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來源：DigiKey 作者： Art Pini 使用獨(dú)立儀器設(shè)計多通道自動化測試系統(tǒng)時，由于要重復(fù)設(shè)計顯示屏、前面板、電源和電源線等基本功能，效率非常低下。與機(jī)架堆疊式儀器通信也很低效，因為這些儀器中的大多數(shù)可能使用基于以太網(wǎng)的 LAN 儀器擴(kuò)展 (LXI)，與 Thunderbolt 3 等更快的串行接口相比，LXI 速度更慢，編程開銷也更大。 更好的方法是使用模塊化儀器，這類儀器外形小巧，但能提供所需的功能。在這種設(shè)置中，示波器、萬用表和信號發(fā)生器等多種儀器并排安裝在一個公用機(jī)箱中。這些儀器通過公共總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)部通信，確保所有儀器同步運(yùn)行。它們還由運(yùn)行統(tǒng)一軟件的 PC 進(jìn)行控制，從一個公用屏幕就能控制所有儀器。 本文將介紹如何使用 NI 的設(shè)備設(shè)計所需的系統(tǒng)，該公司多年來一直致力于自動化測試與計量系統(tǒng)的開發(fā)和商業(yè)化。NI 提供了一系列使用 PCI 儀器擴(kuò)展 (PXI) 的示波器套件，以簡化測試系統(tǒng)的設(shè)計。PXI 是一種基于 PCI 的平臺，具有并行接口，非常適合用于構(gòu)建具有多種儀器和高通道數(shù)的測試系統(tǒng)。 PXI 套件 在 PCI 計算機(jī)總線基礎(chǔ)之上，PXI 增加了時鐘、同步和觸發(fā)總線，以及軟件可配置能力，旨在構(gòu)建高度靈活的測試系統(tǒng)。PXI 機(jī)箱為所有模塊供電，并提供內(nèi)部模塊間通信，以及高速模塊到 PC 通信鏈路。 NI 的套件包括：帶有五個模塊化儀器插槽的 PXI 機(jī)箱、一系列可選的示波器模塊、必要的電纜或探頭，以及 InstrumentStudio 控制軟件（圖 1）。 
圖 1：NI PXI 示波器套件包括 PXI 機(jī)箱、PXI 示波器模塊、InstrumentStudio 多儀器軟件和電纜。（圖片來源：NI） NI 的 PXI 示波器套件提供六種示波器模塊供選擇，通道數(shù)有 2、4 或 8 個，帶寬范圍為 60 MHz 至 1.5 GHz，采樣率介于 60 和 5000 MS/s 之間（表 1）。對于機(jī)箱，PXIe 表示支持更快的 PCIe 串行接口。
表 1：NI PXI 示波器套件的模塊化示波器規(guī)格匯總。所有套件產(chǎn)品均使用相同的 PXIe 機(jī)箱。（表格來源：Art Pini，基于 NI 數(shù)據(jù)） 例如，867011-01 使用帶寬為 100 MHz、采樣率為 1000 MS/s 的 PXIe-5110 雙通道示波器模塊（圖 2）。
圖 2：PXIe-5100 是一款雙通道示波器 PXIe 模塊，隨 867011-01 PXI 示波器套件提供，包含兩個示波器探頭。（圖片來源：NI） PXI 示波器占用機(jī)箱中的一個模塊插槽，剩下四個插槽用于安裝其他儀器。例如，要獲得 16 個通道，可以使用兩個 PXIe-5105 或 PXIe-5172 模塊。您還可以選用其他 PXI 儀器和支持選件，如萬用表、波形發(fā)生器、計數(shù)器或電源等等。 高效使用 PXI 套件 關(guān)于數(shù)字示波器，存在一些經(jīng)驗法則。例如，采樣率必須大于帶寬的兩倍，以防止混疊。參見表 1，PXIe-5105 的模擬帶寬為 60 MHz，最大采樣率為 60 MS/s。PXIe-5105 通過內(nèi)置一個具有快速衰減特性的 24 MHz 抗混疊濾波器來避免混疊問題，帶寬被限制在最大采樣率 60 MS/s 的一半以下。 存儲深度控制可在最大采樣率下實現(xiàn)的最長采集。較長的采集需要降低采樣率。當(dāng)處理長波形事件時，存儲深度最重要，例如車輛中的超聲波測距應(yīng)用可能需要毫秒級的持續(xù)時間。對于這種應(yīng)用，以 60 MS/s 的最大采樣率運(yùn)行的 867010-01 PXI 示波器可以在其 128 MB 存儲器中采集 2.1 秒的數(shù)據(jù)。 示波器的分辨率決定了儀器的理論動態(tài)范圍。理想情況下，8 位示波器可以將介于滿量程幅度 (FSA) 和 FSA/256（即 2 的位數(shù)次方）之間的信號數(shù)字化。因此，位數(shù)越大，電壓分辨率越高。當(dāng)示波器在有大幅度信號存在的情況下測量幅度非常小的信號時，高分辨率非常重要。這里再以超聲波測距應(yīng)用為例。發(fā)射的脈沖接近 FSA，但反射的回波可能是其 1/1000 或更小，因此需要 60 dB 的動態(tài)范圍。粗略的經(jīng)驗法則是，每位分辨率提供 6 dB 的動態(tài)范圍，因此 1000:1 的動態(tài)范圍要求 10 位以上的分辨率。 同所有實際儀器一樣，由于噪聲和失真，可實現(xiàn)的電壓分辨率一般低于理想值。用于衡量示波器實際分辨率的品質(zhì)因數(shù)是有效位數(shù) (ENOB) 和無雜散動態(tài)范圍 (SFDR)（圖 3）。
圖 3：ENOB 和 SFDR 是衡量示波器分辨率的指標(biāo)，考慮了噪聲和諧波等失真產(chǎn)物。（圖片來源：NI） SFDR 以 dB 為單位，通過滿量程與所采集波形頻譜中最高頻譜峰值之差來衡量分辨率。ENOB 以位為單位，確定動態(tài)范圍介于滿量程和均方根 (RMS) 噪聲量化電平之間的理想數(shù)字化儀的分辨率。ENOB 總是小于示波器的理論分辨率。它還與頻率和幅度相關(guān)，隨著輸入信號頻率而變化。 軟件 為了以交互方式同時控制多個儀器，您可以將 NI 的 InstrumentStudio 配合示波器套件使用（圖 4）。每個儀器都有一個用戶指定的控制窗口，允許監(jiān)控和調(diào)試測試系統(tǒng)的操作。
圖 4：InstrumentStudio 用戶界面支持以交互方式控制多個 PXI 儀器；每個儀器都有一個用戶指定的控制窗口，允許監(jiān)控和調(diào)試測試系統(tǒng)的操作。（圖片來源：Art Pini） InstrumentStudio 支持實時監(jiān)控和調(diào)試自動化測試組件，包括電源、信號源、萬用表和其他 PXI 儀器。該軟件還能用于將儀器配置直接導(dǎo)出到更高級的 NI 測試軟件，如 LabView。 InstrumentStudio 包括 PXI 示波器的測量和分析功能。其包含 35 個常用測量參數(shù)，如峰間幅值、頻率、占空比以及時間和幅度光標(biāo)。若要提供類似頻譜分析儀的視圖，可以使用帶均值功能的快速傅立葉變換 (FFT) 函數(shù)形式的頻域分析。FFT 視圖可以包括多達(dá) 12 個用戶放置的標(biāo)記，支持讀取頻譜視圖上特定峰值的幅值和頻率。 數(shù)據(jù)鏈路 PXI 機(jī)箱由 PC 通過 Thunderbolt 3 鏈路控制，該鏈路可在每個方向上以高達(dá) 40 Gb/s 的速率同步傳輸數(shù)據(jù)。PXI 機(jī)箱有兩個 Thunderbolt 3 接口，位于控制器插槽的前面板上。兩個 Thunderbolt 3 接口支持以菊花鏈連接多臺 Thunderbolt 3 兼容設(shè)備，如外部監(jiān)視器。 測試系統(tǒng) 所有這些單獨(dú)的部分組合在一起，就構(gòu)成了一個非常緊湊的測試系統(tǒng)。PXI 機(jī)箱和三個模塊（一個示波器、一個數(shù)字萬用表 (DMM) 和一個電源）一起比單個機(jī)架堆疊式示波器更小（圖 5）。
圖 5：基于 PXI 示波器套件的典型系統(tǒng)，使用了機(jī)箱、示波器、電源、DMM 和 InstrumentStudio 軟件，一同顯示的是相同類型的機(jī)架堆疊式儀器。（圖片來源：NI） 圖 5 中的被測設(shè)備 (DUT) 是一個 Arduino 板，該板設(shè)置用于產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號。電源產(chǎn)生 5 V 電壓為其供電，DMM 讀取設(shè)備上的 3.3 V 穩(wěn)定電壓，示波器顯示 PWM 波形。與 DUT 的互連是通過常規(guī)示波器探頭（隨 PXI 示波器提供，帶有 BNC 輸入連接器）和常規(guī)測試引線實現(xiàn)的。右圖所示的等效機(jī)架堆疊式儀器要大得多。 結(jié)語 NI PXI 示波器套件為實現(xiàn)緊湊型自動化測試系統(tǒng)提供了一個堅實的基礎(chǔ)。這些套件支持多通道配置，最多可容納五個獨(dú)立的模塊化儀器。InstrumentStudio 軟件通過一套完整的測量工具，包括參數(shù)、光標(biāo)和標(biāo)記，支持在時域和頻域?qū)?DUT 進(jìn)行交互式測量。 |
