最大化自動(dòng)化測試系統的精度

在設計自動(dòng)化測試系統時(shí)，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。絕大多數測試工程師會(huì )求助于他們所評估的儀器的技術(shù)參數表，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(dòng)化測試系統的精度也是同樣重要的。
本文檔為您提供的五個(gè)步驟，可以最大化您的自動(dòng)化測試系統的精度。這五個(gè)步驟如下所示：

1．解讀儀器規范

評估一個(gè)儀器的精度時(shí)，其數據參數表是寶貴的資源。然而，重要的是要明白，不同儀器廠(chǎng)商時(shí)常在規定測量精度時(shí)使用不同的術(shù)語(yǔ)，或者使用相似的術(shù)語(yǔ)表示不同的意義。因而，清楚地理解定義儀器特性時(shí)所涉及的所有參數是很重要的。在許多情況下，分辨率（resolution）、精密度（precision）和精確度（accuracy）等術(shù)語(yǔ)是互換使用的，但它們所代表的真正意義還是差別較大的。雖然通常都認為一個(gè)6?位數字萬(wàn)用表（DMM）必定可以精確到6?位，但往往情況并非如此。這里的位數僅僅關(guān)系到儀器所顯示的數字的位數，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(gè)6?位DMM能夠表示一個(gè)給定范圍，如1,999,999個(gè)計數或單元。但如果儀器的噪聲的峰峰值為20個(gè)計數，那么可分辨的最小變化必須至少為0.52 x 20個(gè)計數，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乘以0.52。因而，該6?位DMM的有效位數（ENOD）為：

2．考慮校準需求

無(wú)論您為自己的自動(dòng)化測試系統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(huì )隨時(shí)間發(fā)生偏差。持續工作的時(shí)間以及環(huán)境條件的影響會(huì )加劇這樣的偏差。隨著(zhù)時(shí)間的推移，組件值的偏差將給您的測量帶來(lái)更大的不確定性。要想解決這個(gè)問(wèn)題，必須定期校準您的儀器。 外部校準就是將儀器的性能與已知的標準精度進(jìn)行比較?？梢杂梦臋n的形式記錄外部校準的結果，以表明測量結果相對已知標準的偏差，但更多的情況是，外部校準也包括儀器測量能力的調整，以確保其測量精度在廠(chǎng)商提供的范圍內。許多廠(chǎng)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后不確定性的變化的清晰輪廓。

要想完成一個(gè)儀器的外部校準，您可以將其送回原廠(chǎng)，或者送至一個(gè)校準計量實(shí)驗室。此外，您也可以自己實(shí)現外部校準。無(wú)論您采取何種方式，重要的是認識到，對于不同廠(chǎng)商，一個(gè)特定類(lèi)型儀器的外部校準間隔不總是相同的。一個(gè)廠(chǎng)商函數發(fā)生器的外部校準間隔可能是一年；而另一個(gè)廠(chǎng)商具備同等或更好精度規范的函數發(fā)生器的外部校準間隔可能是兩年。為了減少自動(dòng)化測試系統的維護成本，您應該選擇第二個(gè)廠(chǎng)商的儀器。選擇儀器時(shí)，您需要仔細考慮外部校準的間隔。

除了外部校準，一些廠(chǎng)商的儀器還包含自校準的功能。具備自校準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該儀器，而不必將其搬離測試系統或者與外部校準硬件連接。自校準并不能完全替代外部校準，它只是提供了一種在外部校準之間改善儀器測量精度的方法。

保持恰當校準的儀器會(huì )減少測量誤差（原文中的reduced應為reduces），改善測量值間的連續性，并保證測量的精確性。參見(jiàn)《解讀校準》指南，查閱其它的校準資源

3．關(guān)注操作環(huán)境

并不是所有的儀器都有相同的環(huán)境規范。存儲、操作的溫度和相對濕度規范可能因廠(chǎng)商而異。您的自動(dòng)化測試系統或許是處于一個(gè)類(lèi)似辦公室的環(huán)境，溫度和濕度得到嚴格的控制，但它們也可能被用于工廠(chǎng)或其它工業(yè)環(huán)境。因此關(guān)注您的儀器的環(huán)境規范，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)行外部校準的，此類(lèi)校準的特點(diǎn)在于被限定在某個(gè)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(shí)候，其精度都必然會(huì )降低一個(gè)溫度系數，常見(jiàn)量級為每oC原精度規范降低10%。當偏離指定范圍10 oC時(shí)，您的測量誤差可能是原測量誤差規范的兩倍，這在重視絕對精度的情況下值得我們關(guān)注。

在生產(chǎn)場(chǎng)所或者由多個(gè)儀器構成的自動(dòng)化測試系統內，保持精確儀器的環(huán)境溫度在±5 oC內非常具有挑戰性?？諝饬魍ú粫硨е碌臏囟壬吆推渌蛩囟紩?huì )影響到系統中的儀器。如果在嚴格的精度規范下，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。以傳統DMM的10伏直流量程為例。一個(gè)DMM或許有這樣的精度：

依此規范，如果您輸入電壓為5 V，其誤差為：
（5 V的百萬(wàn)分之35 + 10 V的百萬(wàn)分之5） = 225 μV，溫度范圍18~28 oC

這是確定精度的傳統方法。如果周?chē)h(huán)境的溫度超出18~28 oC的范圍，用戶(hù)需要使用溫度系數（tempco）下調精度。使用傳統方法，就是在該溫度下重新對系統進(jìn)行全面的校準。當然，這樣的過(guò)程通常是不世實(shí)際且高成本的。在同一個(gè)例子中，如果DMM的環(huán)境溫度是50 oC（或許是因為同一個(gè)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 = (讀數的百萬(wàn)分之5 + 量程的百萬(wàn)分之1)/ oC

那么附加誤差就是：

周?chē)h(huán)境溫度為50 oC時(shí)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(dòng)化測試系統的操作環(huán)境所帶來(lái)的誤差，某些廠(chǎng)商在儀器中包含了自校準（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定的儀器，即使遠超出傳統的溫度范圍18~28 oC?，F修改前面的DMM例子，使用帶有自校準功能的NI PXI-4070 DMM，由溫度相關(guān)系數引入的額外誤差在其90天和2年的規范中均已完全覆蓋，這個(gè)誤差應該是：

帶有自校準的tempco：（讀數的百萬(wàn)分之0.3 + 量程的百萬(wàn)分之0.3）/oC
（在規范中已說(shuō)明）

Condition	Traditional 6? (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(dòng)化測試系統的操作環(huán)境所帶來(lái)的誤差，可以選用具備自校準功能的儀器。

關(guān)于您的自動(dòng)化測試系統的操作環(huán)境對精度影響的更多信息，請參考《解讀FlexDMM架構》白皮書(shū)。

4．使用恰當的裝配方式

將您的自動(dòng)化測試系統與受測設備（DUT）相連，可能和從儀器到分線(xiàn)盒或螺絲端子連線(xiàn)、以及將含有少于50個(gè)測試點(diǎn)或少量?jì)x器的系統與DUT相連一樣簡(jiǎn)單。對于含有數百個(gè)測試點(diǎn)、多個(gè)儀器、可重配置的系統需求和（或）頻繁通斷的較大系統，通常需要新的裝配方法（如大規?；ミB系統）。

在任何一種情況下，重要的是，您的裝配方式應該由專(zhuān)門(mén)設計以最大化測量精度的接線(xiàn)組成。低質(zhì)量的接線(xiàn)會(huì )對您的自動(dòng)化測試系統的精度產(chǎn)生顯著(zhù)的負面影響。專(zhuān)門(mén)設計以最大化測量精度的接線(xiàn)包括了如低泄漏和低熱電勢等特性。
如前述討論，一個(gè)大規?；ミB系統是一個(gè)機械裝置，用以方便大量DUT輸入輸出信號的連接。該系統通常附帶一些機械護欄，通過(guò)這樣的護欄所有的信號被從（典型的情況是在一個(gè)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(jiàn)圖5）。一個(gè)大規?；ミB系統也對經(jīng)歷反復連接/斷開(kāi)循環(huán)的儀器前端的線(xiàn)纜連接提供保護。經(jīng)歷過(guò)多連接/斷開(kāi)的儀器線(xiàn)纜連接容易受到磨損和破壞，這樣會(huì )降低測量精度。

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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).

5．利用同步

在自動(dòng)化測試系統中，精度的另一個(gè)方面是相位精度——被采集和生成的信號的時(shí)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(shí)現最大化的相關(guān)性。例如，如果您的自動(dòng)化測試系統包含兩個(gè)同時(shí)從一個(gè)DUT采集數據的示波器，除非這兩個(gè)示波器使用同步的起始觸發(fā)器和采樣時(shí)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(dòng)化測試系統中使用硬件同步以最大化相位精度的另一個(gè)例子是在一項激勵-響應測試中，任意波形發(fā)生器（ARB）和示波器的采樣時(shí)鐘通過(guò)鎖相環(huán)控制，使其達到同一個(gè)穩定的參考時(shí)鐘。如果在一項激勵-響應測試中沒(méi)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。當使用FFT分析采集的正弦波，頻譜泄漏展現為頻譜中的“裙邊”，如圖6中圖形的白線(xiàn)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。

測試平臺提供水平差異顯著(zhù)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，則提供非常復雜的硬件同步資源。PXI具備一個(gè)背板內置的、高性能的定時(shí)與同步總線(xiàn)，它免除了儀器間使用外部連線(xiàn)的必要。通過(guò)集成的PXI定時(shí)與同步總線(xiàn)，您的自動(dòng)化測試系統中的儀器可以實(shí)現亞納秒級的同步。關(guān)于PXI儀器同步的更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)《適用模塊化儀器定時(shí)與同步的NI T-Clock技術(shù)》指南。

總結：最大化自動(dòng)化測試系統的精度

在大多數情況下，精度的最大化在您設計自動(dòng)化測試系統時(shí)很重要。該白皮書(shū)所討論的五個(gè)步驟——解讀儀器規范，考慮校準需求，關(guān)注操作環(huán)境，使用恰當的裝置和利用同步——為您提供了自動(dòng)化測試系統的精度最大化的向導。