第13章 自动测试系统

4.组建GPIB系统的产品 组建GPIB自动测试系统的产品可分为三大类: ① 程控仪器类。它由带GPIB接口的各类程控 仪器组成，近年来推出的稍高档的产品都带有PIB 接口，所以这类产品数量最多。 ② 控制系统类，主要包括GPIB控制器及其配 套软件或驱动器和测试系统生成平台，这一类是 所有组建GPIB自动测试系统所必需的产品。 ③ 测试软件开发平台类
②开关元件技术 单个开关元件主要有电磁机械继电器和固态 继电器两种。电磁机械继电器是靠电流通过电磁 线圈产生引力让两片金属接触，从而在物理上实 现开和关的；固态继电器则是利用半导体器件， 通过控制栅极和漏极间的电压让两者间的电阻达 到最小或最大，从而起到开关作用的模拟加法总 线：为相加总线，任何模块都能驱动或接收它的 信息，也可使各模块输出叠加，合成复杂的波形 信号。
高电平信号和低电平信号要尽可能地分开。 应该仔细检查包括电缆、连接器的引脚，甚至 开关模块内部连线在内的整个信号路径，所有 没有使用的线都要接地并布置在敏感信号路径 之间。 开关网络一般是电缆和连接器的总和。电 缆电容的大小随着其长度的增加而增大，因此 在满足维修和工作空间要求的前堤下，电缆应 尽可能短。也可以用无源补偿网络减小总的电 缆电容的大小，匹配的电缆长度要在实际中严 格测试。为减小噪声，高电平信号和低电平信 号不要公用电缆，不用的连接器要接地，电缆 屏蔽点要控制在自己的连接器引脚上。
二元梯（Binary Ladder）是一种常用的开关 组成形式，因为每个时刻只有一个元件被连接， 它保证了安全传输，并隔离了电容及所有无用信 号通道的反射，是高频应用时的良好选择。 全矩阵开关允许任何两点互连，是开关拓扑 中最灵活的一种。但是它也有一些较严重的缺点： 首先是信号整体的损耗，随着开关矩阵的增大， 电容、串扰反射和阻抗不匹配会显著增加，与多 路系统相比，带宽明显降低；第二是它需要更多 的继电器，这不仅增大了成本也增加了出错率； 第三是安全性，因为矩阵中每个点可与任意其他 点相连。
VXI总线接口软件包括资源管理器，交互式 VXI总线资源编辑程序，用于VXI总线编程的总线 接口程序综合库，用于与VXI总线交互作用及学习 的控制程序。 VXI总线接口软件还可用来控制多个VXI主机 的系统配置，这种配置利用了与VXI总线国际协议 主机扩充要求相一致的总线扩充器，如VXI-MXI和 VXI-MXI主机扩充器。 VXI总线的基础软件接口通过多种硬件平台和 操作系统实现标准化。这种标准化有利于将来的 发展。
近几年，随着计算机软件技术的不断发展， 一个新的概念在各行各业被提出，这就是“软件 的自动生成”。其基本思想是为用户提供一个 “毋需编程”的环境，用户藉此可以方便地开发 自己的应用。其目标就是为测试人员提供一个具 有良好的操作界面，包含仪器控制、数据分析与 处理、结果报告生成等一系列工具的集成化软件 开发环境。
3.GPIB自动测试系统软件构成 软件是实现自动测试的最终手段和直接体 现，是测试系统中最重要的环节。按作用层次， 自动测试系统软件构成可划分为计算机操作系 统、测试编程开发环境以及测试应用软件，如 图13.5.1所示。
但是，上述编制方式存在明显的不足： • 要求测试人员至少掌握一种测试语言及基 本的软件编制方法； • 要求测试人员对系统中涉及的各种接口标 准、通信规范有足够的了解和认识； • 由于测试仪器不断发展、更新，促使编程 人员不断熟悉浩繁的仪器手册、查阅千变万化的 程控代码； • 测试系统稍有变化，不得不全面修改原有 软件或编制新的应用程序，测试软件的开放性、 可重复性、可扩展性差。
2.GPIB控制器 (1) GPIB系统中的控制器仍然是一台微型计算机 或工作站，可以是专用的，也可以是通用的。其 主要特点是具有GPIB接口，并至少提供五种GPIB 接口功能，即控者（C）功能、听者（L）功能、 讲者（T）功能、源方挂钩（SH）功能、受方挂 钩（AH）功能。
2.典型的GPIB接口硬件电路
第13章 自动测试系统
13.1 GPIB的自动测试系统 1.GPIB系统的组成及工作原理 (1)GPIB自动测试系统的组成 GPIB是为分立式仪器及系统互连设计的一种 开放式通用计算机接口总线， GPIB接口是组建 自动测试系统的国际标准接口。所谓自动测试， 是指在计算机的管理下，由计算机执行预先编制 好的测试程序，对各种物理量进行自动测量、数 据采集，并对数据进行分析和处理，或者对原始 测量数据进行误差分析和校正，完成测量结果的 传输、存储、显示或输出打印等操作。
内嵌式控制机通过前面板上的GPIB插座对 外部仪器实现全面的GPIB控制，这种GPIB控制 与IEEE488.2完全兼容，这对于在工业上采用 可编程仪器的标准命令（SCPI）是十分重要的， 任何用IEEE488.2编写的软件都可在该内嵌式 控制机上运行。 软件方面，内嵌式控制机按结构包含基础 软件和系统软件两个层次。基础软件又有两种： 面向VXI总线的接口软件和面向GPIB仪器的 IEEE488.2 驱动软件，这两种基础软件都适用 于DOS和Windows环境。
③在开关网络设计中降低电子噪声 开关网络可能产生或放大噪声。噪声可能 是因为开关网络内部的驱动电路、开关间的温 度不平衡、或信号通道间的耦合而产生的，也 可能是由外部网络传入或耦合进来的。尽管所 有的系统都存在噪声，但对开关网络显得特别 严重，因为开关网络中信号高度集中，出错的 可能性更大。减小噪声的方法和措施是多种多 样的，接地和屏蔽是最主要的方式之一。
电磁机械开关在闭合时有电流流过金属接 点，而断开的瞬间会有小火花，长期开闭会磨 损金属触片。固态开关利用半导体原理让电流 在PN结上流动，它没有物理接触，因此寿命较 长。 在热漂移方面两种开关元件也有较大的差 别。电磁机械开关的两片金属一般很难具有完 全相同的金属特性，因此热电势较高。而固态 开关的开闭不靠金属接触，除了没有噪声外， 热电势也较小。对于测量温度的开关，选择固 态开关较好，因为开关元件的热电势越低，温 度测量越准确。
13.2 VXIbus仪器模块 1.VXI仪器模块 (1)GPIB-VXI转换器
2.内嵌式VXI总线控制机 典型的内嵌式控制机用现代封装技术将微型 计算机装入一个VXI模块中，具有台式PC的全部 功能，同时还包括处理VXI总线操作的接口门阵列 和定时接口控制器，以及用于GPIB控制的 IEEE488.1/ IEEE488.2的专门电路，从而构成一 个完整的自带硬盘、软驱的高性能计算机系统。 BIOS放在驻留的RAM中，更加快了程序的执行。 内嵌式计算机与VXI总线的接口是用64kb的 硬件窗口结合页寄存器来实现的，并可在一种VXI 总线地址空间（A16、A24、A32）之间进行切换。
由于这类测试软件自动生成环境基本上都是 通过用鼠标器连接图标的方式来实现测试应用程 序的，所以常被称为图形化编程软件、图形化编 程工具、可视化测试环境等。它们具有如下特点： ①良好的用户界面。 ②具有完善的数字分析、处理、图形显示、 结构报告等功能。 ③具备开放的仪器驱动软件库（IDS）。 ④有丰富的接口驱动软件。 ⑤一般采用以下两种方式生成测试软件： •代码生成方式。 •流程框图（Block Diagram）方式。
多数系统至少应该有三个独立的地。第 一是信号地，它又可进一步细分成低电平信 号地和数字信号地；第二是噪声性硬件（诸 如继电器、马达和大功率设备）的地；第三 是机壳地，交流地通常也接到该地上。
噪声屏蔽涉及电容性耦合和电感性耦合， 在导线周围增加一个附加的屏蔽装置可以有效 防止电容性耦合，如使用同轴电缆和连接器， 在印制板上设计微波条状线，以及使用特殊的 同轴继电器。减小环绕区域是防止电感性耦合 最有效的方法，对低于几千赫兹的信号，采用 双绞线方法就能获得良好的效果。对电磁信号 采用非屏蔽双绞线，对电磁敏感和电容敏感信 号则应采用屏蔽双绞线。
对频率低于1MHz或低电平信号，一般采 用单点接地。并行的单点接地结构更好但也更 复杂和更难布线；如采用串行的单点接地结构， 临界点应该放在主接地点附近。对频率超过 10MHz的信号采用多点接地系统，对1~10MHz 之间的信号，如果最长的地线返回路径小于波 长的1/20，则也可以采用单点接地系统。在上 述所有接地系统中，应保证尽量小的返回路径 阻抗和电感。
①开关的拓扑结构 单刀单掷开关（SPSD）和单刀双掷开关 （SPDT）是最基本的开关结构。它们既可以 单独使用，也可以构成复杂的开关网络。将多 个受同一信号控制的开关元件集成到一个开关 包构成多线开关，因为多个开关元件一同封装， 可降低因温度引起的线阻抗测量中的四线开关都属于这 种开关。多路器用来将多个信号送给一个器件， 多数情况下一次只有一个信号送到器件上，其 主要优点是信号通道中开关元件最少，成本低。
电磁机械开关由于开关和线圈是分开的， 因此比较容易抗静电泄放，而固态开关则相反， 因此在设计固态开关时一定要加金属氧化物电 阻来保护其免受静电破坏。 电磁机械开关在断开时完全没有电流通过， 不会有渗漏电流，而固态开关无法做到完全和 机械式断开一样，这是其主要缺点之一。但是 先进的固态开关可以做到只有数纳安（nA）渗 漏电流。固态开关的栅、源极（G、S）之间会 有一个较大的电容，电流大时会产生串扰。在 精确的高速自动测试中，消除串扰是很关键的， 固态开关在克服高频串扰方面比电磁机械开关 困难，尤其在1MHz以上工作更是如此。
GPIB自动测试系统通常由测试用计算机或带 有GPIB接口卡的通用计算机、程控测量装置、被 测物理对象和相应的接口系统等组成。 GPIB是一种位（bit）并行、字节（byte）串 行的接口系统，采用异步通信方式，最高数传速 率为1Mb/s。总线上最多允许连接15个器件（含 控制计算机），该限制是由总线驱动能力（最大 48mA驱动电流）决定的。数据通过总线电缆传 输路径的总长度规定不超过20m，每两个器件之 间电缆一般为2m。
自动测试系统一般包括用于测试的一台或多 台仪器、主控计算机和测试软件、测试夹具及系 统总线。系统总线就像是中枢神经系统，负责控 制指令和测试数据的传送。在自动测试领域，总 线技术经历了从GPIB、VXI、PXI，直至目前的 LXI这几个阶段。 LXI的出现以成熟的以太网技术为基础，是 在测试自动化领域中应用的拓展。其具体的设想 是将非常成熟的以太网技术用到自动测试系统中， 以替代传统的测试总线技术。 LXI为高效能的仪 器提供了一个自动测试系统的LAN模块式平台， 无论是相对GPIB、VXI还是PXI 、LXI都将是未来 总线技术的发展趋势。