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來(lái)源：DigiKey 作者： Art Pini 使用獨立儀器設計多通道自動(dòng)化測試系統時(shí)，由于要重復設計顯示屏、前面板、電源和電源線(xiàn)等基本功能，效率非常低下。與機架堆疊式儀器通信也很低效，因為這些儀器中的大多數可能使用基于以太網(wǎng)的 LAN 儀器擴展 (LXI)，與 Thunderbolt 3 等更快的串行接口相比，LXI 速度更慢，編程開(kāi)銷(xiāo)也更大。 更好的方法是使用模塊化儀器，這類(lèi)儀器外形小巧，但能提供所需的功能。在這種設置中，示波器、萬(wàn)用表和信號發(fā)生器等多種儀器并排安裝在一個(gè)公用機箱中。這些儀器通過(guò)公共總線(xiàn)結構進(jìn)行內部通信，確保所有儀器同步運行。它們還由運行統一軟件的 PC 進(jìn)行控制，從一個(gè)公用屏幕就能控制所有儀器。 本文將介紹如何使用 NI 的設備設計所需的系統，該公司多年來(lái)一直致力于自動(dòng)化測試與計量系統的開(kāi)發(fā)和商業(yè)化。NI 提供了一系列使用 PCI 儀器擴展 (PXI) 的示波器套件，以簡(jiǎn)化測試系統的設計。PXI 是一種基于 PCI 的平臺，具有并行接口，非常適合用于構建具有多種儀器和高通道數的測試系統。 PXI 套件 在 PCI 計算機總線(xiàn)基礎之上，PXI 增加了時(shí)鐘、同步和觸發(fā)總線(xiàn)，以及軟件可配置能力，旨在構建高度靈活的測試系統。PXI 機箱為所有模塊供電，并提供內部模塊間通信，以及高速模塊到 PC 通信鏈路。 NI 的套件包括：帶有五個(gè)模塊化儀器插槽的 PXI 機箱、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 機箱、PXI 示波器模塊、InstrumentStudio 多儀器軟件和電纜。（圖片來(lái)源：NI） NI 的 PXI 示波器套件提供六種示波器模塊供選擇，通道數有 2、4 或 8 個(gè)，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格匯總。所有套件產(chǎn)品均使用相同的 PXIe 機箱。（表格來(lái)源：Art Pini，基于 NI 數據） 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(gè)示波器探頭。（圖片來(lái)源：NI） PXI 示波器占用機箱中的一個(gè)模塊插槽，剩下四個(gè)插槽用于安裝其他儀器。例如，要獲得 16 個(gè)通道，可以使用兩個(gè) 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(wàn)用表、波形發(fā)生器、計數器或電源等等。 高效使用 PXI 套件 關(guān)于數字示波器，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(jiàn)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(guò)內置一個(gè)具有快速衰減特性的 24 MHz 抗混疊濾波器來(lái)避免混疊問(wèn)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(shí)現的最長(cháng)采集。較長(cháng)的采集需要降低采樣率。當處理長(cháng)波形事件時(shí)，存儲深度最重要，例如車(chē)輛中的超聲波測距應用可能需要毫秒級的持續時(shí)間。對于這種應用，以 60 MS/s 的最大采樣率運行的 867010-01 PXI 示波器可以在其 128 MB 存儲器中采集 2.1 秒的數據。 示波器的分辨率決定了儀器的理論動(dòng)態(tài)范圍。理想情況下，8 位示波器可以將介于滿(mǎn)量程幅度 (FSA) 和 FSA/256（即 2 的位數次方）之間的信號數字化。因此，位數越大，電壓分辨率越高。當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(shí)，高分辨率非常重要。這里再以超聲波測距應用為例。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(dòng)態(tài)范圍。粗略的經(jīng)驗法則是，每位分辨率提供 6 dB 的動(dòng)態(tài)范圍，因此 1000:1 的動(dòng)態(tài)范圍要求 10 位以上的分辨率。 同所有實(shí)際儀器一樣，由于噪聲和失真，可實(shí)現的電壓分辨率一般低于理想值。用于衡量示波器實(shí)際分辨率的品質(zhì)因數是有效位數 (ENOB) 和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR)（圖 3）。
圖 3：ENOB 和 SFDR 是衡量示波器分辨率的指標，考慮了噪聲和諧波等失真產(chǎn)物。（圖片來(lái)源：NI） SFDR 以 dB 為單位，通過(guò)滿(mǎn)量程與所采集波形頻譜中最高頻譜峰值之差來(lái)衡量分辨率。ENOB 以位為單位，確定動(dòng)態(tài)范圍介于滿(mǎn)量程和均方根 (RMS) 噪聲量化電平之間的理想數字化儀的分辨率。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(zhù)輸入信號頻率而變化。 軟件 為了以交互方式同時(shí)控制多個(gè)儀器，您可以將 NI 的 InstrumentStudio 配合示波器套件使用（圖 4）。每個(gè)儀器都有一個(gè)用戶(hù)指定的控制窗口，允許監控和調試測試系統的操作。
圖 4：InstrumentStudio 用戶(hù)界面支持以交互方式控制多個(gè) PXI 儀器；每個(gè)儀器都有一個(gè)用戶(hù)指定的控制窗口，允許監控和調試測試系統的操作。（圖片來(lái)源：Art Pini） InstrumentStudio 支持實(shí)時(shí)監控和調試自動(dòng)化測試組件，包括電源、信號源、萬(wàn)用表和其他 PXI 儀器。該軟件還能用于將儀器配置直接導出到更高級的 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(gè)常用測量參數，如峰間幅值、頻率、占空比以及時(shí)間和幅度光標。若要提供類(lèi)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) 函數形式的頻域分析。FFT 視圖可以包括多達 12 個(gè)用戶(hù)放置的標記，支持讀取頻譜視圖上特定峰值的幅值和頻率。 數據鏈路 PXI 機箱由 PC 通過(guò) Thunderbolt 3 鏈路控制，該鏈路可在每個(gè)方向上以高達 40 Gb/s 的速率同步傳輸數據。PXI 機箱有兩個(gè) Thunderbolt 3 接口，位于控制器插槽的前面板上。兩個(gè) Thunderbolt 3 接口支持以菊花鏈連接多臺 Thunderbolt 3 兼容設備，如外部監視器。 測試系統 所有這些單獨的部分組合在一起，就構成了一個(gè)非常緊湊的測試系統。PXI 機箱和三個(gè)模塊（一個(gè)示波器、一個(gè)數字萬(wàn)用表 (DMM) 和一個(gè)電源）一起比單個(gè)機架堆疊式示波器更�。▓D 5）。
圖 5：基于 PXI 示波器套件的典型系統，使用了機箱、示波器、電源、DMM 和 InstrumentStudio 軟件，一同顯示的是相同類(lèi)型的機架堆疊式儀器。（圖片來(lái)源：NI） 圖 5 中的被測設備 (DUT) 是一個(gè) Arduino 板，該板設置用于產(chǎn)生脈沖寬度調制 (PWM) 信號。電源產(chǎn)生 5 V 電壓為其供電，DMM 讀取設備上的 3.3 V 穩定電壓，示波器顯示 PWM 波形。與 DUT 的互連是通過(guò)常規示波器探頭（隨 PXI 示波器提供，帶有 BNC 輸入連接器）和常規測試引線(xiàn)實(shí)現的。右圖所示的等效機架堆疊式儀器要大得多。 結語(yǔ) NI PXI 示波器套件為實(shí)現緊湊型自動(dòng)化測試系統提供了一個(gè)堅實(shí)的基礎。這些套件支持多通道配置，最多可容納五個(gè)獨立的模塊化儀器。InstrumentStudio 軟件通過(guò)一套完整的測量工具，包括參數、光標和標記，支持在時(shí)域和頻域對 DUT 進(jìn)行交互式測量。 |
