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测试和测量仪器的开发从来都不是静态的

文章作者:Arthur Pini

仪器的发展增加了新的测试和测量创新的多功能性和实用性。

测试和测量仪器随着时间的推移而发展。横幅改进具有性能，如测量带宽和动态范围。这些始终使贸易新闻标题，但不太明显的改进涉及辅助规范，例如频道数量，I / O接口速度和组合功能。这种技术与几乎静止的速度慢慢地慢慢地。

8个模拟输入通道

几十年来，高频示波器提供两到四个通道。双通道示波器是模拟示波器的实际极限。数字示波器消除了阴极射线管和它的显示限制，移动到四个通道。这个限制持续了几十年，直到组件的尺寸为额外通道提供了空间。在过去的几年中，四家主要示波器供应商中的三家已经增加了八通道示波器的产品线。8个可用的模拟通道开辟了整个测量应用范围，在测量过程中不需要多次通过。

可能需要超过四个通道的最常见测量是三相电源。三相电力是最常见的多相交流配电系统。它在发电，传输和分配中发现了常见应用，并用于电动大电动机和其他重电负载。

三相设备，如三相电机，以WYE(四线)或DELTA(三线)配置连接。对于wye连接的设备，基本的三相功率测定需要测量三相电压(Va, Vb, Bc)和三相电流(Ia, Ib, Ic)。每一功率相的每一功率是通过其电压乘以其相关相电流来计算的，结果是每一相的瞬时功率。瞬时功率的平均值是实际功率分量。所有三个相功率读数之和就是该设备的总实际功率。这种测量被称为三瓦特计功率测量。为了使用外部差分电压探头和电流探头来测量电压和电流，需要6个通道。

一个使用Teledyne LeCroy在八通道示波器上测量三相功率的例子WaveRunner 8038高清所示图1．这是可从主要示波器供应商获得的可能的八通道示波器之一。WaverUnner 8000HD系列示波器具有八个12位通道。使用差分探针制造相电压的三次测量。它们如顶三个显示网格所示。使用电流测量有另外的三个通道，使用电流探针，显示在立即在相电压测量下方的三个网格中。

图1对于在八通道示波器上进行的三相功率测量，八个通道中的六个被用来同时测量三相电压和三相电流。将各相的功率贡献相加，就得到了总功率。(点击放大)

该示波器有12个双函数数学迹线，用于在数学上运行的任何模拟波形。作为示例，计算各个相电压和电流的乘积，并从顶部的第三行中出现。另外，相位功率贡献总结在底行的中心网格中。通常，数学频道的数量应该大于诸如此类的实例的采集通道数。

各相的有效值电压和有效值电流的参数测量以及平均相功率和总功率出现在波形显示的下方。还有12个测量参数可用，如数学轨迹，测量参数的数量应该超过采集通道的数量。

显示8个采集的波形和额外的派生信号使示波器显示相当忙碌，正如在这个例子中所看到的。使用多种显示格式以及向每个显示网格添加标签的能力有助于澄清这些显示。这个例子使用了12个网格的显示格式。支持显示1、2、4、6、8、12、16或20个网格的网格配置，以及一些特定于应用程序的网格布局。

其他可以从多达8个模拟通道中获益的应用包括汽车测量、医疗电子和无损检测。这些应用程序都使用多个传感器，并能够同时显示它们。所有主要的示波器供应商都提供专业的软件支持最常见的应用，如多相电源和电机驱动分析。

多功能工具

另一个有趣的发展是引入了具有组合功能的工具;具有与其测量能力相匹配的内部信号源的仪器。这允许一个单一的仪器用于刺激反应测试。许多示波器都增加了函数生成器作为内部特性。其中一些生成器提供任意波形生成器节点。随着每台仪器的源和测量通道数量的增加，其他仪器供应商的这种发展也在继续。

作为这个多通道/多功能开发的一个例子，考虑hybridNETBOX从光谱仪器。这个独立的LXI仪器提供多达8个数字化通道的测量和多达8个通道的任意波形产生作为信号源。混合型netbox系列提供6种型号，具有2,4或8通道的40ms /s、80或125 MS/s数字化器和匹配的任意波形发生器(awg)，两种仪器共享一个共同的时钟和触发器。DN2.806-08 hybridNETBOX如图所示图2．

图2DN2.806-08 hybridNETBOX是一款顶级的仪器，具有8个16位数字化仪和8个16位AWG通道，最大采样率为125 MS/s，通过LXI以太网链路与PC相连。来源:光谱仪器

该仪器的前面板具有8个，16位AWG输出和八个16位模拟数字化输入通道。数字化器和AWG都具有125 ms / s的最大时钟速率和每个通道的512个内存。

AWG通道几乎可以产生任意波形，信号振幅可达±3V到50 Ω，或±6V到高阻抗。此外，还有四个数字I/O连接器，可以用作标记输出，与模拟通道波形完全同步。这是一种能够精确控制测试系统中可能连接的其他设备的功能。AWG部分的最后两个连接器允许外部时钟和触发器输入。

8个数字转换器通道可以处理范围广泛的输入信号，因为它们有从±200 mV到±10V的可变范围。它们还具有可编程的偏移量和可选择的输入阻抗(50 Ω和1 MΩ)。可采用单端和差分测量模式。还有一个外部时钟和触发器输入，以及两个以上的数字I/O线。

这些仪器适用于在进行信号测量前需要励磁源的应用场合。测试设备如放大器、滤波器、接收器和数字接口是典型的应用。常见的源响应测量是为了验证中频(IF)信道的带宽，如图所示图3．

单个awg数字转换器或带有内部函数发生器的示波器用于确定10.7 MHz中频信道的频率响应。AWG输出一个线性正弦波频率扫描覆盖的频率范围从9到12.5 MHz，如图左上角的网格显示。激励信号的快速傅里叶变换(FFT)出现在右上的栅格中。IF响应出现在左下方的网格中。中频响应显示在右下网格，显示带宽为400千赫。这可以复制多达八个通道同时使用该仪器。

图3这些结果显示频率响应10.7 MHz中频通道使用扫频正弦激励信号。

多功能仪器可用于开发和测试多输入多输出(MIMO)阵列系统。无损检测(NDT)系统利用超声波穿透材料并产生响应，可以显示空洞、裂缝和其他缺陷。该技术使用相控阵的换能器来发射和接收超声波脉冲。传感器阵列使用多个发射信号来控制和聚焦超声脉冲(图4)．

图4使用分阶段的换能器阵列来控制传输的脉冲。

通过控制应用于单个换能器的每个超声脉冲的延迟，输出脉冲可以定向或聚焦。如果所有的脉冲同时到达，波前以宽的平行模式辐射，如最左边的图所示。如果脉冲依次到达换能器，其效果是将波前引导到延迟脉冲增加的方向上，如图所示。最后，如果脉冲在外部传感器上的延迟最小，而在内部传感器上的延迟增大，其效果是将波前聚焦在中心靶区，如图所示。

使用AWG作为信号源容易地控制这种信号。如上所述，可以容易地控制超声波脉冲载波频率，幅度，延迟，攻击时间和衰减时间图5．

图5产生8个随衰减增加的超声脉冲，目的是引导来自换能器阵列的组合输出。幅值、载波频率、持续时间、攻击时间、衰减时间和延迟都是各自可控的。

八个AWG通道产生40 kHz超声波脉冲，延迟步长为25μs。用于脉冲的单个实例的等式示出在图中左下角的插图中。彩色的刻痕线表示实现输出脉冲形状的等式的部分。攻击时间由斜坡函数设置，而衰变由衰减指数控制。八个单独的方程式，每个AWG通道，用于定义每个单独的脉冲。

脉冲发射后，换能器阵列转过来接收。每个换能器都连接到一个数字化输入(图6)．

图6在接收模式下，每个换能器通过可编程延迟函数连接到数字转换器的输入端。延迟值用于编程阵列转向和聚焦，就像在发射模式中所做的那样。

接收模式中的传感器阵列的转向和聚焦是使用可编程延迟完成的，就像在发射模式下所做的那样。这可以通过外部可编程延迟元件或使用数字化器中可用的有限脉冲响应过滤器来完成。

像hybridNETBOX这样的多功能仪器可以应用于相控阵信号处理，多通道信号源驱动换能器或天线阵列，多通道数字化器获取返回信号。

仪器仪表局部区域扩展(LXI)

没有提及远程输入/输出/远程控制接口发生的更改，不会讨论乐器演化。LXI是目前局域网（LAN）连接和控制使用以太网的仪器和模块化系统的行业标准。LXI是一个标准，用于定义用于在这些仪器之间建立互操作性的台式顶部和模块化仪器系统的通信协议。大多数仪器通过Gbit以太网，100base-t或10base-t以太网标准支持以太网连接。LXI标准由此维持LXI财团．

LXI旨在将数十年的IEEE-488接口替换为更高速串行数据接口。除了使用RJ-45连接器和CAT5 LAN接线的LAN接口外，LXI接口还支持VXI-11发现，以检测网络上的LXI仪器。LXI仪器还必须提供可互换的虚拟仪器或IVI驱动程序，以支持标准应用程序编程接口（API），用于与仪器进行通信。

图7显示频谱仪器混合netbox的LXI接口主页，识别仪器及其LXI特性。

图7这个页面显示了一个由8通道数字转换器和8通道AWG组成的仪器的信息。