編寫信號發(fā)生器腳本的測試用例需要覆蓋功能、性能、邊界條件及異常場景，確保腳本在各種情況下能正確生成信號并處理錯誤。以下是詳細(xì)的測試用例設(shè)計方法和示例：

一、測試用例設(shè)計原則

1. 功能覆蓋：驗證腳本能否生成指定類型（正弦波、方波、三角波等）、頻率、幅度和相位的信號。
2. 邊界條件：測試頻率/幅度上下限、占空比極值、相位偏移邊界等。
3. 異常處理：模擬非法輸入（如負(fù)頻率、超范圍幅度）和硬件故障（如時鐘丟失）。
4. 性能指標(biāo)：驗證信號生成延遲、頻率切換時間、資源占用（CPU/內(nèi)存）。
5. 兼容性：測試不同操作系統(tǒng)、硬件平臺或依賴庫版本的兼容性。

二、測試用例分類與示例

1. 功能測試

目標(biāo)：驗證信號生成的基本功能是否正確。
示例用例：

• TC1-正弦波生成
  • 輸入：類型=正弦波，頻率=1kHz，幅度=2Vpp，相位=0°
  • 預(yù)期輸出：生成正弦波，頻譜分析顯示主頻為1kHz，諧波失真<1%。
  • 驗證方法：使用示波器或頻譜分析儀捕獲輸出信號。
• TC2-方波占空比控制
  • 輸入：類型=方波，頻率=10kHz，占空比=30%
  • 預(yù)期輸出：高電平持續(xù)時間=30μs，低電平=70μs（周期100μs）。
  • 驗證方法：示波器測量占空比。
• TC3-多通道同步輸出
  • 輸入：通道1=1kHz正弦波，通道2=2kHz方波，同步觸發(fā)
  • 預(yù)期輸出：兩通道信號起始時間差<1μs。
  • 驗證方法：雙通道示波器觀察相位關(guān)系。

2. 邊界條件測試

目標(biāo)：驗證腳本在極限參數(shù)下的行為。
示例用例：

• TC4-最小頻率生成
  • 輸入：頻率=0.1Hz（接近硬件最低限制）
  • 預(yù)期輸出：信號周期=10s，無丟周期或跳變。
  • 驗證方法：長時間記錄輸出信號。
• TC5-最大幅度輸出
  • 輸入：幅度=10Vpp（接近DAC最大輸出）
  • 預(yù)期輸出：信號幅度=10Vpp±5%，無削波。
  • 驗證方法：示波器測量峰峰值。
• TC6-相位偏移邊界
  • 輸入：相位=359°（接近360°循環(huán)）
  • 預(yù)期輸出：相位與0°信號幾乎重合，誤差<1°。
  • 驗證方法：李薩如圖形分析。

3. 異常處理測試

目標(biāo)：驗證腳本對非法輸入或硬件故障的響應(yīng)。
示例用例：

• TC7-負(fù)頻率輸入
  • 輸入：頻率=-5kHz
  • 預(yù)期輸出：腳本報錯“頻率必須為正數(shù)”，不生成信號。
  • 驗證方法：檢查日志或控制臺輸出。
• TC8-超范圍幅度
  • 輸入：幅度=15Vpp（超過DAC限制）
  • 預(yù)期輸出：自動限幅至10Vpp，并提示“幅度超出范圍”。
  • 驗證方法：示波器測量輸出幅度+日志檢查。
• TC9-時鐘丟失模擬
  • 操作：斷開外部時鐘源
  • 預(yù)期輸出：腳本檢測到時鐘丟失，切換至內(nèi)部時鐘或報錯停止。
  • 驗證方法：觀察腳本日志和輸出信號狀態(tài)。

4. 性能測試

目標(biāo)：評估信號生成的實時性和資源占用。
示例用例：

• TC10-頻率切換延遲
  • 操作：從1kHz切換至10kHz，測量切換時間
  • 預(yù)期輸出：切換延遲<1ms，無瞬態(tài)過沖。
  • 驗證方法：高速示波器捕捉切換瞬間。
• TC11-CPU占用率
  • 操作：同時生成4通道高頻信號（如1MHz）
  • 預(yù)期輸出：CPU占用率<50%（依賴硬件配置）。
  • 驗證方法：任務(wù)管理器或性能分析工具。
• TC12-長時間穩(wěn)定性
  • 操作：連續(xù)運行24小時生成1kHz信號
  • 預(yù)期輸出：頻率漂移<0.01%，無崩潰或內(nèi)存泄漏。
  • 驗證方法：頻譜分析儀定期監(jiān)測+系統(tǒng)日志檢查。

5. 兼容性測試

目標(biāo)：確保腳本在不同環(huán)境下的可靠性。
示例用例：

• TC13-跨平臺運行
  • 環(huán)境：Windows 10/Linux Ubuntu 20.04
  • 預(yù)期輸出：腳本在兩系統(tǒng)下均能正常生成信號。
  • 驗證方法：在兩平臺分別執(zhí)行測試用例。
• TC14-依賴庫版本
  • 環(huán)境：NumPy 1.21 vs 1.24
  • 預(yù)期輸出：信號生成功能不受庫版本影響。
  • 驗證方法：單元測試對比輸出結(jié)果。

三、測試工具與自動化

1. 硬件工具：示波器、頻譜分析儀、信號發(fā)生器（用于對比）。
2. 軟件工具：
   • Python：unittest或pytest框架編寫測試腳本。
   • MATLAB：生成參考信號與腳本輸出對比。
   • LabVIEW：自動化硬件測試流程。
3. 自動化示例（Python偽代碼）：

   python
   import pytest
   from signal_generator import generate_signal
   
   def test_sine_wave():
   signal = generate_signal(type="sine", freq=1e3, amp=2.0, phase=0)
   # 使用頻譜分析儀驗證頻譜
   assert verify_spectrum(signal, expected_freq=1e3, thd=<0.01)
   
   def test_invalid_freq():
   with pytest.raises(ValueError):
   generate_signal(freq=-5e3)  # 預(yù)期拋出異常

四、測試報告與迭代

1. 報告內(nèi)容：通過率、失敗用例詳情、性能指標(biāo)匯總、環(huán)境信息。
2. 迭代優(yōu)化：根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整腳本參數(shù)（如濾波器系數(shù)）、優(yōu)化算法或修復(fù)硬件問題。

五、高級測試場景

• 動態(tài)信號生成：驗證腳本能否實時響應(yīng)外部觸發(fā)（如GPIO中斷）。
• 噪聲注入測試：在輸入信號中添加高斯噪聲，驗證腳本的抗噪能力。
• 多線程/多進(jìn)程測試：確保并發(fā)生成信號時無資源沖突。

通過系統(tǒng)化的測試用例設(shè)計，可全面驗證信號發(fā)生器腳本的可靠性和性能，為實際應(yīng)用提供保障。