自动测试系统校准技术研究.doc

自动测试系统校准技术研究第2期2007年6月电光系统ElectronicandElectroopticalSystemsNo.2June.2007自动测试系统校准技术研究杨瑞青中国电子科技集团公司第二十七研究所郑州450015摘要:自动测试系统校准从方法上可以分为离位校准和原位校准两大类,本文分析了离位校准方法的特点及缺陷和原位校准方法的特点及优点,研究了自动测试系统采用原位校准的工作原理和方法,对校验适配器和校准软件的设计技术进行了阐述.关键词:原位校准;校验适配器;不确定度;IVI技术;ATLAS中图分类号:TN98文献标识码:A1前言由于众多的需求推动,自动测试系统技术有了极大发展,从专用自动测试系统渐渐向通用自动测试系统转变.自动测试系统包含硬件和软件两部分,硬件平台包括测试控制计算机,仪器,开关和测试接口适配器等.作为测试设备,A的性能指标必须由校准保证.校准的目的是确保测试系统的溯源性和测试结果的可重复性.校准一般是用比被校计量器具精度高的计量器具(称为标准器具)与被校计量器具进行比较,以确定被校计量器具的示值误差.校准如果在检定(校准)室进行,则环境条件应满足实验室要求的温度,湿度等规定.校准如在现场进行,则环境条件以能满足仪表现场使用的条件为准.ATS(AutomaticTestSystem自动测试系统)校准分为两类基本的方法:一种是离位(offstation)校准,另一种是原位(onstation)校准.离位校准是将ATS看作独立测试仪器的组合,ATS校准工作被分解为针对每个仪器的单独校准过程,根据每个仪器的检定周期,定期从ATS系统中取出相应的仪器送法定计量单位检定,而仪器程控特性往往不是必检内容.这样的校准没有考虑测试仪器与被测件之间的连接电缆,开关,负载等造成的测试信号的变化,使校准结果缺乏完整性和真实性.随着模块化虚拟仪器的出现,很多过去由独立台式仪器实现的检测/激励功能现在由卡式的虚拟仪器取代,这样随着ATS的集成化程度的不断提高,拆卸仪器单元送检变得越来越困难甚至是不可能的,许多卡式仪器模块都必须从其宿主机箱得到参考频率和参考电压,离开了特定的仪器机箱校准结果将是不真实的,有时甚至无法工作.按照自动测试系统的工作特点,校准时应把整个ATS作为”一台仪器”来考虑,即采用原位校准的方法来进行.原位校准的主要优点是:(1)获得ATS最高的测量完整性;(2)ATS校准可以在其工作环境中进行;(3)由于校准而造成的ATS停用时间减少;(4)由于拆卸,运输和组装造成的测试仪器损坏的可能性减少;(5)与校准程序配合能够实现测试信号通道选择,检测/激励控制,数据采集和报表产生的自动化,加快校准的速度.2原位校准的实现方法圈一豳卜圃第120期杨瑞青:自动测试系统标准技术研究63ATS施加标准量输人,或者用标准仪器测量ATs的输出,显示结果与标准量比较,达到整体校准的目的.需要做的是,研制校验适配器和专用校准软件.校准分为两步:(1)确定ATs内部各参数的计量链,设计校验适配器,利用外部标准校准器对计量链高端的仪器在校验适配器的输人输出端进行校准,解决整个S的计量溯源接口的校准问题,如图2量程或某一参量,如果对其进行全功能校准,即耗时耗力也是不科学的,对于这种情况,应充分了解具体使用情况,根据用户实际需要,有选择地进行校准,而且校准也不是根据生产厂商提供的参数指标进行,而是以满足ATS的需要为依据.3校验适配器的设计技术校验适配器的作用是将被校仪器与校准标准(内部,外部)连接在一起,它分为通用接收适配器和可更换适配器两部分.为了使ATS与校准源的连接复现ATs与被测对象的连接方式,因此校验适配器的通用接收适配器和ATS的通用接收适配器接口定义相同,而且选型也要相同.校验适配器可以模拟测试适配器中采用的信号调理电路,线缆连接方式,负载特性和通道路由选择,这样校准工作方式与测试工作方式更接近.校准方式必需反映ATS的使用方式,例如:在ATS测试中,由于开关矩阵的限制,采用双线电阻测量,则校验适配器中就不能绕过开关网络采用4线测量来检测数字万用表的精度;校准测试也应该在一个信号通道上测试该功能的有效性.但是没有必要对所有的信号通道进行检测验证,更不可取的是建立补偿数据表,在被测件测试时动态校正每个通道的电阻,因为测试适配器与校验适配器的信号通道参数不可能完全一致,使得补偿数据变得毫无意义.射频和微波信号的参数校准利用射频和微波测试接口适配器.由于分布参数的影响,射频和微波信号在测试适配器上的通道损耗肯定有所不同,利用校准适配器进行信号参数补偿同样是无效的.但可以利用校验适配器实现最佳的信号传输与阻抗匹配条件,当在此最佳条件下获得的信号损耗不超过某一最大值时,则可以将该参数值作为测试时,ATS射频激励与检测资源的最优信号传输参数.3.1校验适配器对校准结果影响采用原位校准时,自动测试系统里的仪器模块不是直接和校准标准相连,中间经过ATS内部的电缆,开关和适配器间的连接线缆等,这些因素对直流电压,低频信号,频率等的影响可以不考虑,但进行射频信号电平校准时,对这些系统因素必需进行修正.由于被校准信号的输出输人端和校验适配器的信号输人输出端之间的同轴电缆,开关和适配器内部的连接线缆的影响,所以这两个输出端口之间的功率电平必然有一定的损耗,并且频率不同,损耗也不同.因此校准前,需要对这个损耗(包括相关的射频转接头)进行确定,方法如图3所示.闭合相应的开关,用网络分析仪在待校准频点上测试被校准信号的输出输入端和校验适配器的信号输人输出端之间的传输损耗,在校准程序中进行相应射频电平的系统修正.例如采用原位校准的方法进行微波信号源的射频电平参数时,测得信号源的输出端和校验适配器的信号输人之间在频率为10GHz的传输损耗为7dB,则校准程序中在频率为10GHz对信号源的射频电平进行校准时,要把校准标准的测得结果再加上7dB作为最后的校准结果.图3信号传输损耗的测试方法电光系统第2期3.2校验适配器对不确定度的影响依据ISO/IEC17025:1999检测和校准实验室能力的通用要求,校准实验室在对仪器校准后,在给出校准参数的测量数据的同时还应给出测量不确定度.测量结果的不确定度往往是由A类不确定度和B类不确定度合成得到.在众多不确定度影响因素中,由重复性引起的测量不确定度与校准项目的所选测量点和测量过程有关,我们把它称为A类不确定度.A类不确定度的计算方法往往采用统计方法,而应用统计方法的前提是在大量测量数据的基础上才能进行.B类不确定度与测量所使用的标准器精度,分辨力,被测仪器的调节细度以及测量方法,测量环境因素等有关.ATS采用原位校准方法时,开关,连线,校验适配器等都能引起测试信号的变化,这些变化对校准结果的不确定度有定的贡献,尤其是对射频电平校准结果的不确定度影响更大.因此在进行校准结果不确定度分析时,把这些因素引起的不确定度作为一个分量考虑进去,使校准结果具有完整性和真实性.分析射频电平的不确定度时,B类不确定度分量主要是开关,线缆和校验适配器失配引起的不确定度.假设被校信号和校准标准间在某频点的驻波比为S,测试仪器的电压驻波比为S,则射频电平的校准结果在该频点由于失配引入的误差按公式A=8.7lr.llrl计算,失配误差符合反正弦分布,计算由于失配引入的测量不确定度时取k=.4校准软件的设计技术目前,测试领域内存在两种不同的测试程序开发模式:其一是面向仪器的测试,其二是面向信号的测试.面向仪器的测试由测试程序直接控制仪器的动作来完成测试;面向信号的测试将对测试资源的需求映射成对信号激励/测量的需求,通过内部服务机制的解释和定位,驱动测试仪器完成测试任务.直接面向虚拟仪器调用测试资源,其缺点是系统往往不能涵盖所有仪器和新的功能,从而使TPs的可移植性和仪器互换性受到限制;而信号的类型是有限的,理论上可以涵盖所有仪器,这是后者的优势所在.校准程序采用面向仪器开发模式时,对仪器的控制和数据的处理都必须放在校准测试程序中,当自动测试系统的设备发生变动时,必须对校准程序做改动.由于仪器控制语句在校准程序中是分散分布的,一台仪器的替换可能引起校准程序的较大改动.而采用面向信号开发模式,校准程序描述的是测试信号的特性,而不是测试仪器的控制过程,实现测试程序与测试设备无关.因此,在设计自动测试系统校准软件时,应该采用面向信号的开发模式.面向信号的开发模式,其软件结构采用分层次设计的原则,由校准程序,软件开发平台,仪器驱动程序和I/,O接口软件组成,具有良好的开放性,如图4所示.l校准程序l工I软件开发平台l仪器驱动程序lI/0接口软件(VISA库)图4校准软件结构示意图(1)校准程序只对校准中所需的信号特征进行描述,并不涉及到具体的硬件资源,采用从A1IAS到c+的转换技术.(2)软件开发平台提供校准程序开发环境.(3)仪器驱动程序在系统中执行实际的与仪器的通信与控制,采用IVI(InterchangeableVirtualInstruments可互换虚拟仪器)技术.(4)I/O接口软件用于处理测试控制计算机与仪器间物理连接的通讯信息,由仪器生产商提供.4.1ATLAS到C+的转换技术ATLAS(AbbreviatedTestLanguageforAllSystems,所有系统的缩略测试语言)是一种面向信号的,标准的,缩写的英语测试程序描述语言,被IEEE接纳为标准后,在国外航空航天,大型武器装备等诸多领域的ATS构建中,ATLAS更被视为测试设计首选语言.然而,由于AS编译器受美国军方控制,使其在我国相关领域的实际应用受到严重制约.用c+实现”面向信号”的测试程序设计,关键是”用ANSIC语言实现ATLAS结构”;其总第120期杨瑞青:自动测试系统标准技术研究65目的在于使TPS在具有ATLAS代码规范性,易读性的同时,更具有C+语言运行时的实时性,高效性.用c语言实现ATLAS结构(即:将ATLAS移植到C+),必须将C+语言的结构化,模块化程序设计思想和A,I1AS面向信号测试理念有机统一.为此,转换系统首先对源程序进行预处理,词法分析,语法分析,语义分析,然后将其转换成C+代码,再调用C+编译器产生目标代码,在系统提供的运行库支撑下运行于ATS上,采用c+目标代码使A1LAS编译器具有良好的可移植性.系统的总体结构如图5和图6.资源调用过程如图7所示.在应用程序中通过逻辑名称调用分类驱动程序初始化函数,IVI引擎通过逻辑名称检查I配置文件,确定正在使用的具体仪器,动态调用具体仪器驱动程序相应的初始化函数,与仪器建立会话连接,并将会话句柄重新返回给分类驱动程序,由分类驱动程序其他函数通过该句柄发送仪器控制命令和接收数据,这些函数同样被IVI引擎映射到具体仪器驱动程序,完成对硬件仪器的I/O操作.二函图7M结构模型及仪器调用示意图图5系统总体结构图5结束语图6ATLAS转换系统结构图4.2I技术使用I驱动程序开发向导,创建仪器驱动程序文件.在CVI开发环境中选择菜单项Tools/CreateIVIInstrumentDrive进入I驱动器开发向导.按照向导提示,依次完成驱动器类型选择,常规命令字符串输入,标准操作选择输人,身份证查询设置输人,复位设置输人,自检设置输入,测试设置输入等对话框.确定仪器连接后单击RunTest按钮测试仪器,测试成功后单击Next按钮,生成仪器驱动器文件,包括.C文件,.h文件,.fp文件和.sub文件.根据实际使用仪器的特性编辑相关属性函数.注意的是,I固有属性和固有属性组名是不能修改的.如果仪器有特性没有反映出来,可以增加新的属性和函数.IVI由类驱动器,具体仪器驱动器,引擎和配置文件组成,其结构模型及其与硬件无关的测试原位校准是目前自动测试系统校准技术研究的重点,美国军方的多数通用自动测试系统,都配备了校准适配器,可以实现原位校准.美国空军还研制了基于GPIB的便携式