优化自动化测试系统的测量精度的研究

引言

在测试测量应用中，工程师们经常会听到的一个术语就是测量精度。对于自动化测试系统而言，测量精度不仅是评估其性能的一个至关重要的参数，也是科学家们不断努力希望提高的一个指标。虽然它的重要性得到一致的认可，然而，很多人对它的真正定义却不甚清楚，通常会将测量的精度(Accuracy)和模数转换器的分辨率(Resolution)混为一谈。那什么才是精度的真正定义呢?有哪些因素会影响到系统的测量精度呢?对于客户而言，又该如何通过仪器的技术参数文档来解读正确的精度参数呢?

大家知道，所有的测量都是对"真实"值的大致估计，也就是说测量的数值总是和"真实"值有一定的误差，那么这样一个误差的大小就是通常所说的测量精度，它反映了测量仪器系统所能真实还原测量信号值的能力。测量误差的来源是多方面的，对于测量设备而言，除了ADC本身的各种误差因素外，前端的信号调理和整个板卡的布局都会影响到总的测量精度;此外，测量精度还受到众多外部因素的影响，如环境的噪声，工作温度等。因此，在评测一个仪器系统的测量精度时，除了ADC的位数，还应该考虑设备的绝对精度值(多种误差因素的综合值)，以及系统工作在真实环境中遇到的温度、噪声及其他外部因素的影响。

下面将会从仪器的技术参数入手，进一步分析影响测量精度的几个重要因素，最后以能够改善测量精度的校准服务结尾，帮助读者正确地去评估和最大程度地去优化这一重要的指标。

正确解读仪器的技术参数

正确解读仪器的技术参数是理解测量精度概念的最基本要素，由于不同仪器厂商在定义测量精度时所使用的术语不同，或者使用相似的术语表示不同的含义。因而，清楚地理解定义仪器特性时所涉及的所有参数是非常重要的。

先拿最常见的数据采集卡而言，许多客户会认为市面上12位分辨率的数据采集卡的精度都一样。这样的说法就完全混淆了分辨率和精度的概念，分辨率通常是指最大的信号经采样后可以被分成的最小部分，例如带12位模数转换器(ADC)的数据采集卡，它的最佳分辨率就是1/(2^12) = 1/4096，也就是说当输入电压范围为+/-10V(即Vpp=20V)时，它能分辨到的最小电压就是20V/4096=4.88mV。理论上，分辨率越高，分割信号的点就越密，从而还原出来的信号也就越真实、越平滑。而绝对精度的概念是指测量值和"真实"值之间的最大偏差的绝对值，在待测信号进入模数转换器之前，它还必须经过数据采集板卡上的多路选择器(MUX)，可编程增益放大器(Amplifier)等其他的器件。在这个过程中都可能引入随机噪声，随着时间、温度变化参考源所发生的漂移，以及增益前后引入的非线性误差等，综合之对测量结果产生的影响就是我们所说的绝对精度。

对于客户而言，除了ADC的位数，更重要的是要了解自己所购买的数据采集板卡的绝对精度指标，因为有时一块16位数据采集卡的精度可能还不如一块设计较好的12位数据采集卡的精度。如图1所示的技术参数表中就详细列出了像增益误差、偏移误差、不确定噪声等各种误差值以及综合之后的绝对精度值，提供给客户以完整的信息，确保最终测量的准确性。

图1：NI 628x数据采集板卡的绝对精度表

数字万用表(DMM)的参数指标又是不同的表示方法，业界通常使用位数来描述数字万用表的分辨率，因此客户也经常认为一个6½位数字万用表必定可以精确到6½位。然而情况却并非如此，这里的位数仅仅关系到仪器所显示的数字的位数，并不是输入信号的可分辨的最小变化。因此需要查验仪器的灵敏度和有效分辨率是否足够的高，以保证该仪器能够提供所需的测量分辨率。例如，一个6½位DMM能够表示1,999,999个计数的给定范围。但如果仪器测量的噪声的峰峰值为20个计数，这个时候可分辨的最小变化为0.52 x 20个计数(分辨率 = 高斯噪声的电压或计数×0.52)。因而，在实际存在噪声的情况下，该6½ 位DMM的真正有效位数(ENOD)为：

数字万用表的精度通常以±(ppm of reading + ppm of range)来表示。例如，如果将DMM设置到10V的范围用以测量一个7V的信号，并工作在23ºC ±5 ºC校准后的90天内，根据该DMM的参数表(见图2)所示，在这种情况下DMM的精度就是±(20 ppm of reading + 6 ppm of range)=±(20 ppm of 7 V + 6 ppm of 10 V) = 200 µV。

图2：NI DMM 4070直流电压的精度表

除了通常所了解的DMM的位数，用户更应该理解有效位数的概念和懂得如何去计算DMM的测量精度，这些指标对于保证DMM的测量效果是至关重要的。

正如上面所举的两个例子，通过了解自动化测试系统对测量精度与分辨率的需求，可以准确地评估仪器系统总的误差范围，并验证其是否符合测试的要求。而且，客户应主动咨询仪器厂商，以准确把握数据参数表中各个技术规范的含义和仪器的真正性能。

影响系统精度的几个重要因素

冷却和散热

影响设备精度的一大重要因素就是工作温度，因此，系统的冷却和散热就显得尤为的重要，良好的冷却效果不仅能够保证机箱和其中模块的稳定工作，更能提升相应板卡和电源的平均故障时间间隔(MTBF)参数。一些专业的测量总线标准，如PXI总线，在冷却和散热方面进行了严格的规范，包括对机箱中散热气流方向的定义、以槽为单位进行散热等(见图3)，确保系统在正常的工作温度下完成测量任务。

图3：NI PXI机箱采用的FLOWTHERM模型优化了每个槽位的冷却效果

(通过在机箱顶部加装出风口和槽位底部加装空气偏导器)

功率管理

和冷却和散热系统一样，稳定和充足的电源供给也是确保系统测量精度的必要条件，仪器厂商应该提供在不同电压情况下机箱电源所能提供的最大电流和相应的功率参数，尤其是在极限温度情况下(如>50 °C)的功率的降额指标(见图4)，帮助用户充分的了解系统的功率分配情况，从而避免测量的不准确性甚至是仪器的异常死机。

有些专业的仪器厂商在设计和生产阶段会对系统进行满负荷的测试，评估其功率的分配和散热的效果等，确保机箱中每一个模块测量的准确性，这些都是对客户而言附加的保障。

图4：NI PXI 1042机箱的可用功率参数表及>50 °C情况下的降额功率

EMI/EMC认证

EMI/EMC认证是对整个测试系统在安全性和电磁兼容性等方面的保证，也是对各种工作环境下测量精度的保证。客户在选购仪器系统时，应注意相关的安全认证信息，除了厂商能够自我申明的CE认证外，更重要的是看能否通过一些第三方权威机构的安全认证，比较常见的如北美的FCC认证、澳大利亚的C-Tick认证和欧盟的Demko和TUV认证等。有些仪器厂商为了节约成本提供尽可能少的第三方认证或者只提供CE认证，这样的系统在安全性上难免会存在一些隐患，用户在采购测试系统时需要留心这一点。

电缆和接线方式

电缆以及接线方式作为自动化测试系统的必要组成部分，同样会对测量的精度产生重要的影响，尤其是对于一些小电流、小电压的测量。因此推荐采用高质量的电缆和专业的接线方式，最大程度的减少噪声的干扰，提高信号的信噪比，保证测量精度的最大化。

采用高质量的电缆

50/60 Hz的电源线噪声可能是最常见的噪声源，使用屏蔽的电缆或者同轴电缆可以最有效的去除这种噪声的干扰。可能有的客户会指望用后期的滤波来去除这种噪声，然而在低电流的测量中，50/60 Hz的电源线噪声很容易使电流表灵敏的前置放大电路达到饱和，这样一来，任何滤波都很难恢复之前的测量精度。因此，必须使用屏蔽的电缆。

漏电流是由于绝缘材料材质发生变化后(如污垢等)对地产生的微小电流，对于一些低电压的测量应用，推荐采用低泄漏和低热电动势(low-leakage and low-thermal EMF)的电缆，因为这样的电缆内外层都采用特富龙面料达到完全的绝缘，确保其屏蔽性和绝缘性，从而避免了漏电流的产生。

选用专业的接线方式

当测试系统小于50个测试点或者只有少量仪器时，可以很容易的通过一些接线盒或螺丝端子将仪器和待测设备相连。但对于成百上千个测试点或者多个仪器、甚至要求可重复配置或需要频繁通断的大型系统而言，往往需要采用专业的大规模互连系统。大规模互连系统是一种机械装置，用以方便大量待测设备输入输出信号的连接。该系统通常附带一些机械护栏，通过这样的护栏所有的信号可以快速地从仪器(通常在一个机柜中)连接到待测设备。大规模互连系统也会对经历反复连接/断开的仪器前端的线缆提供保护，避免其受到磨损和破坏。

重视校准服务

之前所讨论的一些因素都是在构建测试系统时需要考虑的，而在仪器使用的过程中，随着时间的推移，仪器中的电子器件的精度同样会发生偏差。如图5所示，持续工作的时间以及环境条件的影响都会加剧这样的偏差，给测量带来很大的不确定性。要想解决这个问题，就必须定期校准仪器。

图5：随着时间和环境的变化，测量误差会逐渐的变大

校准分外部校准和自校准两种。外部校准就是将仪器的当前性能与已知的标准精度进行比较，通过对仪器测量能力的调整，确保其测量精度在厂商提供的标准范围内。要想完成对一个仪器的外部校准，可以将其送回原厂，或者送至一个校准计量实验室进行校准。当然，如果有相应的校准条件，也可以自己实现外部校准。无论采取何种方式，重要的是要注意厂商所提供的仪器的外部校准时间间隔。例如一家厂商的函数发生器的外部校准间隔是一年;而另一家厂商具备同等或更好精度规范的函数发生器的外部校准间隔却是两年。为了减少自动化测试系统的维护成本，客户就应该选择第二家厂商的仪器。因此，客户在选择仪器时，也需要仔细考虑外部校准时间间隔的参数。

图6：在选择仪器时，需要考虑厂商所提供的外部校准的周期

除了外部校准，一些厂商的仪器还包含了非常实用的自校准的功能。具备自校准功能的仪器本身含有精确的电压参考源等硬件资源，这样就可以随时快速的校准该仪器，减少因环境等因素造成的测量误差，而不必将其搬离测试系统或者与外部校准设备相连。当然，自校准并不能完全替代外部校准，它只是提供了一种在外部校准周期之间改善仪器测量精度的方法。

结论

测量精度，作为一个相对复杂的综合因素体，真实反映了仪器系统所能还原信号值的能力，也成为评估自动化测试系统的重要指标之一。本文所讨论的关于如何解读仪器的技术参数，影响测量精度的几个重要因素，和最后的校准服务等，都是测试工程师在选型时最容易碰到的问题，有时候也是最容易忽视的因素。希望借此能够引起广大工程师对测量精度的重视，同时对测试系统的选型提供一些有益的帮助。