電子測(cè)量儀器及自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的新概念和新趨勢(shì)

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已難以用日新月異來描述。新工藝、新材料、新的制造技術(shù)催生了新的一代電子元器件，同時(shí)也促使電子測(cè)量技術(shù)和電子測(cè)量儀器產(chǎn)生了新概念和新發(fā)展趨勢(shì)。本文擬從現(xiàn)代電子測(cè)量儀器發(fā)展的三個(gè)明顯特點(diǎn)入手，進(jìn)而介紹下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的概念和基本技術(shù)，引入合成儀器的概念，以供讀者參考。

現(xiàn)代電子測(cè)量儀器的發(fā)展趨勢(shì)

儀器性能更加優(yōu)異

儀器的性能更加優(yōu)異，測(cè)量功能更加強(qiáng)大，儀器的測(cè)量精度，測(cè)試靈敏度，測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍等都達(dá)到了前所未有的高度。例如，Agilent 公司的PSA 頻譜分析儀的測(cè)量靈敏度高達(dá)—169dBm(接近物理界熱噪聲—174dBm) ， PNA 網(wǎng)絡(luò)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)143dB ， Agilent 83453A 高分辨率分光計(jì)分辨帶寬=0.0001nm(亞皮米) (突破皮米分辨帶寬的壁壘) ，Agilent 86107A 精密時(shí)基參考模塊，對(duì)小于100ns 的時(shí)延，抖動(dòng)為1.7ps RMS( 突破皮秒抖動(dòng)瓶頸) ，DSO80000系列的示波

儀器與計(jì)算機(jī)融為一體

儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的前所未有的融合。首先，越來越多的儀器選用以Windows 軟件和Intel 芯片為平臺(tái)，采用Windows GUI 和基于軍用標(biāo)準(zhǔn)的軟件，用Windows 軟件代替儀器內(nèi)部操作軟件，并易于與MS辦公室應(yīng)用軟件連接，充分發(fā)揮其效能，如Agilent公司的儀器可用Word 語言捕獲屏幕圖像，用Excel語言繪制的波形數(shù)據(jù)，用Excel 語言捕獲測(cè)量數(shù)據(jù)，易于自由地從互聯(lián)網(wǎng)下載和升級(jí)最新的軟件版本，利用Windows Help 提高了儀器操作學(xué)習(xí)的方便性；同時(shí)，觸摸屏被廣泛利用，話音控制可解決雙手同時(shí)被占用時(shí)操作儀器的問題，通過網(wǎng)絡(luò)控制儀器操作，并用基于MS Windows 和MS Visual Studio 實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化；另外，儀器內(nèi)部的VBA 軟件可有效地幫助實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的測(cè)試自動(dòng)化

其次，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)被大量應(yīng)用到儀器之中，使得儀器具備了更加先進(jìn)的連通性，如Agilent 公司的儀器大都具備采用了USB 接口，LAN 接口，GPIB 接口。同時(shí)，也安裝了標(biāo)準(zhǔn)光標(biāo)指示器(鼠標(biāo)、跟蹤球、觸摸鍵、操縱桿等)和其他部件(鍵盤、CD RW 驅(qū)動(dòng)器、直接連結(jié)打印機(jī)的并行接口，用于外部監(jiān)視器的VGA 輸出，內(nèi)部硬盤驅(qū)動(dòng)器等) 。特別值得一提的是，在軍工等特殊行業(yè)，測(cè)試數(shù)據(jù)的安全性和保密性要求格外重要，為此，Agilent 公司在儀器上設(shè)計(jì)了可卸出的硬盤(如PNA 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和Infiniium 示波器) ，使工作人員在實(shí)驗(yàn)室完成測(cè)試任務(wù)后，卸出硬盤，單獨(dú)運(yùn)輸儀器至測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)(如戰(zhàn)地) ，再由操作人員取出隨身攜帶的硬盤裝入儀器，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，從而保證了數(shù)據(jù)的安全性和保密性。

測(cè)試及仿真軟件在儀器中廣泛應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和處理數(shù)據(jù)能力的不斷增加，及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，儀器的硬件和測(cè)試軟件及仿真軟件的結(jié)合越來越緊密。首先，硬件的模塊化設(shè)計(jì)，使得通過不同的硬件模塊組合配以不同的軟件，從而形成不同功能的儀器和不同的測(cè)試解決方案，如Agilent 公司的DAC-J 寬帶示波器86100C ，通過插入不同的模塊并配以不同軟件，該儀器可成為抖動(dòng)分析儀，寬帶示波器，數(shù)字通信分析儀，時(shí)域反射分析儀；此外，VXI 結(jié)構(gòu)的測(cè)試儀器更加充分地解釋了模塊化結(jié)構(gòu)儀器的靈活配置和應(yīng)用。

其次，軟件無線電的概念已有了全新的解釋和現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，Agilent 公司的89601A 矢量分析軟件是實(shí)現(xiàn)這一理念的最好例證，它利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力將大量的數(shù)字信號(hào)處理功能和數(shù)據(jù)分析功能充分展現(xiàn)在計(jì)算機(jī)軟件之中，通過與不同的數(shù)據(jù)采集前端(如VXI 結(jié)構(gòu)的矢量信號(hào)分析儀，頻譜分析儀， Infiniium 數(shù)字示波器) 相結(jié)合，組合出不同功能的矢量信號(hào)分析儀。

同時(shí)，其捕獲的信號(hào)和數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可以作為EDA 仿真軟件(如Agilent 公司的ADS 高級(jí)設(shè)計(jì)仿真軟件) 的數(shù)據(jù)輸入來源，用于驅(qū)動(dòng)ADS 高級(jí)設(shè)計(jì)仿真軟件進(jìn)行部件及系統(tǒng)級(jí)仿真；并且，ADS 高級(jí)設(shè)計(jì)仿真軟件的仿真結(jié)果可送入Agilent 公司的ESG/PSG矢量信號(hào)源產(chǎn)生出信號(hào)通過VSA 矢量信號(hào)分析儀的捕獲和分析，反過來可進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與真實(shí)產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，即實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)量和驗(yàn)證的有機(jī)結(jié)合。以Agilent ADS 高級(jí)設(shè)計(jì)仿真軟件為代表的EDA 軟件，通過與Agilent 公司測(cè)試儀器(包括:頻譜分析儀，網(wǎng)絡(luò)分析儀，信號(hào)源，示波器，邏輯分析儀等) 的動(dòng)態(tài)鏈接，從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)量域與仿真域的有機(jī)結(jié)合，在設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證之間架起了橋梁，從而加速設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，完善系統(tǒng)及部件的半實(shí)物仿真手段，達(dá)到迅速拓展?jié)M足需要的測(cè)量解決方案的目的。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

隨著測(cè)量儀器功能的不斷提高和完善，

但是，由于軍工行業(yè)系統(tǒng)研制周期和認(rèn)證周期相對(duì)較長，系統(tǒng)維護(hù)和需要支持的周期通常在10年至20年，而民用科技的發(fā)展日新月異，流行商用儀器的更新速度越來越快，一些COTS產(chǎn)品在軍工行業(yè)被大規(guī)模全面使用之前就已廢型和停產(chǎn)，對(duì)于已定型的測(cè)試系統(tǒng)的維護(hù)和支持成為軍工客戶面臨的最大問題，特別是那些基于特定硬件而開發(fā)的測(cè)試軟件(TPS) 的維護(hù)、支持和更新更是面臨巨大的挑戰(zhàn)。這一點(diǎn)在中國的客戶群中也遇到了同樣的問題。如何實(shí)現(xiàn)硬件的可互換性和軟件的可互操作性成為保證整個(gè)系統(tǒng)生命力和生命周期的關(guān)鍵。與此同時(shí)，軍用ATS 測(cè)試系統(tǒng)還要滿足其可靠性、機(jī)動(dòng)性和靈活性的要求，并盡可能地降低開發(fā)、維護(hù)的成本，節(jié)省人力資源，改進(jìn)硬件的現(xiàn)場(chǎng)替換效率和維修中心替換效率，改進(jìn)武器系統(tǒng)快速應(yīng)對(duì)地區(qū)乃至全球支持的戰(zhàn)略要求。

下一代的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

下一代測(cè)試技術(shù)及測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)

以美國為首的用戶和儀器廠商近一年以來提出了一種新的測(cè)試儀器理念和技術(shù)以解決COTS 儀器帶來的問題，并同時(shí)滿足未來測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展要求。該技術(shù)稱之為NxTest ，它就是基于LAN 的模塊化合成儀器(Synthetic Instrument) 。安捷倫科技公司和VXI Technology 公司于2004年9 月為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)推出基于LAN 的下一代模塊化平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化- LXI。

LXI (儀器的LAN 擴(kuò)展) 不僅提供了機(jī)架和堆疊式儀器的嵌入式測(cè)量技術(shù)和PC 標(biāo)準(zhǔn)I/O 連接能力，還實(shí)現(xiàn)了基于插卡式儀器的系統(tǒng)的模塊化特點(diǎn)并減小了體積。對(duì)于為航空/國防、汽車、工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)電子市場(chǎng)開發(fā)電子產(chǎn)品的研發(fā)和制造工程師來說，LXI 緊湊靈活的封裝、高速輸入/輸出和可靠的測(cè)量功能有效地滿足了他們的需求。VXI 總線為所有高密度高速度應(yīng)用提供了理想的標(biāo)準(zhǔn)，LXI 則同時(shí)融合了VXI 和以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，為用戶提供了一個(gè)良好的高性能儀器平臺(tái)，滿足VXI 通常沒有滿足的應(yīng)用需求。LXI 基于LAN 的結(jié)構(gòu)為例，為在航空和國防行業(yè)中長壽命儀器的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。LXI 沒有帶寬、軟件或計(jì)算機(jī)底板結(jié)構(gòu)限制。它可以利用日益提高的以太網(wǎng)吞吐量，為面臨下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)挑戰(zhàn)的工程師提供理想的解決方案。

LXI 標(biāo)準(zhǔn)將由LXI 協(xié)會(huì)負(fù)責(zé)管理。LXI 協(xié)會(huì)是一家由主要測(cè)試測(cè)量公司組成的非營利機(jī)構(gòu)。該集團(tuán)的目標(biāo)是開發(fā)、支持和推廣LXI 標(biāo)準(zhǔn)。安捷倫科技公司和VXI Technology 公司利用其擁有悠久歷史的模塊化儀器設(shè)計(jì)，推出LXI 平臺(tái)，這是測(cè)試系統(tǒng)使用的開放式標(biāo)準(zhǔn)儀器發(fā)展中必然的可行一步。由于幾乎每臺(tái)電腦中都內(nèi)置了以太網(wǎng)(LAN) ，以太網(wǎng)已經(jīng)成為業(yè)界廣泛認(rèn)同的通信接口?；ヂ?lián)網(wǎng)硬件價(jià)格正不斷下降，速度正不斷提高，局域網(wǎng)提供了其它點(diǎn)到點(diǎn)接口標(biāo)準(zhǔn)中沒有提供的對(duì)等通信。測(cè)試和測(cè)量工程師日益認(rèn)識(shí)到使用高速局域網(wǎng)替代專有測(cè)試測(cè)量接口(如GPIB) 的好處，業(yè)內(nèi)需要更低成本、更高帶寬和更快的數(shù)據(jù)傳送速率，這給專有測(cè)試測(cè)量接口提出了挑戰(zhàn)。

LXI 測(cè)試測(cè)量模塊是為用于設(shè)計(jì)檢驗(yàn)或制造測(cè)試系統(tǒng)而優(yōu)化的。連接局域網(wǎng)的能力使得各模塊可以裝在世界上任何地方，并從世界上任何地方訪問模塊。與采用昂貴電源、底板、控制器和MXI 卡和電纜的模塊化組件不同，LXI 模塊自帶處理器、局域網(wǎng)連接、電源和觸發(fā)輸入。LXI 模塊可以采用全寬或半寬，高度為一個(gè)機(jī)架單位或兩個(gè)機(jī)架單位，實(shí)現(xiàn)了非常簡便的混配功能。信號(hào)輸入和輸出位于正面，局域網(wǎng)和輸入交流電源則位于每個(gè)LXI 模塊的背面。LXI 模塊由計(jì)算機(jī)控制， 不要求傳統(tǒng)機(jī)架和堆疊式儀器配備的顯示器、按鈕和撥號(hào)裝置。LXI模塊采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器診斷問題，使用IVI-COM驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信，簡化了系統(tǒng)集成。

LXI 儀器的特點(diǎn)

LXI 儀器具備了以下五大特點(diǎn)：

(1) 開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

LAN 和AC 電源是業(yè)界最穩(wěn)定和生命周期最長的開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也由于其開發(fā)成本低廉，使得各廠商很容易將現(xiàn)有的儀器產(chǎn)品移植到該LAN-Based儀器平臺(tái)

(2) 向后兼容性

因?yàn)長AN-Based 模塊只占1/2 的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜寬度，體積上比可擴(kuò)展式(VXI/PXI) 儀器更小。同時(shí)，升級(jí)現(xiàn)有的ATS 不需重新配置，并允許擴(kuò)展為大型卡式儀器(VXI/PXI) 系統(tǒng)。

(3) 成本低廉

在滿足軍用和民用客戶要求的同時(shí)，保有現(xiàn)存臺(tái)式儀器的核心技術(shù)， 結(jié)合最新科技， 保證新的LAN-based 模塊的成本低于相應(yīng)的臺(tái)式儀器和VXI/PXI 儀器。

(4) 互操作性

作為合成儀器(Synthetic Instruments) 模塊，只需30～40種左右的通用模塊即可解決軍用客戶的主要測(cè)試需求。如此相對(duì)較少的模塊種類，可以高效且靈活地組合成面向目標(biāo)服務(wù)的各種測(cè)試單元，從而徹底降低ATS 系統(tǒng)的體積，提高系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性和靈活性。

(5) 新技術(shù)及時(shí)方便的引入

由于這些模塊具備完備的I/O 定義文檔(由軍標(biāo)定義) ，所以，模塊和系統(tǒng)的升級(jí)僅需核實(shí)新技術(shù)是否涵蓋其替代產(chǎn)品的全部功能。如此看來，合成儀器(Synthetic Systems) 將實(shí)現(xiàn)下述五大目標(biāo): ①非常長的產(chǎn)品和系統(tǒng)支持周期，應(yīng)用軟件將不再依賴于特定的硬件。②很小的系統(tǒng)體積，儀器不包含多余的顯示、輸入和其它美學(xué)設(shè)計(jì)部分。③應(yīng)用清晰明確，儀器界面一致，升級(jí)快捷方便。④系統(tǒng)生命周期與產(chǎn)品生命周期保持一致。⑤供應(yīng)商獨(dú)立，測(cè)量硬件與測(cè)量技術(shù)沒有直接聯(lián)系。

展望未來

綜上所述，21 世紀(jì)的電子測(cè)量儀器隨著芯片技術(shù)和DSP 技術(shù)的發(fā)展將達(dá)到前所未有的高性能，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器的進(jìn)一步融合， 儀器的易操作性，易升級(jí)性，測(cè)量能力，數(shù)據(jù)處理和分析能力，都得到了大幅度提高。與此同時(shí)，軟件無線電正越來越多地被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域， 仿真技術(shù)將為用戶的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供了更加強(qiáng)大和方便的工具。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)歷了從GPIB 系統(tǒng)到VXI 系統(tǒng)，從VXI 系統(tǒng)到VXI 與GPIB 混合系統(tǒng)的發(fā)展歷程， 越來越多的軍工用戶希望擁有一種長壽命且高性能的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系來承擔(dān)日益復(fù)雜的測(cè)試壓力和維護(hù)成本的壓力，面對(duì)未來的挑戰(zhàn)，LXI 儀器將在繼承現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)之上，為下一代測(cè)試技術(shù)和測(cè)試儀器，特別是ATS 測(cè)試系統(tǒng)的革新帶來新的希望。