自动测试系统溯源性设计与应用*



自动测试系统溯源性设计与应用*

王凯让1，2,苏东林1,冯克明2，吕洁光2

(1.北京航空航天大学，北京100191；2.北京无线电计量测试研究所，北京100854)

摘要：为从设计源头解决自动测试系统溯源问题, 构建了自动测试系统的溯源层次模型，把内嵌式标准和内部溯源链设计作为系统架构的一部分, 使溯源链的构建更加灵活、简单，动态实时校准更加方便，能更好的满足技术和保障的双重需求。

关键词：自动测试系统; 原位校准; 溯源性模型

0引言

自动测试系统(ATS)已成为航空航天设备、现代武器装备生产验证、维修保障的重要手段[1-2]。从功能角度看,自动测试系统等效于一台综合测试仪器，因此也就面临作为仪器所必须进行的工作:溯源。同时作为一种测试系统,其本身的准确性与可靠性将直接影响整个测试过程，因此自动测试系统的溯源性设计是保证测试精度的重要前提,必须引起足够的重视。

传统的ATS校准大多采用离位校准方法，将ATS看作独立测试仪器的组合,将ATS系统的校准分解为针对每个仪器的单独校准过程,定期从系统中抽取相应的仪器送检[3]。这种方法管理简单,可利用的计量实验室较多，然而该方法既影响装备的正常保障，又使测试设备可靠性降低；另一方面，由于程控开关、通用适配器(interface connect adapter,ICA)、专用适配器(interface test adapter,ITA)等结构以及总线仪器模块的使用，使得在测试设备测试端面表现出的测量特性(如上升时间、阻抗、测量线性度等)已不简单的是单一仪器模块在其仪器端口所表现出来的测量特性，实验室的测量数据并不能直接反映这些设备在实际工作条件下的量值特性，往往使校准的价值和意义大打折扣。因此应该采用原位校准方法，将ATS 作为统一的整体开展溯源性设计。

ATS溯源和校准内容丰富，从校准的参数类型划分，包括数字量校准，模拟量校准，微波参量校准等；从校准的场合划分，包括离位校准和在位校准；从校准的对象划分，包括内部校准和外部校准等。种类繁杂的校准分类，显然不利于探寻ATS校准的本质，优化ATS的校准策略。本文通过ATS多阶校准模型的分析，对ATS的溯源进行整体性考虑，优化量传标准的设计，建立满足技术需求和保障需求的量值溯传链。

1ATS的多阶校准模型

1.1ATS校准界面划分

自动测试系统是一个复杂的综合测试系统，它的结构如图1所示，它包括系统控制器、VXI/PXI/LXI模块化仪器、台式仪器、系统资源适配框口(ICA)、测试适配框口(ITA)、测试适配器等。其仪器模块的种类总体可以分为系统供电、激励源、测量设备和开关四大类，激励源和测量设备通过开关矩阵的灵活配置构成满足不同测试需求的测试界面。对于同样的环境和操作，测量结果的质量由被测对象(负载特性等)、信号调理、线缆连接方式、通道路由和相应的测试界面决定。系统校准的目的是确保被测对象测试结果的可信。按照从被测到结果的整体过程来看，ATS的测量过程可以分为UUT接口界面、扩展矩阵界面、系统资源界面(ICA)、仪器界面等4阶界面。

仪器界面是仪器厂家和专业计量机构普遍接受的通用校准界面。在该界面开展校准工作最利于仪器自身性能的校准和验证，多采用实验室送检的离位校准方式进行，有些台式仪器设备的自校也可通过一些商用的校准附件在现场进行。

系统资源界面是ATS激励和测试能力汇集的界面。在该界面开展校准工作一般只能原位进行，可采用简易的或符合某种结构标准的方式将被校通道与现场的量传标准连接起来。

扩展矩阵界面是根据测试类别的需求，把激励源和测量设备经开关矩阵配置后形成的针对某一类对象(如数字、模拟、高频、射频以及混合型等)的可扩展型测试界面。

UUT接口界面是直接连接被测对象的界面。在该界面开展校准工作最能反映测试数据的实际情况。

1.2ATS系统误差分析

在单个仪器的端口界面分别进行校准的方法，不能满足ATS的溯源需求。把测试系统作为一个整体, 除常规仪器校准要考虑的因素外，还要考虑系统测量通路、连接器、电缆、开关和适配器等因素带来的误差影响等。

(1) 系统测量通路误差

测试系统的测量通道一般由多路开关和信号调理电路构成, 以满足测量信号的路由选择和滤波, 阻抗匹配等信号调理要求。在信号传输过程中, 由于对信号衰减和各种干扰的影响, 测量通道的误差将是整个测试系统测量误差的重要来源[4]。在测试系统校准过程中, 怎样对测量通道进行误差分析，定量地评价其对整个系统误差的影响，是必须要解决的重要问题, 也是测试系统实现测量补偿的重要依据。需要采用通道校准法来标定测量通路的实际误差。

图1　自动测试系统的四阶校准界面Fig.1　Four-step calibrating interface of ATS

(2) 适配器误差

传统的校准方式是在ATE输入、输出端进行校准,并且不考虑适配器对误差的影响。这种方式的校准精度较差,目前校准过程中适配器带来的误差已成为精确计量发展的趋势，但在校准中考虑适配器的影响,这将使系统校准问题复杂化,而且由于被测对象不同导致适配器各异,千差万别，不容易抽象出一般的系统校准方法,但系统校准包含适配器无疑提高了校准精度。适配器主要组成为连接器、电缆、开关及调理电路，针对不同的连接器、不同电缆长短和排列以及对频率的影响进行了仿真分析和验证。

(3) 环境的影响

一般说来,ATE系统工作环境和计量标准装置的工作环境不同。测量环境因素如温度、湿度、气压、震动、照明、电磁场等，特别是环境因素的空间梯度和时间变化，引起自动测试系统测量量值的变化，从而带来误差。“关注环境对测量动态性能的影响”是溯传链从实验室有效延伸到现场关注的第一项内容。而计算机技术在自动测试系统中的应用，不但完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变得更加灵活、简单，而且当许多软件充当了以往由硬件实现的角色时，可以减少许多随时间可能漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，利用校准程序和校准数据包,增强系统在位校准的实时性，提高系统的测量精度、测量准度和可重复性[5-6]。

1.3ATS原位溯源多阶校准模型

根据装备计量保障的要求,自动测试设备的校准一般应由传递标准通过测试程序集的校准功能在自动测试设备主机上运行校准程序来实现[7]。传递标准由具备资格的专业计量机构进行校准。自动测试设备的自校准不能代替溯源性证明。传递标准可以是外部标准器或者是自动测试设备的校准件。这样要求的目的就是为了更好的应对自动测试系统实际工作条件下系统的校准需求[8]。

利用传递标准对ATS开展校准工作有多个可选界面。校准面的选取是一个难点。仪器端口界面最直接，UUT接口界面最真实。如果按照传统的仪器校准方式对ATE开展在位校准工作,全面覆盖ATE系统功能和性能指标,需要采用大量的参数校准装置运到现场，且这种方法要反映测量信号的情况需要对测试通路和校准适配的特性进行修正计算，也是一项工作量很大的精细工作[9]。如果仅在UUT端口界面进行，很难对仪器的性能指标作全面验证，而且一旦系统超差，很难判定是仪器出了问题还是适配器出了问题，而且标准件的数量确定也是一个难题。

本文以UUT测量数据的校准需求和ATS的 6阶计量界面为基础,提出了一个满足技术和保障双重需求的ATS原位溯源方法。一是利用系统自身资源，以“面向需求的计量”而不是单纯 “面向仪器的计量”为导向，构建内部溯源链, 把计量链顶端(精度最高)的仪器或参数通过量传标准完成向国家专业机构的溯源。二是为完成ATS自身的校准和验证，在系统资源界面开展ATE的自动校准和诊断，并把此界面亟需的量传标准设计成ATS的可更换校准单元，作为ATS的一部分。三是为完成特殊UUT测量数据动态校准的需求，在UUT端口界面配备可量传的标准件。四是对于扩展矩阵形成的通路模型，在仿真的基础上，分别在2个界面进行验证。五是所有的校准工作均在测试系统的主机上通过校准程序开展工作，并对测试数据进行校正。其溯源层次图如图2所示。

1.4溯源参数的链式求解

自动测试系统溯源参数的链式求解[10]过程如下：

(1) 按照量值类型进行分类，得到不同的量值组合S1，S2,…,Sn，并将该类量值按照信号流向分为输入量值Si和输出量值So，找出两者之中精度等级最高的量值，作为该量值的内部参考，对外计量；

图2　ATS原位溯源层次图Fig.2　Traceable hiberarchy of ATS

(2) 按照溯源要求的量值测量不确定度(或误差)比要求，找出该类型量值中可以进行内部溯源的量值，构建内部溯源链，例如某类型输入量值Si1和输出量值So1，其中Si1和So1的量值测量不确定度比优于或等于1∶4，则量值So1可以溯源到Si1；(3) 同理，按照上述准则进行内部溯源链的梳理，形成内部溯源链；

(4) 对于无法实现内部溯源的量值，进行外部溯源。

(5) 对其他量值重复(1)～(4)，即可实现所有溯源参数的链式求解。

2ATS溯源性实践

本文以XX型号电路板故障诊断测试系统为例，介绍ATS溯源性设计的过程。该故障诊断测试系统资源包括了直流供电电源，为被测试对象提供激励的任意波形发生器、信号源和16路D/A、对被测对象测量的数字表、计数器和示波器，数字激励响应单元，以及信号切换的矩阵开关等，是比较典型的配置。

2.1校准策略制定

根据对故障诊断测试系统和被测试对象的分析我们把被测试信号的种类分为数字和模拟2类(RF和微波除外)，校准参数主要为信号电压、电阻、频率、上升时间、相位和驱动能力等。其中数字量主要涉及电平、采样率、通道间时延、上升时间和驱动电流，模拟量主要涉及电压、电阻、频率、相位等。为获得对ATS的原位校准，综合运用内校准、标准件法和分项参数校准法对ATS进行系统校准。并通过内部软件修正的方法，来补偿测试系统的增益、零点误差, 分项目、分参数分通道设计修正因子，实现软件补偿。

系统内外校准原理如图3所示。

自检是自动测试系统的一个关键部分,为系统正常操作提供保障。自动测试系统的自检通过自检程序和相应的自检适配器实现,并实现故障检测功能。自动测试系统的自检包括两个部分:①系统内部仪器调用内建测试程序,实现自身检测；②系统内部的激励仪器和测量仪器通过自检适配器进行互联，实现相互检测。

系统内校准是首先把系统内低准确度的仪器向高准确度仪器溯源或利用部分高(或相当)指标的内部仪器模块对内部低指标的仪器模块进行校准[11]。利用此方法，一方面由于校准与测试过程基本一致，能够保证校准值的可信和可靠[12]，另一方面由于外校准参数的减少而大大提高校准效率和系统的可靠性。

图3　系统内外校准分析Fig.3　Connecting diagram of standard element

标准件法是在系统测试端口开发标准件，将系统要校准的参数传递到标准件上，校准时将标准件连于测试设备的测试端口上，由标准件上的参考标准对测试设备进行校准，标准件的参数可以溯源到上级标准。结构连接示意图如图4。

图4　标准件法连接示意图Fig.4　Analysis of systemic inner and external calibration

校准软件能根据标准件提供的参考值对系统的内部标准进行调整和修正，这是其他任何方法都无法比拟的优点所在。

分项参数校准法是以测试头或测试座为校准界面，分项参数校准法可以把一些特殊参数信号合理引导校准适配器上校准，将各测量参数溯源至上级标准。

2.2自检适配器

自检适配器在对被测对象进行测试诊断之前，用来对系统的测试诊断资源进行检测，以确定这些仪器资源是否工作正常。需要进行系统自检时，把自检适配器插入框口阵列(ICA)上，在ATE系统软件环境运行环境中，调用系统自检程序，即可以完成系统自检，若系统自检有问题，将显示出故障信息。自检适配器结构示意图如图5所示。

2.3内校准设计

内校准设计的分层原理如图6所示。按照仪器溯源准确度要求，细分设备内部仪器，内部校准链路最终可以溯源到内部标准模块上，也可以直接溯源到外部标准上，设备配置标准模块是为设备校准专门配置使用的，与设备测量功能无关，优点是由于标准模块完成了设备内部参数的校准，因此故障诊断设备校准时，只需要把内部标准模块从设备中拔出，拿到校准实验室中校准，简单、快捷且不影响测试设备的正常使用。

图6　系统内校准层次化设计Fig.6　Hierarchical design of systemic inner calibration

系统即采用了数字多用表、计数器和示波器作为内部标准，校准了频率准确度、幅度准确度、直流电压、电阻和方波上升时间等参数。其余参数校准需采用外部校准的方法。采用外部校准方式使用分项参数校准法和标准件法对数字IO模块、数字多用表模块、计数器模块以及台式仪器示波器进行校准。系统内校准层次化设计如图6所示。

2.4综合校准适配器

基于XX故障诊断测试系统校准指标和内校准设计，采用分项参数校准方法和标准件法，设计了系统综合校准适配器，主要包括了适配器框口(ITA)、实现自动校准的多种类型的开关，电压标准装置、数字量校准标准装置和需要外部校准的参数，如图7所示，结构示意图如图8所示。

图7　综合校准适配器组成示意图Fig.7　Composition diagram of integrated　　　calibrating adapter

图8　综合校准适配器结构示意图Fig.8　Structural diagram of integrated　　　calibrating adapter

利用校准适配器中的电压标准装置可以实现电压表电压参数和电阻参数的校准，利用数字量标准装置可以实现数字量参数如I/O中数字电平、采样速率、通道间时延和驱动电流的校准。

利用适配器内部的电压标准装置和多路四线继电器开关，可以实现故障诊断设备中电压和电阻参数的自动校准，原理如图9所示。

图9　电压或电阻参数校准原理图Fig.9　Principle diagram of voltage and　　　resistance parameter

利用适配器内部的数字量标准装置和多路两线继电器开关，可以实现故障诊断设备中数字量参数的自动校准，原理如图10所示。数字量可校准的参数有：通道电平驱动、通道上升时间、通道最小脉宽和通道间时延。

图10　数字量参数校准原理图Fig.10　Calibrating principle diagram of　　　 digital parameter

2.5标准件

作为系统传递标准研制中的标准件设计是系统校准中关键，小型化、便携式、高精度的校准标准件，会对未来自动测试系统的校准产生深远的影响。

(1) 模拟量标准件

根据故障诊断设备模拟系统中使用最多的电压和电阻参数测量的需求，模拟标准件包括了5个标准电压和5个标准电阻。标准电压对于时间和温度的稳定性要好，选择了稳定性很高的电压基准芯片和高精密线绕电阻，设计和实际测量的指标如表1所示。

表1　模拟标准件电压参数

标准电阻电路主要组成是高精密电阻，高精密电阻最重要的指标是稳定度，其次是温度系数、老化等其它指标。为获得高稳定度，标准电阻的设计采用了“统计电阻”法，在串并联的N只电阻中，任何一只电阻的变化，反映到总体阻值上，都会被缩小成N分之一。设计和实际测量的指标如表2所示。实验证明，利用这种方法获得的标准电阻，噪音更低、电压系数更小老化更有规律。

表2　模拟标准件电阻参数

(2) 数字量标准件

数字电路测试系统关注信号的速率、边沿特性以及驱动能。因此数字量参数标准件主要有两部分组成即逻辑分析功能模块和波形显示测量模块。其主要指标如下：

定时采样率：200 MHz

每路存储深度：8 Mbits

通道数：16

AD采集速率：250 MHz

AD采集带宽：25 MHz

输入阻抗：1 MΩ

电平转换时间校准和电平驱动校准的时间如图11，12所示。

图11　电平转换时间校准面板Fig.11　Calibrating panel of level converting time

图12　电平驱动校准面板Fig.12　Calibrating panel of level driver

2.6系统校准软件

XX型号电路板故障诊断测试系统校准软件采用模块化的设计方法，以数据库为基本支撑环境。软件构架分为显控模块、自检模块、自校准模块、仪器校准参数模块和相应的数据处理模块，显控模块是主控模块，起到总的调度作用，它执行分析处理软面板发布的各项命令，接收指令信息，并根据指令信息调用相应的功能模块，完成对信号采集、分析和处理，并将最终测量结果传送到软面板显示或打印。软件工作流程分为四个阶段：初始化与配置阶段、根据指令选择校准分模块、数据采集及分析阶段、数据显示阶段。主要功能和工作流程图如图13，14所示。

图13　系统校准软件结构图Fig.13　Structural diagram of systemic　　　calibrating software

图14　系统校准软件工作流程Fig.14　Work flow of systemic calibrating software

3结束语

本文针对ATS的校准需求,提出了一个满足技术和保障双重需求的ATS原位溯源方法，并通过实例展示了基于该模型的ATS溯源性设计和实现过程。“面向需求”的内部计量链设计、把可更换计量单元作为ATS系统架构的一部分、利用标准件在UUT端口进行原位校准和在ATS上实时开展校准工作的校准程序集,能有效的指导和开展ATS的设计和校准工作。

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Traceability Design and Application of Automatic Test Systems

WANG Kai-rang1，2，SU Dong-lin1，FENG Ke-ming2，LÜ Jie-guang2

(1.Beihang University，Beijing 100191，China；2.Beijing Institute of Radio Metrology and Measurements，Beijing 100854，China)

Abstract:Amultilayer traceability model for ATS is constructed to solve the problem of traceability from the beginning of design. By treating measurement delivery standard and internal tracing chain as a part of system structure, the tracing chain will be more flexible and simpler. The dynamic real-time calibration becomes more convenient and can better meet the requirements of technique and support.

Key words:automatic test system(ATS); in-situ calibration; traceability model

中图分类号：TJ768.3

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-02-0172-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.02.028

通信地址：100854北京142信箱408分箱E-mail：ronland@126.com

作者简介：王凯让(1980-)，男，江苏沛县人。高工，博士生，主要从事大型综合系统溯源性理论和应用研究、多维数据处理。

基金项目：有

* 收稿日期：2014-05-09；
修回日期：2014-09-24