编写信号发生器脚本的测试用例需要覆盖功能、性能、边界条件及异常场景，确保脚本在各种情况下能正确生成信号并处理错误。以下是详细的测试用例设计方法和示例：
一、测试用例设计原则
- 功能覆盖：验证脚本能否生成指定类型（正弦波、方波、三角波等）、频率、幅度和相位的信号。
- 边界条件：测试频率/幅度上下限、占空比极值、相位偏移边界等。
- 异常处理：模拟非法输入（如负频率、超范围幅度）和硬件故障（如时钟丢失）。
- 性能指标：验证信号生成延迟、频率切换时间、资源占用（CPU/内存）。
- 兼容性：测试不同操作系统、硬件平台或依赖库版本的兼容性。
二、测试用例分类与示例
1. 功能测试
目标：验证信号生成的基本功能是否正确。
示例用例：
- TC1-正弦波生成
- 输入：类型=正弦波，频率=1kHz，幅度=2Vpp，相位=0°
- 预期输出：生成正弦波，频谱分析显示主频为1kHz，谐波失真<1%。
- 验证方法：使用示波器或频谱分析仪捕获输出信号。
- TC2-方波占空比控制
- 输入：类型=方波，频率=10kHz，占空比=30%
- 预期输出：高电平持续时间=30μs，低电平=70μs（周期100μs）。
- 验证方法：示波器测量占空比。
- TC3-多通道同步输出
- 输入：通道1=1kHz正弦波，通道2=2kHz方波，同步触发
- 预期输出：两通道信号起始时间差<1μs。
- 验证方法：双通道示波器观察相位关系。
2. 边界条件测试
目标：验证脚本在极限参数下的行为。
示例用例：
- TC4-最小频率生成
- 输入：频率=0.1Hz（接近硬件最低限制）
- 预期输出：信号周期=10s，无丢周期或跳变。
- 验证方法：长时间记录输出信号。
- TC5-最大幅度输出
- 输入：幅度=10Vpp（接近DAC最大输出）
- 预期输出：信号幅度=10Vpp±5%，无削波。
- 验证方法：示波器测量峰峰值。
- TC6-相位偏移边界
- 输入：相位=359°（接近360°循环）
- 预期输出：相位与0°信号几乎重合，误差<1°。
- 验证方法：李萨如图形分析。
3. 异常处理测试
目标：验证脚本对非法输入或硬件故障的响应。
示例用例：
- TC7-负频率输入
- 输入：频率=-5kHz
- 预期输出：脚本报错“频率必须为正数”，不生成信号。
- 验证方法：检查日志或控制台输出。
- TC8-超范围幅度
- 输入：幅度=15Vpp（超过DAC限制）
- 预期输出：自动限幅至10Vpp，并提示“幅度超出范围”。
- 验证方法：示波器测量输出幅度+日志检查。
- TC9-时钟丢失模拟
- 操作：断开外部时钟源
- 预期输出：脚本检测到时钟丢失，切换至内部时钟或报错停止。
- 验证方法：观察脚本日志和输出信号状态。
4. 性能测试
目标：评估信号生成的实时性和资源占用。
示例用例：
- TC10-频率切换延迟
- 操作：从1kHz切换至10kHz，测量切换时间
- 预期输出：切换延迟<1ms，无瞬态过冲。
- 验证方法：高速示波器捕捉切换瞬间。
- TC11-CPU占用率
- 操作：同时生成4通道高频信号（如1MHz）
- 预期输出：CPU占用率<50%（依赖硬件配置）。
- 验证方法：任务管理器或性能分析工具。
- TC12-长时间稳定性
- 操作：连续运行24小时生成1kHz信号
- 预期输出：频率漂移<0.01%，无崩溃或内存泄漏。
- 验证方法：频谱分析仪定期监测+系统日志检查。
5. 兼容性测试
目标：确保脚本在不同环境下的可靠性。
示例用例：
- TC13-跨平台运行
- 环境：Windows 10/Linux Ubuntu 20.04
- 预期输出：脚本在两系统下均能正常生成信号。
- 验证方法：在两平台分别执行测试用例。
- TC14-依赖库版本
- 环境：NumPy 1.21 vs 1.24
- 预期输出：信号生成功能不受库版本影响。
- 验证方法：单元测试对比输出结果。
三、测试工具与自动化
- 硬件工具：示波器、频谱分析仪、信号发生器（用于对比）。
- 软件工具：
- Python：
unittest或pytest框架编写测试脚本。 - MATLAB：生成参考信号与脚本输出对比。
- LabVIEW：自动化硬件测试流程。
- 自动化示例（Python伪代码）：
| import pytest |
| from signal_generator import generate_signal |
|
| def test_sine_wave(): |
| signal = generate_signal(type="sine", freq=1e3, amp=2.0, phase=0) |
| # 使用频谱分析仪验证频谱 |
| assert verify_spectrum(signal, expected_freq=1e3, thd=<0.01) |
|
| def test_invalid_freq(): |
| with pytest.raises(ValueError): |
| generate_signal(freq=-5e3) |
四、测试报告与迭代
- 报告内容：通过率、失败用例详情、性能指标汇总、环境信息。
- 迭代优化：根据测试结果调整脚本参数（如滤波器系数）、优化算法或修复硬件问题。
五、高级测试场景
- 动态信号生成：验证脚本能否实时响应外部触发（如GPIO中断）。
- 噪声注入测试：在输入信号中添加高斯噪声，验证脚本的抗噪能力。
- 多线程/多进程测试：确保并发生成信号时无资源冲突。
通过系统化的测试用例设计，可全面验证信号发生器脚本的可靠性和性能，为实际应用提供保障。
