一种低成本高效测试方法——合成测试系统

合成测试直面挑战

今天，测试行业中有进取心的公司正努力迎接挑战，合成仪器已成为许多公司的选择方案。通过将软件算法和基于核心仪器电路组成模块的硬件相结合，合成仪器“合成”了传统仪器中的激励和测量功能。合成仪器的概念来源于当前设计和使用的软件无线电、移动电话和其它通信系统背后的一些广为接受的技术与技巧。为了更好地描述和定义合成仪器的概念，对软件无线电(SDR)作一个概略的介绍将会有所帮助。

如图2所示，软件无线电仅仅由一个数字信号处理(DSP)引擎、一个通用发射机和接收机前端以及某种形式的发射天线组成。通用发射机和接收机前端在数字数据与调制无线电波之间进行转换，以便进行无线通信。这些部件之后是一个高速数字信号处理(DSP)单元，它提供无线电的大部分功能。在本质上，这种组合提供了一个“通用”的无线电。设计人员通过软件将无线电功能编程到DSP之中，他们编写软件算法和在DSP输入输出端产生或处理数字表示信号的控制模块。如果通信协议或处理算法需要修改，或无线电必须作为一种不同的类型来进行通信，设计人员只需修改软件并将其下载到无线电即可。软件无线电方法消除了传统专用无线电设计方法所需的重新设计和加工新硬件的必要性。今天，在小型封装中所能提供的处理速度和能力使软件无线电的实现变得更加容易。
 
图3所示的合成仪器方框图与软件无线电的方框图看起来非常相似。主要区别是将天线换成了对被测产品的接口，增加了多级电路以支持更灵活的信号调理，还增加了允许对电路元件进行重新配置或根据需要进行旁路的信号路径。这些简单的修改使合成仪器所蕴藏的真正潜力能够发挥出来。 

本文将略过合成仪器的基础知识，只介绍一下图4中的激励路径。如果测试系统以许多信号产生仪器中常见的 “功能组成块”电路为中心进行模块化，人们通常会发现某种用来创建信号波形的数字信号处理引擎，它后面紧跟着一个模数转换器。在射频信号产生电路中，可以发现一个上行转换功能块，它的主要用途是将基带信号转换为射频信号。在集成系统中，射频输出将通过电缆和开关矩阵连接到被测单元。在一台传统仪器中，这些电路元件位于机箱内部，并且是固定的，如果不破坏这个紧固仪器的完整性，根本无法访问中间的电路功能。在一台合成仪器中，这些功能块代表能访问输入和输出的独立模块。 

这种“功能划分”允许用户在功能块之间放置信号开关，并且可以利用各个电路块的基本功能。例如，如果依次顺序连接所有的功能电路块，就得到了一台射频与微波信号发生器。如果引出模数转换器和上行转换模块之间的信号，就得到了一台模拟信号发生器或函数发生器。如果直接从DSP进行输出，可以得到一个数字样式发生器。通过组合不同的信号发生、捕获和信号调理功能电路块，合成测试系统可以对数字、模拟、功率、射频、微波和许多其它信号类型进行合成。 

需要注意的是，合成仪器可能也会包含冗余或并行路径，如图5所示。例如，系统中可能有一个高分辨率的窄带D/A转换器功能块，另外还有一个低分辨率高带宽功能块。合成仪器架构主要是按照构建所需激励信号和测量分析的必要基本电路组成功能块来划分系统。设计中可能包含需要的多种多样的不同信号调理模块。在需要多个同步信号的场合，同样可以有多个数字处理功能块，从而系统设计人员能够提供所需的多个并行激励或测量路径。尽管如此，由于这一架构支持高层次的复用，冗余部件仍然被降到了最低。

通过最大程度地利用各个功能模块并降低冗余度，合成仪器提供商可以推出性能更高的单元，满足更严格的需求。由于用户无须在许多不必要重复的功能单元上花费，这使得在提高系统性能的同时降低整个系统的成本成为可能。例如，如果三台不同的仪器都含有一个DSP、D/A转换器、滤波器和衰减器电路功能块，就可以将节省下来的部分经费用来采购一组更高性能的部件。这些特点突出体现在图6中。在测试设备中，这类精简除减少了支持测试系统所需的硬件数量之外，还起着缩小测试系统体积的作用。

访问低层电路组成功能块对于校准过程有着极大的帮助。图7是一个增加了校准和系统功能测试(STF)环路的基本合成仪器的方框图。这个电路可以包含简单的回环切换路径，以及标定的传感器和其它相关硬件。对于传统仪器，用户是不可能访问到其中间电路环节的，这使其校准更为困难。更重要的是，这使得传统仪器难以在运行时进行有效的校准，如果不是不可能的话。合成系统方法提供了对每个功能单元进行校准的能力，并允许调整校准程序以适应不同的测量类型。在大多数情况下，这会使系统的性能大大提高。 

合成架构也增强了系统地处理老化过时问题和和升级测试系统的能力。当需要升级或出现老化过时情况时，只需添置或替换直接受影响的功能模块而不是整套仪器。这降低了处理老化过时仪器的成本，同时也减少了相关的技术风险。