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选择测试系统硬件体系结构和仪器—应用指南

本应用指南是测试系统开发指南系列中的第五篇，该系列应用指南帮助您很快设计出能获得可靠测量结果，吞吐率符合应用要求，成本也在您预算之内的测试系统。这篇应用指南讲述在您开始建造测试系统前所要作出的硬件体系结构决定和设计选择，以保证能为您提供所需要的性能和灵活性。本应用指南还讨论了选择系统仪器需考虑的问题。

第17页列出本系列的其它应用

目次

引言 2

系统体系结构 2

仪器类型: 堆叠，还是插卡盒? 3

作出选择 4

计算子系统 6

开关 6

宏互连 8

电源 8

DUT 的专门连接 9

其它体系结构考虑 9

为您的系统选择测试仪器 10

确定您的需要 10

开发时间 11

测量速度 12

选择厂家 12

测试系统例子 13

结论 16

术语 17

引言

低频测试系统实质上是在一道工作，用于测试一种或一类装置的一组子系统。在开始订购测试仪器或建造您的系统前，需要对各子系统作出一些重要决定。这些子系统的通信和关联方法对系统成本、性能、可维护性和可用性有极大影响。您事前花一些时间定义系统的体系结构，将能在随后的软件调试和故障跟踪中节省更多的时间。最后，制订周密的计划能帮助保证您对DUT的精确测试。

在设计测试系统时，许多需要考虑的问题都和建筑师设计建筑物的情况相似: 美观、安全、热性能、大小、成本、未来扩展、单元的最佳位置等等。在您确定了如何应对这些高层问题时，测试要求将指导您设计针对您所要测试的装置的测试系统。

这篇应用指南探讨为保证测试系统能提供您需要的性能和灵活性，您必须做出的系统体系结构决定和设计选择。还讨论了选择系统仪器需考虑的问题。

系统体系结构

您为测试系统选择何种体系结构决定于系统是用于研发、设计验证，还是制造测试。例如在研发中您要进行的参数测试无需在数百被测装置(DUT)上重复。在设计验证中，您需要适应经常变更的引脚，但各项测试的速度并非关键。在高量产的制造中，您需要测试成百上千的

DUT，因此速度和成本至为关键。因此，不同情况的测试系统体系结构也会有所不同。在研发环境中，您可能不必使用下面所列的所有子系统，但对于设计验证、生产验证和制造测试，通常需要对这六种主要子系统作出选择决定:

l         仪器(测量和激励仪器)

l         计算(计算机、软件和 I/O)

l         开关(把系统仪器和负载与被测装置或DUT 相接的继电器)

l         宏互连(DUT — 系统配线接口)

l         电源(向DUT 供电)

l         DUT 的专门连接(负载，串行接口等)

作为测试工程师，您的任务是精心选择这些子系统，让它们在一起有效工作。让我们了解每一种子系统。

仪器类型:

堆叠，还是插卡盒?

测试系统有两种主要的仪器类型，堆叠和插卡盒。堆叠仪器是可单独使用的独立仪器。在测试系统中经常把它们叠放(名称的来源)在机柜中，以节省空间，工程师通常也使用外部计算机对其控制。

插卡盒仪器

插卡盒仪器顾名思义，是采用插卡的模块式测试仪器。您可把插卡插入插卡盒或主机，用嵌入控制器(该插卡是 PC)或外部PC 控制。

VXI 是适用于插卡盒系统的标准和开放的体系结构，它允许在同一主机中使用来自不同制造商的仪器。VXI总线(VME总线对仪器的扩展)由测试和测量公司联盟开发，旨在满足市场对模块化仪器的需要。VXI是沿用VME总线的标准，但它专门作为一种新平台定义，因为VME不能满足仪器行业的需要，特别是在噪声抑制和触发能力上。VXI 通常有比其它仪器类型更高的性能和速度。

另一种插卡盒体系结构是PXI(PCI 总线对仪器的扩展)。虽然PXI卡很小，但它们一般达不到 VXI 或堆叠仪器的精度和性能。如果您打算采用PXI系统，一定要了解是否还另需购买信号调整设备。此外，基于PC 背板的PXI 没有电磁干扰(EMI)和冷却指标，因此不符合安静测量环境的要求。要了解有关PXI、VXI和堆叠系统的特性比较，请参看第5 页的附注。

另一种插卡盒体系结构是compactPCI(CPCI)。CPCI 技术是PXI 的基础，虽然PXI增加了PCI不具备的触发选项。 CPCI和PXI卡在某些情况下可互换。CPCI 卡更适合用于工业PC 机，因为它们可以上架，并且比其它插卡类型更坚固。

堆叠仪器

堆叠仪器要比插卡盒仪器占用更多空间，但由于高量产而较为便宜。很容易找到适合在系统中使用的高质量、高可靠独立仪器。近来，测试设备制造商更把如何更适于系统环境的各种想法置入他们的独立测试仪器，从而使堆叠体系结构更易于实现。例如安捷伦提供的“系统就绪”仪器就融入了标准协议和经优化的功能，包括屏蔽、滤波、高速I/O ，以及板上的智能和存储器。

在测试系统中使用系统就绪堆叠仪器有许多好处。例如由于您能用这些仪器进行独立操作，系统的查错就较为容易，因此能节省您的系统开发时间。您可在独立工作模式下事先检查仪器状态，在整个系统设置前保证能够得到良好的结果。插卡盒仪器不能这样做，所以

难以区分到底是硬件问题，还是软件问题。

某些组织在产品生命期的所有阶段都使用一套标准堆叠仪器，这样能实现组织内不同成员间的有效协作和沟通。例如研发工程师可能使用台式仪器开发产品。当产品转向设计验证测试 — 或是在较大的组织中把生产前的产品原型交给设计验证部门时，使用相同仪器是很

有帮助的，即使在设计验证阶段采用自动或半自动测试。如果是由研发工程师本人作验证测试，他已对仪器操作非常熟悉，并能够相信仪器产生的测试结果。尽管研发和设计验证不是由同一工程师或同一部门实施，采用同样仪器也便于沟通和共同解决问题。在产品转入制造

时，您也同样能从相同测试系统体系结构得到这些好处。

作出选择

作出使用何种仪器体系结构的决定受一些因素的影响。如果您是从头开始建造系统，就需要审核整个系统的性能和成本。但如果您已经有了部分堆叠或插卡盒仪器，利用这些现成仪器会比使用全新仪器节省。另一重要因素为是否掌握用堆叠仪器或插卡盒仪器建造系统的

专业知识。如果公司的专长是插卡盒体系结构，就没有道理转向堆叠体系结构，即使这类设备的价格更低。但若您决定在系统中保留已有的插卡盒装置，可考虑转向混合型系统，通过添加堆叠仪器提升您所需要的能力或性能。您还需要为作出最好决定而评估特定的环境。

另一项需考虑的因素是系统维护成本。包括修理费用，以及在手头保管空闲部件和额外仪器/ 插卡的成本。

在本应用指南的“为您的系统选择测试仪器”部分(第10 页)，您将得到为系统选择正确仪器的更详细信息。

仪器类型比较

1. 独立使用

由于有内部PC，插卡盒可独立操作，但如果需要操作员GUI，就还需监视器。嵌入式PC 的价格是标准PC 的好几倍。插卡盒总还要有某种形式的计算机通信，而堆叠仪器能在没有计算机的情况下检查系统。

2. 精度度

插卡盒中的电源必须由若干子系统共用。而堆叠仪器是针对某一应用进行最优化设计的，因此可提供工作需要的正确电源，模拟电路也不受外壳的约束。堆叠仪器可最小化电磁干扰，使灵敏仪器免受感应电流的影响。因此，堆叠仪器通常在精度、串扰和噪声等性能上

都超过插卡盒系统。

3. 价格

在不使用机柜安装时，台式仪器系统的价格通常要低得多。在仪器叠放时，系统价格可以与插卡盒系统相比，但有一个例外: 当某项应用的插卡盒插槽全部被插满时，这样的插卡盒系统有很高的效费比。但全部插满的插卡盒也排除了未来扩展的可能。

4. 突发速度

突发速度是仪器把来自某条总线或I/O 端口中一个通道的大量数据传送到计算机的速度。数据采集比功能测试更多使用突发通信。插卡盒在这一领域具有优势，虽然近来I/O 速度的进步使背板和外部I/O间的疆界变得模糊。

5. 单点测量

单点测量速度是进行一次测量，切换通道，然后进行另一次测量所花的时间。这是功能测试使用的主要模式。您可在第12 页的“测量速度”部分得到有关测试执行速度的更多信息。

6. GUI 响应时间

当插卡盒与PC 通信时，PC 承担着处理数据和更新GUI 的双重任务。在一些堆叠仪器中，这些操作是并行进行的，使操作者具有更多的实时更新能力。特别是具有立即反

馈能力的示波器。

7. 占用面积

PXI 和CPCI 系统的占用面积最小。但有许多仪器功能尚未在PXI 中实现，因此工程师往往需要采用堆叠仪器加PXI 仪器的混合方式。只要系统中有堆叠仪器，占用面积就与全堆叠系统相同，PXI插卡节省空间的优势也就不复存在。

8. 易于使用和集成

如果堆叠系统的设计留有合理的未来扩展空间(规划未来的好注意)，为堆叠系统增加仪器并不比插卡盒增加仪器复杂。最重要的考虑是把电缆接到现有体系结构是否容易。例如，无论您使用的是插卡盒还是几台堆叠的仪器，它们的输入和输出都要接到开关系统或宏互连。如果所设计的系统能处理这样的新仪器，集成只是几分钟的事情。但如果为处理新仪器要重新设计系统，则要花好几天时间。

9. 屏蔽

专用堆叠仪器通常有良好的屏蔽。由于它们是为特定用途所作的设计，因此比类似插卡盒仪器更能抗干扰。VXI有专门的屏蔽规范，而PXI 和CPCI 没有屏蔽规范。虽然厂家有可能实现PXI 屏蔽，但如果在插槽中插入另一厂家的产品，就可能对邻近仪器造成有害干扰。

仪器类型比较

计算子系统

在考虑有关计算子系统方面的问题之前，首先要确定是用手动、半自动，还是全自动方式控制您的系统。测试系统开发指南中第一篇应用指南AN 1465-1“测试系统设计入门”对此做了介绍。计算子系统部分的信息适用于决定采用半自动或自动控制的测试工程师。

对于使用堆叠测试仪器的系统，您通常会采用与仪器有电缆相接的外部PC。对于使用基于插卡仪器的测试系统，您需要决定是采用嵌入PC(装在仪器插卡盒内的PC)，还是外部PC。初看起来嵌入PC 似乎是好的选择。它装在已有插卡盒的内部，因此能有效节省机架空间，直接但嵌入PC 的价格要比外部PC高得多，而且没有为许多现代外设保留空间。嵌入PC中使用的技术往往滞后通用计算机技术，在处理器类型和速度上一般要落后一代。

如果您使用外部PC，就能用同样的钱获得更多计算功能。此外，许多外部PC 都配有内置的工业标准接口，如USB、LAN和FireWire。如果您使用带这些接口的PC，就能通过使用支持这些接口的测试仪器降低测试系统成本，或通过使用USB/GPIB或LAN/GPIB变换器缩短设置

时间。在测试系统开发指南中的第二篇应用指南AN 1465-2“计算机I/O 考虑”详细阐述了有关内容。

在制造环境中，成本通常是最重要的考虑，特别是当您实现数百套相同的测试系统时。外部PC的较低起始成本通常是制造测试系统好的选择，而且其后的服务费也低于嵌入式控制器。

另一项重要计算考虑是软件和应用开发及运行时间环境。在测试系统开发指南中的第四篇应用指南AN 1465- 4“选择测试系统软件体系结构”讲述了与软件有关的计算子系统决策问题。

开 关

开关，或继电器把系统仪器与负载接到您的 DUT，它是大多数测试系统的组成部份。选择正确的开关类型和拓扑将影响您测试系统的成本、速度、寿命、安全性和全部功能性。要了解对测试系统中开关的全面要求，请参看应用指南1441-1“测试系统信号开关”。

选择开关子系统的继电器类型非常重要，因为它们会影响您所能测试的电路和系统类型。对于高速系统，簧片继电器和FET 是最好选择，其中簧片有更高的额定电压和电流值它是把测量仪器和低电流激励连接到DUT的极好选择。簧片非常快(通常约0.5 至1.0 ms)，虽然比电枢继电器的热偏移电压高。应为较高电流负载选择电枢继电器(典型开关时间为10-20 ms)。在使用电枢继电器时，要把测试项目编组，在继电器保持连接时同时读到尽可能多的读数。由于电枢继电器相对较慢，您应设法避免它们的多次接通和断开。

开关拓扑可按复杂程度分成三大类: 简单继电器配置、多路开关和矩阵。何种使用方式最好决定于仪器和测试点数，是否必须同时连接，要求的测试速度，成本考虑，以及其它因素。

簧片继电器的矩阵配置提供把任何数量仪器与DUT 上的任何引脚相连的极好方法，在为系统增加新仪器，或DUT上有更多引脚时，矩阵能容易地扩展。矩阵使用的继电器比多路开关多，因此成本也高。如果您不需要把多台仪器接到任何DUT 引脚，那么多路开关是适合的解决方案。例如，如果您有一个1×20的多路开关，就能把一台测试仪器接到20个引脚，但不能接到20个引脚外的其它地方。而使用矩阵中同样的20 个继电器，您就能以任何组合方

式把 4 台仪器接到5 个引脚。

在制造测试和设计验证系统中，您往往需要把通用继电器编成排，以改变它的电流能力。您能用这些继电器把DUT 输入接地或接到电源，或是通过电阻器摹拟变脏的开关。您也能用这种方法断开输出负载，对输出晶体管进行参数测试，如图3 所示。

您也需要考虑把开关放在何处和如何配置开关。虽然对于高性能仪器，继电器卡可以放在插卡盒内，但这是对宝贵资产的浪费。模块化插卡盒中的高速背板更适于控制高速仪器，而不应用于简单的继电器。如果您为此目的把继电器放在单独的开关盒内，就能更容易地扩展高性能仪器，也为更密集的继电器卡、更多的继电器卡或更大的开关盒留有空间。这样做也更清楚地划分仪器和开关子系统，使系统构成更清晰。

把DUT 接口板 (宏互连或馈通板)放在装有插卡的开关子系统前面，接口板有两个要实现的目标:图 4. 后面安装开关子系统减少了机柜空间，也把电缆长度减到最小。(1)由于开关盒和宏互连位于同一平面，因此能最小化机架空间; (2)减少开关至DUT的配线长度。如果您选择插卡在后面的开关盒，就可利用机柜后面的支撑轨把开关盒向后安装，如图4所示。对此方法有两种否定意见: 不能从系统前面操控开关仪器的前面板，维修时可能难以触及插卡。但一当系统投入运行，就极少需要从前面板操作开关盒，可从后面拉出仪器，或是卸掉系统侧