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自動測試系統(tǒng)溯源性設計與應用*

王凱讓1，2,蘇東林1,馮克明2，呂潔光2

(1.北京航空航天大學，北京100191；2.北京無線電計量測試研究所，北京100854)

摘要：為從設計源頭解決自動測試系統(tǒng)溯源問題, 構建了自動測試系統(tǒng)的溯源層次模型，把內嵌式標準和內部溯源鏈設計作為系統(tǒng)架構的一部分, 使溯源鏈的構建更加靈活、簡單，動態(tài)實時校準更加方便，能更好的滿足技術和保障的雙重需求。

關鍵詞：自動測試系統(tǒng); 原位校準; 溯源性模型

0引言

自動測試系統(tǒng)(ATS)已成為航空航天設備、現(xiàn)代武器裝備生產(chǎn)驗證、維修保障的重要手段[1-2]。從功能角度看,自動測試系統(tǒng)等效于一臺綜合測試儀器，因此也就面臨作為儀器所必須進行的工作:溯源。同時作為一種測試系統(tǒng),其本身的準確性與可靠性將直接影響整個測試過程，因此自動測試系統(tǒng)的溯源性設計是保證測試精度的重要前提,必須引起足夠的重視。

傳統(tǒng)的ATS校準大多采用離位校準方法，將ATS看作獨立測試儀器的組合,將ATS系統(tǒng)的校準分解為針對每個儀器的單獨校準過程,定期從系統(tǒng)中抽取相應的儀器送檢[3]。這種方法管理簡單,可利用的計量實驗室較多，然而該方法既影響裝備的正常保障，又使測試設備可靠性降低；另一方面，由于程控開關、通用適配器(interface connect adapter,ICA)、專用適配器(interface test adapter,ITA)等結構以及總線儀器模塊的使用，使得在測試設備測試端面表現(xiàn)出的測量特性(如上升時間、阻抗、測量線性度等)已不簡單的是單一儀器模塊在其儀器端口所表現(xiàn)出來的測量特性，實驗室的測量數(shù)據(jù)并不能直接反映這些設備在實際工作條件下的量值特性，往往使校準的價值和意義大打折扣。因此應該采用原位校準方法，將ATS 作為統(tǒng)一的整體開展溯源性設計。

ATS溯源和校準內容豐富，從校準的參數(shù)類型劃分，包括數(shù)字量校準，模擬量校準，微波參量校準等；從校準的場合劃分，包括離位校準和在位校準；從校準的對象劃分，包括內部校準和外部校準等。種類繁雜的校準分類，顯然不利于探尋ATS校準的本質，優(yōu)化ATS的校準策略。本文通過ATS多階校準模型的分析，對ATS的溯源進行整體性考慮，優(yōu)化量傳標準的設計，建立滿足技術需求和保障需求的量值溯傳鏈。

1ATS的多階校準模型

1.1ATS校準界面劃分

自動測試系統(tǒng)是一個復雜的綜合測試系統(tǒng)，它的結構如圖1所示，它包括系統(tǒng)控制器、VXI/PXI/LXI模塊化儀器、臺式儀器、系統(tǒng)資源適配框口(ICA)、測試適配框口(ITA)、測試適配器等。其儀器模塊的種類總體可以分為系統(tǒng)供電、激勵源、測量設備和開關四大類，激勵源和測量設備通過開關矩陣的靈活配置構成滿足不同測試需求的測試界面。對于同樣的環(huán)境和操作，測量結果的質量由被測對象(負載特性等)、信號調理、線纜連接方式、通道路由和相應的測試界面決定。系統(tǒng)校準的目的是確保被測對象測試結果的可信。按照從被測到結果的整體過程來看，ATS的測量過程可以分為UUT接口界面、擴展矩陣界面、系統(tǒng)資源界面(ICA)、儀器界面等4階界面。

儀器界面是儀器廠家和專業(yè)計量機構普遍接受的通用校準界面。在該界面開展校準工作最利于儀器自身性能的校準和驗證，多采用實驗室送檢的離位校準方式進行，有些臺式儀器設備的自校也可通過一些商用的校準附件在現(xiàn)場進行。

系統(tǒng)資源界面是ATS激勵和測試能力匯集的界面。在該界面開展校準工作一般只能原位進行，可采用簡易的或符合某種結構標準的方式將被校通道與現(xiàn)場的量傳標準連接起來。

擴展矩陣界面是根據(jù)測試類別的需求，把激勵源和測量設備經(jīng)開關矩陣配置后形成的針對某一類對象(如數(shù)字、模擬、高頻、射頻以及混合型等)的可擴展型測試界面。

UUT接口界面是直接連接被測對象的界面。在該界面開展校準工作最能反映測試數(shù)據(jù)的實際情況。

1.2ATS系統(tǒng)誤差分析

在單個儀器的端口界面分別進行校準的方法，不能滿足ATS的溯源需求。把測試系統(tǒng)作為一個整體, 除常規(guī)儀器校準要考慮的因素外，還要考慮系統(tǒng)測量通路、連接器、電纜、開關和適配器等因素帶來的誤差影響等。

(1) 系統(tǒng)測量通路誤差

測試系統(tǒng)的測量通道一般由多路開關和信號調理電路構成, 以滿足測量信號的路由選擇和濾波, 阻抗匹配等信號調理要求。在信號傳輸過程中, 由于對信號衰減和各種干擾的影響, 測量通道的誤差將是整個測試系統(tǒng)測量誤差的重要來源[4]。在測試系統(tǒng)校準過程中, 怎樣對測量通道進行誤差分析，定量地評價其對整個系統(tǒng)誤差的影響，是必須要解決的重要問題, 也是測試系統(tǒng)實現(xiàn)測量補償?shù)闹匾罁?jù)。需要采用通道校準法來標定測量通路的實際誤差。

圖1　自動測試系統(tǒng)的四階校準界面Fig.1　Four-step calibrating interface of ATS

(2) 適配器誤差

傳統(tǒng)的校準方式是在ATE輸入、輸出端進行校準,并且不考慮適配器對誤差的影響。這種方式的校準精度較差,目前校準過程中適配器帶來的誤差已成為精確計量發(fā)展的趨勢，但在校準中考慮適配器的影響,這將使系統(tǒng)校準問題復雜化,而且由于被測對象不同導致適配器各異,千差萬別，不容易抽象出一般的系統(tǒng)校準方法,但系統(tǒng)校準包含適配器無疑提高了校準精度。適配器主要組成為連接器、電纜、開關及調理電路，針對不同的連接器、不同電纜長短和排列以及對頻率的影響進行了仿真分析和驗證。

(3) 環(huán)境的影響

一般說來,ATE系統(tǒng)工作環(huán)境和計量標準裝置的工作環(huán)境不同。測量環(huán)境因素如溫度、濕度、氣壓、震動、照明、電磁場等，特別是環(huán)境因素的空間梯度和時間變化，引起自動測試系統(tǒng)測量量值的變化，從而帶來誤差?！瓣P注環(huán)境對測量動態(tài)性能的影響”是溯傳鏈從實驗室有效延伸到現(xiàn)場關注的第一項內容。而計算機技術在自動測試系統(tǒng)中的應用，不但完善了數(shù)據(jù)的傳輸、交換等性能，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活、簡單，而且當許多軟件充當了以往由硬件實現(xiàn)的角色時，可以減少許多隨時間可能漂移、需要定期校準的分立式模擬硬件，利用校準程序和校準數(shù)據(jù)包,增強系統(tǒng)在位校準的實時性，提高系統(tǒng)的測量精度、測量準度和可重復性[5-6]。

1.3ATS原位溯源多階校準模型

根據(jù)裝備計量保障的要求,自動測試設備的校準一般應由傳遞標準通過測試程序集的校準功能在自動測試設備主機上運行校準程序來實現(xiàn)[7]。傳遞標準由具備資格的專業(yè)計量機構進行校準。自動測試設備的自校準不能代替溯源性證明。傳遞標準可以是外部標準器或者是自動測試設備的校準件。這樣要求的目的就是為了更好的應對自動測試系統(tǒng)實際工作條件下系統(tǒng)的校準需求[8]。

利用傳遞標準對ATS開展校準工作有多個可選界面。校準面的選取是一個難點。儀器端口界面最直接，UUT接口界面最真實。如果按照傳統(tǒng)的儀器校準方式對ATE開展在位校準工作,全面覆蓋ATE系統(tǒng)功能和性能指標,需要采用大量的參數(shù)校準裝置運到現(xiàn)場，且這種方法要反映測量信號的情況需要對測試通路和校準適配的特性進行修正計算，也是一項工作量很大的精細工作[9]。如果僅在UUT端口界面進行，很難對儀器的性能指標作全面驗證，而且一旦系統(tǒng)超差，很難判定是儀器出了問題還是適配器出了問題，而且標準件的數(shù)量確定也是一個難題。

本文以UUT測量數(shù)據(jù)的校準需求和ATS的 6階計量界面為基礎,提出了一個滿足技術和保障雙重需求的ATS原位溯源方法。一是利用系統(tǒng)自身資源，以“面向需求的計量”而不是單純 “面向儀器的計量”為導向，構建內部溯源鏈, 把計量鏈頂端(精度最高)的儀器或參數(shù)通過量傳標準完成向國家專業(yè)機構的溯源。二是為完成ATS自身的校準和驗證，在系統(tǒng)資源界面開展ATE的自動校準和診斷，并把此界面亟需的量傳標準設計成ATS的可更換校準單元，作為ATS的一部分。三是為完成特殊UUT測量數(shù)據(jù)動態(tài)校準的需求，在UUT端口界面配備可量傳的標準件。四是對于擴展矩陣形成的通路模型，在仿真的基礎上，分別在2個界面進行驗證。五是所有的校準工作均在測試系統(tǒng)的主機上通過校準程序開展工作，并對測試數(shù)據(jù)進行校正。其溯源層次圖如圖2所示。

1.4溯源參數(shù)的鏈式求解

自動測試系統(tǒng)溯源參數(shù)的鏈式求解[10]過程如下：

(1) 按照量值類型進行分類，得到不同的量值組合S1，S2,…,Sn，并將該類量值按照信號流向分為輸入量值Si和輸出量值So，找出兩者之中精度等級最高的量值，作為該量值的內部參考，對外計量；

圖2　ATS原位溯源層次圖Fig.2　Traceable hiberarchy of ATS

(2) 按照溯源要求的量值測量不確定度(或誤差)比要求，找出該類型量值中可以進行內部溯源的量值，構建內部溯源鏈，例如某類型輸入量值Si1和輸出量值So1，其中Si1和So1的量值測量不確定度比優(yōu)于或等于1∶4，則量值So1可以溯源到Si1；(3) 同理，按照上述準則進行內部溯源鏈的梳理，形成內部溯源鏈；

(4) 對于無法實現(xiàn)內部溯源的量值，進行外部溯源。

(5) 對其他量值重復(1)～(4)，即可實現(xiàn)所有溯源參數(shù)的鏈式求解。

2ATS溯源性實踐

本文以XX型號電路板故障診斷測試系統(tǒng)為例，介紹ATS溯源性設計的過程。該故障診斷測試系統(tǒng)資源包括了直流供電電源，為被測試對象提供激勵的任意波形發(fā)生器、信號源和16路D/A、對被測對象測量的數(shù)字表、計數(shù)器和示波器，數(shù)字激勵響應單元，以及信號切換的矩陣開關等，是比較典型的配置。

2.1校準策略制定

根據(jù)對故障診斷測試系統(tǒng)和被測試對象的分析我們把被測試信號的種類分為數(shù)字和模擬2類(RF和微波除外)，校準參數(shù)主要為信號電壓、電阻、頻率、上升時間、相位和驅動能力等。其中數(shù)字量主要涉及電平、采樣率、通道間時延、上升時間和驅動電流，模擬量主要涉及電壓、電阻、頻率、相位等。為獲得對ATS的原位校準，綜合運用內校準、標準件法和分項參數(shù)校準法對ATS進行系統(tǒng)校準。并通過內部軟件修正的方法，來補償測試系統(tǒng)的增益、零點誤差, 分項目、分參數(shù)分通道設計修正因子，實現(xiàn)軟件補償。

系統(tǒng)內外校準原理如圖3所示。

自檢是自動測試系統(tǒng)的一個關鍵部分,為系統(tǒng)正常操作提供保障。自動測試系統(tǒng)的自檢通過自檢程序和相應的自檢適配器實現(xiàn),并實現(xiàn)故障檢測功能。自動測試系統(tǒng)的自檢包括兩個部分:①系統(tǒng)內部儀器調用內建測試程序,實現(xiàn)自身檢測；②系統(tǒng)內部的激勵儀器和測量儀器通過自檢適配器進行互聯(lián)，實現(xiàn)相互檢測。

系統(tǒng)內校準是首先把系統(tǒng)內低準確度的儀器向高準確度儀器溯源或利用部分高(或相當)指標的內部儀器模塊對內部低指標的儀器模塊進行校準[11]。利用此方法，一方面由于校準與測試過程基本一致，能夠保證校準值的可信和可靠[12]，另一方面由于外校準參數(shù)的減少而大大提高校準效率和系統(tǒng)的可靠性。

圖3　系統(tǒng)內外校準分析Fig.3　Connecting diagram of standard element

標準件法是在系統(tǒng)測試端口開發(fā)標準件，將系統(tǒng)要校準的參數(shù)傳遞到標準件上，校準時將標準件連于測試設備的測試端口上，由標準件上的參考標準對測試設備進行校準，標準件的參數(shù)可以溯源到上級標準。結構連接示意圖如圖4。

圖4　標準件法連接示意圖Fig.4　Analysis of systemic inner and external calibration

校準軟件能根據(jù)標準件提供的參考值對系統(tǒng)的內部標準進行調整和修正，這是其他任何方法都無法比擬的優(yōu)點所在。

分項參數(shù)校準法是以測試頭或測試座為校準界面，分項參數(shù)校準法可以把一些特殊參數(shù)信號合理引導校準適配器上校準，將各測量參數(shù)溯源至上級標準。

2.2自檢適配器

自檢適配器在對被測對象進行測試診斷之前，用來對系統(tǒng)的測試診斷資源進行檢測，以確定這些儀器資源是否工作正常。需要進行系統(tǒng)自檢時，把自檢適配器插入框口陣列(ICA)上，在ATE系統(tǒng)軟件環(huán)境運行環(huán)境中，調用系統(tǒng)自檢程序，即可以完成系統(tǒng)自檢，若系統(tǒng)自檢有問題，將顯示出故障信息。自檢適配器結構示意圖如圖5所示。

2.3內校準設計

內校準設計的分層原理如圖6所示。按照儀器溯源準確度要求，細分設備內部儀器，內部校準鏈路最終可以溯源到內部標準模塊上，也可以直接溯源到外部標準上，設備配置標準模塊是為設備校準專門配置使用的，與設備測量功能無關，優(yōu)點是由于標準模塊完成了設備內部參數(shù)的校準，因此故障診斷設備校準時，只需要把內部標準模塊從設備中拔出，拿到校準實驗室中校準，簡單、快捷且不影響測試設備的正常使用。

圖6　系統(tǒng)內校準層次化設計Fig.6　Hierarchical design of systemic inner calibration

系統(tǒng)即采用了數(shù)字多用表、計數(shù)器和示波器作為內部標準，校準了頻率準確度、幅度準確度、直流電壓、電阻和方波上升時間等參數(shù)。其余參數(shù)校準需采用外部校準的方法。采用外部校準方式使用分項參數(shù)校準法和標準件法對數(shù)字IO模塊、數(shù)字多用表模塊、計數(shù)器模塊以及臺式儀器示波器進行校準。系統(tǒng)內校準層次化設計如圖6所示。

2.4綜合校準適配器

基于XX故障診斷測試系統(tǒng)校準指標和內校準設計，采用分項參數(shù)校準方法和標準件法，設計了系統(tǒng)綜合校準適配器，主要包括了適配器框口(ITA)、實現(xiàn)自動校準的多種類型的開關，電壓標準裝置、數(shù)字量校準標準裝置和需要外部校準的參數(shù)，如圖7所示，結構示意圖如圖8所示。

圖7　綜合校準適配器組成示意圖Fig.7　Composition diagram of integrated　　　calibrating adapter

圖8　綜合校準適配器結構示意圖Fig.8　Structural diagram of integrated　　　calibrating adapter

利用校準適配器中的電壓標準裝置可以實現(xiàn)電壓表電壓參數(shù)和電阻參數(shù)的校準，利用數(shù)字量標準裝置可以實現(xiàn)數(shù)字量參數(shù)如I/O中數(shù)字電平、采樣速率、通道間時延和驅動電流的校準。

利用適配器內部的電壓標準裝置和多路四線繼電器開關，可以實現(xiàn)故障診斷設備中電壓和電阻參數(shù)的自動校準，原理如圖9所示。

圖9　電壓或電阻參數(shù)校準原理圖Fig.9　Principle diagram of voltage and　　　resistance parameter

利用適配器內部的數(shù)字量標準裝置和多路兩線繼電器開關，可以實現(xiàn)故障診斷設備中數(shù)字量參數(shù)的自動校準，原理如圖10所示。數(shù)字量可校準的參數(shù)有：通道電平驅動、通道上升時間、通道最小脈寬和通道間時延。

圖10　數(shù)字量參數(shù)校準原理圖Fig.10　Calibrating principle diagram of　　　 digital parameter

2.5標準件

作為系統(tǒng)傳遞標準研制中的標準件設計是系統(tǒng)校準中關鍵，小型化、便攜式、高精度的校準標準件，會對未來自動測試系統(tǒng)的校準產(chǎn)生深遠的影響。

(1) 模擬量標準件

根據(jù)故障診斷設備模擬系統(tǒng)中使用最多的電壓和電阻參數(shù)測量的需求，模擬標準件包括了5個標準電壓和5個標準電阻。標準電壓對于時間和溫度的穩(wěn)定性要好，選擇了穩(wěn)定性很高的電壓基準芯片和高精密線繞電阻，設計和實際測量的指標如表1所示。

表1　模擬標準件電壓參數(shù)

標準電阻電路主要組成是高精密電阻，高精密電阻最重要的指標是穩(wěn)定度，其次是溫度系數(shù)、老化等其它指標。為獲得高穩(wěn)定度，標準電阻的設計采用了“統(tǒng)計電阻”法，在串并聯(lián)的N只電阻中，任何一只電阻的變化，反映到總體阻值上，都會被縮小成N分之一。設計和實際測量的指標如表2所示。實驗證明，利用這種方法獲得的標準電阻，噪音更低、電壓系數(shù)更小老化更有規(guī)律。

表2　模擬標準件電阻參數(shù)

(2) 數(shù)字量標準件

數(shù)字電路測試系統(tǒng)關注信號的速率、邊沿特性以及驅動能。因此數(shù)字量參數(shù)標準件主要有兩部分組成即邏輯分析功能模塊和波形顯示測量模塊。其主要指標如下：

定時采樣率：200 MHz

每路存儲深度：8 Mbits

通道數(shù)：16

AD采集速率：250 MHz

AD采集帶寬：25 MHz

輸入阻抗：1 MΩ

電平轉換時間校準和電平驅動校準的時間如圖11，12所示。

圖11　電平轉換時間校準面板Fig.11　Calibrating panel of level converting time

圖12　電平驅動校準面板Fig.12　Calibrating panel of level driver

2.6系統(tǒng)校準軟件

XX型號電路板故障診斷測試系統(tǒng)校準軟件采用模塊化的設計方法，以數(shù)據(jù)庫為基本支撐環(huán)境。軟件構架分為顯控模塊、自檢模塊、自校準模塊、儀器校準參數(shù)模塊和相應的數(shù)據(jù)處理模塊，顯控模塊是主控模塊，起到總的調度作用，它執(zhí)行分析處理軟面板發(fā)布的各項命令，接收指令信息，并根據(jù)指令信息調用相應的功能模塊，完成對信號采集、分析和處理，并將最終測量結果傳送到軟面板顯示或打印。軟件工作流程分為四個階段：初始化與配置階段、根據(jù)指令選擇校準分模塊、數(shù)據(jù)采集及分析階段、數(shù)據(jù)顯示階段。主要功能和工作流程圖如圖13，14所示。

圖13　系統(tǒng)校準軟件結構圖Fig.13　Structural diagram of systemic　　　calibrating software

圖14　系統(tǒng)校準軟件工作流程Fig.14　Work flow of systemic calibrating software

3結束語

本文針對ATS的校準需求,提出了一個滿足技術和保障雙重需求的ATS原位溯源方法，并通過實例展示了基于該模型的ATS溯源性設計和實現(xiàn)過程?！懊嫦蛐枨蟆钡膬炔坑嬃挎溤O計、把可更換計量單元作為ATS系統(tǒng)架構的一部分、利用標準件在UUT端口進行原位校準和在ATS上實時開展校準工作的校準程序集,能有效的指導和開展ATS的設計和校準工作。

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Traceability Design and Application of Automatic Test Systems

WANG Kai-rang1，2，SU Dong-lin1，F(xiàn)ENG Ke-ming2，Lü Jie-guang2

(1.Beihang University，Beijing 100191，China；2.Beijing Institute of Radio Metrology and Measurements，Beijing 100854，China)

Abstract:Amultilayer traceability model for ATS is constructed to solve the problem of traceability from the beginning of design. By treating measurement delivery standard and internal tracing chain as a part of system structure, the tracing chain will be more flexible and simpler. The dynamic real-time calibration becomes more convenient and can better meet the requirements of technique and support.

Key words:automatic test system(ATS); in-situ calibration; traceability model

中圖分類號：TJ768.3

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-02-0172-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.028

通信地址：100854北京142信箱408分箱E-mail：ronland@126.com

作者簡介：王凱讓(1980-)，男，江蘇沛縣人。高工，博士生，主要從事大型綜合系統(tǒng)溯源性理論和應用研究、多維數(shù)據(jù)處理。

基金項目：有

* 收稿日期：2014-05-09；
修回日期：2014-09-24