自动测试系统计量特性的确定方法研究

刘莹

摘 要：文章介绍了自动测试系统的一般组成结构，对自动测试设备资源按信号特征进行了分类。通过分析传输电缆上的损耗与频率的关系，得出了高频子系统资源主要受介电损耗的影响，模拟电源子系统等低频类资源主要受趋肤效应损耗影响的结论，为研究计量特性确定了依据和方法。同时制定了各类子系统资源计量特性的确定原则，确定了通过建立通道模型、计算通道损耗得到自动测试系统计量特性的方法。

关键词：自动测试系统；计量特性；介电损耗；趋肤效应

中图分类号：TP73+.5；TM93 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）05-0078-03

计量特性的研究是自动测试系统开展计量技术研究工作中的一项重要的内容，计量特性确定的准确程度将直接影响到计量结果的准确性，而国内目前还没有与之相关的检定规程、校准规范[1]。自动测试系统通常是由大量的台式仪器和PXI、VXI板卡式仪器模块组成，其计量特性不是系统中仪器的计量技术指标，而是系统整体性的指标[2]，这项指标还受到自动测试系统中测试通道连接电缆、连接器等因素的影响。本文通过分析自动测试系统组成结构、仪器资源特点以及通道损耗等方面的因素，得出自动测试系统计量特性的确定方法。

1 自动测试系统

1.1 组成结构

自动测试系统由自动测试设备、测试程序集以及相应的测试程序集软件开发工具三部分组成[2]，如图1所示。自动测试设备是自动测试系统的主体结构，其在测试适配器及测试软件的配合下，完成对被测对象的性能测试和故障诊断。本文的研究对象主要针对自动测试设备，即确定自动测试设备的计量技术指标。

自动测试设备主要由主控计算机、各种仪器资源、GPIB等仪器接口总线以及连接器等组成。按照测试需求和信号特征的不同，可以将自动测试设备的仪器资源分为数字子系统、模拟子系统、开关子系统、电源子系统和高频子系统等。

①数字子系统主要包括数字输入/输出、定时器/计数器、串行口等资源。其功能是产生数字类激励信号、测试相关的数字类信号，以及实现串行通信等功能。

②模拟子系统主要包括示波器、波形发生器和万用表等模拟激励仪器和模拟测试仪器。其功能是产生和测试各种模拟类信号，完成模拟类被测单元的测试任务。

③开关子系统主要包括矩阵开关、多路开关以及射频和微波开关等。在主控计算机的控制下，通过开关子系统实现测试过程中传输通道的切换。

④电源子系统主要包括直流电源、交流电源和电子负载等。其功能是提供被测对象所需的各类电源信号。

⑤高频子系统主要包括射频、微波信号源、射频分析仪以及功率计与频率计等。其功能是提供被测对象所需的射频、微波类高频信号。

1.2 工作原理

主控计算机通过连接器、测试适配器以及GPIB、PXI和VXI等测试总线连接到被测对象，它是自动测试系统的控制中心，控制系统各类激励仪器资源产生被测对象所需的各类激励信号，同时控制测试仪器对被测对象产生的响应信号进行测试，从而完成各类测试任务。

2 计量特性确定依据

2.1 计量特性分析

自动测试系统中的仪器资源繁多、功能强大，计量特性的确定通常有以下特点：

①自动测试系统计量特性是指自动测试系统仪器资源体现在连接器处的技术指标，是一个整体性技术指标。在连接器处每一台仪器都有与之对应的传输通道，即其计量特性是指系统仪器资源传输通道的计量特性[3]。

②自动测试设备中仪器的技术指标不能作为最终的计量技术指标，但应以该技术指标作为计量特性确定的参考基准，并且按照实际测试时的仪器传输通道情况确定计量特性[4]。

③环境温湿度的变化也会对仪器以及连接通道的测量准确度造成一定的影响。实施检定或校准时，需要考虑到环境温湿度可能在一个较小的范围内波动，而不能直接以自动测试设备的工作环境温湿度作为确定计量特性时的温湿度范围。

④如果自动测试设备中部分仪器的准确度很高，即分析出的计量特性可能远高于测试需求，这样极可能导致资源的浪费，所以这部分仪器在保证计量方法有效性的情况下，可适当放宽计量特性要求。

综上所述，确定自动测试设备计量特性时，仪器与连接器之间的连接通道是引起测量误差的关键因素，下面对传输通道损耗进行分析。

2.2 传输通道损耗分析

自动测试设备的信号传输通道上的损耗主要考虑电缆以及连接器产生的损耗。

2.2.1 电缆损耗

电缆是电信号传导中常用的媒介，本文以同轴电缆为例分析电缆的损耗情况。同轴电缆的典型结构，如图2所示，信号传输时产生的损耗主要是趋肤效应损耗和介电损耗[5]。

因此，确定自动测试设备计量特性时，仪器资源的传输通道损耗按照信号频率的高低可分类如下：

①射频、微波类高频信号在电缆中传输时会出现一定的介电损耗，从而对高频类信号的指标精度造成影响。因此，高频信号仪器资源通道的计量特性要对电缆造成的介电损耗进行充分考虑。

②模拟子系统仪器的低频信号在电缆中传输时会出现一定的趋肤效应损耗，从而对低频类信号的指标精度造成影响。趋肤效应损耗主要指电缆的等效电阻对信号造成的损耗，模拟子系统仪器资源通道的计量特性要对这部分损耗进行充分考虑。

③电源子系统仪器的交直流信号也属于低频类信号。如果电源信号是高电压/电流信号时，可以忽略电缆上的损耗；如果电源信号的电压/电流不大时，则需要考虑电缆的等效电阻对信号造成的趋肤效应损耗。因此，电源子系统仪器资源通道的计量特性要因电源信号的具体情况而异。

2.2.2 连接器损耗

连接器在自动测试系统中起到将两端导线连接在一起的作用，它是一类特殊的导线，所以连接器造成的损耗与电缆造成的损耗相似。VPC公司的几种连接器，如图4所示，通常可以直接利用产品说明书中给出的损耗性能参数指标进行损耗计算。

3 计量特性确定原则

依据JJF 1059-2012《测量不确定度表示与评定》，结合上文对自动测试系统计量特性和传输通道对仪器计量特性影响的分析，在实际应用中确定自动测试设备计量特性时应遵循的原则如下：

①自动测试系统计量特性是仪器在对应传输通道连接器端口处的技术指标，其确定时应以仪器资源的技术指标作为基准，同时综合考虑传输通道的影响。

②计量特性对环境温湿度的要求较为严格，确定计量特性时，应将仪器的工作环境温湿度控制在规定的温湿度范围内，以该温湿度作为影响精度的温湿度系数。

③模拟类仪器传输通道的影响相当于其等效电阻对模拟类信号的影响，测试时会产生一定的损耗，要以受传输通道影响情况为依据建立通道模型，进行损耗分析与计算，进而确定模拟类仪器传输通道的计量特性。

④电源类仪器传输通道的影响相当于其等效电阻对电源类信号的影响，该类信号通常工作电压/电流较大，在传输通道上的损耗会相对较小；但当电源输出的电压/电流较小时，在传输通道上损耗会相对较大，这时就需要通过对信号损耗进行分析和计算来确定电源类仪器传输通道的计量特性。

⑤射频、微波类高频信号容易受传输通道的影响，应充分考虑传输中电缆、连接器等影响因素，并结合信号传输的实际情况计算出传输通道的损耗，进而确定高频类仪器传输通道的计量特性。

⑥数字类仪器信号在传输时其精度受传输通道影响较小，所以在实际应用中要通过自动测试系统实际的需求分析，来确定数字类仪器通道的计量特性。

⑦开关子系统中包含射频、微波类开关，其功能是切换高频类信号的传输通道，实际工作中该类开关的技术特性受传输通道的影响较大；开关子系统中同样包含通道开关、多路开关等低频信号类开关，该类开关在工作中相当于一根短导线，其技术特性受传输通道的影响较小。

4 计量特性确定方法

通过对自动测试系统计量特性的分析，并依据计量特性的确定原则，则自动测试系统计量特性的确定方法可归纳如下。

4.1 分析信号传输通道

对自动测试系统中信号从始端到终端经过的电缆、连接器等传输通道进行分析，标明电缆的型号和长度以及连接器的型号和个数等。

4.2 建立传输通道模型

通过分析信号传输通道，再依据各类子系统资源对应的确定原则，建立传输通道模型，并根据信号频率大小标明传输通道造成的损耗类型。

4.3 分析传输通道损耗

通过分析仪器在检定时间内受各种因素影响而产生的技术指标变化情况，再结合建立的通道模型对仪器信号在传输通道上的损耗进行分析和计算。

4.4 确定通道计量特性

综合考虑仪器资源自身的技术指标和仪器传输通道的损耗情况并结合以上几步的分析与计算，最终确定自动测试系统的仪器通道对应的计量特性。

5 结 语

本文通过对自动测试系统计量特性进行分析，并对传输通道上损耗与频率之间关系的展开分析研究，得出低频类系统资源主要受趋肤效应损耗影响，高频类系统资源主要受介电损耗影响的结论，得出了自动测试设备计量特性的确定原则，并最终总结出了自动测试系统计量特性的确定方法，为自动测试系统原位计量工作的开展奠定了基础。

参考文献：

[1] 孙宝江，沈士团，陈星.自动测试系统校准方法研究[J].宇航计测技术，

2007，（1）.

[2] 尤海鹏，高运征，罗超，等.自动测试系统完全计量的研究与实现[J].测试

技术学报，2011，（5）.

[3] 纪明霞，吴凌燕，丁国臣.从计量角度探讨机载ATE技术指标的确定[J].

计测技术，2007，（1）.

[4] 尤海鹏，高运征，刘佳波.军用自动测试系统装备计量保障的深入研究 [J].计量与测试技术，2014，（5）.

[5] Benrard Hyland.电缆损耗对自动测试设备的影响[J].电子设计工程，

2009，（4）.

[6] 易燕，刘波.自动测试设备中电缆损耗补偿[J].计算机与数字工程，2009，

（11）.