最大化自動化測試系統(tǒng)的精度

時間：2018-06-25 14:10:14

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[導(dǎo)讀] 1. 引言在設(shè)計自動化測試系統(tǒng)時，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)測試工程師會求助于他們所評估的儀器的技術(shù)參數(shù)表，寄希望于這些文檔能夠提供所有的答

1. 引言

在設(shè)計自動化測試系統(tǒng)時，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)測試工程師會求助于他們所評估的儀器的技術(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：

2. 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(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6½位數(shù)字萬用表（DMM）必定可以精確到6½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6½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6½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(yīng)當(dāng)就認(rèn)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(yīng)主動詢問廠商，以準(zhǔn)確把握數(shù)據(jù)參數(shù)表中的技術(shù)規(guī)范的意義，因為不理解您的儀器的真正性能可能會導(dǎo)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(yīng)用說明《解讀儀器規(guī)范——如何理解專業(yè)術(shù)語》。

3. 2．考慮校準(zhǔn)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(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，以表明測量結(jié)果相對已知標(biāo)準(zhǔn)的偏差，但更多的情況是，外部校準(zhǔn)也包括儀器測量能力的調(diào)整，以確保其測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。

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(zhǔn)，您可以將其送回原廠，或者送至一個校準(zhǔn)計量實驗室。此外，您也可以自己實現(xiàn)外部校準(zhǔn)。無論您采取何種方式，重要的是認(rèn)識到，對于不同廠商，一個特定類型儀器的外部校準(zhǔn)間隔不總是相同的。一個廠商函數(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。為了減少自動化測試系統(tǒng)的維護(hù)成本，您應(yīng)該選擇第二個廠商的儀器。選擇儀器時，您需要仔細(xì)考慮外部校準(zhǔn)的間隔。

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(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)之間改善儀器測量精度的方法。

保持恰當(dāng)校準(zhǔn)的儀器會減少測量誤差（原文中的reduced應(yīng)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(zhǔn)》指南，查閱其它的校準(zhǔn)資源

4. 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、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(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)的特點在于被限定在某個特定溫度范圍進(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(dāng)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(guān)注。

在生產(chǎn)場所或者由多個儀器構(gòu)成的自動化測試系統(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?？諝饬魍ú粫硨?dǎo)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(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(diào)精度。使用傳統(tǒng)方法，就是在該溫度下重新對系統(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(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 6½ (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(zhǔn)功能的儀器。

關(guān)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(gòu)》白皮書。

5. 4．使用恰當(dāng)?shù)难b配方式
將您的自動化測試系統(tǒng)與受測設(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)?；ミB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)計以最大化測量精度的接線組成。低質(zhì)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(fù)面影響。專門設(shè)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。

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)模互連系統(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(hù)欄，通過這樣的護(hù)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)模互連系統(tǒng)也對經(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，這樣會降低測量精度。

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。

6. 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(guān)的程度。同步，特別是硬件同步，把儀器間的偏移降到最小，從而實現(xiàn)最大化的相關(guān)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(yīng)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(dá)到同一個穩(wěn)定的參考時鐘。如果在一項激勵-響應(yīng)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(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。

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(fù)雜的硬件同步資源。PXI具備一個背板內(nèi)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(guān)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(shù)》指南。

7. 總結(jié)：最大化自動化測試系統(tǒng)的精度

在大多數(shù)情況下，精度的最大化在您設(shè)計自動化測試系統(tǒng)時很重要。該白皮書所討論的五個步驟——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——為您提供了自動化測試系統(tǒng)的精度最大化的向?qū)А?/p>