基于PXI的測試平臺的儀器認證策略

　　牛東嶺（廣州虹科電子有限公司，廣州?510640?）

　　引言

　　模塊化平臺提供與機架和臺式儀器相同的功能，且體積更小，成本更低。因此，當今在軍事、航空和商業(yè)應用中，大多數自動(dòng)測試系統采用模塊化架構。多年來(lái)，出現了幾種架構，包括Standard Bus，GTXI，SCXI以及其他架構等。本文主要針對的是PXI平臺。

　　基于模塊化架構的優(yōu)勢和靈活性，同時(shí)考慮到PC的性能和成本優(yōu)勢，PXI平臺于1998年推出，并開(kāi)始迅速發(fā)展如今，全球已部署了超過(guò)10 000個(gè)PXI系統。圖1顯示了典型的PXI平臺，包括可安裝在機架上的機箱和安裝在單個(gè)機箱中的多達19個(gè)模塊化儀器。

　　幾乎所有的測試系統都包含系統自檢功能，目的是確保整個(gè)系統及其組件正常運行。自檢系統會(huì )對一些參數進(jìn)行測試限制，這些限制是自檢通過(guò)/未通過(guò)標準的條件，但系統自檢并非旨在提供測試系統儀器的認證或可追溯性。自檢系統依賴(lài)于測試系統一部分的資源以及某些自檢設備，這些自測設備通常是無(wú)源設備，提供環(huán)路以及無(wú)源負載。由于自檢測試依賴(lài)于系統資源實(shí)現，所以對特定的系統需要定制自檢測試資源。測試系統的整體精度或參數性能的驗證歷來(lái)依賴(lài)于結合精度驗證測試程序（AVP），需要使用外部標準，精確度驗證測試夾具和測試程序。圖2詳細說(shuō)明了精度驗證測試程序執行相關(guān)的主要組件。

　　雖然精確度測試程序和配置的實(shí)施在開(kāi)發(fā)和資本方面所需一些投入，但是可以為最終用戶(hù)提供驗證整體系統準確性的能力。不過(guò)這種策略在很大程度上依賴(lài)于外部工具或傳輸標準。傳統上，測試工程設備通過(guò)依靠OEM（原廠(chǎng)）方法或第三方本地校準服務(wù)進(jìn)行單個(gè)儀器重新認證的任務(wù)。

　　OEM方法儀器校準方法要求拆卸，運輸返廠(chǎng)，重新安裝每個(gè)組件。這個(gè)過(guò)程要求測試系統暫停工作一段時(shí)間，這是測試工程所不能允許的。雖然通過(guò)補充庫存樣機可以簡(jiǎn)短暫停時(shí)間，不過(guò)從成本上來(lái)說(shuō)是個(gè)不小的開(kāi)銷(xiāo)（物流）。

　　第三方校準服務(wù)可本地重新認證儀器：這種方法被廣泛采用，并且在系統主要由GPIB（箱式）儀器組成的情況下使用效果良好。然而，對于模塊化儀器，這種策略可能存在問(wèn)題：服務(wù)提供商不僅需要具有正確的校準硬件，還需要具有正確的儀器控制軟件，然后必須將其加載到系統上。一旦加載了軟件，系統可能需要拆掉部分設備才能完成儀器的連接。

　　隨著(zhù)模塊化測試平臺被越來(lái)越多地應用到各行各業(yè)，許多軍事和商業(yè)新的計劃也均考慮將PXI作為下一代平臺，所以更好的認證策略——模塊化儀器在測試系統中重新認證的方法更顯迫切。在盡量少停機時(shí)間的情況下重新驗證 儀器的能力對于處于關(guān)鍵應用的測試系統尤為重要。

　　通過(guò)將基于集成系統的重新認證方法與特定應用的精度要求和適當的標準模塊結合，提出了一種支持針對特定應用或應用類(lèi)別的基帶PXI模塊化儀器驗證的改進(jìn)方法。同時(shí)，如果采用的標準模塊包含源和測量等資源，則可以創(chuàng )建一組標準化的系統自測流程，從而加快系統自測開(kāi)發(fā)速度，并可在后續系統的自檢工作中重用。

　　2 基于PXI的測試平臺的儀器認證策略

　　基于PXI平臺的測試系統通常包括源和測量?jì)x器、將資源路由到UUT上的測試點(diǎn)的開(kāi)關(guān)矩陣，以及某些外部“箱式”儀器，例如GPIB、LXI或USB設備。

　　測試系統的認證過(guò)程僅涉及需要可追溯性的組件。如果儀器未通過(guò)認證，則需要重新校準。典型的核心PXI儀器可能包括數字萬(wàn)用表，1個(gè)或多個(gè)數字化儀，交流和/或直流電源等，如直流電源或任意波形發(fā)生器，以及計數器/定時(shí)器，所有這些都需要定期重新認證到可追溯的標準。PXI設備所有儀器都包含在機箱內，由軟件驅動(dòng)程序和某種類(lèi)型的軟件語(yǔ)言控制。這些模塊化儀器板卡的重新認證可以通過(guò)將所有儀器安裝在機箱中，來(lái)實(shí)現對測試系統/配置的完整性影響最小的目的。通過(guò)利用系統的硬件和軟件基礎設施，將某種類(lèi)型的傳輸標準作為整體測試系統的一部分——提供可追溯性和重新認證與傳輸標準相兼容的能力。PXI系統的整體認證策略基于以下要點(diǎn)：

　　1）重新認證過(guò)程的儀器精度要求可以基于應用特定要求，而不是基于“公布的”單個(gè)儀器規范。 例如，如果應用程序僅需要5?位數字萬(wàn)用表的準確度，驗證系統采用的儀器是一個(gè)6?位數的儀器，則將儀器校準為具有與5?位儀器相關(guān)的精度即可。這種實(shí)現方法對標準模塊（以及整個(gè)系統）的精度要求變得不那么苛刻，從而降低了標準模塊的成本，提高了測試余量和測試穩定性，并減少了系統的重新認證的頻率。

　　2）傳輸標準模塊由支持自動(dòng)測試系統中包含的所有PXI儀器的相同軟件環(huán)境支持和控制。

　　3）標準模塊可能不是提供驗證和可追溯性的系統中的唯一資源。在整體方案中可以加入二級和三級標準的組合作為認證自檢計劃的一部分。

　　4）使用基于軟件的標準校準方法與板載非易失性存儲器一起使用，可實(shí)現模塊上所有的高精度標準，并提供校正時(shí)間和溫度變化的能力。

　　3 標準模塊要求和實(shí)施

　　該模塊的實(shí)施和性能提供了實(shí)施重新認證許多基帶源和測量PXI儀器的策略的機會(huì )，這些儀器是測試系統的一部分。為滿(mǎn)足測試系統基帶儀器和系統自測功能的重新認證需求，該模塊需要提供以下核心功能：

　　● 交流和直流電壓參考標準；

　　● 電阻標準；

　　● 頻率參考標準；

　　● 通用DC源資源；

　　● 通用DC測量資源；

　　● 多路復用切換資源。

　　圖3中詳述的標準模塊的功能和特性主要用于滿(mǎn)足以下類(lèi)型儀器的重新認證需求：

　　● 數字萬(wàn)用表；

　　● 頻率計數器；

　　● A-D和數字轉換器模塊。

　　另外，模塊包括通用源和測量資源，以及內置模塊自測功能，可提供用于支持系統自測實(shí)現的資源。

　　所有參考標準都是從國家標準與技術(shù)研究所（NIST）可追溯標準的外部集合中獲得的可追溯性。但是，為了避免與創(chuàng )建精度標準相關(guān)的復雜性，硬件設計更側重于可提供出色穩定性且具有良好指定溫度特性的組件。

　　通過(guò)記錄標準的實(shí)際值并隨后將這些值存儲在模塊的板載非易失性存儲器中，在制造時(shí)建立電壓和電阻參考的絕對校準精度。對于頻率參考，10 MHz恒溫控制晶體振蕩器（OCXO）經(jīng)過(guò)電子調整，以達到所需的精度。一旦將測量的標準值加載到模塊的EEROM中，這些值就可用作各種測量?jì)x器的重新認證程序的一部分。

　　PXI標準模塊還包括一個(gè)內置溫度傳感器，允許模塊驅動(dòng)程序根據每個(gè)參考溫度特性校正基線(xiàn)校準值。由于所有測量的標準值都加載到模塊的EEROM中，因此加載磁盤(pán)或其他介質(zhì)上的錯誤校準文件不會(huì )影響模塊的性能。

　　4 將PXI標準模塊作為系統內認證策略的一部分

　　標準模塊為重新認證測試系統的各種儀器提供了基準。標準模塊主要是源模塊，支持測量?jì)x器的認證。但是，對于作為系統一部分的源儀器，例如DC或AC源，還需要一組采集資源。在這種情況下，使用二級標準或儀器——測試系統自身的資源來(lái)提供認證這些源儀器的方法。例如，標準模塊可以?xún)?yōu)先認證DMM。一旦DMM通過(guò)認證，該模塊可用作二級標準，驗證系統中DC或AC源。由于主要和次要標準都經(jīng)過(guò)認證，因此可以在整個(gè)過(guò)程中保持可追溯性。確保該策略成功的關(guān)鍵因素是保證儀器精度與測量設備兼容，并嚴格遵守認證流程。假設規格和測量裝置的不確定性表現出95％置信度的高斯分布，那么4：1或更高（工業(yè)標準）的測試不確定度的比率（TUR）將提供大于99％的置信水平。圖4詳細說(shuō)明了整體校準過(guò)程，包括使用主要和次要標準。

　　標準模塊需要定期重新認證，通常每2~4年重新認證一次。由于所有硬件和軟件都已經(jīng)成為測試系統的一部分，因此重新認證系統中的模塊非常簡(jiǎn)單。NIST可跟蹤系統中的DMM和頻率計數器，標準模塊驅動(dòng)程序附帶的圖形用戶(hù)界面（GUI）可用于完成重新認證。

　　5 GX1034：基于PXI平臺的標準模塊

　　廣州虹科電子有限公司與美國MTS合作提供一款基于PXI平臺的標準模塊儀器——GX1034。GX1034為PXI系統設計人員提供了開(kāi)發(fā)系統重新認證策略的能力，該策略?xún)H使用內部系統資源。 通過(guò)將GX1034作為系統配置的一部分，可以開(kāi)發(fā)一種系統精度驗證策略，重新認證系統的來(lái)源并測量基帶儀器——簡(jiǎn)化支持/維護后勤并提高系統可用性。

　　GX1034標準具有出色的長(cháng)期穩定性，通過(guò)采用板載EEROM實(shí)現絕對精度，EEROM中包含源和電阻標準的NIST可溯源校準值。模塊還包括源和測量資源，用于支持系統自測功能，可進(jìn)行連續性驗證和儀器功能驗證。

　　GX1034提供直流參考電壓源，交流參考電壓源，8個(gè)低漂移參考電阻和精確的10 MHz參考頻率。直流和交流電源提供高達±9 V的電壓，包含一個(gè) 3個(gè)量級的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò )，用于衰減輸出電平。 參考電阻包括四線(xiàn)1、10和100 Ω電阻以及雙線(xiàn)1 kΩ、10kΩ、100 kΩ、1 MΩ和10 MΩ電阻值。10 MHz參考頻率采用高穩定性，恒溫控制晶體振蕩器，也可通過(guò)24 位分頻器提供更低的頻率。

　　10 MHz輸出和分頻器輸出均可驅動(dòng)50 Ω負載。此外，當模塊安裝在PXI機箱的插槽2中時(shí)，它可以是PXI 10 MHz背板時(shí)鐘源。

　　附加功能包括一個(gè)0~20 mA電流源；一個(gè)用于測量高達±10 V的電壓的16位模數轉換器，以及設備工作環(huán)境溫度的板載監控器件。模塊還包括一個(gè)信號多路復用器，可以將兩線(xiàn)和四線(xiàn)資源連接到卡輸出連接器上。所有電壓資源、電阻標準、時(shí)鐘分頻器輸出和A/D輸入均與PXI總線(xiàn)隔離并懸空，確保低噪聲環(huán)境，最大限度地降低接地環(huán)路的可能性，不會(huì )影響整體精度和性能。

　　6 結論

　　模塊化的測試系統的采用和部署，為負責測試系統的維護、校準和認證的測試工程部門(mén)帶來(lái)了獨特的挑戰?；赑XI的系統平臺為測試系統供應商提供了開(kāi)發(fā)全新認證策略的機會(huì )，該策略利用硬件和軟件組合的方法，為系統提供一種卓越且經(jīng)濟高效的認證解決方案。圖5重新討論了圖2中描述的精度驗證設置如何根據整體標準模塊的使用而改變。通過(guò)添加該模塊，消除了外部傳輸標準的使用。此外，該模塊可以提供中央資源以支持系統自測功能，例如信號連續性和矩陣/多路復用器功能的驗證。

　　系統內認證策略采用系統級認證過(guò)程視圖，并以模塊化系統固有的軟件和硬件基礎架構為基礎。通過(guò)系統內認證策略，可以顯著(zhù)改善測試系統中的認證過(guò)程。 通過(guò)在測試系統中專(zhuān)用一個(gè)PXI插槽用于標準模塊，很大程度上消除需拆除多個(gè)用于重新認證的模塊的可能性; 且僅有一個(gè)模塊需要送出年度重新認證。

　　這種解決方案充分利用系統的功能和組件，實(shí)現更高的系統可用性，更低的維護成本。

　　作者簡(jiǎn)介：

　　牛東嶺，半導體測試技術(shù)工程師。

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第10期第33頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。