最大化自动化测试系统的精度

2016-10-07 10:48:56来源: eefocus 关键字:最大化  自动化测试系统  精度

1. 引言

在设计自动化测试系统时,精度最大化通常是关键的考虑因素确定如何最大化精度总是很困难的。绝大多数测试工程师会求助于他们所评估的仪器的技术参数表,寄希望于这些文档能够提供所有的答案。然而,其它因素对于最大化您的自动化测试系统的精度也是同样重要的。
本文档为您提供的五个步骤,可以最大化您的自动化测试系统的精度。这五个步骤如下所示:

 

2. 1.解读仪器规范


评估一个仪器的精度时,其数据参数表是宝贵的资源。然而,重要的是要明白,不同仪器厂商时常在规定测量精度时使用不同的术语,或者使用相似的术语表示不同的意义。因而,清楚地理解定义仪器特性时所涉及的所有参数是很重要的。在许多情况下,分辨率(resolution)、精密度(precision)和精确度(accuracy)等术语是互换使用的,但它们所代表的真正意义还是差别较大的。虽然通常都认为一个6½位数字万用表(DMM)必定可以精确到6½位,但往往情况并非如此。这里的位数仅仅关系到仪器所显示的数字的位数,并不是输入信号的可分辨的最小变化。您需要查验仪器的灵敏度和有效精度是否足够高,以保证该仪器将为您提供所需的测量精度。

例如,一个6½位DMM能够表示一个给定范围,如1,999,999个计数或单元。但如果仪器的噪声峰峰值为20个计数,那么可分辨的最小变化必须至少为0.52 x 20个计数,因为分辨率——仪器可以可靠检测的输入信号的最小变化——等于高斯噪声的电位或计数乘以0.52。因而,该6½位DMM的有效位数(ENOD)为:


正如您所看到的,DMM的数据参数表中所列出的位数是一条重要的信息,但不应当就认为这是最终参数或唯一需要考虑的参数。通过了解您的自动化测试系统的测量精度与分辨率需求,您可以计算您所考虑的仪器的总的误差范围,并验证其是否符合您的要求。而且,应主动询问厂商,以准确把握数据参数表中的技术规范的意义,因为不理解您的仪器的真正性能可能会导致代价惨重的失误。

为了更好地理解您所评估的仪器的规范,请阅读应用说明《解读仪器规范——如何理解专业术语》。
 

 

3. 2.考虑校准需求


无论您为自己的自动化测试系统所选择的仪器的精度如何,重要的是要意识到,所有仪器中所用到的电子部分的精度会随时间发生偏差。持续工作的时间以及环境条件的影响会加剧这样的偏差。随着时间的推移,组件值的偏差将给您的测量带来更大的不确定性。要想解决这个问题,必须定期校准您的仪器。 外部校准就是将仪器的性能与已知的标准精度进行比较。可以用文档的形式记录外部校准的结果,以表明测量结果相对已知标准的偏差,但更多的情况是,外部校准也包括仪器测量能力的调整,以确保其测量精度在厂商提供的范围内。许多厂商提供了精度演化表, 这些表反映了仪器自最近一次外部校准后不确定性的变化的清晰轮廓。

Figure 1. Graduated accuracy tables provide you with a clear uncertainty profile from the last external calibration of an instrument.

要想完成一个仪器的外部校准,您可以将其送回原厂,或者送至一个校准计量实验室。此外,您也可以自己实现外部校准。无论您采取何种方式,重要的是认识到,对于不同厂商,一个特定类型仪器的外部校准间隔不总是相同的。一个厂商函数发生器的外部校准间隔可能是一年;而另一个厂商具备同等或更好精度规范的函数发生器的外部校准间隔可能是两年。为了减少自动化测试系统的维护成本,您应该选择第二个厂商的仪器。选择仪器时,您需要仔细考虑外部校准的间隔。

Figure 2. Not all instruments of the same type have equivalent external calibration intervals. When selecting instruments, consider the external calibration intervals.


除了外部校准,一些厂商的仪器还包含自校准的功能。具备自校准功能的仪器包含如精度电位参考等硬件资源,这样您就可以快速校准该仪器,而不必将其搬离测试系统或者与外部校准硬件连接。自校准并不能完全替代外部校准,它只是提供了一种在外部校准之间改善仪器测量精度的方法。

保持恰当校准的仪器会减少测量误差(原文中的reduced应为reduces),改善测量值间的连续性,并保证测量的精确性。参见《解读校准》指南,查阅其它的校准资源

 

4. 3.关注操作环境 


并不是所有的仪器都有相同的环境规范。存储、操作的温度和相对湿度规范可能因厂商而异。您的自动化测试系统或许是处于一个类似办公室的环境,温度和湿度得到严格的控制,但它们也可能被用于工厂或其它工业环境。因此关注您的仪器的环境规范,并了解环境如何影响测量的精度,是及其重要的。

例如,按照惯例,DMM是在特定温度下进行外部校准的,此类校准的特点在于被限定在某个特定温度范围进行,通常为±5 ºC(或者在某些情况下甚至为±1 ºC)。因而,在此温度范围外使用该DMM的任何时候,其精度都必然会降低一个温度系数,常见量级为每ºC原精度规范降低10%。当偏离指定范围10 ºC时,您的测量误差可能是原测量误差规范的两倍,这在重视绝对精度的情况下值得我们关注。

在生产场所或者由多个仪器构成的自动化测试系统内,保持精确仪器的环境温度在±5 ºC内非常具有挑战性。空气流通不畅导致的温度升高和其它因素都会影响到系统中的仪器。如果在严格的精度规范下,温度的变化超出限制,那么需要在新的温度下进行再校准。以传统DMM的10伏直流量程为例。一个DMM或许有这样的精度:
1年的精度:(读数的百万分之35 + 量程的百万分之5),对于T = 23±5 ºC

依此规范,如果您输入电压为5 V,其误差为:
(5 V的百万分之35 + 10 V的百万分之5) = 225 μV,温度范围18~28 ºC

这是确定精度的传统方法。如果周围环境的温度超出18~28 ºC的范围,用户需要使用温度系数(tempco)下调精度。使用传统方法,就是在该温度下重新对系统进行全面的校准。当然,这样的过程通常是不世实际且高成本的。在同一个例子中,如果DMM的环境温度是50 ºC(或许是因为同一个机架中堆放了许多仪器而且空气流通不畅),而且tempco有如下定义:

tempco = (读数的百万分之5 + 量程的百万分之1)/ ºC

那么附加误差就是:
22 ºC x tempco = (读数的百万分之110 + 量程的百万分之22)= 770 μV

周围环境温度为50 ºC时的误差,几乎比指定的1年精度要求超出近5倍。为了削减由于您的自动化测试系统的操作环境所带来的误差,某些厂商在仪器中包含了自校准(如前面的讨论)等特性。这样的特性催发了在任何操作温度下高度精确和超稳定的仪器,即使远超出传统的温度范围18~28 ºC。现修改前面的DMM例子,使用带有自校准功能的NI PXI-4070 DMM,由温度相关系数引入的额外误差在其90天和2年的规范中均已完全覆盖,这个误差应该是:

带有自校准的tempco:<(读数的百万分之0.3 + 量程的百万分之0.3)/ºC
(在规范中已说明)

Condition
Traditional 6½ (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

图3。为了削减由于您的自动化测试系统的操作环境所带来的误差,可以选用具备自校准功能的仪器。

关于您的自动化测试系统的操作环境对精度影响的更多信息,请参考《解读FlexDMM架构》白皮书

 

5. 4.使用恰当的装配方式 


将您的自动化测试系统与受测设备(DUT)相连,可能和从仪器到分线盒或螺丝端子连线、以及将含有少于50个测试点或少量仪器的系统与DUT相连一样简单。对于含有数百个测试点、多个仪器、可重配置的系统需求和(或)频繁通断的较大系统,通常需要新的装配方法(如大规模互连系统)。

在任何一种情况下,重要的是,您的装配方式应该由专门设计以最大化测量精度的接线组成。低质量的接线会对您的自动化测试系统的精度产生显著的负面影响。专门设计以最大化测量精度的接线包括了如低泄漏和低热电势等特性。


Figure 4. Low-leakage, low-thermal-emf cables help to maximize accuracy in your automated test systems.

如前述讨论,一个大规模互连系统是一个机械装置,用以方便大量DUT输入输出信号的连接。该系统通常附带一些机械护栏,通过这样的护栏所有的信号被从(典型的情况是在一个机架中)仪器路由至DUT,使得从外部快速改换DUT非常方便(参见图5)。一个大规模互连系统也对经历反复连接/断开循环的仪器前端的线缆连接提供保护。经历过多连接/断开的仪器线缆连接容易受到磨损和破坏,这样会降低测量精度。


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).

白皮书《自动化测试系统中大规模互连/固定的益处》提供了对大规模互连系统的深入透视。

 

6. 5.利用同步 


在自动化测试系统中,精度的另一个方面是相位精度——被采集和生成的信号的时序被精确相关的程度。同步,特别是硬件同步,把仪器间的偏移降到最小,从而实现最大化的相关性。例如,如果您的自动化测试系统包含两个同时从一个DUT采集数据的示波器,除非这两个示波器使用同步的起始触发器采样时钟,否则要比较所采集信号的相位几乎是不可能的。

在您的自动化测试系统中使用硬件同步以最大化相位精度的另一个例子是在一项激励-响应测试中,任意波形发生器(ARB)和示波器的采样时钟通过锁相环控制,使其达到同一个稳定的参考时钟。如果在一项激励-响应测试中没有采用精确硬件同步,ARB所生成的模拟波形的少部分周期将被示波器所采集到。当使用FFT分析采集的正弦波频谱泄漏展现为频谱中的“裙边”,如图6中图形的白线所示。使用锁相环同步消除了被示波器采集到的少部分周期波。这依次消除了频谱泄漏。



Figure 6. Synchronization improves phase accuracy in your automated test systems. For example, this graph illustrates hardware synchronization eliminating spectral leakage in a stimulus-response test.

测试平台提供水平差异显著的硬件同步。一些测试平台提供的功能有限,而有些测试平台,如PXI,则提供非常复杂的硬件同步资源。PXI具备一个背板内置的、高性能的定时与同步总线,它免除了仪器间使用外部连线的必要。通过集成的PXI定时与同步总线,您的自动化测试系统中的仪器可以实现亚纳秒级的同步。关于PXI仪器同步的更多信息,请访问《适用模块化仪器定时与同步的NI T-Clock技术》指南。

 

7. 总结:最大化自动化测试系统的精度


在大多数情况下,精度的最大化在您设计自动化测试系统时很重要。该白皮书所讨论的五个步骤——解读仪器规范,考虑校准需求,关注操作环境,使用恰当的装置和利用同步——为您提供了自动化测试系统的精度最大化的向导。


关键字:最大化  自动化测试系统  精度

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016100717587.html
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