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自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)溯源性設(shè)計(jì)與應(yīng)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(xué)，北京100191；2.北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100854)

摘要：為從設(shè)計(jì)源頭解決自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)溯源問題, 構(gòu)建了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的溯源層次模型，把內(nèi)嵌式標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)部溯源鏈設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)架構(gòu)的一部分, 使溯源鏈的構(gòu)建更加靈活、簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)更加方便，能更好的滿足技術(shù)和保障的雙重需求。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng); 原位校準(zhǔn); 溯源性模型

0引言

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

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

ATS溯源和校準(zhǔn)內(nèi)容豐富，從校準(zhǔn)的參數(shù)類型劃分，包括數(shù)字量校準(zhǔn)，模擬量校準(zhǔn)，微波參量校準(zhǔn)等；從校準(zhǔn)的場(chǎng)合劃分，包括離位校準(zhǔn)和在位校準(zhǔn)；從校準(zhǔn)的對(duì)象劃分，包括內(nèi)部校準(zhǔn)和外部校準(zhǔn)等。種類繁雜的校準(zhǔn)分類，顯然不利于探尋ATS校準(zhǔn)的本質(zhì)，優(yōu)化ATS的校準(zhǔn)策略。本文通過ATS多階校準(zhǔn)模型的分析，對(duì)ATS的溯源進(jìn)行整體性考慮，優(yōu)化量傳標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，建立滿足技術(shù)需求和保障需求的量值溯傳鏈。

1ATS的多階校準(zhǔn)模型

1.1ATS校準(zhǔn)界面劃分

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的綜合測(cè)試系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括系統(tǒng)控制器、VXI/PXI/LXI模塊化儀器、臺(tái)式儀器、系統(tǒng)資源適配框口(ICA)、測(cè)試適配框口(ITA)、測(cè)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(lì)源、測(cè)量設(shè)備和開關(guān)四大類，激勵(lì)源和測(cè)量設(shè)備通過開關(guān)矩陣的靈活配置構(gòu)成滿足不同測(cè)試需求的測(cè)試界面。對(duì)于同樣的環(huán)境和操作，測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量由被測(cè)對(duì)象(負(fù)載特性等)、信號(hào)調(diào)理、線纜連接方式、通道路由和相應(yīng)的測(cè)試界面決定。系統(tǒng)校準(zhǔn)的目的是確保被測(cè)對(duì)象測(cè)試結(jié)果的可信。按照從被測(cè)到結(jié)果的整體過程來看，ATS的測(cè)量過程可以分為UUT接口界面、擴(kuò)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(jì)量機(jī)構(gòu)普遍接受的通用校準(zhǔn)界面。在該界面開展校準(zhǔn)工作最利于儀器自身性能的校準(zhǔn)和驗(yàn)證，多采用實(shí)驗(yàn)室送檢的離位校準(zhǔn)方式進(jìn)行，有些臺(tái)式儀器設(shè)備的自校也可通過一些商用的校準(zhǔn)附件在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。

系統(tǒng)資源界面是ATS激勵(lì)和測(cè)試能力匯集的界面。在該界面開展校準(zhǔn)工作一般只能原位進(jìn)行，可采用簡(jiǎn)易的或符合某種結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的方式將被校通道與現(xiàn)場(chǎng)的量傳標(biāo)準(zhǔn)連接起來。

擴(kuò)展矩陣界面是根據(jù)測(cè)試類別的需求，把激勵(lì)源和測(cè)量設(shè)備經(jīng)開關(guān)矩陣配置后形成的針對(duì)某一類對(duì)象(如數(shù)字、模擬、高頻、射頻以及混合型等)的可擴(kuò)展型測(cè)試界面。

UUT接口界面是直接連接被測(cè)對(duì)象的界面。在該界面開展校準(zhǔn)工作最能反映測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)際情況。

1.2ATS系統(tǒng)誤差分析

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

(1) 系統(tǒng)測(cè)量通路誤差

測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量通道一般由多路開關(guān)和信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成, 以滿足測(cè)量信號(hào)的路由選擇和濾波, 阻抗匹配等信號(hào)調(diào)理要求。在信號(hào)傳輸過程中, 由于對(duì)信號(hào)衰減和各種干擾的影響, 測(cè)量通道的誤差將是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量誤差的重要來源[4]。在測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)過程中, 怎樣對(duì)測(cè)量通道進(jìn)行誤差分析，定量地評(píng)價(jià)其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)誤差的影響，是必須要解決的重要問題, 也是測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量補(bǔ)償?shù)闹匾罁?jù)。需要采用通道校準(zhǔn)法來標(biāo)定測(cè)量通路的實(shí)際誤差。

圖1　自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的四階校準(zhǔn)界面Fig.1　Four-step calibrating interface of ATS

(2) 適配器誤差

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

(3) 環(huán)境的影響

一般說來,ATE系統(tǒng)工作環(huán)境和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的工作環(huán)境不同。測(cè)量環(huán)境因素如溫度、濕度、氣壓、震動(dòng)、照明、電磁場(chǎng)等，特別是環(huán)境因素的空間梯度和時(shí)間變化，引起自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量量值的變化，從而帶來誤差?！瓣P(guān)注環(huán)境對(duì)測(cè)量動(dòng)態(tài)性能的影響”是溯傳鏈從實(shí)驗(yàn)室有效延伸到現(xiàn)場(chǎng)關(guān)注的第一項(xiàng)內(nèi)容。而計(jì)算機(jī)技術(shù)在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)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(jiǎn)單，而且當(dāng)許多軟件充當(dāng)了以往由硬件實(shí)現(xiàn)的角色時(shí)，可以減少許多隨時(shí)間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，利用校準(zhǔn)程序和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)包,增強(qiáng)系統(tǒng)在位校準(zhǔn)的實(shí)時(shí)性，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度、測(cè)量準(zhǔn)度和可重復(fù)性[5-6]。

1.3ATS原位溯源多階校準(zhǔn)模型

根據(jù)裝備計(jì)量保障的要求,自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)一般應(yīng)由傳遞標(biāo)準(zhǔn)通過測(cè)試程序集的校準(zhǔn)功能在自動(dòng)測(cè)試設(shè)備主機(jī)上運(yùn)行校準(zhǔn)程序來實(shí)現(xiàn)[7]。傳遞標(biāo)準(zhǔn)由具備資格的專業(yè)計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的自校準(zhǔn)不能代替溯源性證明。傳遞標(biāo)準(zhǔn)可以是外部標(biāo)準(zhǔn)器或者是自動(dòng)測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)件。這樣要求的目的就是為了更好的應(yīng)對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)際工作條件下系統(tǒng)的校準(zhǔn)需求[8]。

利用傳遞標(biāo)準(zhǔn)對(duì)ATS開展校準(zhǔn)工作有多個(gè)可選界面。校準(zhǔn)面的選取是一個(gè)難點(diǎn)。儀器端口界面最直接，UUT接口界面最真實(shí)。如果按照傳統(tǒng)的儀器校準(zhǔn)方式對(duì)ATE開展在位校準(zhǔn)工作,全面覆蓋ATE系統(tǒng)功能和性能指標(biāo),需要采用大量的參數(shù)校準(zhǔn)裝置運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，且這種方法要反映測(cè)量信號(hào)的情況需要對(duì)測(cè)試通路和校準(zhǔn)適配的特性進(jìn)行修正計(jì)算，也是一項(xiàng)工作量很大的精細(xì)工作[9]。如果僅在UUT端口界面進(jìn)行，很難對(duì)儀器的性能指標(biāo)作全面驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)量確定也是一個(gè)難題。

本文以UUT測(cè)量數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)需求和ATS的 6階計(jì)量界面為基礎(chǔ),提出了一個(gè)滿足技術(shù)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(jì)量”而不是單純 “面向儀器的計(jì)量”為導(dǎo)向，構(gòu)建內(nèi)部溯源鏈, 把計(jì)量鏈頂端(精度最高)的儀器或參數(shù)通過量傳標(biāo)準(zhǔn)完成向國(guó)家專業(yè)機(jī)構(gòu)的溯源。二是為完成ATS自身的校準(zhǔn)和驗(yàn)證，在系統(tǒng)資源界面開展ATE的自動(dòng)校準(zhǔn)和診斷，并把此界面亟需的量傳標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)成ATS的可更換校準(zhǔn)單元，作為ATS的一部分。三是為完成特殊UUT測(cè)量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的需求，在UUT端口界面配備可量傳的標(biāo)準(zhǔn)件。四是對(duì)于擴(kuò)展矩陣形成的通路模型，在仿真的基礎(chǔ)上，分別在2個(gè)界面進(jìn)行驗(yàn)證。五是所有的校準(zhǔn)工作均在測(cè)試系統(tǒng)的主機(jī)上通過校準(zhǔn)程序開展工作，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。其溯源層次圖如圖2所示。

1.4溯源參數(shù)的鏈?zhǔn)角蠼?/p>

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)溯源參數(shù)的鏈?zhǔn)角蠼鈁10]過程如下：

(1) 按照量值類型進(jìn)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(hào)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(jí)最高的量值，作為該量值的內(nèi)部參考，對(duì)外計(jì)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(cè)量不確定度(或誤差)比要求，找出該類型量值中可以進(jìn)行內(nèi)部溯源的量值，構(gòu)建內(nèi)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(cè)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(zhǔn)則進(jìn)行內(nèi)部溯源鏈的梳理，形成內(nèi)部溯源鏈；

(4) 對(duì)于無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溯源的量值，進(jìn)行外部溯源。

(5) 對(duì)其他量值重復(fù)(1)～(4)，即可實(shí)現(xiàn)所有溯源參數(shù)的鏈?zhǔn)角蠼狻?/p>

2ATS溯源性實(shí)踐

本文以XX型號(hào)電路板故障診斷測(cè)試系統(tǒng)為例，介紹ATS溯源性設(shè)計(jì)的過程。該故障診斷測(cè)試系統(tǒng)資源包括了直流供電電源，為被測(cè)試對(duì)象提供激勵(lì)的任意波形發(fā)生器、信號(hào)源和16路D/A、對(duì)被測(cè)對(duì)象測(cè)量的數(shù)字表、計(jì)數(shù)器和示波器，數(shù)字激勵(lì)響應(yīng)單元，以及信號(hào)切換的矩陣開關(guān)等，是比較典型的配置。

2.1校準(zhǔn)策略制定

根據(jù)對(duì)故障診斷測(cè)試系統(tǒng)和被測(cè)試對(duì)象的分析我們把被測(cè)試信號(hào)的種類分為數(shù)字和模擬2類(RF和微波除外)，校準(zhǔn)參數(shù)主要為信號(hào)電壓、電阻、頻率、上升時(shí)間、相位和驅(qū)動(dòng)能力等。其中數(shù)字量主要涉及電平、采樣率、通道間時(shí)延、上升時(shí)間和驅(qū)動(dòng)電流，模擬量主要涉及電壓、電阻、頻率、相位等。為獲得對(duì)ATS的原位校準(zhǔn)，綜合運(yùn)用內(nèi)校準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)件法和分項(xiàng)參數(shù)校準(zhǔn)法對(duì)ATS進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。并通過內(nèi)部軟件修正的方法，來補(bǔ)償測(cè)試系統(tǒng)的增益、零點(diǎn)誤差, 分項(xiàng)目、分參數(shù)分通道設(shè)計(jì)修正因子，實(shí)現(xiàn)軟件補(bǔ)償。

系統(tǒng)內(nèi)外校準(zhǔn)原理如圖3所示。

自檢是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分,為系統(tǒng)正常操作提供保障。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的自檢通過自檢程序和相應(yīng)的自檢適配器實(shí)現(xiàn),并實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)功能。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的自檢包括兩個(gè)部分:①系統(tǒng)內(nèi)部?jī)x器調(diào)用內(nèi)建測(cè)試程序,實(shí)現(xiàn)自身檢測(cè)；②系統(tǒng)內(nèi)部的激勵(lì)儀器和測(cè)量?jī)x器通過自檢適配器進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)相互檢測(cè)。

系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)是首先把系統(tǒng)內(nèi)低準(zhǔn)確度的儀器向高準(zhǔn)確度儀器溯源或利用部分高(或相當(dāng))指標(biāo)的內(nèi)部?jī)x器模塊對(duì)內(nèi)部低指標(biāo)的儀器模塊進(jìn)行校準(zhǔn)[11]。利用此方法，一方面由于校準(zhǔn)與測(cè)試過程基本一致，能夠保證校準(zhǔn)值的可信和可靠[12]，另一方面由于外校準(zhǔn)參數(shù)的減少而大大提高校準(zhǔn)效率和系統(tǒng)的可靠性。

圖3　系統(tǒng)內(nèi)外校準(zhǔn)分析Fig.3　Connecting diagram of standard element

標(biāo)準(zhǔn)件法是在系統(tǒng)測(cè)試端口開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)件，將系統(tǒng)要校準(zhǔn)的參數(shù)傳遞到標(biāo)準(zhǔn)件上，校準(zhǔn)時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)件連于測(cè)試設(shè)備的測(cè)試端口上，由標(biāo)準(zhǔn)件上的參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)可以溯源到上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)連接示意圖如圖4。

圖4　標(biāo)準(zhǔn)件法連接示意圖Fig.4　Analysis of systemic inner and external calibration

校準(zhǔn)軟件能根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件提供的參考值對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整和修正，這是其他任何方法都無法比擬的優(yōu)點(diǎn)所在。

分項(xiàng)參數(shù)校準(zhǔn)法是以測(cè)試頭或測(cè)試座為校準(zhǔn)界面，分項(xiàng)參數(shù)校準(zhǔn)法可以把一些特殊參數(shù)信號(hào)合理引導(dǎo)校準(zhǔn)適配器上校準(zhǔn)，將各測(cè)量參數(shù)溯源至上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2自檢適配器

自檢適配器在對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試診斷之前，用來對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試診斷資源進(jìn)行檢測(cè)，以確定這些儀器資源是否工作正常。需要進(jìn)行系統(tǒng)自檢時(shí)，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(yùn)行環(huán)境中，調(diào)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(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

2.3內(nèi)校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

內(nèi)校準(zhǔn)設(shè)計(jì)的分層原理如圖6所示。按照儀器溯源準(zhǔn)確度要求，細(xì)分設(shè)備內(nèi)部?jī)x器，內(nèi)部校準(zhǔn)鏈路最終可以溯源到內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)模塊上，也可以直接溯源到外部標(biāo)準(zhǔn)上，設(shè)備配置標(biāo)準(zhǔn)模塊是為設(shè)備校準(zhǔn)專門配置使用的，與設(shè)備測(cè)量功能無關(guān)，優(yōu)點(diǎn)是由于標(biāo)準(zhǔn)模塊完成了設(shè)備內(nèi)部參數(shù)的校準(zhǔn)，因此故障診斷設(shè)備校準(zhǔn)時(shí)，只需要把內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)模塊從設(shè)備中拔出，拿到校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中校準(zhǔn)，簡(jiǎn)單、快捷且不影響測(cè)試設(shè)備的正常使用。

圖6　系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)層次化設(shè)計(jì)Fig.6　Hierarchical design of systemic inner calibration

系統(tǒng)即采用了數(shù)字多用表、計(jì)數(shù)器和示波器作為內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)了頻率準(zhǔn)確度、幅度準(zhǔn)確度、直流電壓、電阻和方波上升時(shí)間等參數(shù)。其余參數(shù)校準(zhǔn)需采用外部校準(zhǔn)的方法。采用外部校準(zhǔn)方式使用分項(xiàng)參數(shù)校準(zhǔn)法和標(biāo)準(zhǔn)件法對(duì)數(shù)字IO模塊、數(shù)字多用表模塊、計(jì)數(shù)器模塊以及臺(tái)式儀器示波器進(jìn)行校準(zhǔn)。系統(tǒng)內(nèi)校準(zhǔn)層次化設(shè)計(jì)如圖6所示。

2.4綜合校準(zhǔn)適配器

基于XX故障診斷測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)指標(biāo)和內(nèi)校準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用分項(xiàng)參數(shù)校準(zhǔn)方法和標(biāo)準(zhǔn)件法，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)綜合校準(zhǔn)適配器，主要包括了適配器框口(ITA)、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)的多種類型的開關(guān)，電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置、數(shù)字量校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)裝置和需要外部校準(zhǔn)的參數(shù)，如圖7所示，結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

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

圖8　綜合校準(zhǔn)適配器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8　Structural diagram of integrated　　　calibrating adapter

利用校準(zhǔn)適配器中的電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置可以實(shí)現(xiàn)電壓表電壓參數(shù)和電阻參數(shù)的校準(zhǔn)，利用數(shù)字量標(biāo)準(zhǔn)裝置可以實(shí)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(shí)延和驅(qū)動(dòng)電流的校準(zhǔn)。

利用適配器內(nèi)部的電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置和多路四線繼電器開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)故障診斷設(shè)備中電壓和電阻參數(shù)的自動(dòng)校準(zhǔn)，原理如圖9所示。

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

利用適配器內(nèi)部的數(shù)字量標(biāo)準(zhǔn)裝置和多路兩線繼電器開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)故障診斷設(shè)備中數(shù)字量參數(shù)的自動(dòng)校準(zhǔn)，原理如圖10所示。數(shù)字量可校準(zhǔn)的參數(shù)有：通道電平驅(qū)動(dòng)、通道上升時(shí)間、通道最小脈寬和通道間時(shí)延。

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

2.5標(biāo)準(zhǔn)件

作為系統(tǒng)傳遞標(biāo)準(zhǔn)研制中的標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)校準(zhǔn)中關(guān)鍵，小型化、便攜式、高精度的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件，會(huì)對(duì)未來自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

(1) 模擬量標(biāo)準(zhǔn)件

根據(jù)故障診斷設(shè)備模擬系統(tǒng)中使用最多的電壓和電阻參數(shù)測(cè)量的需求，模擬標(biāo)準(zhǔn)件包括了5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓和5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻。標(biāo)準(zhǔn)電壓對(duì)于時(shí)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(zhǔn)芯片和高精密線繞電阻，設(shè)計(jì)和實(shí)際測(cè)量的指標(biāo)如表1所示。

表1　模擬標(biāo)準(zhǔn)件電壓參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)是穩(wěn)定度，其次是溫度系數(shù)、老化等其它指標(biāo)。為獲得高穩(wěn)定度，標(biāo)準(zhǔn)電阻的設(shè)計(jì)采用了“統(tǒng)計(jì)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(huì)被縮小成N分之一。設(shè)計(jì)和實(shí)際測(cè)量的指標(biāo)如表2所示。實(shí)驗(yàn)證明，利用這種方法獲得的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)件電阻參數(shù)

(2) 數(shù)字量標(biāo)準(zhǔn)件

數(shù)字電路測(cè)試系統(tǒng)關(guān)注信號(hào)的速率、邊沿特性以及驅(qū)動(dòng)能。因此數(shù)字量參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)件主要有兩部分組成即邏輯分析功能模塊和波形顯示測(cè)量模塊。其主要指標(biāo)如下：

定時(shí)采樣率：200 MHz

每路存儲(chǔ)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(zhuǎn)換時(shí)間校準(zhǔn)和電平驅(qū)動(dòng)校準(zhǔn)的時(shí)間如圖11，12所示。

圖11　電平轉(zhuǎn)換時(shí)間校準(zhǔn)面板Fig.11　Calibrating panel of level converting time

圖12　電平驅(qū)動(dòng)校準(zhǔn)面板Fig.12　Calibrating panel of level driver

2.6系統(tǒng)校準(zhǔn)軟件

XX型號(hào)電路板故障診斷測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，以數(shù)據(jù)庫為基本支撐環(huán)境。軟件構(gòu)架分為顯控模塊、自檢模塊、自校準(zhǔn)模塊、儀器校準(zhǔn)參數(shù)模塊和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊，顯控模塊是主控模塊，起到總的調(diào)度作用，它執(zhí)行分析處理軟面板發(fā)布的各項(xiàng)命令，接收指令信息，并根據(jù)指令信息調(diào)用相應(yīng)的功能模塊，完成對(duì)信號(hào)采集、分析和處理，并將最終測(cè)量結(jié)果傳送到軟面板顯示或打印。軟件工作流程分為四個(gè)階段：初始化與配置階段、根據(jù)指令選擇校準(zhǔn)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(zhǔn)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.13　Structural diagram of systemic　　　calibrating software

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

3結(jié)束語

本文針對(duì)ATS的校準(zhǔn)需求,提出了一個(gè)滿足技術(shù)和保障雙重需求的ATS原位溯源方法，并通過實(shí)例展示了基于該模型的ATS溯源性設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程?！懊嫦蛐枨蟆钡膬?nèi)部計(jì)量鏈設(shè)計(jì)、把可更換計(jì)量單元作為ATS系統(tǒng)架構(gòu)的一部分、利用標(biāo)準(zhǔn)件在UUT端口進(jìn)行原位校準(zhǔn)和在ATS上實(shí)時(shí)開展校準(zhǔn)工作的校準(zhǔn)程序集,能有效的指導(dǎo)和開展ATS的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)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(hào)：TJ768.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(jiǎn)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(yīng)用研究、多維數(shù)據(jù)處理。

基金項(xiàng)目：有

* 收稿日期：2014-05-09；
修回日期：2014-09-24