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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 在對面向汽車、消費、工業(yè)、醫(yī)療和其他應用的元器件和系統(tǒng)進行設計、驗證和生產測試時，需要多種測試與測量 (T&M) 儀器。這些成套的 T&M 儀器必須外形緊湊，并且具有高性能。它們必須兼具低延遲與高通道密度和帶寬。此外，設計需求可能隨著時間的推移而改變，所以模塊化是一個很大的優(yōu)勢，讓系統(tǒng)能夠適應未來的需求。在許多情況下，這些測試與測量活動需要反復測試，或在分散于各地的團隊之間開展協(xié)作，這使得軟件定義的測試成為迫切需要的功能。 使用一組常規(guī)儀器可能是一種解決方案。然而，對來自眾多制造商的設備進行系統(tǒng)集成可能產生諸多問題，包括信息顯示在多個屏幕上、軟件兼容性、大量布線、眾多分立儀器需要龐大的空間，這會帶來挑戰(zhàn)。 從設備驗證到自動化生產測試，T&M 系統(tǒng)設計人員可以改用高性能模塊化儀器套件，并搭配其他具有專門同步和關鍵軟件功能的 I/O 模塊。這些成套裝置構成一個緊湊型五插槽 PXI Express 測量系統(tǒng)，通過 Thunderbolt USB-C 端口，使用筆記本電腦或臺式機進行控制。 本文首先簡單介紹模塊化儀器系統(tǒng)的性能指標，包括模擬儀器類別。然后，對用于模塊化儀器系統(tǒng)的各種總線進行性能比較，并探討與提高分辨率和降低延遲有關的挑戰(zhàn)。最后，介紹來自 NI 的 PXI 可編程電源 (PPS) 套件，包括數(shù)字萬用表、LCR 儀表、示波器、多功能 I/O、波形發(fā)生器和源測量單元等模塊，以及用于實現(xiàn) T&M 過程自動化的軟件工具。 需要哪種測量？ 要確定需要哪種類型的 T&M 儀器，首先要回答幾個基本問題： · 要測量的信號是輸入、輸出，還是兩者皆有？ · 信號是直流 (DC) 還是交流 (AC) 信號，如果是交流信號，信號頻率是千赫茲 (kHz)、兆赫茲 (MHz) 還是吉赫茲 (GHz)？ 回答這些問題有助于確定所需儀器是用于直流和功率、低速模擬、高速模擬，還是用于射頻 (RF) 和無線應用（表 1）。 直流和功率 低速模擬 高速模擬 RF 和無線 輸入，測量 數(shù)字萬用表 模擬輸入、數(shù)據(jù)采集 (DAQ) 示波器、頻率計 射頻分析儀、功率計（頻譜分析儀、矢量信號分析儀） 輸出，生成 可編程電源 模擬輸出 函數(shù)/任意波形發(fā)生器（FGEN、AWG） 射頻信號發(fā)生器（矢量信號發(fā)生器、連續(xù)波源） 同一設備上的輸入和輸出 直流功率分析儀 多功能數(shù)據(jù)采集（多功能 DAQ） 一體化示波器 矢量信號收發(fā)器 (VST) 同一引腳上的輸入和輸出 源測量單元 (SMU) LCR 儀表 阻抗分析儀 矢量網(wǎng)絡分析儀 (VNA) 表 1：根據(jù)輸入和輸出特性以及性能水平，T&M 儀器分為幾個基本類別。（表格來源：NI） 模擬儀器規(guī)格 確定某個測量任務所需的儀器類型后，就需要確定具體的性能要求，包括： · 信號基本特性，包括確保以下幾點：信號范圍足夠大，可以捕獲所需的信號；阻抗支持 DUT 的負載和測量的頻率要求；與地面的隔離支持所需的抗噪和安全水平。 · 需要足夠的帶寬（以 kHz、MHz 或 GHz 為單位）來處理被測信號，而模數(shù)轉換器 (ADC) 在每秒采樣數(shù)方面必須足夠快，例如達到每秒千樣本 (kS/s)、每秒兆樣本 (MS/s) 或每秒千兆樣本 (GS/s)，才能捕捉所需的信號細節(jié)。 · 分辨率和精確度也是重要的考慮因素。需要 8 位、24 位，還是其他級別的分辨率？按百分比或百萬分率計算，可以容忍的最大錯誤率是多少？此外，按微伏 (µV) 或納伏 (nV) 等絕對單位計算，需要的靈敏度是多少？ 各種類型的 T&M 儀器需要不同的輸入隔離和阻抗范圍、輸入耦合和濾波規(guī)格、放大器靈敏度以及測量分辨率和精度，如測量儀器模擬輸入路徑實例所示（表 2）。 輸入隔離和端接 輸入耦合和濾波 輸入放大器 模數(shù)轉換器 (ADC) 確定的規(guī)格 隔離輸入阻抗 交流/直流耦合，模擬帶寬 最大電壓范圍，最小電壓靈敏度 采樣率和分辨率 實例：DMM 隔離高達 330 V Cat II，電阻 10 MΩ（可選） 直流耦合 200 kHz 帶寬 高達 300 V 的輸入，低至 10 nV 的靈敏度 10 kHz 讀取率 6.5 位數(shù)字（24 位）分辨率 實例： 示波器： 接地參考 50 Ω 或 1 MΩ（可選） 直流或交流耦合（可選 350 MHz 帶寬） 高達 40 VPP 輸入，低至 1 mV 的靈敏度 高達 5 GS/s 的采樣率，8 位分辨率 
表 2：對于特定的測量而言，不同的 T&M 儀器，例如 DMM 和示波器，需要的性能特征可能差異很大。（表格來源：NI） 總線、帶寬和延遲 T&M 儀器需要連接到控制器，才能構成一個測試系統(tǒng)。對連接總線的信號帶寬和延遲要求是重要的考慮因素。帶寬衡量數(shù)據(jù)的傳輸速度，通常以兆字節(jié)/秒為單位，而延遲則衡量數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。常用總線的帶寬和延遲組合存在很大的差異。另一個因素是總線支持的傳輸距離。例如，通用接口總線 (GPIB) 和通用串行總線 (USB) 可以達到相近的延遲水平，但 USB 提供更高的帶寬。千兆以太網(wǎng)具有中等帶寬和較高的延遲，但可以傳輸更遠的距離。 在設計 T&M 系統(tǒng)時，經常使用 PCI 和 PCI Express。它們設計用于短距離鏈路，最長傳輸距離約為 1 米 (m)，并提供高帶寬和低延遲（圖 1）。PCI Express 的一個重要特點是，為總線上的每臺設備提供專用帶寬。這一特點使得 PCI Express 成為高性能和數(shù)據(jù)密集型應用的首選互連總線，例如實時 T&M 系統(tǒng)，這些系統(tǒng)必須整合和同步多個儀器的操作。
圖 1：PCI/PXI Express 提供最高性能的分辨率和延遲組合。（圖片來源：NI） T&M 儀器套件 設計人員可以使用來自 NI 的 PXI PPS 套件作為基礎來打造高性能 T&M 系統(tǒng)。PXI PPS 模塊可滿足 DUT 的基本電源需求，還可通過多種 T&M 模塊進行擴展，以支持一系列的設備特征化、設計驗證和制造測試應用。機箱提供高達 58 W 的功率和冷卻能力以支持更多儀器，并提供高性能 PXIe 互連和集成 Thunderbolt 鏈路，用于連接充當系統(tǒng)控制器的外部臺式機或筆記本電腦（圖 2）。
圖 2：基本 PXI PPS 套件，包括控制器和 PPS 模塊，以及用于連接另外四個 PXI 儀器的插槽。（圖片來源：NI） 這些 PPS 可用于為 DUT 提供可編程電源，同時控制和監(jiān)測電流和電壓水平，以測量功耗。它們有兩個隔離的 60 W 通道，具有遠程感測功能，可以校正系統(tǒng)布線的損耗，典型效率為 78%。這些通道還包括輸出關斷功能，可在不進行測試時隔離 DUT。 能為 DUT 提供 120 W 功率的可擴展 PXI PPS 套件的實例包括：867117-01，帶有 PXIe-4112 雙通道 PPS（如 782857-01 型號），可提供最大 1 A 電流和每通道 60 V 直流輸出，另外還包括 867118-01，帶有 PXI2-4113 雙通道 PPS（如 782857-02 型號），可提供最大 6 A 電流和每通道 10 V 直流輸出（圖 3）。
圖 3：PXI PPS 套件可選擇輸出為 60 V DC（左）或 10 V DC（右）的電源。（圖片來源：NI） 快速啟動 T&M 系統(tǒng)開發(fā) NI 為設計人員提供了一系列 PXI 套件，幫助他們快速啟動 T&M 系統(tǒng)開發(fā)工作。實例包括： PXI 波形發(fā)生器套件，可用于生成標準函數(shù)波形和用戶定義的任意波形。PXI 波形發(fā)生器套件可提供多達兩個輸出通道，帶寬高達 80 MHz，輸出范圍為 ±12 V，最大采樣率為 800 MS/s。例如，867119-01 包括一個 20 MHz 任意函數(shù)波形發(fā)生器。 PXI 示波器套件提供多達 8 個通道，能夠以高達 5 GS/s 的速度進行采樣，模擬帶寬為 1.5 GHz。867010-01 套件包括一個 60 MHz 示波器模塊。 PXI 源測量單元 (SMU) 套件，例如 867111-01，設計用于實現(xiàn) DC 測量和測試的自動化。這些 SMU 可在四象限內工作，范圍高達 ±200 V 和 ±3 A，靈敏度低至 100 fA。PXI SMU 套件兼具執(zhí)行大功率掃描和低電流測量的能力。 PXI LCR 套件，例如 867113-01，將 LCR 儀表和 SMU 組合在一臺儀器中，可用于進行 DC 和阻抗測量。該儀器在單插槽 PXI 外形尺寸中提供 fA 電流和 fF 電容的測量。 PXI DMM 套件支持手動探測、切換和自動 DMM 測量，具有高精度和高達 7.5 位的分辨率。高采樣速度讓用戶無需示波器即可表征瞬變。用戶還可以配置用于采集和/或定序的觸發(fā)器。例如，867115-01 配備 6.5 位數(shù)的顯示屏。 PXI Nanovolt Meter 套件是高分辨率的模擬輸入模塊，分辨率高達 28 位。它們包括斬波模式，使用一對通道來提供高水平的噪聲抑制，從而實現(xiàn)準確和可重復的 nV 測量及板載信號平均化和濾波處理，以及自動歸零測量切換。867125-01 型號提供 32 個通道、28 位分辨率、2 MS/s 采樣率。 PXI 多功能 I/O 套件，例如 867124-01，將模擬 I/O、數(shù)字 I/O、計數(shù)器/定時器和觸發(fā)功能組合在一起。PXI 多功能 I/O 套件提供多達 4 個模擬輸出通道、48 個雙向數(shù)字通道，80 個模擬輸入通道，采樣率為 2 MS/s。 軟件定義系統(tǒng) 除了全套硬件模塊，NI 還為 T&M 系統(tǒng)設計人員提供了多種軟件開發(fā)環(huán)境選擇，包括 InstrumentStudio 和 LabVIEW。 NI 的 PXI 儀器隨附 InstrumentStudio 開發(fā)環(huán)境，它為測試工程師提供了單一的無代碼軟件環(huán)境，用于監(jiān)控和調試自動化測試系統(tǒng)。此外，用戶可以創(chuàng)建屏幕，同時顯示來自多個儀器的數(shù)據(jù)（圖 4）。工具讓用戶能夠捕捉屏幕截圖和測量結果，并為 DUT 保存項目級配置，以便重復使用，或者與其他開發(fā)人員共享。
圖 4：InstrumentStudio 可在一個屏幕上顯示來自多個儀器的數(shù)據(jù)。例如，來自示波器（左側大面板）、DMM（右上面板）和函數(shù)發(fā)生器（右下面板）的數(shù)據(jù)。（圖片來源：NI） LabVIEW 是 NI 的軟件定義測試開發(fā)環(huán)境。借助其圖形用戶界面 (GUI)，測試工程師可以快速開發(fā)自動化研究、驗證和生產測試系統(tǒng)。基本上，LabVIEW 的圖形化方法使得非編程人員能夠拖放儀器的虛擬表示，以生成 T&M 程序、創(chuàng)建交互式用戶界面，以及保存數(shù)據(jù)為 .cvs、.tdms 或自定義二進制文件。 更高級的程序員可以受益于它提供的 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB 驅動程序。NI 還為開發(fā)全面的 T&M 環(huán)境提供了一套軟件工具，包括： · 用于創(chuàng)建自動測試序列的 TestStand · 用于生成 Web 應用程序的 G Web 開發(fā)軟件 · 用于交互式數(shù)據(jù)分析的 DIAdem · 用于 T&M 數(shù)據(jù)采集和記錄的 FlexLogger 總結 要為元器件和系統(tǒng)的設計、驗證和生產測試創(chuàng)建軟件定義的測試環(huán)境，需要使用多種 T&M 儀器。相比使用來自多家供應商的儀器而導致產生連接、成本和空間要求，測試工程師可以改用 NI 的儀器套件來開發(fā)緊湊、靈活、高性能的測試系統(tǒng)。NI 還提供了軟件環(huán)境的選擇，以加快開發(fā)過程。 |
