电子测量仪器-智能仪器与自动测试系统

电子测量仪器 第 8章 智能仪器与自动测试系统 智能仪器 智能仪器的发展概况 智能仪器的组成和特点 智能仪器的主要电路 自动测试系统 自动测试系统的发展概况 自动测试系统的组成 自动测试系统总线 本章小结 本章实训：集成温度传感器的特性 第 8章 智能仪器与自动测试系统 本章要点 : 智能仪器与自动测试系统的发展概况 智能仪器与自动测试系统的组成特点 智能仪器的主要电路 自动测试系统总线 本章难点 : 智能仪器的主要电路与自动测试系统总线 第 8章 智能仪器与自动测试系统 能仪器的发展概况 智能仪器 仪器仪表的电子器件经历了真空管、晶体管、集成电路三个时代，仪器仪表从原理功 能看经历了模拟式、数字式、智能化三个发展阶段，智能仪器是第三代，是在数字化基础上发展起来的、具有一定的人工智能的测量仪器，内嵌入有微处理器和 用接口总线。可单独使用，也可通过 智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中 得到了广泛的应用。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 1）微型化 微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中，从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。它能够完成信号的采集、线性化处理，数字信号处理，控制信号的输出、放大，与其他仪器的接口，与人的交互等功能。 （ 2） 多功能化 （ 3）人工智能化 第 8章 智能仪器与自动测试系统 人工智能是计算机应用的一个崭新领域，利用计算机模拟人的智能，用于机器人、医疗诊断、专家系统、推理证明等各方面。智能仪器的进一步发展将含有一定的人工智能，即代替人的一部分脑力劳动，从而在视觉（图形及色彩辨读）、听觉（语音识别及语言领悟）和思维（推理、判断、学习与联想）等方面具有一定的能力。 （ 4） 融合 实现仪器仪表系统的 网络化 ） 第 8章 智能仪器与自动测试系统 伴随着网络技术的飞速发展 ， 实现智能仪器仪表系统基于 功能重置和系统维护 。 系统编程技术 （ 简称 是对软件进行修改 、 组态或重组的一种最新技术 。 它是一种使我们在产品设计 、 制造过程中的每个环节 ， 甚至在产品卖给最终用户以后 ， 具有对其器件 、 电路板或整个电子系统的逻辑和功能随时进行组态或重组能力的最新技术 。 制造与编程 。 编程 只要通过 嵌入式系统处理器甚至 第 8章 智能仪器与自动测试系统 开发 。 由于 在印刷电路板（ 上处理 ， 因此编程 只要通过 嵌入式系统处理器甚至 利用该技术 ， 能够将 8位和 16位单片机系统接入 实现基于 智能控制 、 上传下载数据文件等功能 。 目 前 世 界 上 有 些 公 司 均 提 供 基 于 固件 （ 和硬件产品 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 5） 虚拟仪器是智能仪器发展的新阶段 测量仪器的主要功能都是由数据采集、数据分析和数据显示三大部分组成的。在虚拟现实系统中，数据分析和显示完全用 此，只要额外提供一定的数据采集硬件，就可以与 种基于 虚拟仪器中，使用同一个硬件系统，只要应用不同的软件编程，就可得到功能完全不同的测量仪器。可见，软件系统是虚拟仪器的核心， “ 软件就是仪器 ” 。 传统的智能仪器主要在仪器技术中用了某种计算机技术 ， 而虚拟仪器则强调在通用的计算机技术中吸收仪器技术 。 作为虚拟仪器核心的软件系统具有通用性 、 通俗性 、 可视性 、 可扩展性和升级性 ， 能为用户带来极大的利益 ， 因此 ， 具有传统的智能仪器所无法比拟的应用前景和市场 。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 智能仪器是由硬件和软件两大部分组成的 。 硬件部分的 基本组成如图 能仪器的组成和特点 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 1） 微机系统 微机系统主要包括 存放监控程序和应用程序及各类数据的程序存储器和数据存储器以及接口电路 ， 主要起测量过程控制和数据处理的作用 。 （ 2） 输入通道 输入通道是微机系统与采集对象相连接部分，是决定智能仪器测量准确度的关键部位，各类测量信号先由相应的传感器或变换装置变换成电信号，这些信号不能满足微机系统输入的要求，需要形式多样的信号变换和调节电路如：信号放大器、滤波器、多路转换器、采样 /保持器、 A/态缓冲器等，这些电路构成智能仪器的输入通道。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 - （ 3） 输出通道 根据输出控制要求的不同 ， 输出通道电路是多种多样 ， 有 D/ 放大隔离电路等 ， 其输出信号有模拟量信号和数字量信号 。 （ 4） 人机对话通道 智能仪器中的人机对话通道是用户为了对智能仪器进行干预及了解智能仪器运行状态所设置的通道。人机对话通道所配置的设备主要有：键盘、显示器和打印机等。 （ 5）通信接口 通信接口起着沟通智能仪器与外部系统联系的作用 ， 必须符合通信总线规定的标准 。 通常采用 具有远距离数据通信功能 ， 便于组成测控网络 。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 智能仪器的软件部分包括监控程序和接口管理程序两部分 。 监控程序是面向仪器面板键盘和显示器的管理程序 ， 其内容包括：通过键盘输入命令和数据 ， 以对仪器的功能 、 操作方式与工作参数进行设置；根据仪器设置的功能和工作方式 ， 控制I/照仪器设置的参数 ， 对采集数据进行相关 处理；以数字 、 字符等形式显示测量结果 、 数据处理结果及仪器的状态信息 。 接口管理程序是面向通信接口的管理程序 ， 其内容是接收并分析来自通信接口总线的远控命令 ， 包括描述功能 、 操作方式与工作参数的代码 ， 进行有关的数据采集与数据处理；通过通信接口送出仪器的测量结果 、 数据处理结果及仪器的现行工作状态信息 。 限幅 利用二极管正向导通后其两端电压很小且基本不变的特性，可以构成各种限幅电路，使输出电压幅度限制在某一电压值内。 图 1限制输出电压正半周幅度的限幅电路 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 1） 采集信息：借助于传感器和变送器 ， 按处理器的要求采集电量和非电量 。 （ 2） 与外界对话：使用智能接口进行人机对话及外部仪器设备对话 ， 接入自动测试系统 ， 甚至接入 另一方面 ， 使用者借助面板上的键盘和显示屏 ， 可用对话方式选择测量功能 、设置参数 。 当然 ， 通过显示屏等也可获得测量结果 。 （ 3） 记忆信息：智能仪器的存储器既用来存储测量程序 、 相关的数学模型以及操作人 员输入的信息 ， 又用来存储以前和现在测得的各种数据 。 （ 4） 处理信息：按设置的程序对测得的数据进行算术运算 ， 求均值 、 对数 、 方差 、 标准偏差等数学运算 求解代数方程 ，进行比较 、 判断 、 推理等 。 （ 5） 控制：以分析 、 比较和推理的结果输出相应的控制信息 。 限幅 图 1双向限幅电路 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 6） 自检自诊断：自检 （ 自测试 ） 程序对仪器自身各部分进行检测 ， 验证能否正常工作 。 若工作正常 ， 则显示通过信息或发出相应声音；否则 ， 运行自诊断程序 ， 进一步检查仪器的哪一部分出了故障 ， 并显示相应的信息 。 若仪器中考虑了替换方案 ，则经内部协调和重组还可以自动修复 。 （ 7） 自补偿自适应：智能仪器能适应外界的变化 。 比如 ， 能自动补偿环境温度 、 压力等对被测量值的影响 ， 能补偿输入的非线性 ， 并根据外部负载的变化自动输出与其匹配的信号等 。 （ 8） 自校准学习：智能仪器常常通过自校准 （ 校准零点 、 增益等 ）来保证自身的准确度 。 不仅如此 ， 它们还能通过自学习学会处理更多更复杂的测控程序 。 特殊二极管 稳压二极管 1. 电路符号与伏安特性 稳压二极管是利用二极管反向击穿的特性制成的，专门作为稳定电压用的面接触型硅二极管。它的外形与内部结构也和普通二极管相似，对外具有两个电极 。图 1 图 1稳压管符号 第 8章 智能仪器与自动测试系统 能仪器的主要电路 智能仪器是基于微处理器的仪表或测试装置 ， 数据采集 、 各种接口的构成与技术是整个系统的基础 ， 在智能仪器的检测过程中 ,测量电路或敏感元件的输出信号 ,都已转换成为直流电压或电流信号 ,如各种电桥的输出信号 ,一般都是比较小的 ,不能直接用来显示 、 记录 、 控制或进行 A/ 为此 ,当非电量 （ 或电量 ）转换或通过电桥进行检测后 ,往往需要用放大器进行放大 ,以使微弱的信号放大到与 A/ 一般 ， 只有在最简单情况下才可将传感器输出的模拟信号直接连至数据采集系统 ， 实际应用中 ,智能仪器的安装环境和输出特征是各种各样的 ,也是复杂的 ,所以 , 智能仪器的放大电路是直接取决于应用场合与系统要求的 。 智能仪器的放大电路主要是通用运算放大器 、 仪器放大器 、 隔离放大器及可编程放大器 ， 稳压二极管 稳压二极管的伏安特性如图 1的伏安特性与普通二极管相似，略有差异的是它的反向特性。它的反向特性比普通二极管更加陡直，这正是它用来稳压的依据 所在。 图 1稳压管伏安特性 第 8章 智能仪器与自动测试系统 具体选择何种放大器依情况不同而异 ， 总的要求是：高输入阻抗 ，反应时间快；高抗共模干扰能力；低漂移 、 低噪声及低输出阻抗 。 一个理想的运算放大器具有如下性质： 开环增益无穷大 。 输入阻抗无穷大 。 输出阻抗等于 0。 带宽无穷大 。 干扰噪声等于 0。 由稳压管的伏安特性可见，当反向电压小于击穿电压时，反向电流很小；当反向电压增加到等于击穿电压 向电流急剧增加。由 图 1向电压只要略有增加，反向电流就有很大增加，这也是说，当反向电流在很大范围内变化时，反向电压变化不大。稳压管正是利用这一点来稳压的 。图 1压 稳压二极管 第 8章 智能仪器与自动测试系统 当然 ， 实际的集成电路运算放大器不可能有这样理想的性质 。但是 ， 如果把理想特性中的 “ 无穷大 ” 当作 “ 很高 、 很高 ” ，把 “ 0” 看作 “ 很低 、 很低 ” ， 就与实际的运算放大器很接近了 。例如 ， 实际运算放大器的开环增益可达 10 100倍 ， 因此 ， 可以当成 “ 无穷大 ” 来处理 。 由此可见 ， 具有高增益的运算放大器加上负反馈构成的线性电路 ，其闭环增益和传输特性以及它的输入 、 输出阻抗基本上取决于外部的反馈元件 。 因此 ， 使用运算放大器进行线性信号的处理是非常方便的 。 常用运算放大器构成反相放大电路和同相放大电路 ， 如图 稳压二极管 图 1稳压管稳压电路 稳压过程 第 8章 智能仪器与自动测试系统 图中 阻值随温度的增加而减小 ， 防止下一级电路对分压器电路的影响 ， 2进行变换和定标 ， 稳压二极管 (1) 稳定电压 2) 稳定电流 3) 最大稳定电流 4) 动态电阻 (5) 温度系数 (6) 最大允许耗散功率 . 主要参数 第 8章 智能仪器与自动测试系统 通用运算放大器对微弱信号的放大 ， 仅适用于信号回路不受干扰等较为理想的情况 ， 而实用传感器的工作环境往往是比较复杂和恶劣的 ， 在传感器的两条输出线上经常产生较大的干扰信号 （ 噪声 ） ， 有时是完全相同的共模干扰 ， 通用运算放大器对共模干扰信号不能起很好的抑制作用 ， 故不能在精密场合下运用 。 通用测量放大器 ， 广泛用于传感器的信号放大 ， 特别是微弱信号及具有较大共模干扰的场合 。 通用测量放大器除了对低频信号进行线性放大外 ， 还担负着阻抗匹配和抗共模干扰的任务 ，它具有：高共模抑制比；高速度；宽频带；高精度；高稳定性；高输入阻抗；低输出阻抗；低噪声 。 通用测量放大器基本电路如图 3 V 0 . 7 2 0 VU= 1 k R【 例 1在图 1知稳压二极管的 ，已知 ， 时 ,求 压二极管的正向导通压降 。当 图 1稳压电路 解 当 I = + 2 0 反向击穿稳压 Z = 6 . 3 0 . 7 + 7 同理， I = 2 0 O = 7 第 8章 智能仪器与自动测试系统 发光二极管 发光二极管简称 是一种将电能转换为光能的半导体器件。 发光二极管的符号如图 1光二极管常用于作为显示器件，可单个使用，也可作成 7段式或矩阵式，工作时加正向电压，并接入相应的限流电阻，工作电流一般为几毫安到几十毫安，正向导通时的管压降为 +图 1发光二极管符号 第 8章 智能仪器与自动测试系统 通用测量放大器由 有两级串联 ， 前级由差动输入 /输出 由于信号直接加到 故具有较高的共模抑制能力和高输入阻抗 。 其后级 它不仅切断了共模干扰的传输 ， 还将双端输入方式变成单端输出 ， 适应对地负载的需要 。 可调电阻 过 ,于是 图 光敏二极管 光敏二极管又称为光电二极管，它是将光能转换为电能的半导体器件。 其结构与普通二极管相似，只是在管壳上留有一个能使光线照入的窗口。其符号如图 1。 图 1光敏二极管符号 图 1光敏二极管的特性曲线 第 8章 智能仪器与自动测试系统 靠近组件 ， 是用于调节放大器的外接电阻 。 目前国内外已有不少厂家生产此类放大器的单芯片集成块 ， 如美国 国产的 由于各类传感器往往提供宽范围变化的信号电平 （ 从 ） ，测量放大器必须随着数据采集通道的切换 ， 迅速调整增益 。 可编程测量放大器是通用性很强的放大器 ， 特点是硬件设备少 ， 其增益可根据需要通过编程进行控制 。 可编程测量放大器基本电路如图 变容二极管 用于自动频率控制 (调谐用的小功率二极管称变容二极管。变容二极管符号如图 1过施加反向电压， 使其 此，常用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。 图 1变容二极管符号 第 8章 智能仪器与自动测试系统 隧道二极管 隧道二极管是因为用含有大量杂质的本征半导体制作产生极薄的耗尽层，若加正向偏压，则在达到扩散电位之前，由于隧道效应而发生电流流动。若接近扩散电位，则为通常的二极管特性，所以如图 1正向电压低的范围，显示出负的电阻。 图 1隧道二极管的电压电流特性 隧道二极管的优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。一般应用于某些开关电路或高频振荡等电路中。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 图 图 益开关是成对动作的，即每一时刻仅有一对开关 接通，当改变数字量的输入编码，则可改变接通的开关号，选择不同的反馈电阻，达到改变放大器增益的目的。采用运算放大器和多路开关的组合方式可以构成实用的程控放大器。 隔离放大器是隔离来自于地回路、静电耦合及电磁耦合的干扰和噪声，并对信号进行放大的电路。系统中的隔离，对于数字量广泛采用光电耦合器，对于模拟量，尤其是微弱信号的隔离问题，必须滤去高频干扰，合理处理接地，将放大器加上静电和电磁屏蔽并浮置起来，再采用磁耦合，从而实现隔离放大。 肖特基二极管 肖特基二极管 (利用金属与半导体接触形成金属 金属材料采用金、钼、镍、钛等材料，其半导体材料采用硅或砷化镓，多为 它是高频和快速开关的理想器件，其工作频率可达100 常用的肖特基二极管有 第 8章 智能仪器与自动测试系统 隔离放大器的输入 、 输出电路与电源没有直接的电路耦合 。 目前出现的许多专用的隔离放大器 ， 一般以专用模块形式出现 ， 常见的隔离放大器有四个基本组成部分：输入部分包括输入运算放大器和调制器；输出部分包括解调器和输出运算放大器；信号耦合变压器；隔离电源 。 这四个部分组装在一起构成模块结构 。 隔离放大器一般以精密装配的超小型变压器为核心 。 隔离放大器既可用于模拟信号的输入通道 ， 也可用于模拟信号的输出通道以便使计算机和被控对象实现隔离 。 片式二极管 片式二极管的外型如图 1壳一般为黑色，内部为 据外型可分为圆柱形片式二极管 (见图 1a)和矩形片式二极管 (见图 1b)，它们都没有引线，其两个端面就为正、负极。其中标有白色竖条的一端为负极，另一端则为正极。 图 1片式二极管的外形 第 8章 智能仪器与自动测试系统 自动测试系统指采用计算机控制，能自动完成激励、测量数据并显示或输出测试结果的一类系统的统称。这类系统通常在标准的测控系统或仪器总线（ 基础上组建而形成的，具有高速度、高精度、多功能、多参数和宽测量范围等许多特点。本节主要介绍自动测试系统的发展概况、组成和总线。 快恢复二极管 1. 快恢复二极管的特点 快恢复二极管的结构与普通二极管不同，它不是一个单一的 是在 型硅材料中间增加了一个基区 I，构成 种结构的二极管，由于基区很薄、反向恢复电荷很少、故使该种二极管的反向恢复时间大为减少，其值一般为几百纳米以下。同时使它的正向压降较低，而使反向峰值电压得到提高，其值可达几千伏。 快恢复二极管 (优点是反向恢复时间短、开关特性好、体积小。广泛用于脉宽调制器、不间断电源、开关电源、变频调速器等电路中，作为高频大电流整流、续流二极管应用。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 自动测试系统的发展概况 自动测试系统的研制源于 20世纪 50年代中期美国的军事需要 ， 其发展经历了专用型向通用型发展的过程 ， 近年来 ， 则着眼于建立整个自动测试系统体系结构 ， 同时注重 以及人工智能在自动测试系统中的应用 。 目前 ， 大体上可分为三个阶段 。 第一代自动测试系统是针对具体测试任务而研制的 ， 多为专用型 。 主要用于以下场合 。 （ 1） 工作量大的重复性测试 。 （ 2） 快速测试 。 自动测试系统 快恢复二极管的内部结构和外形如图 1内部结构可分为单管和对管两种，在对管内部有两只快恢复二极管，由于这两只管子的接法不同，又可分为共阴对管和共阳对管。 图 1快恢复二极管的内部结构和外形 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 3） 高可靠性测试 。 （ 4） 恶劣环境测试 。 各式各样针对特定测试对象的智能检测仪就是其中的典型例子，目前仍在应用。近十多年来，随着计算机技术的发展，特别是随着单片机与嵌入式系统应用技术以及能支持第一代自动测试系统快速组成的计算机总线（如 术的飞速发展，这类自动测试系统已具有新的测试思路，研制策略和技术支持。第一代自动测试系统是从人工测试向自动测试迈出的第一步，是本质上的进步，它在测试功能、性能、测试速度和效率，以及使用方便等方面明显优于人工测试，使用这类系统能够完成一些人工测试无法完成的任务。 2. 快恢复二极管的检测 将万用表置于 R 1快恢复二极管的正、反电阻值，正向电阻值一般为几欧姆，反向电阻值为 ，如果测得的阻值为或 0，则表明被测管损坏。对管的检测方法与上述方法基本相同，但必须首先确定其共用端是哪个引脚，然后再用上述方法对各个二极管进行检测。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 第一代自动测试系统的缺点突出表现在接口及标准化方面。在组建这类系统时，设计者要自行解决系统中仪器与仪器，仪器与计算机之间的接口问题。当系统比较复杂时，研制工作量很大，组建系统的时间增长，研制费用增加。而且，由于这类系统是针对特定的被测对象而研制的，系统的适应性不强，改变测试内容往往需要重新设计电路，根本的原因是其接口不具备通用性。由于在这类系统的研制过程中，接口设计、仪器 /设备选择等方面的工作都是由系统的研制者各自单独进行的，系统设计者并未充分考虑所选仪器 /设备的复用性、通用性和互换性问题，由此带来的问题是： 3. 快恢复二极管的选用与使用 快恢复二极管广泛应用于不间断电源、开关电源、交流电动机的变频调速器、脉宽调制器等电路中，作高频、高压、大电流整流、续流二极管用。具体选用时应根据具体电路的要求，选择合适参数的管子。 在选用时如果单管的参数不能满足要求而对管能满足要求时，则可把对管当作单管使用。在使用对管中如有一只管子损坏，则可作单管使用。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 1） 若复杂的被测对象 （ 如一架飞机 ） 的所有功能 、 性能测试全部采用专用型自动测试系统 ， 则所需要的自动测试系统数目巨大 ， 费用十分高昂 。 更为严重的是 ， 这会使该被测对象的保障设备的机动能力降低 。 （ 2）由于这类专用系统中，仪器 /设备的可复用性差，一旦其被测对象退役，为其服务的一大批专用自动测试系统也随之报废，测试设备方面的浪费是惊人的。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 第二代自动测试系统结构为台式仪器积木型 ， 是在标准的接口总线 （ 的基础上 ， 以积木方式组建的系统 。 系统中的各个设备 （ 计算机 、 可程控仪器 、 可程控开关等 ） 均为台式设备 ，每台设备都配有符合接口标准的接口电路 。 组装系统时 ,用标准的接口总线电缆将系统所含的各台设备连在一起构成系统来用 , 系统的各台设备也可作为独立的仪器使用 。 应用一些基本的通用智能仪器可以在不同时期 ,针对不同的要求 ,灵活地组建不同的自动测试系统 。 目前 ,组建这类自动测试系统普遍采用的接口总线为可程控仪器的通用接口总线 ,在美国也称此总线为 在欧洲 、 日本常称之为 25。 在我国 ， 人们常称之为 88， 并已公布了相应的国家标准（ 。 采用 第 8章 智能仪器与自动测试系统 学研究或武器装备研制等过程中的各个实验 、 验证测试 ， 已广泛应用于工业 、 交通 、 通信 、 航空航天 、 核设备研制等多种领域 。 基于 （ 1） 总线的传输速率不够高 （ 最大传输速率为 1MB/s） ， 很难以此总线为基础组建高速 、 大数据吞吐量的自动测试系统 。 （ 2） 由于这类系统是由一些独立的台式仪器用 系统中的每台仪器都有自己的机箱 、 电源 、 显示面板、 控制开关等 ， 从系统角度看 ， 这些机箱 、 电源 、 显示面板 、 开关大部分都是重复配置的 ， 它阻碍了系统的体积 、 重量的进一步降低 ， 这说明 ， 以 按积木方式难以组建体积小、 重量轻的自动测试系统 。 对于某些应用场合 ， 特别是对体积 、重量方面的要求很高的军事领域 ， 已不能适应 。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 第三代自动测试系统是基于 要由模块化的仪器 /设备所组成的自动测试系统。 线是 算机总线向仪器 /测试领域的扩展，具有高达 40MB/线是 线（其中的 仪器 /测量领域的扩展，其数据传输速率约为 132MB/s 264MB/s。以这两种总线为基础，可组建高速、大数据吞吐量的自动测试系统。在 线机箱中，仪器的显示面板及操作，用统一的计算机显示屏以软面板（ 形式来实现，从而避免了系统中各仪器在机箱、电源、面板、开关 等方面的重复配置，大大降低了整个系统的体积、重量，并能在一定程度上节约成本。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 基于 模块化仪器 /设备组成的自动测试系统具有数据传输速率高、数据吞吐量大、体积小、重量轻，系统组建灵活，扩展容易，资源复用性好，标准化程度高等众多优点，是当前先进的自动测试系统，特别是军用自动测试系统的主流组建方案。在组建这类系统中， 其软件标准，一些以货架产品（ 式提供的虚拟仪器开发环境（ 研制测试软件可采用的基本软件开发工具。目前，尚有一部分仪器不能以 线模块的形式提供，因此，在以 可以用 活连接所用的 第 8章 智能仪器与自动测试系统 自动测试系统的组成 自动测试系统 （ 一般由三大部分组成 。 即：自动测试设备 （、 测试程序集 （ 和 自动测试设备 （ 是指用来完成测试任务的全部硬件和相应的操作软件 。 由五部分组成 。 （ 1） 测试控制器 。 测试控制器是自动测试系统的核心 ， 根据测试任务的需要 ， 测试控制器可选用通用微型 /小型计算机 、 高性能工作站或专用计算机 ， 同时配备必要的磁盘驱动器 、 键盘 、 打印机等外部设备测试软件在测试控制器上运行 ， 实现对测试过程的控制 。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 2） 操作系统软件 。 操作系统软件要和测试控制器相对应并支持测试控制器的工作 。 （ 3） 测试仪器资源 。 测试仪器资源包括：信号检测资源 、 激励资源 、 电源系统和模拟负载 。 信号检测资源由各种程控测试测量仪器组成 ， 用于采集各种测试信号 ， 如万用表 、 频率计 、 示波器 、 频谱分析仪等 。 激励资源为被测单元工作提供必要的测试激励信号 ， 如函数发生器 、 D/ 电源系统为被测单元工作提供各种交 /直流电源 。 随着被测单元中广泛采用高速数字电路 ， 由多路可编程高速数字 I/ 模拟负载的作用是模拟被测单元实际的运行环境并为被测单元提供相应的负载效应 。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 4）开关系统。开关系统在自动测试系统中实现被测单元接口和测试资源间的连接与通道切换。借助开关系统，自动测试系统设计者可以充分利用有限的测试资源满足被测单元测试信号完备性需求，降低整个测试系统的成本。目前可选的程控开关种类繁多，可以适用于从直流信号、交流信号到射频信号，甚至光信号的通道路由需要。测试仪器通过开关系统的连接，可以方便地实现自动测试设备（ 测功能。经过开关系统级联，还能够实现测试系统的扩展和重新配置。 （ 5）信号接口装置。由于被测设备的输入 /输出接口类型和信号定义各式各样，要实现自动测试设备与被测单元间的规范、快速物理连接，必须经过信号接口装置。接口装置包括： 与被测单元配套的测试夹具（ 如测试接口适配器、被测单元连接固定装置及各种测试电缆等。由 第 8章 智能仪器与自动测试系统 于每个被测对象 有着不用的连接要求和输入端口 ， 因此 称为接口适配器 ， 它完成 可靠的连接 ， 并且为 。 测试程序集 （ 是与被测对象及其测试要求密切相关的 。 典型的测试程序集由两部分组成 ， 即： （ 1） 测试程序软件 。 （ 2） 被测对象测试所需的各种文件 。 测试软件通常用标准测试语言如 对有些 其测试软件是直接用通用计算机语言如 C， 控制 测量仪器 、 电源及开关组件等 ， 将激励信号加到需要加入的地方 ， 并且在合适的点测量被测对象的相应信号 ， 然后再由测试软件来分析测量结果并 第 8章 智能仪器与自动测试系统 确定可能是故障的事件 ， 进而提示维修人员剔掉或更换某一个或几个部件 。 测试程序集软件开发工具指开发测试软件要求一系列的工具统称 ， 有时也被称为 它可包括： （ 1） （ 2） （ 3） 编程工具 ， 如各种编译器等 。 不同的自动测试系统所能提供的测试程序集软件开发工具有所不同 。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 性能良好的自动测试系统具有高速度 、 高精度 、 多功能 、 多参数和宽测量范围等许多特点 ， 目前由于受到各行业强有力的需求牵引 ， 近十多年来自动测试系统和自动测试设备技术发展十分迅速 。 总的说来 ， 自动测试系统主要应用于如下场合 。 （ 1） 高速 、 高效率的功能 、 性能测试 。 对于那些大批量生产并且测试项目多而且复杂的电子产品 （ 如大规模集成电路 、 大批量生产的印制电路板或电路组件等 ） ， 以往的人工手动检测已经不能适应 ， 必须采用相应的自动测试系统 。 （ 2） 快速检测 、 诊断 /维护 ， 提高装备的机动性 。 现代飞机 、导弹 、 武器系统等都是十分复杂的系统 。 飞机在飞行前和飞行后， 导弹 、 鱼雷等武器在发射前 ， 都需要快速检测与诊断 ， 遇有故障则迅速定位与排除 。 为达到此目的 ， 没有先进的自动测试系统支持是根本不行的 。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 3） 高档复杂设备的综合检测及过程监视 。 现代飞机 ， 甚至它的子系统都是十分复杂的系统 ， 在飞机设计过程中 ， 需要用一些自动测试系统来支持设计验证；在飞机生产 /装配过程中 ， 自动测试系统用来对并行作业的各个子系统的生产 /装配过程进行测试和监视 ， 实施协调和管理 。 军用高档设备研制过程中 ， 环境试验是一项困难 、 费时 、 费力的任务 ， 其主要目的是分辨或替代那些不能承受恶劣环境条件的部件 。 由于处在环境试验中的被测对象复杂而贵重 ， 测试项目多 ， 而且要求在给定的很短时间内完成 ，这类测试任务也必须采用相应的自动测试系统才能完成 。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 总线是一组信号线的集合 ， 一个自动测试系统中控制器与仪器模块之间 、 各个测试仪器模块间 、 系统与系统之间等都存在总线 ， 总线是一种系统中各功能部件之间进行信息传输的公共通道 ， 总线技术是自动测试系统的核心 。 一个测试总线要成为一种标准总线 ， 使不同厂商生产的仪器器件都能挂在这条总线上 ， 可互换与组合 ， 并能维持正常的工作 ， 就要对这种总线进行周密的设计和严格的规定 ， 也就是制定详细的总线规范 。各生产厂商只要按照总线规范去设计和生产自己的产品 ， 就能挂在这样的标准总线上运行 ， 这既方便了厂家生产 ， 也为用户组装自己的自动测试系统带来灵活性和便利性 。 无论哪种标准总线规范 ， 一般都应包括以下三方面的内容 : 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 1） 机械结构规范 规定总线扩展槽的各种尺寸 ， 规定模块插卡的各种尺寸和边沿连接器的规格及位置 。 （ 2） 电气规范 规定信号的高低电平 、 信号动态转换时间 、 负载能力及最大额定值等 。 （ 3） 功能结构规范 规定总线上每条信号的名称和功能、相互作用的协议及其功能结构，是总线的核心。通常以时序和状态来描述信息交换、流向和管理规则。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 总线功能结构规范包括： 数据线 、 地址线 、 读 /写控制逻辑线 、 模块识别线 、 时钟同步线 、 触发线和电源 /地线等 。 中断机制 ， 其关键参数是中断线数量 、 直接中断能力 、 中断类型等 。 总线主控仲裁 。 应用逻辑 ， 如挂钩联络线 、 复位 、 自启动 、 状态维护等 。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 自动测试系统 总线的主要功能是完成模块间或系统间的通信 。 因此 ， 总线能否保证其间的通信顺畅是衡量总线性能的关键因素 。 总线的一个信息传输过程可分为：请求总线 、 总线裁决 、 寻址目的地址 、 信息传送 、 错误检测几个阶段 。 不同总线在各阶段所采用的处理方法各异 。 其中 ， 信息传送是影响总线通信顺畅的关键因素 。 总线的主要功能指标如下 : （ 1） 总线宽度 总线宽度主要是指数据总线的宽度，以位数（ 单位。如 16位总线、 32位总线，指的是总线具有 16位数据和 32位数据的传送能力。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 2） 寻址能力 寻址能力主要是指地址总线的位数及所能直接寻址的存储器空间的大小 。 一般来说 ， 地址线位数越多 ， 所能寻址的地址空间越大 。（ 3） 总线频率总线周期是微处理器完成一步完整操作的最小时间单位 。 总线频率就是总线周期的倒数 ， 它是总线工作速度的一个重要参数 。 工作频率越高 ， 传输速度越快 。 通常用 （ 4） 传输率 总线传输率是指在某种数据传输方式下 ， 总线所能达到的数据传输速率 ， 即每秒传送字节数 ， 单位为 MB/s， 总线传输率 Q W F/N 式中 ， 以字节为单位； 以 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 5） 总线的定时协议 在总线上进行信息传送 ， 必须遵守定时规则 ， 以使源与目的同步。 定时协议主要有以下几种 。 同步总线定时 信息传送由公共时钟控制 ， 公共时钟连接到所有模块 ， 所有操作都是在公共时钟的固定时间发生 ， 不依赖于源或目的 。 异步总线定时 异步总线定时是指一个信号出现在总线上的时刻取决于前一个信号的出现 ， 即信号的改变是顺序发生的 ， 且每一操作由源或目的的特定跳变所确定 。 半同步总线定时 半同步总线定时是前两种总线挂钩方式的混合 。 它在操作之间的时间间隔可以变化 ， 但仅能为公共时钟周期的整数倍 。 半同步总线具有同步总线的速度以及异步总线的通用性 。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 （ 6） 负载能力 负载能力是指总线上所有能挂连的器件个数 。 由于总线上只有扩展槽能提供给用户使用 ， 故负载能力一般是指总线上的扩展槽个数 ， 即可以连到总线上的扩展电路板的个数 。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 我们根据每种测试总线在一个 可把它归纳成三种类型的总线 ， 即控制总线 、 系统总线和通信接口总线 。 控制总线是一种流行的微型计算机总线 ,由微处理器 （ 主总线 （ 和数据传输总线 （ 所组成 ,目前 ， 在测试总线中常见的控制总线有 和 总线 。 第 8章 智能仪器与自动测试系统 系统总线又称内总线 。 这是指模块式仪器机箱内的底板总线 ，用来实现系统机箱中各个功能模块之间的互联 ， 并构成一个自动化测试系统 。 系统总线包括计算机局部总线 、 触发总线 、 时钟和同步总线 、 仪器模块公用总线 、 模块识别总线和模块间的接地总线 。 选择一个标准化的系统总线 ， 并通过适当地选择各种仪器模块来组建一个符合要求的自动化测试系统 ， 可使得开放型互联模块式仪器在机械 、 电子 、功能上兼容 ， 以保证各种命令和测试数据在测试系统中准确无误地传递 。 目前 ， 较普遍采用的标准化系统总线有 第 8章 智能仪器与自动测试系统 通信接口总线又称为外总线 。 它用于系统控制计算机与挂在系统内总线上的模块仪器卡之间 ， 或系统控制器与台式仪器间的通信通道 。 外总线的数据传输方式可以是并行的 （ 如 ， 或是串行的 （ 如 。 并行接口总线采用相同的数据传输方式 ， 有多条数据线 、 地址线和控制线 ， 因此传输速度快 ， 但并行总线的长度不能过长 ， 这就要求采用并行外总线的系统必须与控制器相连 ;串行接口总线采用数据串行传输方式 ， 数据按位的顺序依次传输 ， 因此数据总线的线数较少 ， 仅有 2 4线 ， 总线的地址和控制功能多是通过通信协议软件来实现的 。 串行外总线