重新审视测试需求和测试仪器发展

摘要：通过分析全新的测试需求，发现测试仪器遇到的瓶颈问题，进而探求全新测试仪器架构的观念和定义，展示最新的测试技术发展趋势。

关键词：测试仪器；测试需求；电子测试；模块化；总线

DOI:. 10.3969/j.issn.1005-5517.2011.06.001

了解全新测试需求

电子技术涵盖的范围甚是广泛，无论是测试仪器开发者还是测试技术执行者，了解测试的需求变得非常重要。测试与测量技术的发展与电子行业的发展密不可分。电子行业的发展动力主要持续来自于消费者对体积更小、功能更强、更多互连计算和通信产品的需求。为满足这些需求，制造商不断推出新产品，将新无线协议、新电池技术、新元件和半导体技术等各种功能集成在这些电子产品中，并且这一趋势在每一代新产品中似乎逐渐加快了，所有这些都促使测试行业必须采用新的方法去测试这些新型产品和前沿技术。吉时利市场营销总监Mark lejer认为，目前这方面的热点包括：对于每种新的无线协议，都相应需要新的测试方法和测量仪器：工艺尺寸低达28nm甚至更小，半导体小型化的每一次新进展都要求测量技术相应进步：要想制造出世界上最物美价廉的笔记本电脑或手机，也需要对测试技术进行革新，降低测试成本。解决所有的复杂问题都需要进行更多的测试，在生产条件下以最高的产能进行更多的数据采集和分析工作，以改进这些新工艺。

嵌入式系统

我们以嵌入式系统的应用为例，其应用大致分为五大领域，包括数据通信、生物电子、绿色科技、汽车电子和3C电子，这些领域甚至被认为是新的“蓝海策略”，隐藏着各种商机，尤其是绿色科技是政府和风险投资公司十分关注的对象。

从技术的角度看，多功能，低功耗，微型化，网络化领导着新的趋势。以iPad平板电脑为例，其成功有多方面的因素，但其功耗低(电池工作时间长)，微型化(比上网本要轻和薄)，能够通过Wi-Fi或3G上网是其基本功能，其他功能方面因软件平台开放而有机会无限延展。2011年及以后，市场对嵌入式电路的技术需求仍会围绕这几个方面。除了纯技术因素外，客户体验和以人为本的人机界面设计是另一个不可阻挡的趋势。这种技术需求和发展趋势的影响已经渗透到众多电子行业，测试测量行业也不例外，一方面测试测量仪器要能够帮助设计工程师实现“多功能、低功耗、微型化、网络化”；另一方面，一些测试测量仪器本身也会朝这个方向发展。

在数据通信方面也有新的要求出现，IEEE802.3ba标准，即40G／100G以太网标准，已于2010年6月17日正式获批。首个规范将同时使用两种新的以太网速率，同时光网络传输100Gbps系统也有机会在2011年得以部署，IEEE与国际电联ITU-T第15研究组合作，以保障新的以太网速率可在光纤传输网络上加以实现，为100G的推广奠定了基础。

显示技术

显示技术是一个特别突出的需求，计算机、消费电子、移动终端都需要显示技术，这三个应用场合对技术的需求是不同的。计算机对显示部分的要求，已经从模拟VGA，转移到数字视频DVI接口，2011年及以后，台式电脑上会朝DisplayPort(DP)1.2方向发展，让其速度提升一倍，笔记本电脑则会考虑eDP小型化接口。消费电子的显示技术，目前HDM11-3已经愈来愈普及，HDM11.4也在紧锣密鼓的部署中，同一时间HDMI LLC则在讨论HDMTI.S的技术，电视和家庭影院领域也在考虑iDP技术，HDM11.5有机会在2011年下半年出现。因为HDM11.5的速率很可能达到9Gb／s，届时在Sink验证方面，任意波形发生器速度已经不足以应付，需要借助误码率分析仪才可以实现精确测试。在移动终端方面，会引入在HDMI基础上发展出柬的MHL接口技术，而DP作为另一个阵营，未必会任由HDMI进入移动终端领域，有机会稍作改动和MHL一争高低，同一时间，MIPI的技术需求会提升，如图1所示，显示和相机摄像头会成为很多移动终端的标准配置，因为一般厂家在设计产品时，会购买市面上的显示和摄像器件，连接接口的标准化很重要，MIPI正是为这种需求而诞生的技术，随着平板电脑、智能手机的热潮，MIPI有机会在2011年越来越多地被大家采用，这样全新技术的采用。需要测试验证公司提前准备好测试方案，包括一致性测试工具，甚至还必须支持MIPI的协议分析功能。

串行总线

新的串行总线技术如Int el LightPeak，USB3.0，SAS／SATA 12Gb／s，PCI-E Gen III，DigRF／MIPI，DisplayPort 1.2是2011年出现频率很高的技术名词。串行总线越来越普及，而且速度愈来愈快，这是因为我们用的电子设备对数据传输、数据计算的要求不断提升的结果。2011年、PCI-E Gen III的速度会达到8Gb／s，HDM11.5的速度可能会达到9Gb／s。同时，10G以太网已实现商业部署，国内40G的研发也相对成熟，100G以太网正在研发中，可能是以10×10G或4×25G的配置发送信号，这些对测试提出了严格挑战和要求。安捷伦科技副总裁数字测试部总经理Siegfried Gross就表示，为了应对全新的测试需求，安捷伦采用全新的材料进行核心器件的升级，去年底推出32GHz带宽的磷化铟实时示波器。随着信号的速度越来越快，往往其电压幅值越小，因此容忍噪声的能力也减弱，仪器的本底噪声直接影响测量精度。磷化铟这种半导体工艺长期以来用在安捷伦的射频微波仪器中，其最大的特点是本底噪声低，不仅实现示波器的带宽足以覆盖被测信号的多次谐波，而且保证高次谐波不会淹没在示波器的本底噪声中。

泰克技术解决方案市场经理sarab Boen女士介绍，在PCIExpress2.0-3.0演化中的新要求方面，由于数据速率提高到8Gb／s，其必须采用新的均衡方案，以补偿信道损耗，这带来了新的发射机测量项目和一致性测试方法。均衡技术不能补偿系统中的所有抖动来源、因此PCIe3.0要求采用新的抖动方法。发射机测量规定在芯片引脚上进行，而芯片引脚一般都不能接触，因此要求反嵌信道影响，以测量发射机。这就要求进行发射机测试，以满足标准，并提供新的测试方法。正确测试发射机必不可少，因为信道末尾的眼图将闭上，从而要求CTLE、CTLE和DFE，实现长服务器信道。接收机必须能够适应系统中的信道，因此需要讨论新的接收机测

试方法，包括自动链路协商。

新能源应用

另一个非常重要的技术趋势来自于绿色节能科技，LED照明和混合／电动汽车是绿色节能科技中最具代表性的两个新兴应用，而功率半导体则是倡导绿色节能科技的先锋。为了观察LED在长期连续使用情况下光性能的变化规律，需要对LED进行抽样试验，通过长期观察和统计获得LED寿命参数。基于LED各个应用领域的实际需求，LED的测试需要包含多方面的内容，包括：电特性、光特性，开关特性、颜色特性，热学特性、可靠性等。其中电特性是LED测试的最核心需求，这就对电源表提出了全新的要求。吉时利公司市场营销总监Mark Cejer认为，作为更具能量效率的全新应用，在LED和GaN、SiC及其他复合材料的功率器件的特性分析测试中，需要更为稳定的功率输出和更高的电流电压精度，以及非常宽的电流量程和动态范围，来捕获各种极端情况下的重要参数，与此同时，要求更好的采样速率对瞬态和稳态行为进行精密分析特别是快速变化的热效应，并且需要非常高的分辨率来发现新一代器件中的极低漏电流。因此，吉时利特别推出2600A系列源表中的最新产品2651A型高功率源表，专门为高功率电子的特性分析而优化设计，提供业内可用的最宽电流量程。该量程对于各种各样的研发、可靠性及生产测试应用至关重要，例如测试高亮度LED(HBLED)、功率半导体、DC-DC转换器、电池，以及其他高功率材料、元件、模块和组件。特别的，2651A可以通过并联实现100A的咏冲电流或者80V的电压输出、还能够以高达1微秒每读数的速率精密测量低达1pA和100 μv的信号。不仅是吉时利，安捷伦同样也将最新的紧凑型台式源／测量单元B2900A系列，用于半导体、LED等元器件和材料测试。这些SMU(源／测量单元)以适中的价格提供宽电压／电流范围和出色的性能，并配置业内首个彩色显示屏以提供直观的图形化界面。它们适用于对研发、制造和教育应用中的半导体、有源／无源器件以及材料执行容易、快速的电流与电压(I-V曲线)表征。

重新审视测试仪器

不管是上面哪种应用领域的测试仪器和技术，电子技术的发展持续对测试技术提出更高的要求，我们同样要看到的是。一台测试仪器的生命周期从过去的几十年缩短到现在的几年甚至三五年，根源就在于测试需求的变化已经需要重新探讨全新仪器架构才能解决仪器生命周期的时代。虽然，前部分谈到的很多测试需求已经可以用传统台式仪器满足，但我们必须认识到，很多测试已经无法实现。

又到深化测试仪器全新架构时

作为电子技术最忠实的助手，电子测试技术已经悄然度过百年。在百年的电子测试发展过程中，伴随着电子技术的发展，测试仪器经历过许多次从理念层面的变革，在满足市场测试需求的过程中，将测试仪器不断推向全新的高度。

21世纪之前，测试仪器架构经历了多次质的飞跃，从最早的机械式结构到后来的模拟仪器，再到数字时代的全新数字平台结构、每一次测试仪器的架构变革都引发测试仪器一个成长的高潮。在21世纪最初的10年，计算机技术的普及再一次定义了全新的测试仪器架构，台式仪器已经将PC几乎所有的功能集成到仪器本身。同样以PC为基础扩展也在不断深化，衍生出越来越多的仪器架构设计，可以说，现有的测试仪器架构百花齐放，在不同领域发挥着各自特有的优势。

模块化的时代

军事应用是测试需求的先行者，同样是引导测试仪器架构变革的主要推动力。而随着软件越来越多地在测试过程中发挥重要的作用、软件已经逐渐取代硬件成为测试过程的核心，传统的以硬件为核心的架构同样受到极大的冲击，而能够极大发挥软件作用的则是模块化的测试平台。

几十年来，基于台式仪器的自测试系统(ATS)一直是航空和国防应用中采用的主导架构。在20世纪80年代后期，基于VXI的模块化系统克服了机架和堆叠方法的多个缺点。特别是安装在多插槽主机中的基于板卡的仪器降低了系统的尺寸和重量。VXI背板的速度和功能还增强了触发能力，加快了数据传送速度。但是，所有这些商业技术的生命周期一般要远远短于典型的航空或国防系统。可能会影响ATS的长期维护和支持。这些问题推动着合成仪器(SI)方法的出现。合成仪器的概念非常简单，即允许配置和重新配置模块化硬件和软件单元，创建多部测量设备的功能。这种构件方法可以通过简单地更换一个模块，如数字化器或向下变频器，来更新或升级ATS或测试程序集(TPS)。它还可以降低ATS使用期间的软件升级负担。在20世纪90年代中期，美国国防部(DoD)为美国海军分配了一项任务，为测试航空电子和武器系统开发新型的基于台式仪器的自动测试系统(ATS)。根据合成仪器工作小组(SIWG)1提供的定义，合成仪器是一种可以重新配置的系统，它通过标准化接口把一系列硬件和软件构成组件链接起来，使用数字处理技术生成信号或进行测量。关键是可以重新配置，可以通过软件命令排列和重新排列构成组件，信号通过交换进行重新路由，仿真一种或多种传统测试设备。合成仪器可以说开创了软件与传统仪器进行深度结合的先河，也迈出了软件扩展仪器应用的第一步，而参与这一计划的测试仪器厂商则针对市场的需求开始了更大范围的革命。

如果说军方的SI需求是催生模块化仪器的星星之火，那么随之而来的众多民用技术测试需求则直接将模块化仪器的发展推向和台式仪器并列的地位。

PXI唱主角

在模块化仪器的时代，测试平台的核心是串联各个模块的核心总线标准。对于任何一个可以与系统级测试挂上勾的仪器而言，总线是一个必不可少的单元，在测试设备及系统中承载着数据传输和控制等的重要功能。测试测量仪器业从1960年代制定第一个仪器总线标准GPIB，大约每10年增添一种新的仪器总线，相继推出VXI，PXI和LXI，近年来还有从PC外设总线直接移植作为仪器总线的USB。总线技术的盛行，恰恰是为了满足更为个性化和现场化的测试需求，使测试系统和灵活测试系统搭建成为可能，极大提升了电子测试的效率及应用领域。

PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)是一种基于PC技术的面向测试测量和自动化应用的坚固平台。PXI标准将CompactPCI标准(具有PCI电气总线特性，同时具有坚固的、模块化的欧卡封装)与专用同步总线和软件特性结合在一起。一个PXI系统由三个基本部分组成一机箱、控制

器、以及外围I／O模块。基于PXI的这种模块化架构，可以实现系统部分组件的单独升级，并且可以使测试系统能快速利用这些升级的组件所带来的新技术。

在最近召开的第八届PXI技术和应用论坛(PXI TAC)上，PXI系统联盟市场委员会主席Matthew Friedman介绍，从1998年PXI标准诞生以来，PXI平台发展迅速，被用于各种有测量、控制或自动化需求的实际应用一从前沿研究、军工和航空、消费电子、通信到过程控制和工业自动化领域，PXI被选为数千种应用的实现平台。超过70家公司共同推进着PXI标准，保证互操作性，并共同来维护PXI规范。PXI是一种基于商业现成可用(COTS)技术的可重配置的平台，并能适应当今与未来测控系统的发展需求。

PXI作为测试和测量应用的一个标准平台，利用现成即用的商业技术提升了测试系统的性能，同时降低了系统的成本。标准化的商业技术使PXI系统以惊人的速度在测试和控制应用领域得到广泛的接受、已成为这一领域的主流平台。同时随着PXI新产品功能的日益丰富，各种新应用不断被开辟。同时，PXI标准本身也在不断发展。去年年底通过的PXImc(PXI MultiComputing)规范中定义了通过PCI Express背板或线缆直接连接PXImc设备(可以是PXI控制器或其他设备)的方式，从而可以在同一PXI机箱中载有多个控制器，或者直接通过PCI Express连接不同的PXI系统或其他设备，进而满足复杂运算或分布式应用的需求。PXImc在保证向后兼容的同时进一步扩展了PXI的应用范围，让人们期待开放的PXI技术在未来有更广阔的发展空间。

NI全球研发副总裁Robert Canik特别表示，下一步，NI将继续以PXI平台为基础，扩展更多的应用，如机器视觉这样的大量数据处理应用以及RF测试等，同时提供更多的软件IP工具包便于用户的使用。事实上，许多实际的测试系统都不是基于单一总线的，而是一个混合总线系统，比如既有PXI设备，又有基于GPIB的传统仪器，但是PXI更适合作为这种混合总线系统的核心。一方面，作为一种内部总线，PXI具有最大的数据传输速率和最低的延时，保证其不会成为整个系统数据传输的瓶颈。另一方面，PXI平台的硬件基于标准PC技术(如PCI／PcI Express总线、通用的CPu和外围设备，同时主流的Windows软件构架对用户来说也非常熟悉)，基于PXI系统进行自动化测试系统的开发和操作就像使用标准的基于Windows的PC机一样方便，也便于升级维护。

去年秋天、安捷伦公司高调宣布将全面进军模块化领域，并且一次性推出48款模块化产品，其中包含3种全新的基于AXle总线的产品及45种PXI总线产品。就这一事件，Matthew Friedman表示，台式仪器领导厂商安捷伦科技开始将其发展的重心转向PXI，对整个PXI产业的推广和发展有着非常重要的意义，从侧面说明了PXI技术已经成为市场的主流，模块化仪器具有和台式仪器同样广阔的市场空间。

挑战

安捷伦的加入，无疑对模块化测试市场带来相当大的冲击，一方面将大幅加快模块化产品在市场上的推广力度，另一方面则是对现有众多模块化市场的厂商形成巨大的威胁。在这次PXI TAC上，安捷伦展出了多款基于PXI技术的测试产品，涉及汽车电子、射频通信测试、光收发机测试、数据采集模块和各种电流源表等。安捷伦公司模块化仪器分部全球市场总监Carla Feldman表示：“我们将先进的仪器技术融入PXI和AXIe总线产品，是希望我们的客户即使在使用模块化仪器时也可以受益于安捷伦科技的70多年的测试测量技术和经验的积累。”

然而，安捷伦并没有一味将赌注压在自己并不擅长的PXI上，而是以市场接受广泛的PXI技术为主同时推出自己的AXIe全新总线。AXIe在制定之初参考了AdvancedTCA、PXI、LXI和IVI等现有的标准，是一个以AdvancedTCA为基础的开放式标准，并向下兼任这些标准，其目标是创建一个由各种元器件、产品和系统组成的生态系统，推动通用仪器和半导体测试的发展。AXIe标准可提供最大的可扩展性，满足各种平台的需求，包括通用机架堆叠式系统、模块化系统、半导体ATE系统，以及工作台和模块插件。

AXIe将会在以下方面为测量系统带来改进：模块电路板面积、散热性能、功率、速度和测量完整性等。AXIe提供了极宽和快速的本地总线。数据采集模块可产生极高速率的数据，并能够分流这些数据，从而方便数据传输到系统计算机。这些较宽的本地总线可以提供一个非常快速的通道，可将高速数据移至相邻数字信号处理模块，从而在通过PCIe背板将数据传输到计算机之前对部分数据进行分流。这种模块也可以用于实时生成数据并传输至相邻数据生成模块(例如任意波形发生器和数字码型发生器)。测量完整性通常需要非常紧密和可重复的计时生成和精度。AXIe系统已经发展到可在模块之间(通过总线触发线或星型(径向)触发线)提供100 MHz的时钟和计时信号。

改变

之所以说模块化仪器将有可能定义全新的测试仪器架构，是因为不仅在应用的灵活性和自主性上模块化仪器具有明显的优势，模块化结构还可以提升原有台式仪器达不到的性能指标，如上所述的，利用AXIe的高速优势已经在安捷伦科技具有更高分辨率、更高带宽、8G或12G采样的模块化测试仪器M8190A上得以充分体现。“M8190A能够同时提供更高的保真度、更高的分辨率、更高的带宽使得用户能够生成针对不同应用场景的信号，将设计推向极致，并在测量分析中获得新的视角。如果没有借助于AXIe技术平台，传统的台式仪器架构很难实现如此好的技术指标。”安捷伦台式仪器的领军人物SiegfriedGross也开始为模块化仪器唱赞歌。

与此同时，NI推出业内带宽最高的PXI数字化仪，扩展了PXI数字化仪产品的性能。作为NI基于PXI平台的软硬件平台的组成部分，这两款数字化仪为自动化测试应用提供了更优异的性能，全新PXI数字化仪结合了泰克在高速数字化仪前端设计方面的优势和NI在软件定义的模块化仪器领域的优势，这些数字化仪进一步体现了摩尔定律对测试应用的影响，使PXI模块化仪器在保持体积优势的同时不断达到更高性能。

延伸的话题

在谈到测试仪器过程中，在模块化平台之外，市场上同样出现了一些区别于传统台式测试仪器架构的测试仪器和平台，也许在现阶段看这些

技术还不足以成为测试技术的主导力量，但他们同样具有自己的优势和适用空间，并且可能在未来成为一股足以改变测试仪器的新生力量。

虚拟仪器

“虚拟仪器技术”这个概念缘起于20世纪70年代末。在当时微处理器技术的发展已经可以通过改变设备的软件来轻松地实现设备功能的变化，所以要在测最系统中集成分析算法已经成为可能。一个全新的趋势——即打开测量系统、允许用户自己定义分析算法并且配置数据的显示方式——已经开始形成。就这样，虚拟仪器技术的概念诞生了。1985年6月，Jeff Kodosky领导着一组工程师开始了图形化开发环境LabVIEW的编程工作，他们的研发成果就是推出了LabVIEW1.0版本，也意味着虚拟仪器彻底从概念走向了实用。

经过20多年的发展，成熟的虚拟仪器技术由三大部分组成：高效的软件编程环境、模块化仪器和一个支持模块化110集成的开放的硬件构架。当今电子测试过程中，随着产品开发时间不断缩短，带给仪器供应商的压力也越大。厂商定义的解决方案已经很难满足用户不断提出的新要求、新标准和新特性，至少从时效性上已经跟不上技术发展的需要。虚拟仪器技术，以及其他实质相似的概念，为增加灵活性、降低投资成本、提高测试系统使用寿命，同时确保可靠性等要求，提供了一个理想的解决方案。

软件定义仪器

在仪器仪表的研发中，模拟电路部分(传感器接口电路+放大滤波)和数字部分(μP或μc)是最为重要的两个部分，又是各个整机厂“各自”研发、投入最大、重复最多的两个部分。在传统的台式仪器中，这部分硬件的架构往往是生硬而一成不变的，但是，天津大学的李刚教授的实践表明，利用软件无线电技术，完全可以构成“软件定义仪器”(Software Defined Instrument，SDI)。这样，可以把分散、重复而且最耗费人力、财力的“个体”或“小作坊”式的研发行为变成专业化的“规模”开发和生产，而整机生产企业和仪器仪表的用户则较容易地根据自己的需要重新“定义”仪器仪表的功能，以最小的代价更新、升级或维护已有仪器仪表。

软件仪器具有与虚拟仪器类似的优点，但软件仪器是“实实在在”的仪器，是建立在嵌入式系统，如单片机、ARM、DSP等之上，而不是建立在普通PC机上。软件仪器有比虚拟仪器大得多的适应性、可靠性和灵活性。

当然，类似的概念出现在基于FPGA的自定义仪器应用上，FPGA的高性能和可重复配置特性一直是硬件设计工程师们的最爱，而对于测试工程师而言，同样可以借鉴其硬件级的确定性和并行性，像诸如实时系统仿真、高速内存测试等应用都需要用到FPGA来确保响应的实时性和高速的数据流入和流出，FPGA的IP核更是可以为工程师植入自主知识产权的算法提供契机。随着对FPGA技术应用复杂性的简化，可以预计，拥有高性能和灵活性的FPGA技术将越来越多的被应用于未来的仪器系统中。

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