最大化自動化測試系統(tǒng)的精度

作者：時間：2011-12-24 來源：網(wǎng)絡

加入技術交流群
- 掃碼加入
  和技術大咖面對面交流
  海量資料庫查詢

引言

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

1．解讀儀器規(guī)范

評估一個儀器的精度時，其數(shù)據(jù)參數(shù)表是寶貴的資源。然而，重要的是要明白，不同儀器廠商時常在規(guī)定測量精度時使用不同的術語，或者使用相似的術語表示不同的意義。因而，清楚地理解定義儀器特性時所涉及的所有參數(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。雖然通常都認為一個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)僅僅關系到儀器所顯示的數(shù)字的位數(shù)，并不是輸入信號的可分辨的最小變化。您需要查驗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量精度。

例如，一個6?位DMM能夠表示一個給定范圍，如1,999,999個計數(shù)或單元。但如果儀器的噪聲的峰峰值為20個計數(shù)，那么可分辨的最小變化必須至少為0.52 x 20個計數(shù)，因為分辨率——儀器可以可靠檢測的輸入信號的最小變化——等于高斯噪聲的電位或計數(shù)乘以0.52。因而，該6?位DMM的有效位數(shù)（ENOD）為：

正如您所看到的，DMM的數(shù)據(jù)參數(shù)表中所列出的位數(shù)是一條重要的信息，但不應當就認為這是最終參數(shù)或唯一需要考慮的參數(shù)。通過了解您的自動化測試系統(tǒng)的測量精度與分辨率需求，您可以計算您所考慮的儀器的總的誤差范圍，并驗證其是否符合您的要求。而且，應主動詢問廠商，以準確把握數(shù)據(jù)參數(shù)表中的技術規(guī)范的意義，因為不理解您的儀器的真正性能可能會導致代價慘重的失誤。

為了更好地理解您所評估的儀器的規(guī)范，請閱讀應用說明《解讀儀器規(guī)范——如何理解專業(yè)術語》。

2．考慮校準需求

無論您為自己的自動化測試系統(tǒng)所選擇的儀器的精度如何，重要的是要意識到，所有儀器中所用到的電子部分的精度會隨時間發(fā)生偏差。持續(xù)工作的時間以及環(huán)境條件的影響會加劇這樣的偏差。隨著時間的推移，組件值的偏差將給您的測量帶來更大的不確定性。要想解決這個問題，必須定期校準您的儀器。外部校準就是將儀器的性能與已知的標準精度進行比較?？梢杂梦臋n的形式記錄外部校準的結果，以表明測量結果相對已知標準的偏差，但更多的情況是，外部校準也包括儀器測量能力的調整，以確保其測量精度在廠商提供的范圍內。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后不確定性的變化的清晰輪廓。

Figure 1. Graduated accuracy tables provide you with a clear uncertainty profile from the last external calibration of an instrument.

要想完成一個儀器的外部校準，您可以將其送回原廠，或者送至一個校準計量實驗室。此外，您也可以自己實現(xiàn)外部校準。無論您采取何種方式，重要的是認識到，對于不同廠商，一個特定類型儀器的外部校準間隔不總是相同的。一個廠商函數(shù)發(fā)生器的外部校準間隔可能是一年；而另一個廠商具備同等或更好精度規(guī)范的函數(shù)發(fā)生器的外部校準間隔可能是兩年。為了減少自動化測試系統(tǒng)的維護成本，您應該選擇第二個廠商的儀器。選擇儀器時，您需要仔細考慮外部校準的間隔。

[+] Enlarge Image
Figure 2. Not all instruments of the same type have equivalent external calibration intervals. When selecting instruments, consider the external calibration intervals.

除了外部校準，一些廠商的儀器還包含自校準的功能。具備自校準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該儀器，而不必將其搬離測試系統(tǒng)或者與外部校準硬件連接。自校準并不能完全替代外部校準，它只是提供了一種在外部校準之間改善儀器測量精度的方法。

保持恰當校準的儀器會減少測量誤差（原文中的reduced應為reduces），改善測量值間的連續(xù)性，并保證測量的精確性。參見《解讀校準》指南，查閱其它的校準資源

3．關注操作環(huán)境

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

例如，按照慣例，DMM是在特定溫度下進行外部校準的，此類校準的特點在于被限定在某個特定溫度范圍進行，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的任何時候，其精度都必然會降低一個溫度系數(shù)，常見量級為每oC原精度規(guī)范降低10%。當偏離指定范圍10 oC時，您的測量誤差可能是原測量誤差規(guī)范的兩倍，這在重視絕對精度的情況下值得我們關注。

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

1年的精度：（讀數(shù)的百萬分之35 + 量程的百萬分之5），對于T = 23±5 oC

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）下調精度。使用傳統(tǒng)方法，就是在該溫度下重新對系統(tǒng)進行全面的校準。當然，這樣的過程通常是不世實際且高成本的。在同一個例子中，如果DMM的環(huán)境溫度是50 oC（或許是因為同一個機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：

22 oC x tempco = （讀數(shù)的百萬分之110 + 量程的百萬分之22）= 770 μV

周圍環(huán)境溫度為50 oC時的誤差，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化測試系統(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（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，即使遠超出傳統(tǒng)的溫度范圍18~28 oC?，F(xiàn)修改前面的DMM例子，使用帶有自校準功能的NI PXI-4070 DMM，由溫度相關系數(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，這個誤差應該是：

帶有自校準的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化測試系統(tǒng)的操作環(huán)境所帶來的誤差，可以選用具備自校準功能的儀器。

關于您的自動化測試系統(tǒng)的操作環(huán)境對精度影響的更多信息，請參考《解讀FlexDMM架構》白皮書。

4．使用恰當?shù)难b配方式

將您的自動化測試系統(tǒng)與受測設備（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個測試點或少量儀器的系統(tǒng)與DUT相連一樣簡單。對于含有數(shù)百個測試點、多個儀器、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，您的裝配方式應該由專門設計以最大化測量精度的接線組成。低質量的接線會對您的自動化測試系統(tǒng)的精度產(chǎn)生顯著的負面影響。專門設計以最大化測量精度的接線包括了如低泄漏和低熱電勢等特性。

[+] 放大圖片
[+] Enlarge Image
Figure 4. Low-leakage, low-thermal-emf cables help to maximize accuracy in your automated test systems.

如前述討論，一個大規(guī)?；ミB系統(tǒng)是一個機械裝置，用以方便大量DUT輸入輸出信號的連接。該系統(tǒng)通常附帶一些機械護欄，通過這樣的護欄所有的信號被從（典型的情況是在一個機架中）儀器路由至DUT，使得從外部快速改換DUT非常方便（參見圖5）。一個大規(guī)?；ミB系統(tǒng)也對經(jīng)歷反復連接/斷開循環(huán)的儀器前端的線纜連接提供保護。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，這樣會降低測量精度。

[+] 放大圖片
[+] Enlarge Image
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).

白皮書《自動化測試系統(tǒng)中大規(guī)?；ミB/固定的益處》提供了對大規(guī)?；ミB系統(tǒng)的深入透視。

5．利用同步

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

在您的自動化測試系統(tǒng)中使用硬件同步以最大化相位精度的另一個例子是在一項激勵-響應測試中，任意波形發(fā)生器（ARB）和示波器的采樣時鐘通過鎖相環(huán)控制，使其達到同一個穩(wěn)定的參考時鐘。如果在一項激勵-響應測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。

Figure 6. Synchronization improves phase accuracy in your automated test systems. For example, this graph illustrates hardware synchronization eliminating spectral leakage in a stimulus-response test.

測試平臺提供水平差異顯著的硬件同步。一些測試平臺提供的功能有限，而有些測試平臺，如PXI，則提供非常復雜的硬件同步資源。PXI具備一個背板內置的、高性能的定時與同步總線，它免除了儀器間使用外部連線的必要。通過集成的PXI定時與同步總線，您的自動化測試系統(tǒng)中的儀器可以實現(xiàn)亞納秒級的同步。關于PXI儀器同步的更多信息，請訪問《適用模塊化儀器定時與同步的NI T-Clock技術》指南。