電子測量儀器及自動測試系統的新概念和新趨勢

摘　要：本文綜合分析了電子測量儀器的總體發展趨勢，特別是由于測試技術的突破帶來的電子測量儀器的革命性變化。同時，針對業界自動測試系統的發展歷史和現狀提出了作者的一些看法，并介紹了業界的最新進展和最新標準，為關心測試技術和自動測試系統的業內人士提供了參考。

關鍵詞：LXI ；ATE；自動測試系統；電子測量儀器

前　言

進入21 世紀以來，科學技術的發展已難以用日新月異來描述。新工藝、新材料、新的制造技術催生了新的一代電子元器件，同時也促使電子測量技術和電子測量儀器產生了新概念和新發展趨勢。本文擬從現代電子測量儀器發展的三個明顯特點入手，進而介紹下一代自動測試系統的概念和基本技術，引入合成儀器的概念，以供讀者參考。

現代電子測量儀器的發展趨勢

儀器性能更加優異
儀器的性能更加優異，測量功能更加強大，儀器的測量精度，測試靈敏度，測量的動態范圍等都達到了前所未有的高度。例如，Agilent 公司的PSA 頻譜分析儀的測量靈敏度高達—169dBm(接近物理界熱噪聲—174dBm) ， PNA 網絡分析儀的動態范圍高達143dB ， Agilent 83453A 高分辨率分光計分辨帶寬=0.0001nm(亞皮米) (突破皮米分辨帶寬的壁壘) ，Agilent 86107A 精密時基參考模塊，對小于100ns 的時延，抖動為1.7ps RMS( 突破皮秒抖動瓶頸) ，DSO80000系列的示波器， 其單一A/D 芯片具有20GSa/s 實時高采樣率，使之成為世界上采樣率最快的示波器(40GSa/s 實時采樣率，13GHz 帶寬) 。另外，更多強大的測量功能被賦予單臺儀表中，如Agilent 公司的8960系列無線綜合測試儀(集移動手機和基站的射頻測試與協議測試于一身) ； ESG/PSG矢量信號源可以靈活產生包括連續波/調幅/調頻/調相/脈沖調制，全制式通信協議( GSM/EDGE/WCDMA/TD2SCDMA/CDMAOne/CDMA2000/CDMA20001X2EV/藍牙/WLAN/PHS/PDC/NADC/DECT/TETRA等) ，任意波形及用于今后的其他信號；MSO 混合信號示波器(2/4 個模擬測量通道+16 個邏輯分析通道) 使單臺儀器同時具備示波器和邏輯分析儀的功能； Infiniium示波器內裝VSA 矢量信號分析軟件后也成為世界上測量分析帶寬最寬的矢量信號分析儀。

儀器與計算機融為一體
儀器和計算機技術的前所未有的融合。首先，越來越多的儀器選用以Windows 軟件和Intel 芯片為平臺，采用Windows GUI 和基于軍用標準的軟件，用Windows 軟件代替儀器內部操作軟件，并易于與MS辦公室應用軟件連接，充分發揮其效能，如Agilent公司的儀器可用Word 語言捕獲屏幕圖像，用Excel語言繪制的波形數據，用Excel 語言捕獲測量數據，易于自由地從互聯網下載和升級最新的軟件版本，利用Windows Help 提高了儀器操作學習的方便性；同時，觸摸屏被廣泛利用，話音控制可解決雙手同時被占用時操作儀器的問題，通過網絡控制儀器操作，并用基于MS Windows 和MS Visual Studio 實現測試自動化；另外，儀器內部的VBA 軟件可有效地幫助實現生產過程中的測試自動化。

其次，由于計算機技術被大量應用到儀器之中，使得儀器具備了更加先進的連通性，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，也安裝了標準光標指示器(鼠標、跟蹤球、觸摸鍵、操縱桿等)和其他部件(鍵盤、CD RW 驅動器、直接連結打印機的并行接口，用于外部監視器的VGA 輸出，內部硬盤驅動器等) 。特別值得一提的是，在軍工等特殊行業，測試數據的安全性和保密性要求格外重要，為此，Agilent 公司在儀器上設計了可卸出的硬盤(如PNA 矢量網絡分析儀和Infiniium 示波器) ，使工作人員在實驗室完成測試任務后，卸出硬盤，單獨運輸儀器至測試現場(如戰地) ，再由操作人員取出隨身攜帶的硬盤裝入儀器，再進行現場測量，從而保證了數據的安全性和保密性。

測試及仿真軟件在儀器中廣泛應用
隨著計算機的運算速度和處理數據能力的不斷增加，及計算機仿真技術的廣泛應用，儀器的硬件和測試軟件及仿真軟件的結合越來越緊密。首先，硬件的模塊化設計，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，該儀器可成為抖動分析儀，寬帶示波器，數字通信分析儀，時域反射分析儀；此外，VXI 結構的測試儀器更加充分地解釋了模塊化結構儀器的靈活配置和應用。

其次，軟件無線電的概念已有了全新的解釋和現實的應用，Agilent 公司的89601A 矢量分析軟件是實現這一理念的最好例證，它利用計算機強大的數學運算和數據處理能力將大量的數字信號處理功能和數據分析功能充分展現在計算機軟件之中，通過與不同的數據采集前端(如VXI 結構的矢量信號分析儀，頻譜分析儀， Infiniium 數字示波器) 相結合，組合出不同功能的矢量信號分析儀。

同時，其捕獲的信號和數據分析的結果可以作為EDA 仿真軟件(如Agilent 公司的ADS 高級設計仿真軟件) 的數據輸入來源，用于驅動ADS 高級設計仿真軟件進行部件及系統級仿真；并且，ADS 高級設計仿真軟件的仿真結果可送入Agilent 公司的ESG/PSG矢量信號源產生出信號通過VSA 矢量信號分析儀的捕獲和分析，反過來可進行產品設計與真實產品之間的數據驗證，即實現設計、仿真、測量和驗證的有機結合。以Agilent ADS 高級設計仿真軟件為代表的EDA 軟件，通過與Agilent 公司測試儀器(包括:頻譜分析儀，網絡分析儀，信號源，示波器，邏輯分析儀等) 的動態鏈接，從而實現了測量域與仿真域的有機結合，在設計、仿真和驗證之間架起了橋梁，從而加速設計，提高設計質量，完善系統及部件的半實物仿真手段，達到迅速拓展滿足需要的測量解決方案的目的。

自動測試系統的發展歷史和現狀
隨著測量儀器功能的不斷提高和完善，與其相關的自動測試系統(特別是軍用ATS 測試系統) 的組建與發展也經歷了從臺式儀器ATS 系統到卡式儀器ATS 系統，從卡式儀器ATS 系統到卡式儀器與臺式儀器混合的ATS 系統的發展過程。到目前為止，VXI 結構的儀器(主要對于大通道數的數字信號測量) 與GPIB 標準的臺式儀器(主要對于性能要求嚴格的射頻/微波信號測量) 相結合組建ATS 測試系統已成為軍用ATS 測試系統普遍遵從的主流原則和典范。這與以美國為代表的軍工用戶在90年代提倡的采用COTS(Commercial Off-the-Shelf) 流行商用儀器來構建軍用ATS 測試系統有很大關系，它可以極大地降低整個測試系統的組建、開發、維護、替換和升級的成本。

但是，由于軍工行業系統研制周期和認證周期相對較長，系統維護和需要支持的周期通常在10年至20年，而民用科技的發展日新月異，流行商用儀器的更新速度越來越快，一些COTS產品在軍工行業被大規模全面使用之前就已廢型和停產，對于已定型的測試系統的維護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的測試軟件(TPS) 的維護、支持和更新更是面臨巨大的挑戰。這一點在中國的客戶群中也遇到了同樣的問題。如何實現硬件的可互換性和軟件的可互操作性成為保證整個系統生命力和生命周期的關鍵。與此同時，軍用ATS 測試系統還要滿足其可靠性、機動性和靈活性的要求，并盡可能地降低開發、維護的成本，節省人力資源，改進硬件的現場替換效率和維修中心替換效率，改進武器系統快速應對地區乃至全球支持的戰略要求。

下一代的自動測試系統

下一代測試技術及測試系統的標準
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試儀器理念和技術以解決COTS 儀器帶來的問題，并同時滿足未來測試系統的發展要求。該技術稱之為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 月為自動測試系統推出基于LAN 的下一代模塊化平臺標準化- LXI。

LXI (儀器的LAN 擴展) 不僅提供了機架和堆疊式儀器的嵌入式測量技術和PC 標準I/O 連接能力，還實現了基于插卡式儀器的系統的模塊化特點并減小了體積。對于為航空/國防、汽車、工業、醫療和消費電子市場開發電子產<