準(zhǔn)》指南，查閱其它的校準(zhǔn)資源

3．關(guān)注操作環(huán)境

并不是所有的儀器都有相同的環(huán)境規(guī)范。存儲(chǔ)、操作的溫度和相對(duì)濕度規(guī)范可能因廠商而異。您的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)或許是處于一個(gè)類似辦公室的環(huán)境，溫度和濕度得到嚴(yán)格的控制，但它們也可能被用于工廠或其它工業(yè)環(huán)境。因此關(guān)注您的儀器的環(huán)境規(guī)范，并了解環(huán)境如何影響測(cè)量的精度，是及其重要的。

例如，按照慣例，DMM是在特定溫度下進(jìn)行外部校準(zhǔn)的，此類校準(zhǔn)的特點(diǎn)在于被限定在某個(gè)特定溫度范圍進(jìn)行，通常為±5 oC（或者在某些情況下甚至為±1 oC）。因而，在此溫度范圍外使用該DMM的任何時(shí)候，其精度都必然會(huì)降低一個(gè)溫度系數(shù)，常見量級(jí)為每oC原精度規(guī)范降低10%。當(dāng)偏離指定范圍10 oC時(shí)，您的測(cè)量誤差可能是原測(cè)量誤差規(guī)范的兩倍，這在重視絕對(duì)精度的情況下值得我們關(guān)注。

在生產(chǎn)場(chǎng)所或者由多個(gè)儀器構(gòu)成的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)，保持精確儀器的環(huán)境溫度在±5 oC內(nèi)非常具有挑戰(zhàn)性。空氣流通不暢導(dǎo)致的溫度升高和其它因素都會(huì)影響到系統(tǒng)中的儀器。如果在嚴(yán)格的精度規(guī)范下，溫度的變化超出限制，那么需要在新的溫度下進(jìn)行再校準(zhǔn)。以傳統(tǒng)DMM的10伏直流量程為例。一個(gè)DMM或許有這樣的精度：

依此規(guī)范，如果您輸入電壓為5 V，其誤差為：
（5 V的百萬分之35 + 10 V的百萬分之5） = 225 μV，溫度范圍18~28 oC

這是確定精度的傳統(tǒng)方法。如果周圍環(huán)境的溫度超出18~28 oC的范圍，用戶需要使用溫度系數(shù)（tempco）下調(diào)精度。使用傳統(tǒng)方法，就是在該溫度下重新對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的校準(zhǔn)。當(dāng)然，這樣的過程通常是不世實(shí)際且高成本的。在同一個(gè)例子中，如果DMM的環(huán)境溫度是50 oC（或許是因?yàn)橥粋€(gè)機(jī)架中堆放了許多儀器而且空氣流通不暢），而且tempco有如下定義：

tempco = (讀數(shù)的百萬分之5 + 量程的百萬分之1)/ oC

那么附加誤差就是：

周圍環(huán)境溫度為50 oC時(shí)的誤差，幾乎比指定的1年精度要求超出近5倍。為了削減由于您的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的操作環(huán)境所帶來的誤差，某些廠商在儀器中包含了自校準(zhǔn)（如前面的討論）等特性。這樣的特性催發(fā)了在任何操作溫度下高度精確和超穩(wěn)定的儀器，即使遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的溫度范圍18~28 oC。現(xiàn)修改前面的DMM例子，使用帶有自校準(zhǔn)功能的NI PXI-4070 DMM，由溫度相關(guān)系數(shù)引入的額外誤差在其90天和2年的規(guī)范中均已完全覆蓋，這個(gè)誤差應(yīng)該是：

帶有自校準(zhǔn)的tempco：（讀數(shù)的百萬分之0.3 + 量程的百萬分之0.3）/oC
（在規(guī)范中已說明）

Condition	Traditional 6? (1-Year)	NI PXI-4070 (2-Year)
Measurement within 18 to 28 oC	225 μV	130 μV
Measurement at 50 oC without self-calibration	1045 μV	470 μV
Measurement at 50 oC with self-calibration	1045 μV (no self-calibration available)	130 μV

圖3。為了削減由于您的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的操作環(huán)境所帶來的誤差，可以選用具備自校準(zhǔn)功能的儀器。

關(guān)于您的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的操作環(huán)境對(duì)精度影響的更多信息，請(qǐng)參考《解讀FlexDMM架構(gòu)》白皮書。

4．使用恰當(dāng)?shù)难b配方式

將您的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)與受測(cè)設(shè)備（DUT）相連，可能和從儀器到分線盒或螺絲端子連線、以及將含有少于50個(gè)測(cè)試點(diǎn)或少量?jī)x器的系統(tǒng)與DUT相連一樣簡(jiǎn)單。對(duì)于含有數(shù)百個(gè)測(cè)試點(diǎn)、多個(gè)儀器、可重配置的系統(tǒng)需求和（或）頻繁通斷的較大系統(tǒng)，通常需要新的裝配方法（如大規(guī)模互連系統(tǒng)）。

在任何一種情況下，重要的是，您的裝配方式應(yīng)該由專門設(shè)計(jì)以最大化測(cè)量精度的接線組成。低質(zhì)量的接線會(huì)對(duì)您的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的精度產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。專門設(shè)計(jì)以最大化測(cè)量精度的接線包括了如低泄漏和低熱電勢(shì)等特性。
如前述討論，一個(gè)大規(guī)模互連系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)械裝置，用以方便大量DUT輸入輸出信號(hào)的連接。該系統(tǒng)通常附帶一些機(jī)械護(hù)欄，通過這樣的護(hù)欄所有的信號(hào)被從（典型的情況是在一個(gè)機(jī)架中）儀器路由至DUT，使得從外部快速改換DUT非常方便（參見圖5）。一個(gè)大規(guī)模互連系統(tǒng)也對(duì)經(jīng)歷反復(fù)連接/斷開循環(huán)的儀器前端的線纜連接提供保護(hù)。經(jīng)歷過多連接/斷開的儀器線纜連接容易受到磨損和破壞，這樣會(huì)降低測(cè)量精度。

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Figure 5. A mass interconnect system is a mechanical fixture designed to facilitate the connection of a large number of signals either coming from or going to a DUT (image courtesy of Virginia Panel Corporation).

5．利用同步

在自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)中，精度的另一個(gè)方面是相位精度——被采集和生成的信號(hào)的時(shí)序被精確相關(guān)的程度。同步，特別是硬件同步，把儀器間的偏移降到最小，從而實(shí)現(xiàn)最大化的相關(guān)性。例如，如果您的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)包含兩個(gè)同時(shí)從一個(gè)DUT采集數(shù)據(jù)的示波器，除非這兩個(gè)示波器使用同步的起始觸發(fā)器和采樣時(shí)鐘，否則要比較所采集信號(hào)的相位幾乎是不可能的。

在您的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)中使用硬件同步以最大化相位精度的另一個(gè)例子是在一項(xiàng)激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試中，任意波形發(fā)生器（ARB）和示波器的采樣時(shí)鐘通過鎖相環(huán)控制，使其達(dá)到同一個(gè)穩(wěn)定的參考時(shí)鐘。如果在一項(xiàng)激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試中沒有采用精確硬件同步，ARB所生成的模擬波形的少部分周期將被示波器所采集到。當(dāng)使用FFT分析采集的正弦波，頻譜泄漏展現(xiàn)為頻譜中的“裙邊”，如圖6中圖形的白線所示。使用鎖相環(huán)同步消除了被示波器采集到的少部分周期波。這依次消除了頻譜泄漏。

測(cè)試平臺(tái)提供水平差異顯著的硬件同步。一些測(cè)試平臺(tái)提供的功能有限，而有些測(cè)試平臺(tái)，如PXI，則提供非常復(fù)雜的硬件同步資源。PXI具備一個(gè)背板內(nèi)置的、高性能的定時(shí)與同步總線，它免除了儀器間使用外部連線的必要。通過集成的PXI定時(shí)與同步總線，您的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)中的儀器可以實(shí)現(xiàn)亞納秒級(jí)的同步。關(guān)于PXI儀器同步的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問《適用模塊化儀器定時(shí)與同步的NI T-Clock技術(shù)》指南。

總結(jié)：最大化自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的精度

在大多數(shù)情況下，精度的最大化在您設(shè)計(jì)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)時(shí)很重要。該白皮書所討論的五個(gè)步驟——解讀儀器規(guī)范，考慮校準(zhǔn)需求，關(guān)注操作環(huán)境，使用恰當(dāng)?shù)难b置和利用同步——為您提供了自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的精度最大化的向?qū)А?/P>