電子測量儀器-智能儀器與自動測試系統(tǒng)

電子測量儀器 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 智能儀器 智能儀器的發(fā)展概況 智能儀器的組成和特點 智能儀器的主要電路 自動測試系統(tǒng) 自動測試系統(tǒng)的發(fā)展概況 自動測試系統(tǒng)的組成 自動測試系統(tǒng)總線 本章小結 本章實訓：集成溫度傳感器的特性 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 本章要點 : 智能儀器與自動測試系統(tǒng)的發(fā)展概況 智能儀器與自動測試系統(tǒng)的組成特點 智能儀器的主要電路 自動測試系統(tǒng)總線 本章難點 : 智能儀器的主要電路與自動測試系統(tǒng)總線 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 能儀器的發(fā)展概況 智能儀器 儀器儀表的電子器件經歷了真空管、晶體管、集成電路三個時代，儀器儀表從原理功 能看經歷了模擬式、數(shù)字式、智能化三個發(fā)展階段，智能儀器是第三代，是在數(shù)字化基礎上發(fā)展起來的、具有一定的人工智能的測量儀器，內嵌入有微處理器和 用接口總線。可單獨使用，也可通過 智能儀器憑借其體積小、功能強、功耗低等優(yōu)勢，迅速地在家用電器、科研單位和工業(yè)企業(yè)中 得到了廣泛的應用。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 1）微型化 微型智能儀器指微電子技術、微機械技術、信息技術等綜合應用于儀器的生產中，從而使儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器。它能夠完成信號的采集、線性化處理，數(shù)字信號處理，控制信號的輸出、放大，與其他儀器的接口，與人的交互等功能。 （ 2） 多功能化 （ 3）人工智能化 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 人工智能是計算機應用的一個嶄新領域，利用計算機模擬人的智能，用于機器人、醫(yī)療診斷、專家系統(tǒng)、推理證明等各方面。智能儀器的進一步發(fā)展將含有一定的人工智能，即代替人的一部分腦力勞動，從而在視覺（圖形及色彩辨讀）、聽覺（語音識別及語言領悟）和思維（推理、判斷、學習與聯(lián)想）等方面具有一定的能力。 （ 4） 融合 實現(xiàn)儀器儀表系統(tǒng)的 網絡化 ） 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 伴隨著網絡技術的飛速發(fā)展 ， 實現(xiàn)智能儀器儀表系統(tǒng)基于 功能重置和系統(tǒng)維護 。 系統(tǒng)編程技術 （ 簡稱 是對軟件進行修改 、 組態(tài)或重組的一種最新技術 。 它是一種使我們在產品設計 、 制造過程中的每個環(huán)節(jié) ， 甚至在產品賣給最終用戶以后 ， 具有對其器件 、 電路板或整個電子系統(tǒng)的邏輯和功能隨時進行組態(tài)或重組能力的最新技術 。 制造與編程 。 編程 只要通過 嵌入式系統(tǒng)處理器甚至 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 開發(fā) 。 由于 在印刷電路板（ 上處理 ， 因此編程 只要通過 嵌入式系統(tǒng)處理器甚至 利用該技術 ， 能夠將 8位和 16位單片機系統(tǒng)接入 實現(xiàn)基于 智能控制 、 上傳下載數(shù)據文件等功能 。 目 前 世 界 上 有 些 公 司 均 提 供 基 于 固件 （ 和硬件產品 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 5） 虛擬儀器是智能儀器發(fā)展的新階段 測量儀器的主要功能都是由數(shù)據采集、數(shù)據分析和數(shù)據顯示三大部分組成的。在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，數(shù)據分析和顯示完全用 此，只要額外提供一定的數(shù)據采集硬件，就可以與 種基于 虛擬儀器中，使用同一個硬件系統(tǒng)，只要應用不同的軟件編程，就可得到功能完全不同的測量儀器。可見，軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心， “ 軟件就是儀器 ” 。 傳統(tǒng)的智能儀器主要在儀器技術中用了某種計算機技術 ， 而虛擬儀器則強調在通用的計算機技術中吸收儀器技術 。 作為虛擬儀器核心的軟件系統(tǒng)具有通用性 、 通俗性 、 可視性 、 可擴展性和升級性 ， 能為用戶帶來極大的利益 ， 因此 ， 具有傳統(tǒng)的智能儀器所無法比擬的應用前景和市場 。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 智能儀器是由硬件和軟件兩大部分組成的 。 硬件部分的 基本組成如圖 能儀器的組成和特點 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 1） 微機系統(tǒng) 微機系統(tǒng)主要包括 存放監(jiān)控程序和應用程序及各類數(shù)據的程序存儲器和數(shù)據存儲器以及接口電路 ， 主要起測量過程控制和數(shù)據處理的作用 。 （ 2） 輸入通道 輸入通道是微機系統(tǒng)與采集對象相連接部分，是決定智能儀器測量準確度的關鍵部位，各類測量信號先由相應的傳感器或變換裝置變換成電信號，這些信號不能滿足微機系統(tǒng)輸入的要求，需要形式多樣的信號變換和調節(jié)電路如：信號放大器、濾波器、多路轉換器、采樣 /保持器、 A/態(tài)緩沖器等，這些電路構成智能儀器的輸入通道。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) - （ 3） 輸出通道 根據輸出控制要求的不同 ， 輸出通道電路是多種多樣 ， 有 D/ 放大隔離電路等 ， 其輸出信號有模擬量信號和數(shù)字量信號 。 （ 4） 人機對話通道 智能儀器中的人機對話通道是用戶為了對智能儀器進行干預及了解智能儀器運行狀態(tài)所設置的通道。人機對話通道所配置的設備主要有：鍵盤、顯示器和打印機等。 （ 5）通信接口 通信接口起著溝通智能儀器與外部系統(tǒng)聯(lián)系的作用 ， 必須符合通信總線規(guī)定的標準 。 通常采用 具有遠距離數(shù)據通信功能 ， 便于組成測控網絡 。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 智能儀器的軟件部分包括監(jiān)控程序和接口管理程序兩部分 。 監(jiān)控程序是面向儀器面板鍵盤和顯示器的管理程序 ， 其內容包括：通過鍵盤輸入命令和數(shù)據 ， 以對儀器的功能 、 操作方式與工作參數(shù)進行設置；根據儀器設置的功能和工作方式 ， 控制I/照儀器設置的參數(shù) ， 對采集數(shù)據進行相關 處理；以數(shù)字 、 字符等形式顯示測量結果 、 數(shù)據處理結果及儀器的狀態(tài)信息 。 接口管理程序是面向通信接口的管理程序 ， 其內容是接收并分析來自通信接口總線的遠控命令 ， 包括描述功能 、 操作方式與工作參數(shù)的代碼 ， 進行有關的數(shù)據采集與數(shù)據處理；通過通信接口送出儀器的測量結果 、 數(shù)據處理結果及儀器的現(xiàn)行工作狀態(tài)信息 。 限幅 利用二極管正向導通后其兩端電壓很小且基本不變的特性，可以構成各種限幅電路，使輸出電壓幅度限制在某一電壓值內。 圖 1限制輸出電壓正半周幅度的限幅電路 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 1） 采集信息：借助于傳感器和變送器 ， 按處理器的要求采集電量和非電量 。 （ 2） 與外界對話：使用智能接口進行人機對話及外部儀器設備對話 ， 接入自動測試系統(tǒng) ， 甚至接入 另一方面 ， 使用者借助面板上的鍵盤和顯示屏 ， 可用對話方式選擇測量功能 、設置參數(shù) 。 當然 ， 通過顯示屏等也可獲得測量結果 。 （ 3） 記憶信息：智能儀器的存儲器既用來存儲測量程序 、 相關的數(shù)學模型以及操作人 員輸入的信息 ， 又用來存儲以前和現(xiàn)在測得的各種數(shù)據 。 （ 4） 處理信息：按設置的程序對測得的數(shù)據進行算術運算 ， 求均值 、 對數(shù) 、 方差 、 標準偏差等數(shù)學運算 求解代數(shù)方程 ，進行比較 、 判斷 、 推理等 。 （ 5） 控制：以分析 、 比較和推理的結果輸出相應的控制信息 。 限幅 圖 1雙向限幅電路 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 6） 自檢自診斷：自檢 （ 自測試 ） 程序對儀器自身各部分進行檢測 ， 驗證能否正常工作 。 若工作正常 ， 則顯示通過信息或發(fā)出相應聲音；否則 ， 運行自診斷程序 ， 進一步檢查儀器的哪一部分出了故障 ， 并顯示相應的信息 。 若儀器中考慮了替換方案 ，則經內部協(xié)調和重組還可以自動修復 。 （ 7） 自補償自適應：智能儀器能適應外界的變化 。 比如 ， 能自動補償環(huán)境溫度 、 壓力等對被測量值的影響 ， 能補償輸入的非線性 ， 并根據外部負載的變化自動輸出與其匹配的信號等 。 （ 8） 自校準學習：智能儀器常常通過自校準 （ 校準零點 、 增益等 ）來保證自身的準確度 。 不僅如此 ， 它們還能通過自學習學會處理更多更復雜的測控程序 。 特殊二極管 穩(wěn)壓二極管 1. 電路符號與伏安特性 穩(wěn)壓二極管是利用二極管反向擊穿的特性制成的，專門作為穩(wěn)定電壓用的面接觸型硅二極管。它的外形與內部結構也和普通二極管相似，對外具有兩個電極 。圖 1 圖 1穩(wěn)壓管符號 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 能儀器的主要電路 智能儀器是基于微處理器的儀表或測試裝置 ， 數(shù)據采集 、 各種接口的構成與技術是整個系統(tǒng)的基礎 ， 在智能儀器的檢測過程中 ,測量電路或敏感元件的輸出信號 ,都已轉換成為直流電壓或電流信號 ,如各種電橋的輸出信號 ,一般都是比較小的 ,不能直接用來顯示 、 記錄 、 控制或進行 A/ 為此 ,當非電量 （ 或電量 ）轉換或通過電橋進行檢測后 ,往往需要用放大器進行放大 ,以使微弱的信號放大到與 A/ 一般 ， 只有在最簡單情況下才可將傳感器輸出的模擬信號直接連至數(shù)據采集系統(tǒng) ， 實際應用中 ,智能儀器的安裝環(huán)境和輸出特征是各種各樣的 ,也是復雜的 ,所以 , 智能儀器的放大電路是直接取決于應用場合與系統(tǒng)要求的 。 智能儀器的放大電路主要是通用運算放大器 、 儀器放大器 、 隔離放大器及可編程放大器 ， 穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管的伏安特性如圖 1的伏安特性與普通二極管相似，略有差異的是它的反向特性。它的反向特性比普通二極管更加陡直，這正是它用來穩(wěn)壓的依據 所在。 圖 1穩(wěn)壓管伏安特性 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 具體選擇何種放大器依情況不同而異 ， 總的要求是：高輸入阻抗 ，反應時間快；高抗共模干擾能力；低漂移 、 低噪聲及低輸出阻抗 。 一個理想的運算放大器具有如下性質： 開環(huán)增益無窮大 。 輸入阻抗無窮大 。 輸出阻抗等于 0。 帶寬無窮大 。 干擾噪聲等于 0。 由穩(wěn)壓管的伏安特性可見，當反向電壓小于擊穿電壓時，反向電流很??；當反向電壓增加到等于擊穿電壓 向電流急劇增加。由 圖 1向電壓只要略有增加，反向電流就有很大增加，這也是說，當反向電流在很大范圍內變化時，反向電壓變化不大。穩(wěn)壓管正是利用這一點來穩(wěn)壓的 。圖 1壓 穩(wěn)壓二極管 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 當然 ， 實際的集成電路運算放大器不可能有這樣理想的性質 。但是 ， 如果把理想特性中的 “ 無窮大 ” 當作 “ 很高 、 很高 ” ，把 “ 0” 看作 “ 很低 、 很低 ” ， 就與實際的運算放大器很接近了 。例如 ， 實際運算放大器的開環(huán)增益可達 10 100倍 ， 因此 ， 可以當成 “ 無窮大 ” 來處理 。 由此可見 ， 具有高增益的運算放大器加上負反饋構成的線性電路 ，其閉環(huán)增益和傳輸特性以及它的輸入 、 輸出阻抗基本上取決于外部的反饋元件 。 因此 ， 使用運算放大器進行線性信號的處理是非常方便的 。 常用運算放大器構成反相放大電路和同相放大電路 ， 如圖 穩(wěn)壓二極管 圖 1穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓過程 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 圖中 阻值隨溫度的增加而減小 ， 防止下一級電路對分壓器電路的影響 ， 2進行變換和定標 ， 穩(wěn)壓二極管 (1) 穩(wěn)定電壓 2) 穩(wěn)定電流 3) 最大穩(wěn)定電流 4) 動態(tài)電阻 (5) 溫度系數(shù) (6) 最大允許耗散功率 . 主要參數(shù) 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 通用運算放大器對微弱信號的放大 ， 僅適用于信號回路不受干擾等較為理想的情況 ， 而實用傳感器的工作環(huán)境往往是比較復雜和惡劣的 ， 在傳感器的兩條輸出線上經常產生較大的干擾信號 （ 噪聲 ） ， 有時是完全相同的共模干擾 ， 通用運算放大器對共模干擾信號不能起很好的抑制作用 ， 故不能在精密場合下運用 。 通用測量放大器 ， 廣泛用于傳感器的信號放大 ， 特別是微弱信號及具有較大共模干擾的場合 。 通用測量放大器除了對低頻信號進行線性放大外 ， 還擔負著阻抗匹配和抗共模干擾的任務 ，它具有：高共模抑制比；高速度；寬頻帶；高精度；高穩(wěn)定性；高輸入阻抗；低輸出阻抗；低噪聲 。 通用測量放大器基本電路如圖 3 V 0 . 7 2 0 VU= 1 k R【 例 1在圖 1知穩(wěn)壓二極管的 ，已知 ， 時 ,求 壓二極管的正向導通壓降 。當 圖 1穩(wěn)壓電路 解 當 I = + 2 0 反向擊穿穩(wěn)壓 Z = 6 . 3 0 . 7 + 7 同理， I = 2 0 O = 7 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 發(fā)光二極管 發(fā)光二極管簡稱 是一種將電能轉換為光能的半導體器件。 發(fā)光二極管的符號如圖 1光二極管常用于作為顯示器件，可單個使用，也可作成 7段式或矩陣式，工作時加正向電壓，并接入相應的限流電阻，工作電流一般為幾毫安到幾十毫安，正向導通時的管壓降為 +圖 1發(fā)光二極管符號 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 通用測量放大器由 有兩級串聯(lián) ， 前級由差動輸入 /輸出 由于信號直接加到 故具有較高的共模抑制能力和高輸入阻抗 。 其后級 它不僅切斷了共模干擾的傳輸 ， 還將雙端輸入方式變成單端輸出 ， 適應對地負載的需要 。 可調電阻 過 ,于是 圖 光敏二極管 光敏二極管又稱為光電二極管，它是將光能轉換為電能的半導體器件。 其結構與普通二極管相似，只是在管殼上留有一個能使光線照入的窗口。其符號如圖 1。 圖 1光敏二極管符號 圖 1光敏二極管的特性曲線 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 靠近組件 ， 是用于調節(jié)放大器的外接電阻 。 目前國內外已有不少廠家生產此類放大器的單芯片集成塊 ， 如美國 國產的 由于各類傳感器往往提供寬范圍變化的信號電平 （ 從 ） ，測量放大器必須隨著數(shù)據采集通道的切換 ， 迅速調整增益 。 可編程測量放大器是通用性很強的放大器 ， 特點是硬件設備少 ， 其增益可根據需要通過編程進行控制 。 可編程測量放大器基本電路如圖 變容二極管 用于自動頻率控制 (調諧用的小功率二極管稱變容二極管。變容二極管符號如圖 1過施加反向電壓， 使其 此，常用于自動頻率控制、掃描振蕩、調頻和調諧等用途。 圖 1變容二極管符號 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 隧道二極管 隧道二極管是因為用含有大量雜質的本征半導體制作產生極薄的耗盡層，若加正向偏壓，則在達到擴散電位之前，由于隧道效應而發(fā)生電流流動。若接近擴散電位，則為通常的二極管特性，所以如圖 1正向電壓低的范圍，顯示出負的電阻。 圖 1隧道二極管的電壓電流特性 隧道二極管的優(yōu)點是開關特性好，速度快、工作頻率高；缺點是熱穩(wěn)定性較差。一般應用于某些開關電路或高頻振蕩等電路中。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 圖 圖 益開關是成對動作的，即每一時刻僅有一對開關 接通，當改變數(shù)字量的輸入編碼，則可改變接通的開關號，選擇不同的反饋電阻，達到改變放大器增益的目的。采用運算放大器和多路開關的組合方式可以構成實用的程控放大器。 隔離放大器是隔離來自于地回路、靜電耦合及電磁耦合的干擾和噪聲，并對信號進行放大的電路。系統(tǒng)中的隔離，對于數(shù)字量廣泛采用光電耦合器，對于模擬量，尤其是微弱信號的隔離問題，必須濾去高頻干擾，合理處理接地，將放大器加上靜電和電磁屏蔽并浮置起來，再采用磁耦合，從而實現(xiàn)隔離放大。 肖特基二極管 肖特基二極管 (利用金屬與半導體接觸形成金屬 金屬材料采用金、鉬、鎳、鈦等材料，其半導體材料采用硅或砷化鎵，多為 它是高頻和快速開關的理想器件，其工作頻率可達100 常用的肖特基二極管有 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 隔離放大器的輸入 、 輸出電路與電源沒有直接的電路耦合 。 目前出現(xiàn)的許多專用的隔離放大器 ， 一般以專用模塊形式出現(xiàn) ， 常見的隔離放大器有四個基本組成部分：輸入部分包括輸入運算放大器和調制器；輸出部分包括解調器和輸出運算放大器；信號耦合變壓器；隔離電源 。 這四個部分組裝在一起構成模塊結構 。 隔離放大器一般以精密裝配的超小型變壓器為核心 。 隔離放大器既可用于模擬信號的輸入通道 ， 也可用于模擬信號的輸出通道以便使計算機和被控對象實現(xiàn)隔離 。 片式二極管 片式二極管的外型如圖 1殼一般為黑色，內部為 據外型可分為圓柱形片式二極管 (見圖 1a)和矩形片式二極管 (見圖 1b)，它們都沒有引線，其兩個端面就為正、負極。其中標有白色豎條的一端為負極，另一端則為正極。 圖 1片式二極管的外形 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 自動測試系統(tǒng)指采用計算機控制，能自動完成激勵、測量數(shù)據并顯示或輸出測試結果的一類系統(tǒng)的統(tǒng)稱。這類系統(tǒng)通常在標準的測控系統(tǒng)或儀器總線（ 基礎上組建而形成的，具有高速度、高精度、多功能、多參數(shù)和寬測量范圍等許多特點。本節(jié)主要介紹自動測試系統(tǒng)的發(fā)展概況、組成和總線。 快恢復二極管 1. 快恢復二極管的特點 快恢復二極管的結構與普通二極管不同，它不是一個單一的 是在 型硅材料中間增加了一個基區(qū) I，構成 種結構的二極管，由于基區(qū)很薄、反向恢復電荷很少、故使該種二極管的反向恢復時間大為減少，其值一般為幾百納米以下。同時使它的正向壓降較低，而使反向峰值電壓得到提高，其值可達幾千伏。 快恢復二極管 (優(yōu)點是反向恢復時間短、開關特性好、體積小。廣泛用于脈寬調制器、不間斷電源、開關電源、變頻調速器等電路中，作為高頻大電流整流、續(xù)流二極管應用。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 自動測試系統(tǒng)的發(fā)展概況 自動測試系統(tǒng)的研制源于 20世紀 50年代中期美國的軍事需要 ， 其發(fā)展經歷了專用型向通用型發(fā)展的過程 ， 近年來 ， 則著眼于建立整個自動測試系統(tǒng)體系結構 ， 同時注重 以及人工智能在自動測試系統(tǒng)中的應用 。 目前 ， 大體上可分為三個階段 。 第一代自動測試系統(tǒng)是針對具體測試任務而研制的 ， 多為專用型 。 主要用于以下場合 。 （ 1） 工作量大的重復性測試 。 （ 2） 快速測試 。 自動測試系統(tǒng) 快恢復二極管的內部結構和外形如圖 1內部結構可分為單管和對管兩種，在對管內部有兩只快恢復二極管，由于這兩只管子的接法不同，又可分為共陰對管和共陽對管。 圖 1快恢復二極管的內部結構和外形 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 3） 高可靠性測試 。 （ 4） 惡劣環(huán)境測試 。 各式各樣針對特定測試對象的智能檢測儀就是其中的典型例子，目前仍在應用。近十多年來，隨著計算機技術的發(fā)展，特別是隨著單片機與嵌入式系統(tǒng)應用技術以及能支持第一代自動測試系統(tǒng)快速組成的計算機總線（如 術的飛速發(fā)展，這類自動測試系統(tǒng)已具有新的測試思路，研制策略和技術支持。第一代自動測試系統(tǒng)是從人工測試向自動測試邁出的第一步，是本質上的進步，它在測試功能、性能、測試速度和效率，以及使用方便等方面明顯優(yōu)于人工測試，使用這類系統(tǒng)能夠完成一些人工測試無法完成的任務。 2. 快恢復二極管的檢測 將萬用表置于 R 1快恢復二極管的正、反電阻值，正向電阻值一般為幾歐姆，反向電阻值為 ，如果測得的阻值為或 0，則表明被測管損壞。對管的檢測方法與上述方法基本相同，但必須首先確定其共用端是哪個引腳，然后再用上述方法對各個二極管進行檢測。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 第一代自動測試系統(tǒng)的缺點突出表現(xiàn)在接口及標準化方面。在組建這類系統(tǒng)時，設計者要自行解決系統(tǒng)中儀器與儀器，儀器與計算機之間的接口問題。當系統(tǒng)比較復雜時，研制工作量很大，組建系統(tǒng)的時間增長，研制費用增加。而且，由于這類系統(tǒng)是針對特定的被測對象而研制的，系統(tǒng)的適應性不強，改變測試內容往往需要重新設計電路，根本的原因是其接口不具備通用性。由于在這類系統(tǒng)的研制過程中，接口設計、儀器 /設備選擇等方面的工作都是由系統(tǒng)的研制者各自單獨進行的，系統(tǒng)設計者并未充分考慮所選儀器 /設備的復用性、通用性和互換性問題，由此帶來的問題是： 3. 快恢復二極管的選用與使用 快恢復二極管廣泛應用于不間斷電源、開關電源、交流電動機的變頻調速器、脈寬調制器等電路中，作高頻、高壓、大電流整流、續(xù)流二極管用。具體選用時應根據具體電路的要求，選擇合適參數(shù)的管子。 在選用時如果單管的參數(shù)不能滿足要求而對管能滿足要求時，則可把對管當作單管使用。在使用對管中如有一只管子損壞，則可作單管使用。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 1） 若復雜的被測對象 （ 如一架飛機 ） 的所有功能 、 性能測試全部采用專用型自動測試系統(tǒng) ， 則所需要的自動測試系統(tǒng)數(shù)目巨大 ， 費用十分高昂 。 更為嚴重的是 ， 這會使該被測對象的保障設備的機動能力降低 。 （ 2）由于這類專用系統(tǒng)中，儀器 /設備的可復用性差，一旦其被測對象退役，為其服務的一大批專用自動測試系統(tǒng)也隨之報廢，測試設備方面的浪費是驚人的。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 第二代自動測試系統(tǒng)結構為臺式儀器積木型 ， 是在標準的接口總線 （ 的基礎上 ， 以積木方式組建的系統(tǒng) 。 系統(tǒng)中的各個設備 （ 計算機 、 可程控儀器 、 可程控開關等 ） 均為臺式設備 ，每臺設備都配有符合接口標準的接口電路 。 組裝系統(tǒng)時 ,用標準的接口總線電纜將系統(tǒng)所含的各臺設備連在一起構成系統(tǒng)來用 , 系統(tǒng)的各臺設備也可作為獨立的儀器使用 。 應用一些基本的通用智能儀器可以在不同時期 ,針對不同的要求 ,靈活地組建不同的自動測試系統(tǒng) 。 目前 ,組建這類自動測試系統(tǒng)普遍采用的接口總線為可程控儀器的通用接口總線 ,在美國也稱此總線為 在歐洲 、 日本常稱之為 25。 在我國 ， 人們常稱之為 88， 并已公布了相應的國家標準（ 。 采用 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 學研究或武器裝備研制等過程中的各個實驗 、 驗證測試 ， 已廣泛應用于工業(yè) 、 交通 、 通信 、 航空航天 、 核設備研制等多種領域 。 基于 （ 1） 總線的傳輸速率不夠高 （ 最大傳輸速率為 1MB/s） ， 很難以此總線為基礎組建高速 、 大數(shù)據吞吐量的自動測試系統(tǒng) 。 （ 2） 由于這類系統(tǒng)是由一些獨立的臺式儀器用 系統(tǒng)中的每臺儀器都有自己的機箱 、 電源 、 顯示面板、 控制開關等 ， 從系統(tǒng)角度看 ， 這些機箱 、 電源 、 顯示面板 、 開關大部分都是重復配置的 ， 它阻礙了系統(tǒng)的體積 、 重量的進一步降低 ， 這說明 ， 以 按積木方式難以組建體積小、 重量輕的自動測試系統(tǒng) 。 對于某些應用場合 ， 特別是對體積 、重量方面的要求很高的軍事領域 ， 已不能適應 。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 第三代自動測試系統(tǒng)是基于 要由模塊化的儀器 /設備所組成的自動測試系統(tǒng)。 線是 算機總線向儀器 /測試領域的擴展，具有高達 40MB/線是 線（其中的 儀器 /測量領域的擴展，其數(shù)據傳輸速率約為 132MB/s 264MB/s。以這兩種總線為基礎，可組建高速、大數(shù)據吞吐量的自動測試系統(tǒng)。在 線機箱中，儀器的顯示面板及操作，用統(tǒng)一的計算機顯示屏以軟面板（ 形式來實現(xiàn)，從而避免了系統(tǒng)中各儀器在機箱、電源、面板、開關 等方面的重復配置，大大降低了整個系統(tǒng)的體積、重量，并能在一定程度上節(jié)約成本。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 基于 模塊化儀器 /設備組成的自動測試系統(tǒng)具有數(shù)據傳輸速率高、數(shù)據吞吐量大、體積小、重量輕，系統(tǒng)組建靈活，擴展容易，資源復用性好，標準化程度高等眾多優(yōu)點，是當前先進的自動測試系統(tǒng)，特別是軍用自動測試系統(tǒng)的主流組建方案。在組建這類系統(tǒng)中， 其軟件標準，一些以貨架產品（ 式提供的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境（ 研制測試軟件可采用的基本軟件開發(fā)工具。目前，尚有一部分儀器不能以 線模塊的形式提供，因此，在以 可以用 活連接所用的 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 自動測試系統(tǒng)的組成 自動測試系統(tǒng) （ 一般由三大部分組成 。 即：自動測試設備 （、 測試程序集 （ 和 自動測試設備 （ 是指用來完成測試任務的全部硬件和相應的操作軟件 。 由五部分組成 。 （ 1） 測試控制器 。 測試控制器是自動測試系統(tǒng)的核心 ， 根據測試任務的需要 ， 測試控制器可選用通用微型 /小型計算機 、 高性能工作站或專用計算機 ， 同時配備必要的磁盤驅動器 、 鍵盤 、 打印機等外部設備測試軟件在測試控制器上運行 ， 實現(xiàn)對測試過程的控制 。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 2） 操作系統(tǒng)軟件 。 操作系統(tǒng)軟件要和測試控制器相對應并支持測試控制器的工作 。 （ 3） 測試儀器資源 。 測試儀器資源包括：信號檢測資源 、 激勵資源 、 電源系統(tǒng)和模擬負載 。 信號檢測資源由各種程控測試測量儀器組成 ， 用于采集各種測試信號 ， 如萬用表 、 頻率計 、 示波器 、 頻譜分析儀等 。 激勵資源為被測單元工作提供必要的測試激勵信號 ， 如函數(shù)發(fā)生器 、 D/ 電源系統(tǒng)為被測單元工作提供各種交 /直流電源 。 隨著被測單元中廣泛采用高速數(shù)字電路 ， 由多路可編程高速數(shù)字 I/ 模擬負載的作用是模擬被測單元實際的運行環(huán)境并為被測單元提供相應的負載效應 。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 4）開關系統(tǒng)。開關系統(tǒng)在自動測試系統(tǒng)中實現(xiàn)被測單元接口和測試資源間的連接與通道切換。借助開關系統(tǒng)，自動測試系統(tǒng)設計者可以充分利用有限的測試資源滿足被測單元測試信號完備性需求，降低整個測試系統(tǒng)的成本。目前可選的程控開關種類繁多，可以適用于從直流信號、交流信號到射頻信號，甚至光信號的通道路由需要。測試儀器通過開關系統(tǒng)的連接，可以方便地實現(xiàn)自動測試設備（ 測功能。經過開關系統(tǒng)級聯(lián)，還能夠實現(xiàn)測試系統(tǒng)的擴展和重新配置。 （ 5）信號接口裝置。由于被測設備的輸入 /輸出接口類型和信號定義各式各樣，要實現(xiàn)自動測試設備與被測單元間的規(guī)范、快速物理連接，必須經過信號接口裝置。接口裝置包括： 與被測單元配套的測試夾具（ 如測試接口適配器、被測單元連接固定裝置及各種測試電纜等。由 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 于每個被測對象 有著不用的連接要求和輸入端口 ， 因此 稱為接口適配器 ， 它完成 可靠的連接 ， 并且為 。 測試程序集 （ 是與被測對象及其測試要求密切相關的 。 典型的測試程序集由兩部分組成 ， 即： （ 1） 測試程序軟件 。 （ 2） 被測對象測試所需的各種文件 。 測試軟件通常用標準測試語言如 對有些 其測試軟件是直接用通用計算機語言如 C， 控制 測量儀器 、 電源及開關組件等 ， 將激勵信號加到需要加入的地方 ， 并且在合適的點測量被測對象的相應信號 ， 然后再由測試軟件來分析測量結果并 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 確定可能是故障的事件 ， 進而提示維修人員剔掉或更換某一個或幾個部件 。 測試程序集軟件開發(fā)工具指開發(fā)測試軟件要求一系列的工具統(tǒng)稱 ， 有時也被稱為 它可包括： （ 1） （ 2） （ 3） 編程工具 ， 如各種編譯器等 。 不同的自動測試系統(tǒng)所能提供的測試程序集軟件開發(fā)工具有所不同 。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 性能良好的自動測試系統(tǒng)具有高速度 、 高精度 、 多功能 、 多參數(shù)和寬測量范圍等許多特點 ， 目前由于受到各行業(yè)強有力的需求牽引 ， 近十多年來自動測試系統(tǒng)和自動測試設備技術發(fā)展十分迅速 。 總的說來 ， 自動測試系統(tǒng)主要應用于如下場合 。 （ 1） 高速 、 高效率的功能 、 性能測試 。 對于那些大批量生產并且測試項目多而且復雜的電子產品 （ 如大規(guī)模集成電路 、 大批量生產的印制電路板或電路組件等 ） ， 以往的人工手動檢測已經不能適應 ， 必須采用相應的自動測試系統(tǒng) 。 （ 2） 快速檢測 、 診斷 /維護 ， 提高裝備的機動性 。 現(xiàn)代飛機 、導彈 、 武器系統(tǒng)等都是十分復雜的系統(tǒng) 。 飛機在飛行前和飛行后， 導彈 、 魚雷等武器在發(fā)射前 ， 都需要快速檢測與診斷 ， 遇有故障則迅速定位與排除 。 為達到此目的 ， 沒有先進的自動測試系統(tǒng)支持是根本不行的 。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 3） 高檔復雜設備的綜合檢測及過程監(jiān)視 。 現(xiàn)代飛機 ， 甚至它的子系統(tǒng)都是十分復雜的系統(tǒng) ， 在飛機設計過程中 ， 需要用一些自動測試系統(tǒng)來支持設計驗證；在飛機生產 /裝配過程中 ， 自動測試系統(tǒng)用來對并行作業(yè)的各個子系統(tǒng)的生產 /裝配過程進行測試和監(jiān)視 ， 實施協(xié)調和管理 。 軍用高檔設備研制過程中 ， 環(huán)境試驗是一項困難 、 費時 、 費力的任務 ， 其主要目的是分辨或替代那些不能承受惡劣環(huán)境條件的部件 。 由于處在環(huán)境試驗中的被測對象復雜而貴重 ， 測試項目多 ， 而且要求在給定的很短時間內完成 ，這類測試任務也必須采用相應的自動測試系統(tǒng)才能完成 。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 總線是一組信號線的集合 ， 一個自動測試系統(tǒng)中控制器與儀器模塊之間 、 各個測試儀器模塊間 、 系統(tǒng)與系統(tǒng)之間等都存在總線 ， 總線是一種系統(tǒng)中各功能部件之間進行信息傳輸?shù)墓餐ǖ?， 總線技術是自動測試系統(tǒng)的核心 。 一個測試總線要成為一種標準總線 ， 使不同廠商生產的儀器器件都能掛在這條總線上 ， 可互換與組合 ， 并能維持正常的工作 ， 就要對這種總線進行周密的設計和嚴格的規(guī)定 ， 也就是制定詳細的總線規(guī)范 。各生產廠商只要按照總線規(guī)范去設計和生產自己的產品 ， 就能掛在這樣的標準總線上運行 ， 這既方便了廠家生產 ， 也為用戶組裝自己的自動測試系統(tǒng)帶來靈活性和便利性 。 無論哪種標準總線規(guī)范 ， 一般都應包括以下三方面的內容 : 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 1） 機械結構規(guī)范 規(guī)定總線擴展槽的各種尺寸 ， 規(guī)定模塊插卡的各種尺寸和邊沿連接器的規(guī)格及位置 。 （ 2） 電氣規(guī)范 規(guī)定信號的高低電平 、 信號動態(tài)轉換時間 、 負載能力及最大額定值等 。 （ 3） 功能結構規(guī)范 規(guī)定總線上每條信號的名稱和功能、相互作用的協(xié)議及其功能結構，是總線的核心。通常以時序和狀態(tài)來描述信息交換、流向和管理規(guī)則。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 總線功能結構規(guī)范包括： 數(shù)據線 、 地址線 、 讀 /寫控制邏輯線 、 模塊識別線 、 時鐘同步線 、 觸發(fā)線和電源 /地線等 。 中斷機制 ， 其關鍵參數(shù)是中斷線數(shù)量 、 直接中斷能力 、 中斷類型等 。 總線主控仲裁 。 應用邏輯 ， 如掛鉤聯(lián)絡線 、 復位 、 自啟動 、 狀態(tài)維護等 。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 自動測試系統(tǒng) 總線的主要功能是完成模塊間或系統(tǒng)間的通信 。 因此 ， 總線能否保證其間的通信順暢是衡量總線性能的關鍵因素 。 總線的一個信息傳輸過程可分為：請求總線 、 總線裁決 、 尋址目的地址 、 信息傳送 、 錯誤檢測幾個階段 。 不同總線在各階段所采用的處理方法各異 。 其中 ， 信息傳送是影響總線通信順暢的關鍵因素 。 總線的主要功能指標如下 : （ 1） 總線寬度 總線寬度主要是指數(shù)據總線的寬度，以位數(shù)（ 單位。如 16位總線、 32位總線，指的是總線具有 16位數(shù)據和 32位數(shù)據的傳送能力。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 2） 尋址能力 尋址能力主要是指地址總線的位數(shù)及所能直接尋址的存儲器空間的大小 。 一般來說 ， 地址線位數(shù)越多 ， 所能尋址的地址空間越大 。（ 3） 總線頻率總線周期是微處理器完成一步完整操作的最小時間單位 。 總線頻率就是總線周期的倒數(shù) ， 它是總線工作速度的一個重要參數(shù) 。 工作頻率越高 ， 傳輸速度越快 。 通常用 （ 4） 傳輸率 總線傳輸率是指在某種數(shù)據傳輸方式下 ， 總線所能達到的數(shù)據傳輸速率 ， 即每秒傳送字節(jié)數(shù) ， 單位為 MB/s， 總線傳輸率 Q W F/N 式中 ， 以字節(jié)為單位； 以 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 5） 總線的定時協(xié)議 在總線上進行信息傳送 ， 必須遵守定時規(guī)則 ， 以使源與目的同步。 定時協(xié)議主要有以下幾種 。 同步總線定時 信息傳送由公共時鐘控制 ， 公共時鐘連接到所有模塊 ， 所有操作都是在公共時鐘的固定時間發(fā)生 ， 不依賴于源或目的 。 異步總線定時 異步總線定時是指一個信號出現(xiàn)在總線上的時刻取決于前一個信號的出現(xiàn) ， 即信號的改變是順序發(fā)生的 ， 且每一操作由源或目的的特定跳變所確定 。 半同步總線定時 半同步總線定時是前兩種總線掛鉤方式的混合 。 它在操作之間的時間間隔可以變化 ， 但僅能為公共時鐘周期的整數(shù)倍 。 半同步總線具有同步總線的速度以及異步總線的通用性 。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) （ 6） 負載能力 負載能力是指總線上所有能掛連的器件個數(shù) 。 由于總線上只有擴展槽能提供給用戶使用 ， 故負載能力一般是指總線上的擴展槽個數(shù) ， 即可以連到總線上的擴展電路板的個數(shù) 。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 我們根據每種測試總線在一個 可把它歸納成三種類型的總線 ， 即控制總線 、 系統(tǒng)總線和通信接口總線 。 控制總線是一種流行的微型計算機總線 ,由微處理器 （ 主總線 （ 和數(shù)據傳輸總線 （ 所組成 ,目前 ， 在測試總線中常見的控制總線有 和 總線 。 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 系統(tǒng)總線又稱內總線 。 這是指模塊式儀器機箱內的底板總線 ，用來實現(xiàn)系統(tǒng)機箱中各個功能模塊之間的互聯(lián) ， 并構成一個自動化測試系統(tǒng) 。 系統(tǒng)總線包括計算機局部總線 、 觸發(fā)總線 、 時鐘和同步總線 、 儀器模塊公用總線 、 模塊識別總線和模塊間的接地總線 。 選擇一個標準化的系統(tǒng)總線 ， 并通過適當?shù)剡x擇各種儀器模塊來組建一個符合要求的自動化測試系統(tǒng) ， 可使得開放型互聯(lián)模塊式儀器在機械 、 電子 、功能上兼容 ， 以保證各種命令和測試數(shù)據在測試系統(tǒng)中準確無誤地傳遞 。 目前 ， 較普遍采用的標準化系統(tǒng)總線有 第 8章 智能儀器與自動測試系統(tǒng) 通信接口總線又稱為外總線 。 它用于系統(tǒng)控制計算機與掛在系統(tǒng)內總線上的模塊儀器卡之間 ， 或系統(tǒng)控制器與臺式儀器間的通信通道 。 外總線的數(shù)據傳輸方式可以是并行的 （ 如 ， 或是串行的 （ 如 。 并行接口總線采用相同的數(shù)據傳輸方式 ， 有多條數(shù)據線 、 地址線和控制線 ， 因此傳輸速度快 ， 但并行總線的長度不能過長 ， 這就要求采用并行外總線的系統(tǒng)必須與控制器相連 ;串行接口總線采用數(shù)據串行傳輸方式 ， 數(shù)據按位的順序依次傳輸 ， 因此數(shù)據總線的線數(shù)較少 ， 僅有 2 4線 ， 總線的地址和控制功能多是通過通信協(xié)議軟件來實現(xiàn)的 。 串行外總線