课件1绪论自动测试系统

1第八章微机化仪器与自动测试系统

随着科学技术的发展测量任务越来越复杂，工作量加大，对测量的要求越来越高，这就对测量仪器和测量精确度要求更高。由计算机的发展，它的记忆、存储、运算等功能，给发展微机化仪器和自动测试系统提供了可能。微机化仪器主要有两种类型：智能仪器、个人仪器。智能仪器:对于这类仪器的定义一直很不明确，只是为了和现有仪器和之相区别，因此把带有微计算机的并能够进行程控的仪器称为智能仪器，如微机化数字示波器，微机化数字电压表等。个人仪器：由于智能仪器里每台仪器都要有一套微机系统，且每台仪器独立工作，因此造成了微机资源的浪费和成本的提高，并且不能充分发挥计算机的高速及运算能力。因此提出了把仪器的功能和个人计算机紧密结合的设想，即把实现仪器功能的硬件以插件的形式，通过计算机的总线扩展槽，直接与个人计算机的内部总线相连接。2个人仪器的组成：三种组成形式，代表发展的三个阶段31、第一阶段：仪器的硬插件直接插在个人计算机的扩展槽内，虽然简单方便，但难于满足重载仪器的散热和电源要求，功能受限。2、第二阶段：这类仪器采用PC总线扩展底板或外部插件箱，可插若干插件，并可单独为扩展部分供电，从而不但满足电源要求，同时避开计算机的噪声环境，亦可在插件箱上配置GPIB接口，以便和其它仪器连接，完成更多的测试功能。3、第三阶段：为86年以后出现的个人仪器，它采用专门用于个人仪器的专用接口母线，它将是个人仪器的发展趋势。例如美国HP公司为包括IBMPC在内的多种个人计算机研制的两种接口板，分别适用于不同类型的计算机。当一个接口板插入微机总线扩展槽后，可通过专用的PCIB母线与八个PC仪器组件相连。各组件之间相互隔离，仪器部分又单独供电，既减少了噪声干扰，且提高了仪器性能。PCIB母线由两个相互独立的通道，并行通道适用于不需隔离的高速仪器；串行通道采用光电隔离，适用于需隔离的仪器，它能够适应不同的要求。4二、个人仪器的特点：

1、经济效益高：个人仪器中的各种测试功能都是以个人计算机和个人仪器插件配合完成，个人计算机是大批量生产的，成本相对降低，各种测试功能又以插件形式组合，成本可大量减少。

2、便于使用：个人仪器既可以用个人计算机的系统软件，又可以用厂家专门开发的专用软件，各种操作可用各种清单和软面板或通过触摸屏、少数按键、鼠标点击来完成，简单明了。

3、缩短了研制周期：个人仪器与计算机的关系相对独立，研制者可以把精力只花在仪器插件和仪器专用软件上，改变和增加功能只需改变和增加插件，和对软件进行修改、补充。

4、便于构建自动测试系统和测试网络：个人仪器可以通过扩展底板、插件箱，扩展其功能，又有GPIB通用接口,便于和其它仪器系统连接，构成完善的系统和网络。5三、个人仪器系统实例：

HPPC仪器系统是一种采用专用母线的先进可程控个人仪器系统。插入式组件可与多种个人计算机配合。一块接口板可连接八台个人仪器组件：

数字电压表、函数发生器、通用计数器、数字示波器、数字I/O设备、机电式多路器、双D/A变换器、继电器驱动器各组件相互独立，隔离电源供电。人机接口由计算机荧光屏上的软面板担任。除人工软面板操作外，也可程序控制。程序控制：PC仪器的软件使编程得以简化，采用更近于自然语言的语句编程（英语），简化了编程过程，且直观、易懂。人工控制：通过人机对话的软面板，对仪器进行操作和显示。67PC仪器的软面板：用户可通过触摸屏幕、移动鼠标、和用键盘输入数据来控制仪器，个人计算机荧光屏被分成四个部分：

1、是当前受控仪器与操作者相互作用、交换信息的窗口；用于进行仪器功能选择和显示测量结果。

2、为用户提供仪器的状态和文件提示；用于指示仪器所处状态和所系统观察窗口（3）受控仪器对话窗口（1）状态窗口（2）系统软开关窗口（4）要求的文件名称，还有类似智能仪器的清单作用，给出信息，提供解决办法。

3、系统观察窗口用来观察系统内所有仪器的状态。多画面显示

4、该窗口是面向整个系统；如把设定好功能状态的仪器从被控仪器对话窗口存入系统观察窗口，和把系统观察窗口的仪器调入被控仪器对话窗口，以及把屏显内容送去打印等。8HPPCIB母线系统：PC仪器用串行、并行两个通道和个人计算机连接，是串、并行混合系统。其中串行通道带有光电隔离适用于要求隔离的仪器，如数字电压表；并行通道适用于不需隔离的高速仪器，如数字示波器，共用一根26芯电缆连接。

1、并行通道：13条信号线，其中8条数据线用来传递命令、地址、和数据，该三种消息由执行码TR0、TR1来区分；GATE和FLAG线用于挂钩联系，GATE表示数据线钟的消息码有效或通知PC仪器把数据发往母线，FLAG则表示是PC仪器消息接收完毕或数据有效。中断请求线IRQ为PC向计算机请求中断。

2、串行通道：只有TXD、RXD两条信号线，个人计算机用TXD向PC仪器发送数据，用RXD线接收数据。两条线传输和并行通道一样的全部信息。这两条线都有光电隔离，两端各有一片单片机，用以完成串行通信的管理。910四、PC仪器插入式组件：由两部分组成；一部分在个人计算机配合下产生测试信号和测试功能；另一部分为PCIB接口。

HPPC仪器实例：4位半数字多用表

1、测试功能：用一片微处理器控制A/D变换，并将个人计算机的控制信号存入量程与模式锁存器中。非易失性存储器用于存储测量中的校准或定标常数。A/D控制微处理器控制整个测量过程，并校准以后把数据送往主机。测量前端有三个可控开关，

S3---测量直流电压：200MV---200V;0.01MVS2---交流------：------------------------------------;S1、S2---电阻:200Ω----20MΩ;0.01Ω.2、PCIB接口：采用串行通道，单片机管理。光隔满足浮地要求。整个组件只相当于智能表的模拟部分。11校准与定标参数12§4、自动测试系统

在最少人工参与下能自动进行测量、数据处理并以适当方式显示或输出测试结果的系统称为自动测试系统。（AutomaticTestSystem，缩写为ATS）。一、自动测试系统的发展概况（一）第一代自动测试系统第一代自动测试系统主要有自动数据采集系统，自动分析系统等等。他们能完成大量的测试任务，承担繁重的数据分析、运算工作，快速、准确地给出测试结果。但设计和组建此系统时还存在不少困难。仪器与仪器、仪器与计算机之间的接口问题，工作量大，费用较高等，而且适应性不强。可分为三个阶段：13（二）第二代自动测试系统

第二代自动测试系统的特点是用标准化的接口母线，把测试系统中各有关设备按积木的形式联系起来。系统中的各组成部分，包括计算机、程控仪器、可控开关等均统称为器件（device）。各器件均配以标准化的接口功能电路，用统一的无源母线电缆联接起来。该系统组建方便，更改、增加测试内容也很灵活。通用接口母线常用符号GPIB(GeneralPurposePackard)表示。该系统在美国常称为IEEE-488或HP-IB，前苏联和日本常称为GPIB。该系统采用比特（bit）并联、拜特（byte）串联的方式传输信号。除了GPIB还存在其它的接口系统CAMAC，又称为计算机辅助测量与控制接口系统（IEEE-583）。还有一些其它系统。14（三）第三代自动测试系统

在第一、二代系统中，计算机并没有充分发挥作用，它主要是担任系统的控制及完成一些数据的计算和处理工作。整个系统和它的工作过程基本上还是对人工测试的模拟。计算机可以和测量系统融合成一体，用强有力的计算机软件代替专一仪器的某些硬件功能。还能构成除计算外基本上没有附加硬件的“虚仪器”（VirtualInstrument）。用软件代替硬件产生激励信号和测试功能的系统还处在开始发展阶段，还存在工作频率不够高等缺点。二、GPIB系统概述：它是在只能进行专项单一测试和简单分析的第一代测试系统的基础上发展起来的。只是对人工测试的简单模仿，把带有接口功能的多种仪器用GPIB加以组合而成。15器件A能讲、听及控制器件B能讲及听器件C只能听器件D只能讲数据拜特传递控制母线（3条）数据母线（8条）接口管理母线（5条）DI01~DI08DAVNRFDNDACIFCATNSRQRENEOI例如计算机例如数字电压表例如信号发生器例如纸带读出器GPIB系统的组成16

由GPIB联入自动测试系统的器件，可分为控者、讲者兼听者、讲者、听者四类。控者一般由计算机（大多为微机算机）担任，能控、能讲、能听。另一类器件要能讲也能听。第三类器件只需要听不要讲。第四类器件只讲不听。

各器件都有自己的功能，一般都是可以单独使用的仪器设备，只有配置了接口功能后才能接入自动测试系统。系统共设置控者、讲者、听者等十种接口功能，系统中任何器件都可以选取或部分选取这些功能。

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数据母线有8条，主要用于传递系统内的多线消息，如控者的各种通令、专令、地址和程控指令，各器件间发送接收的各种数据，大多数用编码的形式传送。为了保证消息传递的准确可靠，系统中又配备了三条数据拜特传递控制母线，简称挂钩母线。此外还有5条接口管理母线，专用于管理接口本身的工作。每条线都有自己的特殊用途。

系统中的各种消息都在母线中传输。IEC标准规定母线电缆为25线，美国IEEE标准和我国国家标准都规定为24线。用于传递消息的只有16条信号线。可分为三组：数据母线，数据拜特传递控制母线和接口管理母线。18三、GPIB系统中的消息传递：系统中的各种器件（仪器）通过系统母线连接在一起，各个器件都要协同工作，相互间的信息都是通过母线进行传递，因此设备之间要有相当准确的配合，才能快速的完成预定的任务。

1、GPIB系统中的消息分类：有几种不同的分类方法。

1按用途和作用范围分有接口消息和器件消息：接口消息能管理接口本身的工作。器件消息虽然经接口系统传递，但它只能被器件功能所接受和利用，而不会引起接口功能的改变。

2按所用信号线的多少分为单线消息和多线消息：再单线上传递的为单线消息；在多线上传递的为多线消息。

3按消息来源分远地消息和本地消息：在器件内部，接口功能与器件功能之间的是本地消息；在不同器件间传递的消息为远地消息。

4按消息是否被接受分为主动消息和被动消息：能保证被接收的为主动消息，反之为被动消息。192、多线接口消息：多线接口消息是由控者发出的，用于管理接口系统。主要有三种：通令---控者对系统中的所有器件发出的命令，所有有接收能力的器件都必须接受并执行。专令---控者向已经被寻址为听者的某些器件发出的命令，不被寻址的不必执行。地址---主要是讲地址和听地址，控者通过发讲地址和听地址（寻址）令器件为讲者或听者。副地址用于地址扩展；副令用于并行查询。较小系统一般不用。

3、多线器件消息：主要是程控指令、测量数据、状态数据。

1程控指令---控者用来确定仪器测量功能和指挥仪器操作的消息。当器件被寻址为听者时，就可接收程控指令，完成测试任务。是利用控者的讲者功能发送的器件消息。

202测量数据---测量仪器完成测量所得数据要送给计算机处理或在有关仪器之间传递。

3状态数据---是反映仪器内部状态的数据。

4显示数据---是指可借助显示器、打印机、记录仪来显示的输入、输出数据。4、挂钩母线及三线挂钩技术：因各器件公用数据姆线，为保证数据双向、异步、准确可靠地传送，特设三条挂钩姆线。

1数据有效信号线DAV,DAV=1(低电平）有效

2未准备好接收数据信号线NRFD;NRFD=1未准备好

3未接收数据信号线NDAC;NDAC=1表示不（未)接收数据三条挂钩母线相互配合应答式工作。发送多线消息的一方要配源方挂钩功能，发送DAV;接收方配以受方挂钩功能，发送NRFD和NDAC消息。数据按编码方式，bit并行、byte串行，每发送一个byte,源方和受方都要挂钩一次。并可在计算机（控者）不参与的情况下实现讲者和听者之间的直接通信。215、管理母线:五条管理母线用于管理接口的工作；单线消息

1注意信号线ATN:控者使用；有优先权，当ATN=1表示姆线上传送接口消息；ATN=0时发器件消息，准许器件间的联络。

2接口清除信号线IFC:控者专用，IFC=1时，清除系统所有器件

3远控可能信号REN：接入系统的器件可以由控者控制（远控）亦可由手动面板操作（本地控制），当REN=1,器件才可以进入远控。

4服务请求信号线SRQ:系统内具有请求功能的器件可用SRQ=1请求中断服务。

5结束和识别信号线EOI：和注意线配合使用，以表示：当ATN=0，由讲者使用，EOI=1表示数据传送完了；当ATN=1,由控者使用，EOI=1表示识别消息，既控者进行并行查询。22六、第三代自动测试系统（设备）

第一、二代自动测试系统中的计算机未能充分发挥作用，担任系统控制者及完成一些数据的计算和处理工作，是对人工测试的模仿。第三代自动测试则把计算机和测试系统或设备更紧密地结合起来，融合为一体。用计算机软件代替传统仪器的某些硬件功能，产生激励信号和完成测试功能。

用软件代替硬件也是第三代自动测试系统的重要特征。智能仪器是指用专用微计算机进行统一管理的仪器。个人仪器是指与标准通用个人计算机配合的插入式组件形式的仪器。(一)计算机与测试设备的融合23第三代自动测试系统由三部分组成：（1）微型计算机：核心（2）通用硬件用于多种测试功能、带有共性的硬件。包括采样器、A/D变换器、可程控测试接口等。（3）应用软件与微机算机系统软件相配合，构成第三代自动测试系统的灵魂。（二）用微机算机直接产生测试信号。

用微机算机的计算、存贮和输出功能，可以产生多种测试信号。对计算机的编程，指定它的输出规律，就可以输出三角波、方波、锯齿波、阶梯波等一系列测试信号。产生的信号其频率稳定度与系统时钟的稳定度无明显差别。24例：用微机直接产生正弦信号：如果在存储器中按一定规律存入数据（如正弦波随时间变化的波形数据），然后依次反复输出，就可以得到连续地正弦信号波形；如再改变其输出相位间隔，则可以得到不同频率的正弦波，设正弦信号幅度为1，然后对sin2ft时间和频率进行量化

N---时间指数、Δt—时间量化单元K---频率指数、f0---频率量化单元N=1/(f0Δt)、V=nk正弦波的相角变成复合指数V与相位量化单元Δθ=2f0Δt=2/N的乘积；参数N的物理意义是把一个周期分成N个相位量化单元，而V=nk称为相角指数。由此可见，要改变输出频率只需改变频率指数，也就是在相同的采样时间间隔跨越不同的相位量。如选N=360,频率为f0时（k=1),

则每两个取样点间的相位间隔为1度。若要输出2f0,只需令k=2。相位间隔为2度。25

用上述方法调整频率时，应注意到，当360不是相位指数k的正数倍时，为使输出能重复上一周的数据，则需要在最后一个取样间隔补足到360，既经一个延迟时间。如Δθ=1°K=7时，360°-50x7°=10°，既把最后的时间间隔延长为10°。用软件延时是很容易的。利用改变输出首地址的方法就可以改变输出信号的初相角。利用计算机的多个输出口，可输出多路不同相位的信号。而在不同的时间段可输出不同频率的跳频信号。26D/A变换滤波微机算机调频命令调相命令输出锁存正弦输出用微机算机产生正弦信号的系统组成框图27（三）用微计算机完成测试功能

利用计算机本身的软、硬件资源，可以产生多种测试功能。图为一个带有取样保持、A/D变换、微计算机及其专用软件的系统。被测信号取样保持A/D变换计算机处理测量结果被测信号取样量化计算机软件处理显示波形分析频谱分析统计分析A(f)Φ(v)fv28

经过取样、保持电路和A/D变换，被测信号的离散值被存入存储器。利用一定的软件就可完成一系列的测试功能：

1、显示、拷贝存储的采样值可以在计算机上作波形显示；需要保留的内容可以打印和绘图。

2、波形分析根据各采样点的数据用计算机的运算分析功能，可直接进行波形分析。如波形参数以及信号的电压功率等。这种测量方法，完全摆脱了传统测量中的检波器及各种波形的影响。而主要受计算机工作频率的限制。

3、频谱分析可对取样值进行快速傅里叶变换，方便的把时域信号变成频域信号,这种分析方法除用于信号的频谱分析、网络的频率特性等典型的频域测量外，还可以把一些在时域测量的参量转变为频域测量。如失真度分析、有效值的