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1、,自动测试技术,西安电子科技大学机电工程学院,测控工程与仪器系 贺华,Automatic Test Technology,老师联系方式电话：邮箱:,西安电子科技大学机电工程学院,自动测试技术课程的教学目标与任务:为测控技术与仪器专业技术类课程中的专业必修课，是为了提高学生在计算机测控系统设计和智能化仪器仪表设计方面的能力而设置的。课程主要介绍了常用的自动测试技术，自动测试系统的组成和设计方法，使学生熟悉和掌握构成自动测试系统常用的设计方法，具备较全面的自动测试系统分析、设计能力。为今后从事测控技术和智能化仪器仪表方面的销售、运维和研发打下较好的基础。,课程背景,教学目标本课程与其他课程的联系与
2、分工:自动测试技术课程综合性、应用性强，是测控技术与仪器专业的专业主干课程之一，涉及到C语言程序设计、数字电路与逻辑设计、微机原理与系统设计、单片机原理与程序设计、电子测量技术等基础课专业课的相关知识，要求在先修课程中要能基本具备数字电路的设计、微机原理与接口、单片机原理与程序设计等能力。同时本课程也为“虚拟仪器设计”课程的学习建立基本概念。,课程背景,教材：,课程背景,网上学习平台：访问 中的栏目”教育教学”-“精品课程”，,课程背景,课程背景,课程背景,课程背景,课程背景,课程背景,参考书：,课程背景,参考书：,课程背景,参考书：,课程背景,第1章 概 论,自动测试技术,1.1 测试系统的
3、组成和特性 1.2 基本测试技术的分类 1.3 测试技术的自动化 1.4 自动测试技术的发展 1.5 自动测试系统的特点,自动测试技术,第1章 概 论,1.1 测试系统的组成和特征,一、测试的概念,测试：泛指生产和科学实验中经常进行的满足一定准确度要求的试验性测量过程。人们通过测试可以取得研究对象的有关信息，能够正确地了解被测物理对象的量值或特性。,测试技术：研究和探索对各种被测对象实现试验性测量过程的途径和方法。事实上，凡是需要研究某种客观事物和现象时，在要希望弄清被研究对象的状态、变化和特性并对其进行一定的定量描述和定性说明时都离不开测试技术。,二、测试系统的组成,一个典型的传统测试系统一
4、般由哪几部分组成？,一个典型的传统测试系统常由实验装置、测试部件、数据处理和输出设备等几部分组成。,测量部分,（激励装置）,（结果表达）,我们的测试工作就是要根据不同的测试对象，选择适当的传感器，设计或选择有效而准确的中间变换电路、测量仪器和信号处理部件，以最方便、科学的形式把测试结果显示出来。,三、测试系统的特性描述,测试系统特性描述分系统质量指标、系统的静态特性和系统动态特性三个方面。,一个测试系统的性能常用以下几种质量指标来描述：（）准确度。测试系统的准确度（或称精度）用来表示测试结果值与被测量真值的一致程度，它的定义方法与电子测量是一致的。准确度往往可用测量误差的大小来表示。（）分辨率
5、。指测试系统能检测到的输入信号的最小变化的能力，可用数值量或灵敏量程的百分数来表示。（）测试范围。指系统中测量电路或仪器能够正常工作的被测量的量值范围。在讨论测试范围时必须注意系统的工作频率范围。,1、测试系统的质量指标,如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化，则称为静态测试。静态测试时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。在静态测试中，系统的输入输出关系与时间无关。理想系统的静态特性可用如下表达式表示：y=ax+b（0-1）由于系统实际情况并非如（0-1）式表示的那样理想，因此系统的静态特性可以用直线性、灵敏度、滞后量（差）等参数来描述。,2、测试系统的静态特性描述,（）直
6、线性它一般指系统的输入输出关系接近理想线性关系的程度。理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系最佳。,非线性度：标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。若在标称（全量程）输出范围A内，标定曲线偏离拟合直线的最大偏差为B，则定义非线性度为 非线性度=B/A100%,拟合直线该如何确定，目前国内外还无统一的标准。较常用的是最小二乘法。,用测试系统的输入与输出信号的变化之比来表示。,（）灵敏度它用来表示测试系统的输入输出之间量值比例的对应关系。常用两种表示方法：,例如，某温度测试系统
7、，每当被测温度变化1时，系统输出电压变化100mV，则可知系统的灵敏度为100mV。,灵敏度(s)输出信号变化量输入信号变化量(0-2),例如，用示波器观测信号时，输入信号为3.2V,在示波器屏幕上显示的波形偏转了6.4div,这时示波器的偏转灵敏度为0.5V/div。在这种情况下，测试另一个信号，显示了5div，按0.5V/div灵敏度计，就可估算出该信号为2.5V。这种定义方法所得结果与第一种恰好是互为倒数，因此有时也称为“传输因数”（r）。由于它与电流表灵敏度的估算方法是一致的，将它称为“测试灵敏度”比较容易理解，用起来也方便，人们也就直呼它为仪器的测试灵敏度了。,有时为了理解方便，灵敏
8、度也可用测试系统或仪表的输出指示刻度每变化一分度所对应的输入信号变化量来表示。,灵敏度（s）输入信号的变化量输出指示刻度的变化量（0-3）,灵敏度的量纲由输入和输出的量纲决定。应该注意的是，装置的灵敏度越高，就越容易受外界干扰的影响，即装置的稳定性越差。,滞后量也称滞后差，表示系统的输入信号有正反方向变化时，测试系统的输出呈现的非重合结果误差。在整个测试范围内，当系统输入发生相反方向变化时，在同一个输入点上输出非重合的最大差值称为系统的滞后量。,（3）滞后量,传感器的滞后误差表明传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程期间输出-输入曲线不重合的程序，也就是说，对应于同一大小的输入信号，传
9、感器正、反行程的输出信号大小不相等。滞后误差是传感器、测量装置和仪器的一个性能指标，它反映了传感器的机械部分和结构材料方面不可避免的弱点，如轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适当、螺钉松动、元件磨蚀或碎裂以及材料的内摩擦。滞后误差大小一般由实验确定。,（3）滞后量,灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。,（4）静态响应特性的其他描述,3、测试系统的动态特性描述,在对动态物理量（如机械振动的波形）进行测试时，测试装置的输出变化是否能真实地反映输入变化，取决于测试装置的
10、动态响应特性。系统的动态响应特性一般通过描述系统传递函数、频率响应函数等数学模型来进行研究。,系统的动态特性反映了系统对被测时间信号的响应能力，一般用系统的传递函数来表示。,H（s）=(bmsm+bm-1sm-1+b1s1+b0)/(ansn+an-1sn-1+a1s1+a0),在实际中，稳态系统的动态特性常用幅频特性（即波特图）来表示，而对暂态系统则要用系统的暂态响应函数来表示。常见的多为一阶或二阶系统。,1.2 基本测试技术的分类,一、频域测试（稳态测试）,频域测试是从频率组成和频率响应特性的角度来分析被测信号或系统特征的。,对一个具体的测试过程来讲，被测对象不同，测试方法也各不相同。归纳
11、起来基本测试技术可分频域测试、时域测试、数据域测试和统计域测试四类。,在这种情况下，可以不考虑时间因素，整个测试过程与时间无关，也即这种测试过程是在被测对象处于稳态的情况下进行的。由此，频域测试又称为稳态测试。,常见的频域测试有网络分析和信号频谱分析两种情况。,网络分析用于研究一个被测系统的频率响应特性，以便判别该系统的性能。常用正弦信号作为激励测试信号，在所关心的频率范围内测出被测网络的频率响应特性。根据测试结果，再分析它与测试信号的关系，求得被测网络系统的传递函数。在自动网络分析仪中还可根据传递函数的幅频相频特性进一步推算出最大传递系数、中心频率、-3 dB带宽、-20 dB带宽、阻带抑制
12、比以及群延迟时间及其波动等网络参数。,信号的频谱分析是频域测试的另一个内容。它用于研究被测信号的频率组成和它的分布，从而可以判断被测信号的性质或态势。实现信号频谱分析的方法有多滤波器实时分析法和超外差式扫频频谱分析法两种。在自动频谱分析仪中常采用后一种方法。,二、时域测试（脉冲测试、瞬态测试）,时域测试也称脉冲测试，用于实现对信号波形的观测和对系统瞬态特性的研究，观测被测信号的时间变化过程。因此，时域测试也可称作瞬态测试。常见的时域测试仪器有示波器、波形记录仪、存贮示波器等。,事实上，时域测试和频域测试是研究同一过程的两种方法，它们是可以互译的。在现代自动测试仪器中，可以通过一定的算法直接将时
13、域测试结果推演出频谱分析的结论来。,三、统计域测试,在近代测试技术中，许多研究对象具有不确定性，常称随机信号，统计测试是研究这种随机信号的重要方法。它包括以下三个方面：,(1)对各种不确定信号的统计特性进行测量。,(2)用具有特定统计规律的随机信号作测试激励信号，通过对系统响应的统计测试，实现对被测系统的统计特性研究。,(3)用于实现对被噪声污染的信号进行精确的检测。,我们知道，描述随机过程统计特性的主要参数有以下几种：,实际统计测试过程中求平均的时间总是有限的，因此只能测得以上参数的估算值，会给测试结果带来误差。而且，由于测试对象是随机的，故统计特性的估值误差也是随机的。按统计误差理论分析，
14、如果被测随机过程是正态分布的，则在所有可能的测试结果中有68的测量误差将小于一个值；95的测量误差总是小于2。显然，测量次数愈多，随机误差就愈小。,随机测试技术所用激励信号有两种形式，在进行系统的动态测试或对系统工作性能进行估测时，常用白噪声作测试信号。统计测试还可用伪随机信号作测试信号。它是一组由计算机直接产生的二进制数字序列，具有与随机信号一样的频谱和高斯概率分布特性，只要将统计测试的时间间隔取值为测试信号周期的整数倍，则测试结果不会出现统计误差。因此它在近代测试技术中被广泛采用。,四、数据域测试,在数字技术和计算机技术设备中都是以数字信号来传递和处理信息的。在它们的设计、调试以及一旦出现
15、故障而必须开机检查时，人们所感兴趣和关心的是如何获取各种必要的数字信息(地址信息、数据信息和各种控制信息)，希望在观测这些信息的同时能完成故障的诊断和判别。,由于数字系统中的信号具有以下特征：(1)数字信号几乎都是多位传输且用逻辑状态0，1来表示其每位信息特征的，它与信号波形本身的形状关系不大；(2)大部分数字信号是非周期性的，许多情况下仅发生一次；(3)需要测试或检查的错误信息常混杂在正常的数据流中，所以，对数据域测试仪器提出了特殊的要求。在这种情况下，一般传统测试仪器已无法胜任了，于是逻辑分析仪、功能自动测试诊断仪等数字测试仪器就应运而生。,1.3 测试技术的自动化,在大规模生产和科学研究
16、中，要求测试的项目和研究的问题也愈来愈多和复杂，不但工作量大，而且要求高，还常伴随着大量的数据处理和统计运算的工作。在这种情况下，靠人工或功能简单的仪器测试已经无法适应这种形势的发展了，自然提出了测试技术的自动化问题。计算机技术、实时采样技术、频率合成技术的发展和成熟给自动测验技术奠定了良好的基础。近代检测技术、传感器技术、显示技术、数据传输和处理技术以及大规模集成电路技术的发展，尤其是单片计算机技术和计算机科学的飞速发展和成就，为测试技术的自动化提供了必要的技术条件和手段。,一、自动测试系统的组成,自动测试：就是对研究对象的整个测试过程包括数据采集、数据分析处理以及测试结果的显示输出等等都是
17、在计算机统一控制下自动完成的。,自动测试系统：实现某种测试任务的自动测试设备的总体就称为“自动测试系统”，简称ATS(Automated Test System)。,二、自动测试系统的工作模式,实际上，自动测试系统是自动测试技术设备的总体概念，它包括硬设备和软设备，系统也可大可小。小的自动测试系统可以仅由一台智能测试仪器组成，它可以通过标准接口与其它测试设备进行联接。大的系统可以由一台计算机控制下的许多台自动测试仪器组成设备系统。不论哪种情况，自动测试系统的工作模式都是大体相同的，这就是：,(1)用传感器将电的或非电的被测物理量变换成电量或电信号，进而进行必要的放大和预处理，使之达到自动测试仪
18、器所能接受的水平。(2)实现对被测信号的自动采集和数据处理。(3)按规定的方式对测试结果作出必要的判别和反馈，并能将测试结果自动显示出来，有的仪器还能自报结果。(4)系统具有必要的自检能力。(5）有标准接口，可随时参与组建成规模更大的测试系统。,自动测试技术与仪器设计就是要研究可以实现自动测试任务的各种测量技术和自动测试仪器及其系统的设计和组建方法。,1.4 自动测试技术的发展,自动测试技术创始于1950年代。有一个研究计划，它的最终目标是不必依靠任何有关的测试技术文件，由非熟练人员上机进行几乎是全自动的操作，以电子计算机的速度完成各种必要的测试项目。通过灵活的程序编制，也可以适应任何其它具体
19、的测试问题。在当时条件下该计划虽然花费了可观的经费，最终也远没有达到预期的目标。但是，自动测试技术的思想却很快为广大测试技术工作者所接受。不久，这项技术就获得了惊人的发展。,从自动测试技术发展过程看，从1950年代至今大致经历了以下几个发展阶段。,第一代自动测试系统（1950年代-70年代初）第一代自动测试系统多为专用系统，通常是针对某项具体任务而设计的。如数据自动采集和自动分析，只能用于大量的要求重复、快速、高可靠和对人员健康有害又难于接近的测试场合。其结构特点是采用比较简单的定时器或扫描器作为控制器，其接口也是专用的。因此，第一代测试系统通用性比较差。,第二代自动测试系统（1970年代初出
20、现）第二代自动测试系统典型方块图如下图所示。,与第一代自动测试系统的主要不同在于：采用了标准化的通用可程控测量仪器接口总线(IEEE 488)及可程序控制的仪器和测控计算机(控制器)，从而使得自动测试系统的设计、使用和组装都比较容易。,第二代自动测试系统，一般由四部分组成：第一是微机或微处理器，它是整个系统的核心；第二是被控制的测量仪器或设备，称为可程控仪器；第三是接口；第四是软件。,(一)微机(或微处理器)这是整个系统的核心。在软件控制下，微机控制够个自动测试系统正常运转，并对测量数据进行某种方式的处理，如计算、变换、数据处理、误差分析等；最后将测量结果通过打印机、显示器、磁盘磁卡或电表、数
21、码显示等方式输出。,(二)可程控仪器或设备 在自动测试过程中，测量仪器或设备的工作，如测量功能、工作频段、输出电平、量程等的选择和调节都是由微机所发控制指令的控制下完成的。这种能接受程序控制并据之改变内部电路工作状态，以及完成特定任务的测量仪器称为仪器的可程序控制，简称可程控，或称程控仪器。显然程控仪器是组成自动测试系统的基本部分。,(三)接 口 一个自动测试系统中，各仪器和设备之间的接口的总体称为该自动测试系统的接口系统。显然，接口系统是自动测试系统达到自动测试目的，使自动测试系统各仪器和设备之间进行有效通信的重要环节。60年代中期以前，接口是专用的和非标准化的，即是专门为某一自动测试系统而
22、设计制造的，设计和制造不具有重复性。,接口的主要任务是在下列方面提供仪器与计算机连接需要的兼容。机械兼容 对接口的最简单的要求是提供机械兼容，就是要有适当的连接器和它们之间的连线。电磁兼容 接口的第二种作用是使计算机和探器之间有适配的电器特性即在逻辑电平方面要相符合。数据兼容 一旦接口已使计算机和仪器实现了机械和电器兼备它们就能通过数据线交换电信号信息，但需要某种格式翻译，有种种编程能力的计算机通常能执行这种功能，考虑到速度，往往把这个任务交给接口完成。,第三代自动测试系统智能仪器仪表（1980年代初出现）随着微电子技术的迅速发展，微处理器、单片计算机开始推广应用，人们开始用微处理器来设计仪器
23、仪表。由于微处理器和单片计算机具有强大的数据运算能力和数据处理能力，因此，这种新型的仪器无论在性能和综合测试能力方面都比传统仪器仪表强的多。有些用传统仪器无法测试的参数或需要人工计算才能得到结果，现在可以借助计算机的推演运算直接得到。因此人们常称这类新型仪表为“智能仪器”或“智能仪表”。这种仪器一般都配有标准接口，可以参与自动测试系统的组建。,智能仪器的一般结构：一、在物理结构上，微型计算机内含于测量仪器。微处理器及其支持部件是整个测试电路的一个组成部分，但是，从计算机的观点来看，测试电路与键盘、GPIB接口、显示器等部件一样，仅是计算机的一种外围设备。二、智能仪器的管理程序也称监控程序，分析
24、、接受、执行来自键盘或接口的命令，完成测试和数据处理等任务。软件存于ROM或EPROM。软件是智能仪器的灵魂。,图0-7示出了它的组成原理图，图中测量系统一般指信号放大器和调理器。ADC部件将被测模拟量转换成数字量。计算机将测量得到的数据经过必要的处理运算之后，就可以通过输出部件将结果显示出来。智能仪器的所有功能操作都是通过键盘实现的，这也是它区别于一般传统仪器的主要特点之一。近年来已有人将语音技术应用于智能仪器，实现了测试结果的自报。,智能仪器的特点（1）具有自动校准的功能；（2）具有强大的数据处理能力；（3）具有量程自动切换的功能；（4）具有操作面板和显示器；（5）具有修正误差的能力；（6
25、）有简单的报警功能。,第四代自动测试系统虚拟仪器（1980年代中后期出现）计算机技术的发展和普及，人们开始用PC机来开发新一代的自动测试系统，这就是个人仪器/PC测量系统（Personal Instrument/personal Instrumentation System）。也称“PC仪器”或“虚拟仪器”。,所谓的虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。“虚拟”的含义虚拟的仪器面板由软件实现仪器的测量功能（软件就是仪器）,PXI模块,VXI模块,用个人仪器组建的自动测试系统，可以去掉一些不必要的硬件，充分利用个
26、人计算机的软硬件资源。这种情况下，不同功能的仪器仅体现于测量模块及其软件的不同，仪器不再以传统的独立形态出现了，仪器效率极高。一台计算机只要配备相应的测量模板或扩展机箱，就可立即成为存贮示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、数字多用表、通用计数器、函数发生器或GPIB仪器控制器等等。因此个人仪器的开发是当代仪器技术的又一重大进步。,虚拟仪器技术降低了市场门栏 长期以来，我国仪器行业作出了巨大的努力，但始终没有能力与国外竞争。思考其中缘由，国外先进国家在长期的仪器发展中，形成了以知识产权为核心的技术壁垒，这个我们很难突破。也就是说，仪器市场准入门栏太高。虚拟仪器技术采用通用计算机平台，用软件算法代替硬
27、件实现仪器功能，这使得我们可以绕过复杂的工艺问题和传统仪器的知识产权，进入一个全新的市场，与国外公司在一个全新的领域，展开竞争。我国仪器行业应抓住现在的大好时机，大力发展虚拟仪器。就能够迅速缩短我们与发达国家的差距。,由于自动测试系统的各种自动测试工作都是在计算机控制与参与下自动完成的，因此这种测试有以下几点：(1)测试速度高。各种自动测试过程都是在计算机按事前编好的程序控制下自动进行的，其测试速度可比常规人工测试快50150倍。例如有一种变压器自动测试系统，可同时对七种不同对象的16种参数进行自动测试，整个工作在10秒钟内就可完成。又如有一种微波网络自动分析仪，每秒钟可以测量多达30个频率点
28、以上的数据，一般8小时的常规测量工作它只需35分钟就可完成。,1.5 自动测试系统的特点,（2）测试准确度高。自动测试系统可以自动调整自己的工作状态至最佳，并可以随时修正测量误差，测量速度又快，也避免了环境变化的影响，因此容易实现高精度测量。（3）测试功能多，能力强。多数自动测试仪器不但可以测试一些可测参数，而且还可以根据所测数据通过计算机运算推演出别的参数来。这样不仅减少了系统硬件的复杂性，而且使一些用常规手段难以得到的参数的测试成为可能。利用计算机还可实现对测试结果的自动分析、判断、甚至进行某种测量域的变换，极大地提高了测试域设置的灵活性。多数自动测试仪器都具有量程自动切换功能。由于某种特定的测量都是按同一程序进行的，因此可以用来完成某种高度重复性的测试工作。,（4）具有多样化的显示记录测试结果的方式。自动测试系统既可以给出测量的最终结果，又可以提供测量过程中的中间结果；可以用数字形式，也可以用曲线图表形式，还可以给出硬拷贝或打印绘制出来。（5）能自检、自校、自诊断。这也是自动测试仪器的独有特点。（6）操作简单、方便。测试过程中绝大部分高技术的工作都是由计算机自动完成的，因此它对实际操作人员的理论水平反而要求不高，仪器操作步骤十分简单。以上可见，自动测试技术是当代最新科学技术成果的结晶，它的发展和进步，必将给现代科学研究和技术带来巨大而深远的影响。,第一章结束同学们再见,
