作者：Jeff Shepard

　　在為汽車(chē)、消費(fèi)、工業(yè)、醫(yī)療和其他應(yīng)用設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和生產(chǎn)測(cè)試組件和系統(tǒng)時(shí)，需要大量的測(cè)試和測(cè)量 (T&M) 儀器。這些 T&M 儀器套件需要緊湊且具有高性能。他們需要低延遲以及高通道密度和帶寬。此外，設(shè)計(jì)需求會(huì)隨著時(shí)間的推移而改變，因此模塊化是確保系統(tǒng)面向未來(lái)的一大優(yōu)勢(shì)。在許多情況下，這些 T&M 活動(dòng)涉及重復(fù)測(cè)試或地理上分散的團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作，使軟件定義測(cè)試成為一個(gè)非常理想的功能。

　　使用一組常規(guī)儀器是一種潛在的解決方案。然而，來(lái)自一系列制造商的設(shè)備的系統(tǒng)集成問(wèn)題，包括在多個(gè)屏幕上顯示的信息、軟件兼容性、大量布線以及眾多分立儀器所需的空間量，可能具有挑戰(zhàn)性。

　　相反，T&M 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向高性能模塊化儀器和其他具有專(zhuān)門(mén)同步和關(guān)鍵軟件功能的 I/O模塊，從設(shè)備驗(yàn)證到自動(dòng)化生產(chǎn)測(cè)試。這些捆綁單元可用于緊湊型五插槽 PXI Express 測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過(guò) Thunderbolt USB-C 端口由筆記本電腦或臺(tái)式計(jì)算機(jī)控制。

　　本文首先簡(jiǎn)要回顧模塊化儀器系統(tǒng)的性能指標(biāo)，包括模擬儀器類(lèi)別。然后，它比較了模塊化儀器系統(tǒng)的各種總線的性能，并探討了與提高分辨率和減少延遲相關(guān)的挑戰(zhàn)。最后介紹了NI的 PXI 可編程電源 (PPS) 套件，包括用于數(shù)字萬(wàn)用表、LCR 表、示波器、多功能 I/O、波形發(fā)生器和源測(cè)量單元的模塊，以及用于自動(dòng)化 T&M 過(guò)程的軟件工具。

　　需要什么樣的測(cè)量?

　　確定需要哪種類(lèi)型的 T&M 儀器的過(guò)程始于幾個(gè)基本問(wèn)題：

　　被測(cè)信號(hào)是輸入、輸出還是兩者兼有?

　　信號(hào)頻率是直流電 (DC) 還是交流電 (AC)，如果是交流電，單位是千赫 (kHz)、兆赫 (MHz) 還是千兆赫 (GHz)?

　　這些問(wèn)題的答案有助于確定所需儀器是用于直流和電源、低速模擬、高速模擬還是射頻 (RF) 和無(wú)線應(yīng)用(表 1)。

　　表 1：根據(jù)輸入和輸出特性以及性能水平，T&M 儀器有幾個(gè)基本類(lèi)別。 (表格來(lái)源：NI)

　　模擬儀器規(guī)格

　　確定測(cè)量任務(wù)所需的一般儀器類(lèi)型后，就該確定具體的性能要求，包括：

　　信號(hào)基礎(chǔ)包括確保：信號(hào)范圍足夠大以捕獲所需信號(hào)，阻抗支持 DUT 的負(fù)載和測(cè)量的頻率要求，以及與地的隔離支持所需的抗擾度和安全級(jí)別。

　　以 kHz、MHz 或 GHz 為單位的帶寬需要足以處理被測(cè)量的信號(hào)，并且模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 需要足夠快，以每秒樣本數(shù)計(jì)算，例如每秒千樣本數(shù) ( kS/s)、每秒百萬(wàn)樣本數(shù) (MS/s) 或每秒千兆樣本數(shù) (GS/s)，以捕獲所需的信號(hào)細(xì)微差別。

　　分辨率和準(zhǔn)確性也是重要的考慮因素。是否需要 8 位、24 位或其他級(jí)別的分辨率?可以容忍的以百分比或百萬(wàn)分率表示的最大錯(cuò)誤率是多少?此外，以微伏 (μV) 或納伏 (nV) 等絕對(duì)單位表示的所需靈敏度是多少?

　　各種類(lèi)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(cè)量分辨率和精度，如測(cè)量?jī)x器模擬輸入路徑示例(表 2)所示。

　　表 2：不同的 T&M 儀器，例如 DMM 和示波器，對(duì)于給定的測(cè)量可能需要廣泛不同的性能特征。 (表格來(lái)源：NI)

　　總線、帶寬和延遲

　　T&M 儀器需要連接到控制器以形成測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)連接總線的信號(hào)帶寬和延遲的要求是重要的考慮因素。帶寬衡量數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，通常以兆字?jié)/秒為單位，而延遲衡量數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。常用的總線具有廣泛不同的帶寬和延遲組合。另一個(gè)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) 可以支持相似級(jí)別的延遲，但 USB 提供更高的帶寬。就其本身而言，千兆以太網(wǎng)具有中等帶寬和更高的延遲，但可以傳輸更遠(yuǎn)的距離。

　　在設(shè)計(jì) T&M 系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)常使用 PCI 和 PCI Express。它們專(zhuān)為最遠(yuǎn)約 1 米 (m) 的短距離鏈路而設(shè)計(jì)，并提供高帶寬和低延遲(圖 1)。 PCI Express 的一個(gè)重要特性是它為總線上的每個(gè)設(shè)備提供專(zhuān)用帶寬。這使得 PCI Express 成為高性能和數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序的首選互連總線，例如需要集成和同步多臺(tái)儀器操作的實(shí)時(shí) T&M 系統(tǒng)。

　　圖 1：PCI/PXI Express 提供分辨率和延遲的最高性能組合。 (圖片來(lái)源：NI)

　　T&M 儀器包

　　設(shè)計(jì)人員可以將NI 的PXI PPS 套件 作為高性能 T&M 系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 PXI PPS 模塊可滿(mǎn)足 DUT 的基本電源需求，并可通過(guò)眾多 T&M 模塊進(jìn)行擴(kuò)展，以支持一系列設(shè)備表征、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和制造測(cè)試應(yīng)用。該機(jī)箱為附加儀器提供高達(dá) 58 瓦的電源和冷卻、高性能 PXIe 互連以及用于連接外部臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦的集成 Thunderbolt 鏈路，充當(dāng)系統(tǒng)控制器(圖 2)。

　　圖 2：一個(gè)基本的 PXI PPS 套件包括一個(gè)控制器、一個(gè) PPS 模塊和用于另外四個(gè) PXI 儀器的插槽。 (圖片來(lái)源：NI)

　　PPS 可用于為 DUT 提供可編程電源，同時(shí)控制和監(jiān)控電流和電壓電平以測(cè)量功耗。它們有兩個(gè)帶遙感功能的隔離式 60 瓦通道，可校正系統(tǒng)布線中的損耗，典型效率為 78%。這些通道還包括輸出斷開(kāi)器，可以在未測(cè)試時(shí)隔離 DUT。

　　為 DUT 提供 120 瓦功率的可擴(kuò)展 PXI PPS 捆綁包示例包括帶有 PXIe-4112 雙通道 PPS 的867117-01 (如型號(hào)782857-01)，可在 60 伏直流電下提供最大 1 安培 (A) 的電流每個(gè)通道，以及帶有 PXI2-4113 雙通道 PPS 的867118-01 (如型號(hào)782857-02)，每個(gè)通道可在 10 伏直流電下提供高達(dá) 6 A 的電流(圖 3)。

　　圖 3：PXI PPS 捆綁包提供 60 伏直流(左)或 10 伏直流(右)輸出的電源選擇。 (圖片來(lái)源：NI)

　　快速啟動(dòng) T&M 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

　　NI 為設(shè)計(jì)人員提供一系列 PXI 套件，以快速啟動(dòng)他們的 T&M 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作。例子包括：

　　PXI 波形發(fā)生器套件，可用于生成標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)和用戶(hù)定義的任意波形。 PXI 波形發(fā)生器套件具有多達(dá)兩個(gè)帶寬高達(dá) 80 MHz 的輸出通道、±12 伏輸出范圍和 800 MS/s 最大采樣率。例如，867119-01包括一個(gè) 20 MHz 任意函數(shù)發(fā)生器。

　　PXI 示波器套件具有多達(dá)八個(gè)通道，能夠以高達(dá) 5 GS/s 的速度和 1.5 GHz 的模擬帶寬進(jìn)行采樣。捆綁包867010-01包括一個(gè) 60 MHz 示波器模塊。

　　PXI 源測(cè)量單元 (SMU) 套件，如867111-01，設(shè)計(jì)用于自動(dòng)化直流測(cè)量和測(cè)試。 SMU 具有四象限操作，范圍高達(dá) ±200 伏和 ±3 A，靈敏度低至 100 飛安 (fA)。 PXI SMU 套件結(jié)合了執(zhí)行高功率掃描和低電流測(cè)量的能力。

　　PXI LCR 套件(例如867113-01)可用于通過(guò)將 LCR 表和 SMU 組合在單個(gè)儀器中來(lái)進(jìn)行直流和阻抗測(cè)量。該儀器以單槽 PXI 外形尺寸提供 fA 電流和飛法拉 (fF) 電容測(cè)量。

　　PXI DMM 套件支持手動(dòng)探測(cè)、開(kāi)關(guān)和自動(dòng) DMM 測(cè)量，具有高達(dá) 7.5 位的高精度和分辨率。高采樣速度使用戶(hù)無(wú)需示波器即可表征瞬變。用戶(hù)還可以配置用于采集和/或排序的觸發(fā)器。例如，867115-01具有 6.5 位顯示屏。

　　PXI 納伏表套件是高分辨率模擬輸入模塊，分辨率高達(dá) 28 位。它們包括使用一對(duì)通道提供高水平噪聲抑制的斬波模式，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和可重復(fù)的 nV 測(cè)量和板載信號(hào)平均和濾波，以及自動(dòng)歸零測(cè)量切換。型號(hào)867125-01具有 32 個(gè)通道、28 位分辨率和 2 MS/s 采樣率。

　　PXI 多功能 I/O 套件，如867124-01，提供模擬 I/O、數(shù)字 I/O、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器和觸發(fā)功能的組合。 PXI 多功能 I/O 套件具有多達(dá)四個(gè)模擬輸出通道、48 個(gè)雙向數(shù)字通道、80 個(gè)模擬輸入通道和 2 MS/s 的采樣率。

　　軟件定義系統(tǒng)

　　除了全面的硬件模塊外，NI 還為 T&M 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供多種軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇，包括InstrumentStudio和 LabVIEW。

　　InstrumentStudio 包含在 NI PXI 儀器中，為測(cè)試工程師提供了一個(gè)單一的無(wú)代碼軟件環(huán)境來(lái)監(jiān)控和調(diào)試自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。此外，用戶(hù)可以創(chuàng)建同時(shí)顯示來(lái)自多臺(tái)儀器的數(shù)據(jù)的屏幕(圖 4)。工具使用戶(hù)能夠捕獲屏幕截圖和測(cè)量結(jié)果，并保存 DUT 的項(xiàng)目級(jí)配置，這些配置可以重復(fù)使用或與其他開(kāi)發(fā)人員共享。

　　圖 4：InstrumentStudio 可以在一個(gè)屏幕上顯示來(lái)自多個(gè)儀器的數(shù)據(jù)。例如，來(lái)自示波器(左大面板)、DMM(右上面板)和函數(shù)發(fā)生器(右下面板)。 (圖片來(lái)源：NI)

　　LabVIEW 是 NI 的軟件定義測(cè)試開(kāi)發(fā)環(huán)境。借助其圖形用戶(hù)界面 (GUI)，測(cè)試工程師可以快速開(kāi)發(fā)自動(dòng)化研究、驗(yàn)證和生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)。在基本層面上，LabVIEW 的圖形方法使非程序員能夠拖放儀器的虛擬表示以構(gòu)建 T&M 程序、創(chuàng)建交互式用戶(hù)界面并將數(shù)據(jù)保存到 .cvs、.tdms 或自定義二進(jìn)制文件。

　　更高級(jí)的程序員可以受益于 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB 的可用驅(qū)動(dòng)程序。 NI 還提供了一套用于開(kāi)發(fā)綜合測(cè)試與測(cè)量環(huán)境的軟件工具，包括：

　　用于創(chuàng)建自動(dòng)化測(cè)試序列的TestStand

　　G用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)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

　　結(jié)論

　　為組件和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和生產(chǎn)測(cè)試創(chuàng)建軟件定義的測(cè)試環(huán)境需要使用多種 T&M 儀器。測(cè)試工程師無(wú)需使用來(lái)自多個(gè)供應(yīng)商的具有相關(guān)連接性、成本和空間要求的儀器，而是可以轉(zhuǎn)向 NI 的儀器包，這些儀器包可用于生產(chǎn)緊湊、靈活和高性能的測(cè)試系統(tǒng)。 NI 還提供多種軟件環(huán)境以加快開(kāi)發(fā)過(guò)程。