作者：Jeff Shepard

　　在为汽车、消费、工业、医疗和其他应用设计、验证和生产测试组件和系统时，需要大量的测试和测量 (T&M) 仪器。这些 T&M 仪器套件需要紧凑且具有高性能。他们需要低延迟以及高通道密度和带宽。此外，设计需求会随着时间的推移而改变，因此模块化是确保系统面向未来的一大优势。在许多情况下，这些 T&M 活动涉及重复测试或地理上分散的团队之间的协作，使软件定义测试成为一个非常理想的功能。

　　使用一组常规仪器是一种潜在的解决方案。然而，来自一系列制造商的设备的系统集成问题，包括在多个屏幕上显示的信息、软件兼容性、大量布线以及众多分立仪器所需的空间量，可能具有挑战性。

　　相反，T&M 系统设计人员可以转向高性能模块化仪器和其他具有专门同步和关键软件功能的 I/O模块，从设备验证到自动化生产测试。这些捆绑单元可用于紧凑型五插槽 PXI Express 测量系统，该系统可通过 Thunderbolt USB-C 端口由笔记本电脑或台式计算机控制。

　　本文首先简要回顾模块化仪器系统的性能指标，包括模拟仪器类别。然后，它比较了模块化仪器系统的各种总线的性能，并探讨了与提高分辨率和减少延迟相关的挑战。最后介绍了NI的 PXI 可编程电源 (PPS) 套件，包括用于数字万用表、LCR 表、示波器、多功能 I/O、波形发生器和源测量单元的模块，以及用于自动化 T&M 过程的软件工具。

　　需要什么样的测量?

　　确定需要哪种类型的 T&M 仪器的过程始于几个基本问题：

　　被测信号是输入、输出还是两者兼有?

　　信号频率是直流电 (DC) 还是交流电 (AC)，如果是交流电，单位是千赫 (kHz)、兆赫 (MHz) 还是千兆赫 (GHz)?

　　这些问题的答案有助于确定所需仪器是用于直流和电源、低速模拟、高速模拟还是射频 (RF) 和无线应用(表 1)。

　　表 1：根据输入和输出特性以及性能水平，T&M 仪器有几个基本类别。 (表格来源：NI)

　　模拟仪器规格

　　确定测量任务所需的一般仪器类型后，就该确定具体的性能要求，包括：

　　信号基础包括确保：信号范围足够大以捕获所需信号，阻抗支持 DUT 的负载和测量的频率要求，以及与地的隔离支持所需的抗扰度和安全级别。

　　以 kHz、MHz 或 GHz 为单位的带宽需要足以处理被测量的信号，并且模数转换器 (ADC) 需要足够快，以每秒样本数计算，例如每秒千样本数 ( kS/s)、每秒百万样本数 (MS/s) 或每秒千兆样本数 (GS/s)，以捕获所需的信号细微差别。

　　分辨率和准确性也是重要的考虑因素。是否需要 8 位、24 位或其他级别的分辨率?可以容忍的以百分比或百万分率表示的最大错误率是多少?此外，以微伏 (µV) 或纳伏 (nV) 等绝对单位表示的所需灵敏度是多少?

　　各种类型的 T&M 仪器需要不同的输入隔离和阻抗范围、输入耦合和滤波规格、放大器灵敏度以及测量分辨率和精度，如测量仪器模拟输入路径示例(表 2)所示。

　　表 2：不同的 T&M 仪器，例如 DMM 和示波器，对于给定的测量可能需要广泛不同的性能特征。 (表格来源：NI)

　　总线、带宽和延迟

　　T&M 仪器需要连接到控制器以形成测试系统。对连接总线的信号带宽和延迟的要求是重要的考虑因素。带宽衡量数据传输的速度，通常以兆字节/秒为单位，而延迟衡量数据传输的延迟。常用的总线具有广泛不同的带宽和延迟组合。另一个因素是总线支持的传输距离。例如，通用接口总线 (GPIB) 和通用串行总线 (USB) 可以支持相似级别的延迟，但 USB 提供更高的带宽。就其本身而言，千兆以太网具有中等带宽和更高的延迟，但可以传输更远的距离。

　　在设计 T&M 系统时，经常使用 PCI 和 PCI Express。它们专为最远约 1 米 (m) 的短距离链路而设计，并提供高带宽和低延迟(图 1)。 PCI Express 的一个重要特性是它为总线上的每个设备提供专用带宽。这使得 PCI Express 成为高性能和数据密集型应用程序的首选互连总线，例如需要集成和同步多台仪器操作的实时 T&M 系统。

　　图 1：PCI/PXI Express 提供分辨率和延迟的最高性能组合。 (图片来源：NI)

　　T&M 仪器包

　　设计人员可以将NI 的PXI PPS 套件 作为高性能 T&M 系统的基础。 PXI PPS 模块可满足 DUT 的基本电源需求，并可通过众多 T&M 模块进行扩展，以支持一系列设备表征、设计验证和制造测试应用。该机箱为附加仪器提供高达 58 瓦的电源和冷却、高性能 PXIe 互连以及用于连接外部台式机或笔记本电脑的集成 Thunderbolt 链路，充当系统控制器(图 2)。

　　图 2：一个基本的 PXI PPS 套件包括一个控制器、一个 PPS 模块和用于另外四个 PXI 仪器的插槽。 (图片来源：NI)

　　PPS 可用于为 DUT 提供可编程电源，同时控制和监控电流和电压电平以测量功耗。它们有两个带遥感功能的隔离式 60 瓦通道，可校正系统布线中的损耗，典型效率为 78%。这些通道还包括输出断开器，可以在未测试时隔离 DUT。

　　为 DUT 提供 120 瓦功率的可扩展 PXI PPS 捆绑包示例包括带有 PXIe-4112 双通道 PPS 的867117-01 (如型号782857-01)，可在 60 伏直流电下提供最大 1 安培 (A) 的电流每个通道，以及带有 PXI2-4113 双通道 PPS 的867118-01 (如型号782857-02)，每个通道可在 10 伏直流电下提供高达 6 A 的电流(图 3)。

　　图 3：PXI PPS 捆绑包提供 60 伏直流(左)或 10 伏直流(右)输出的电源选择。 (图片来源：NI)

　　快速启动 T&M 系统开发

　　NI 为设计人员提供一系列 PXI 套件，以快速启动他们的 T&M 系统开发工作。例子包括：

　　PXI 波形发生器套件，可用于生成标准函数和用户定义的任意波形。 PXI 波形发生器套件具有多达两个带宽高达 80 MHz 的输出通道、±12 伏输出范围和 800 MS/s 最大采样率。例如，867119-01包括一个 20 MHz 任意函数发生器。

　　PXI 示波器套件具有多达八个通道，能够以高达 5 GS/s 的速度和 1.5 GHz 的模拟带宽进行采样。捆绑包867010-01包括一个 60 MHz 示波器模块。

　　PXI 源测量单元 (SMU) 套件，如867111-01，设计用于自动化直流测量和测试。 SMU 具有四象限操作，范围高达 ±200 伏和 ±3 A，灵敏度低至 100 飞安 (fA)。 PXI SMU 套件结合了执行高功率扫描和低电流测量的能力。

　　PXI LCR 套件(例如867113-01)可用于通过将 LCR 表和 SMU 组合在单个仪器中来进行直流和阻抗测量。该仪器以单槽 PXI 外形尺寸提供 fA 电流和飞法拉 (fF) 电容测量。

　　PXI DMM 套件支持手动探测、开关和自动 DMM 测量，具有高达 7.5 位的高精度和分辨率。高采样速度使用户无需示波器即可表征瞬变。用户还可以配置用于采集和/或排序的触发器。例如，867115-01具有 6.5 位显示屏。

　　PXI 纳伏表套件是高分辨率模拟输入模块，分辨率高达 28 位。它们包括使用一对通道提供高水平噪声抑制的斩波模式，从而实现准确和可重复的 nV 测量和板载信号平均和滤波，以及自动归零测量切换。型号867125-01具有 32 个通道、28 位分辨率和 2 MS/s 采样率。

　　PXI 多功能 I/O 套件，如867124-01，提供模拟 I/O、数字 I/O、计数器/定时器和触发功能的组合。 PXI 多功能 I/O 套件具有多达四个模拟输出通道、48 个双向数字通道、80 个模拟输入通道和 2 MS/s 的采样率。

　　软件定义系统

　　除了全面的硬件模块外，NI 还为 T&M 系统设计人员提供多种软件开发环境选择，包括InstrumentStudio和 LabVIEW。

　　InstrumentStudio 包含在 NI PXI 仪器中，为测试工程师提供了一个单一的无代码软件环境来监控和调试自动化测试系统。此外，用户可以创建同时显示来自多台仪器的数据的屏幕(图 4)。工具使用户能够捕获屏幕截图和测量结果，并保存 DUT 的项目级配置，这些配置可以重复使用或与其他开发人员共享。

　　图 4：InstrumentStudio 可以在一个屏幕上显示来自多个仪器的数据。例如，来自示波器(左大面板)、DMM(右上面板)和函数发生器(右下面板)。 (图片来源：NI)

　　LabVIEW 是 NI 的软件定义测试开发环境。借助其图形用户界面 (GUI)，测试工程师可以快速开发自动化研究、验证和生产测试系统。在基本层面上，LabVIEW 的图形方法使非程序员能够拖放仪器的虚拟表示以构建 T&M 程序、创建交互式用户界面并将数据保存到 .cvs、.tdms 或自定义二进制文件。

　　更高级的程序员可以受益于 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB 的可用驱动程序。 NI 还提供了一套用于开发综合测试与测量环境的软件工具，包括：

　　用于创建自动化测试序列的TestStand

　　G用于构建网络应用程序的网络开发软件

　　用于交互式数据分析的DIAdem

　　用于 T&M 数据采集和记录的FlexLogger

　　结论

　　为组件和系统的设计、验证和生产测试创建软件定义的测试环境需要使用多种 T&M 仪器。测试工程师无需使用来自多个供应商的具有相关连接性、成本和空间要求的仪器，而是可以转向 NI 的仪器包，这些仪器包可用于生产紧凑、灵活和高性能的测试系统。 NI 还提供多种软件环境以加快开发过程。