電子測(cè)量?jī)x器和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的新概念和趨勢(shì)

前言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)難以用飛速的變化來形容。新工藝、新材料、新制造技術(shù)催生了新一代電子元器件，同時(shí)也催生了電子測(cè)量技術(shù)和電子測(cè)量?jī)x器的新概念和新發(fā)展趨勢(shì)。本文擬從現(xiàn)代電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展的三個(gè)明顯特征入手，介紹下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的概念和基本技術(shù)，并介紹合成儀器的概念，供讀者參考。

現(xiàn)代電子測(cè)量?jī)x器的發(fā)展趨勢(shì)

更好的儀器性能

儀器性能更加優(yōu)異，測(cè)量功能更加強(qiáng)大，儀器的測(cè)量精度、測(cè)試靈敏度、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍等都達(dá)到了前所未有的高度。例如，安捷倫PSA頻譜分析儀的測(cè)量靈敏度高達(dá)-169dBm（接近物理世界的熱噪聲-174dBm），PNA網(wǎng)絡(luò)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)143dB，分辨率帶寬為Agilent 83453A高分辨率光譜儀=0. 0001nm（亞皮米）（突破皮米分辨率帶寬壁壘），Agilent 86107A精密時(shí)基參考模塊，延遲小于100ns，抖動(dòng)1.@ >7ps RMS（突破皮秒抖動(dòng)瓶頸），DSO80000系列示波器

其單片A/D芯片具有20GSa/s的實(shí)時(shí)高采樣率，使其成為世界上最快的采樣示波器（40GSa/s實(shí)時(shí)采樣率，13GHz帶寬）。此外，賦予單臺(tái)儀器更強(qiáng)大的測(cè)量功能，如Agilent 8960系列無線綜合測(cè)試儀（集成手機(jī)和基站射頻測(cè)試和協(xié)議測(cè)試）；ESG/PSG矢量信號(hào)源可靈活生成 包括連續(xù)波/調(diào)幅/調(diào)頻/相位調(diào)制/脈沖調(diào)制，全標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（GSM/EDGE/WCDMA/TD2SCDMA/CDMAOne/CDMA2000/CDMA20001X2EV/Bluetooth/WLAN/PHS /PDC/NADC/DECT/TETRA 等），未來使用的任何波形和其他信號(hào)；MSO混合信號(hào)示波器（2/4模擬測(cè)量通道+16邏輯分析通道）使單臺(tái)儀器同時(shí)具備示波器和邏輯分析儀的功能；Infiniium 示波器配備了 VSA 矢量信號(hào)分析軟件，后來成為世界上測(cè)量分析帶寬最寬的矢量信號(hào)分析儀。

儀表與計(jì)算機(jī)一體化

儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的前所未有的整合。首先，越來越多的儀器使用Windows軟件和Intel芯片為平臺(tái)，使用Windows GUI和軍用標(biāo)準(zhǔn)軟件，將儀器內(nèi)部操作軟件替換為Windows軟件，并且易于與MS辦公應(yīng)用軟件連接，充分發(fā)揮其功效。例如，安捷倫的儀器可用于捕獲Word語言的屏幕圖像、Excel語言繪制的波形數(shù)據(jù)以及Excel語言捕獲的測(cè)量數(shù)據(jù)。很容易從互聯(lián)網(wǎng)上免費(fèi)下載和升級(jí)最新的軟件版本。使用Windows Help提高儀器操作學(xué)習(xí)的便利性；同時(shí)，觸摸屏應(yīng)用廣泛自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，語音控制可以解決雙手同時(shí)占用操作儀器的問題。儀器操作通過網(wǎng)絡(luò)控制，測(cè)試自動(dòng)化通過MS Windows和MS Visual Studio實(shí)現(xiàn)。此外，可以使用儀器內(nèi)部的VBA軟件有效幫助實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的測(cè)試自動(dòng)化

其次，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)在儀器上的廣泛應(yīng)用，使儀器具有更先進(jìn)的連接性。例如，安捷倫的大部分儀器都配備了USB接口、LAN接口和GPIB接口。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)光標(biāo)指示器（鼠標(biāo)、軌跡球、觸摸鍵、操縱桿等）和其他組件（鍵盤、CD RW 驅(qū)動(dòng)器、直接連接打印機(jī)的并行接口、用于外接顯示器的 VGA 輸出、內(nèi)置硬盤）安裝）驅(qū)動(dòng)器等）。特別值得一提的是，在軍工等特殊行業(yè)，測(cè)試數(shù)據(jù)的安全保密要求尤為重要。為此，安捷倫在儀器（如 PNA 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和 Infiniium 示波器）上設(shè)計(jì)了可移動(dòng)硬盤。),

測(cè)試和仿真軟件廣泛應(yīng)用于儀器儀表

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算速度和數(shù)據(jù)處理能力的不斷提高，以及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，儀器硬件、測(cè)試軟件和仿真軟件的結(jié)合越來越緊密。首先，硬件的模塊化設(shè)計(jì)，可以讓不同的硬件模塊與不同的軟件結(jié)合，形成不同功能、不同測(cè)試方案的儀器，比如安捷倫的DAC-J寬帶示波器86100C，通過插入不同的模塊，配備不同的軟件，儀器可成為抖動(dòng)分析儀、寬帶示波器、數(shù)字通信分析儀、時(shí)域反射分析儀；此外，

其次，軟件無線電的概念有了全新的詮釋和實(shí)際應(yīng)用。Agilent 89601A 矢量分析軟件是實(shí)現(xiàn)這一概念的最好例子。它利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力來轉(zhuǎn)換大量的數(shù)字信號(hào)。處理功能和數(shù)據(jù)分析功能在計(jì)算機(jī)軟件中得到充分展現(xiàn)，結(jié)合不同的數(shù)據(jù)采集前端（如VXI結(jié)構(gòu)矢量信號(hào)分析儀、頻譜分析儀、Infiniium數(shù)字示波器）自動(dòng)測(cè)量設(shè)備，將矢量信號(hào)分析與不同功能的儀器相結(jié)合。

同時(shí)，捕獲的信號(hào)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果可作為EDA仿真軟件（如安捷倫的ADS高級(jí)設(shè)計(jì)仿真軟件）的數(shù)據(jù)輸入源，驅(qū)動(dòng)ADS高級(jí)設(shè)計(jì)仿真軟件進(jìn)行元器件級(jí)和系統(tǒng)級(jí)仿真；并且，ADS 可以將高級(jí)設(shè)計(jì)仿真軟件的仿真結(jié)果發(fā)送到安捷倫的 ESG/PSG 矢量信號(hào)源，生成由 VSA 矢量信號(hào)分析儀捕獲和分析的信號(hào)。反過來，可以進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和實(shí)際產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)量和驗(yàn)證的有機(jī)結(jié)合。以安捷倫ADS高級(jí)設(shè)計(jì)仿真軟件為代表的EDA軟件，通過與安捷倫的測(cè)試設(shè)備（包括：頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)源、

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

隨著測(cè)量?jī)x器功能的不斷改進(jìn)和完善，

相關(guān)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)（尤其是軍用ATS測(cè)試系統(tǒng)）的建立和發(fā)展也經(jīng)歷了從臺(tái)式儀器ATS系統(tǒng)到卡式儀器ATS系統(tǒng)，從卡式儀器ATS系統(tǒng)到卡式儀器和臺(tái)式儀器混合ATS系統(tǒng)的發(fā)展過程。至此，VXI結(jié)構(gòu)的儀器（主要針對(duì)大通道數(shù)字信號(hào)測(cè)量）和GPIB標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式儀器（主要針對(duì)射頻/微波信號(hào)測(cè)量的嚴(yán)格性能要求）組合形成ATS測(cè)試系統(tǒng)，已成為軍用ATS測(cè)試系統(tǒng)一般遵循主流原則和模型。這與1990年代以美國(guó)為代表的軍事用戶所倡導(dǎo)的使用COTS（Commercial Off-the-Shelf）流行的商業(yè)儀器構(gòu)建軍用ATS測(cè)試系統(tǒng)有很大關(guān)系。可以大大減少整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的形成和開發(fā)。、維護(hù)、更換和升級(jí)費(fèi)用。

但是，由于軍工行業(yè)的系統(tǒng)開發(fā)周期和認(rèn)證周期比較長(zhǎng)，系統(tǒng)維護(hù)和支持的周期通常為10到20年，民用技術(shù)的發(fā)展日新月異。流行的商用儀器的更新速度越來越快。一些COTS產(chǎn)品在完全用于軍工工業(yè)之前就被報(bào)廢和停產(chǎn)。最終確定的測(cè)試系統(tǒng)的維護(hù)和支持已成為軍事客戶面臨的最大問題，尤其是基于特定硬件開發(fā)的測(cè)試軟件（TPS）。維護(hù)、支持和更新更具挑戰(zhàn)性。這一點(diǎn)在中國(guó)客戶群中也遇到了同樣的問題。如何實(shí)現(xiàn)硬件的互換性和軟件的互操作性，成為保證整個(gè)系統(tǒng)生命周期和生命周期的關(guān)鍵。同時(shí)，軍用ATS測(cè)試系統(tǒng)必須滿足其可靠性、移動(dòng)性和靈活性要求，盡可能降低開發(fā)和維護(hù)成本，節(jié)省人力資源，提高硬件更換效率和維修中心更換效率。完善武器系統(tǒng)，快速響應(yīng)地區(qū)和全球保障的戰(zhàn)略要求。并提高硬件更換效率和維修中心更換效率。完善武器系統(tǒng)，快速響應(yīng)地區(qū)和全球保障的戰(zhàn)略要求。并提高硬件更換效率和維修中心更換效率。完善武器系統(tǒng)，快速響應(yīng)地區(qū)和全球保障的戰(zhàn)略要求。

下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

下一代測(cè)試技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

在過去的一年里，以美國(guó)為首的用戶和儀器制造商提出了新的測(cè)試儀器概念和技術(shù)，以解決COTS儀器帶來的問題，滿足未來測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展需求。這種技術(shù)叫做NxTest，是一種基于LAN（Synthetic Instrument）的模塊化合成儀器。Agilent Technologies 和 VXI Technology 于 2004 年 9 月推出了用于自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的下一代基于 LAN 的模塊化平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化 LXI。

LXI（Instrument LAN Expansion）不僅提供了機(jī)架式和可堆疊式儀器的嵌入式測(cè)量技術(shù)和PC標(biāo)準(zhǔn)I/O連接能力，而且實(shí)現(xiàn)了基于插入式儀器的系統(tǒng)模塊化特性，減小了體積。對(duì)于為航空航天/國(guó)防、汽車、工業(yè)、醫(yī)療和消費(fèi)電子市場(chǎng)開發(fā)電子產(chǎn)品的研發(fā)和制造工程師而言，LXI 緊湊靈活的封裝、高速輸入/輸出和可靠的測(cè)量功能有效地滿足了他們的需求。VXI 總線為所有高密度和高速應(yīng)用提供了理想的標(biāo)準(zhǔn)，而 LXI 同時(shí)結(jié)合了 VXI 和以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，為用戶提供良好的高性能儀器平臺(tái)，滿足VXI通常無法滿足的應(yīng)用需求。例如，LXI 基于 LAN 的結(jié)構(gòu)為在航空航天和國(guó)防工業(yè)中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命儀器奠定了基礎(chǔ)。LXI 沒有帶寬、軟件或計(jì)算機(jī)背板結(jié)構(gòu)限制。它可以利用不斷增長(zhǎng)的以太網(wǎng)吞吐量，為面臨下一代自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)挑戰(zhàn)的工程師提供理想的解決方案。

LXI 標(biāo)準(zhǔn)將由 LXI 協(xié)會(huì)管理。LXI 協(xié)會(huì)是一個(gè)由主要測(cè)試和測(cè)量公司組成的非盈利組織。該小組的目標(biāo)是開發(fā)、支持和推廣 LXI 標(biāo)準(zhǔn)。安捷倫科技和 VXI 科技利用其長(zhǎng)期以來的模塊化儀器設(shè)計(jì)推出了 LXI 平臺(tái)，這是開發(fā)用于測(cè)試系統(tǒng)的開放標(biāo)準(zhǔn)儀器的必然且可行的一步。由于幾乎每臺(tái)計(jì)算機(jī)都內(nèi)置了以太網(wǎng)（LAN），因此以太網(wǎng)已成為業(yè)界廣泛認(rèn)可的通信接口。Internet 硬件價(jià)格在下降，速度在提高，局域網(wǎng)提供了其他點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口標(biāo)準(zhǔn)中沒有提供的對(duì)等通信。測(cè)試和測(cè)量工程師越來越意識(shí)到使用高速局域網(wǎng)替代專有測(cè)試和測(cè)量接口（例如 GPIB）的好處。行業(yè)需要更低的成本、更高的帶寬和更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，這對(duì)專有測(cè)試和測(cè)量接口提出了挑戰(zhàn)。.

LXI 測(cè)試和測(cè)量模塊經(jīng)過優(yōu)化，可用于設(shè)計(jì)檢驗(yàn)或制造測(cè)試系統(tǒng)。連接到局域網(wǎng)的能力允許每個(gè)模塊安裝在世界任何地方，并從世界任何地方訪問該模塊。與使用昂貴電源、背板、控制器和 MXI 卡和電纜的模塊化組件不同，LXI 模塊帶有自己的處理器、LAN 連接、電源和觸發(fā)器輸入。LXI模塊可以是全寬或半寬，高度為一個(gè)機(jī)架單元或兩個(gè)機(jī)架單元，實(shí)現(xiàn)了非常簡(jiǎn)單的混音功能。信號(hào)輸入和輸出在前面，LAN和輸入交流電源在每個(gè)LXI模塊的背面。LXI 模塊由計(jì)算機(jī)控制，不需要顯示器、按鈕、以及傳統(tǒng)機(jī)架和堆疊儀器的撥號(hào)設(shè)備。LXI 模塊使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器診斷問題，并使用 IVI-COM 驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)集成。

LXI儀器的特點(diǎn)

LXI儀器具有以下五個(gè)特點(diǎn)：

(1) 開放行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

LAN和AC電源是業(yè)界最穩(wěn)定、生命周期最長(zhǎng)的開放行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于開發(fā)成本低，制造商可以輕松地將他們現(xiàn)有的儀器產(chǎn)品遷移到基于 LAN 的儀器平臺(tái)。

過來。

(2) 向后兼容性

由于 LAN-Based 模塊僅占標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜寬度的 1/2，因此體積比可擴(kuò)展 (VXI/PXI) 儀器小。同時(shí)，升級(jí)現(xiàn)有的 ATS 不需要重新配置，并允許擴(kuò)展為大型盒式儀器 (VXI/PXI) 系統(tǒng)。

(3) 低成本

在滿足軍用和民用客戶需求的同時(shí)，還保持現(xiàn)有臺(tái)式儀器的核心技術(shù)，結(jié)合最新技術(shù)，確保新的基于局域網(wǎng)的模塊成本低于相應(yīng)的臺(tái)式儀器和VXI/PXI儀器。

(4) 互操作性

作為合成儀器（Synthetic Instruments）模塊，只需要30-40種左右的通用模塊即可解決軍用客戶的主要測(cè)試需求。這樣相對(duì)較少的模塊可以高效靈活地組合成各種面向目標(biāo)服務(wù)的測(cè)試單元，從而徹底減少ATS系統(tǒng)的體積，提高系統(tǒng)的移動(dòng)性和靈活性。

(5) 及時(shí)方便地引入新技術(shù)

因?yàn)檫@些模塊有完整的I/O定義文檔（軍用標(biāo)準(zhǔn)定義），模塊和系統(tǒng)的升級(jí)只需要驗(yàn)證新技術(shù)是否涵蓋了其替代產(chǎn)品的所有功能。這樣，Synthetic Systems 將實(shí)現(xiàn)以下五個(gè)目標(biāo)： ① 非常長(zhǎng)的產(chǎn)品和系統(tǒng)支持周期，應(yīng)用軟件將不再依賴于特定的硬件。②系統(tǒng)體積小，儀器不含多余的顯示、輸入等美觀設(shè)計(jì)部件。③應(yīng)用清晰明了，儀器界面一致，升級(jí)快捷方便。④系統(tǒng)生命周期與產(chǎn)品生命周期一致。⑤供應(yīng)商是獨(dú)立的，測(cè)量硬件和測(cè)量技術(shù)沒有直接聯(lián)系。

展望未來

綜上所述，隨著芯片技術(shù)和DSP技術(shù)的發(fā)展，21世紀(jì)的電子測(cè)量?jī)x器將實(shí)現(xiàn)前所未有的高性能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與儀器的進(jìn)一步融合，儀器的操作簡(jiǎn)便性、升級(jí)能力、測(cè)量能力等數(shù)據(jù)處理和分析能力都得到了極大的提高。同時(shí)，軟件無線電越來越多地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，仿真技術(shù)將為用戶提供更強(qiáng)大、更便捷的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)歷了從GPIB系統(tǒng)到VXI系統(tǒng)，從VXI系統(tǒng)到VXI和GPIB混合系統(tǒng)的發(fā)展過程。