如何利用模块化仪器和软件来加快系统设计、验证和生产测试

来源：Digi-Key
作者：Jeff Shepard

在对面向汽车、消费、工业、医疗和其他应用的元器件和系统进行设计、验证和生产测试时，需要多种测试与测量 (T&M) 仪器。这些成套的 T&M 仪器必须外形紧凑，并且具有高性能。它们必须兼具低延迟与高通道密度和带宽。此外，设计需求可能随着时间的推移而改变，所以模块化是一个很大的优势，让系统能够适应未来的需求。在许多情况下，这些测试与测量活动需要反复测试，或在分散于各地的团队之间开展协作，这使得软件定义的测试成为迫切需要的功能。

使用一组常规仪器可能是一种解决方案。然而，对来自众多制造商的设备进行系统集成可能产生诸多问题，包括信息显示在多个屏幕上、软件兼容性、大量布线、众多分立仪器需要庞大的空间，这会带来挑战。

从设备验证到自动化生产测试，T&M 系统设计人员可以改用高性能模块化仪器套件，并搭配其他具有专门同步和关键软件功能的 I/O 模块。这些成套装置构成一个紧凑型五插槽 PXI Express 测量系统，通过 Thunderbolt USB-C 端口，使用笔记本电脑或台式机进行控制。

本文首先简单介绍模块化仪器系统的性能指标，包括模拟仪器类别。然后，对用于模块化仪器系统的各种总线进行性能比较，并探讨与提高分辨率和降低延迟有关的挑战。最后，介绍来自 NI 的 PXI 可编程电源 (PPS) 套件，包括数字万用表、LCR 仪表、示波器、多功能 I/O、波形发生器和源测量单元等模块，以及用于实现 T&M 过程自动化的软件工具。

需要哪种测量？

要确定需要哪种类型的 T&M 仪器，首先要回答几个基本问题：

· 要测量的信号是输入、输出，还是两者皆有？
· 信号是直流 (DC) 还是交流 (AC) 信号，如果是交流信号，信号频率是千赫兹 (kHz)、兆赫兹 (MHz) 还是吉赫兹 (GHz)？

回答这些问题有助于确定所需仪器是用于直流和功率、低速模拟、高速模拟，还是用于射频 (RF) 和无线应用（表 1）。

直流和功率        低速模拟        高速模拟        RF 和无线
输入，测量        数字万用表        模拟输入、数据采集 (DAQ)        示波器、频率计        射频分析仪、功率计（频谱分析仪、矢量信号分析仪）
输出，生成        可编程电源        模拟输出        函数/任意波形发生器（FGEN、AWG）        射频信号发生器（矢量信号发生器、连续波源）
同一设备上的输入和输出        直流功率分析仪        多功能数据采集（多功能 DAQ）        一体化示波器        矢量信号收发器 (VST)
同一引脚上的输入和输出        源测量单元 (SMU)        LCR 仪表        阻抗分析仪        矢量网络分析仪 (VNA)

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

模拟仪器规格

确定某个测量任务所需的仪器类型后，就需要确定具体的性能要求，包括：

· 信号基本特性，包括确保以下几点：信号范围足够大，可以捕获所需的信号；阻抗支持 DUT 的负载和测量的频率要求；与地面的隔离支持所需的抗噪和安全水平。
· 需要足够的带宽（以 kHz、MHz 或 GHz 为单位）来处理被测信号，而模数转换器 (ADC) 在每秒采样数方面必须足够快，例如达到每秒千样本 (kS/s)、每秒兆样本 (MS/s) 或每秒千兆样本 (GS/s)，才能捕捉所需的信号细节。
· 分辨率和精确度也是重要的考虑因素。需要 8 位、24 位，还是其他级别的分辨率？按百分比或百万分率计算，可以容忍的最大错误率是多少？此外，按微伏 (µV) 或纳伏 (nV) 等绝对单位计算，需要的灵敏度是多少？

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实例所示（表 2）。

输入隔离和端接        输入耦合和滤波        输入放大器        模数转换器 (ADC)
确定的规格        隔离输入阻抗        交流/直流耦合，模拟带宽        最大电压范围，最小电压灵敏度        采样率和分辨率
实例：DMM        隔离高达 330 V
Cat II，电阻 10 MΩ（可选）        直流耦合 200 kHz 带宽        高达 300 V 的输入，低至 10 nV 的灵敏度        10 kHz 读取率
6.5 位数字（24 位）分辨率
实例：
示波器：        接地参考 50 Ω 或 1 MΩ（可选）        直流或交流耦合（可选
350 MHz 带宽）        高达 40 VPP 输入，低至 1 mV 的灵敏度        高达 5 GS/s 的采样率，8 位分辨率


表 2：对于特定的测量而言，不同的 T&M 仪器，例如 DMM 和示波器，需要的性能特征可能差异很大。（表格来源：NI）

总线、带宽和延迟

T&M 仪器需要连接到控制器，才能构成一个测试系统。对连接总线的信号带宽和延迟要求是重要的考虑因素。带宽衡量数据的传输速度，通常以兆字节/秒为单位，而延迟则衡量数据传输的延迟。常用总线的带宽和延迟组合存在很大的差异。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) 可以达到相近的延迟水平，但 USB 提供更高的带宽。千兆以太网具有中等带宽和较高的延迟，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。它们设计用于短距离链路，最长传输距离约为 1 米 (m)，并提供高带宽和低延迟（图 1）。PCI Express 的一个重要特点是，为总线上的每台设备提供专用带宽。这一特点使得 PCI Express 成为高性能和数据密集型应用的首选互连总线，例如实时 T&M 系统，这些系统必须整合和同步多个仪器的操作。


图 1：PCI/PXI Express 提供最高性能的分辨率和延迟组合。（图片来源：NI）

T&M 仪器套件

设计人员可以使用来自 NI 的 PXI PPS 套件作为基础来打造高性能 T&M 系统。PXI PPS 模块可满足 DUT 的基本电源需求，还可通过多种 T&M 模块进行扩展，以支持一系列的设备特征化、设计验证和制造测试应用。机箱提供高达 58 W 的功率和冷却能力以支持更多仪器，并提供高性能 PXIe 互连和集成 Thunderbolt 链路，用于连接充当系统控制器的外部台式机或笔记本电脑（图 2）。


图 2：基本 PXI PPS 套件，包括控制器和 PPS 模块，以及用于连接另外四个 PXI 仪器的插槽。（图片来源：NI）

这些 PPS 可用于为 DUT 提供可编程电源，同时控制和监测电流和电压水平，以测量功耗。它们有两个隔离的 60 W 通道，具有远程感测功能，可以校正系统布线的损耗，典型效率为 78%。这些通道还包括输出关断功能，可在不进行测试时隔离 DUT。

能为 DUT 提供 120 W 功率的可扩展 PXI PPS 套件的实例包括：867117-01，带有 PXIe-4112 双通道 PPS（如 782857-01 型号），可提供最大 1 A 电流和每通道 60 V 直流输出，另外还包括 867118-01，带有 PXI2-4113 双通道 PPS（如 782857-02 型号），可提供最大 6 A 电流和每通道 10 V 直流输出（图 3）。


图 3：PXI PPS 套件可选择输出为 60 V DC（左）或 10 V DC（右）的电源。（图片来源：NI）

快速启动 T&M 系统开发

NI 为设计人员提供了一系列 PXI 套件，帮助他们快速启动 T&M 系统开发工作。实例包括：

PXI 波形发生器套件，可用于生成标准函数波形和用户定义的任意波形。PXI 波形发生器套件可提供多达两个输出通道，带宽高达 80 MHz，输出范围为 ±12 V，最大采样率为 800 MS/s。例如，867119-01 包括一个 20 MHz 任意函数波形发生器。

PXI 示波器套件提供多达 8 个通道，能够以高达 5 GS/s 的速度进行采样，模拟带宽为 1.5 GHz。867010-01 套件包括一个 60 MHz 示波器模块。

PXI 源测量单元 (SMU) 套件，例如 867111-01，设计用于实现 DC 测量和测试的自动化。这些 SMU 可在四象限内工作，范围高达 ±200 V 和 ±3 A，灵敏度低至 100 fA。PXI SMU 套件兼具执行大功率扫描和低电流测量的能力。

PXI LCR 套件，例如 867113-01，将 LCR 仪表和 SMU 组合在一台仪器中，可用于进行 DC 和阻抗测量。该仪器在单插槽 PXI 外形尺寸中提供 fA 电流和 fF 电容的测量。

PXI DMM 套件支持手动探测、切换和自动 DMM 测量，具有高精度和高达 7.5 位的分辨率。高采样速度让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/或定序的触发器。例如，867115-01 配备 6.5 位数的显示屏。

PXI Nanovolt Meter 套件是高分辨率的模拟输入模块，分辨率高达 28 位。它们包括斩波模式，使用一对通道来提供高水平的噪声抑制，从而实现准确和可重复的 nV 测量及板载信号平均化和滤波处理，以及自动归零测量切换。867125-01 型号提供 32 个通道、28 位分辨率、2 MS/s 采样率。

PXI 多功能 I/O 套件，例如 867124-01，将模拟 I/O、数字 I/O、计数器/定时器和触发功能组合在一起。PXI 多功能 I/O 套件提供多达 4 个模拟输出通道、48 个双向数字通道，80 个模拟输入通道，采样率为 2 MS/s。

软件定义系统

除了全套硬件模块，NI 还为 T&M 系统设计人员提供了多种软件开发环境选择，包括 InstrumentStudio 和 LabVIEW。

NI 的 PXI 仪器随附 InstrumentStudio 开发环境，它为测试工程师提供了单一的无代码软件环境，用于监控和调试自动化测试系统。此外，用户可以创建屏幕，同时显示来自多个仪器的数据（图 4）。工具让用户能够捕捉屏幕截图和测量结果，并为 DUT 保存项目级配置，以便重复使用，或者与其他开发人员共享。


图 4：InstrumentStudio 可在一个屏幕上显示来自多个仪器的数据。例如，来自示波器（左侧大面板）、DMM（右上面板）和函数发生器（右下面板）的数据。（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。基本上，LabVIEW 的图形化方法使得非编程人员能够拖放仪器的虚拟表示，以生成 T&M 程序、创建交互式用户界面，以及保存数据为 .cvs、.tdms 或自定义二进制文件。

更高级的程序员可以受益于它提供的 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB 驱动程序。NI 还为开发全面的 T&M 环境提供了一套软件工具，包括：

· 用于创建自动测试序列的 TestStand
· 用于生成 Web 应用程序的 G Web 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

总结

要为元器件和系统的设计、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。相比使用来自多家供应商的仪器而导致产生连接、成本和空间要求，测试工程师可以改用 NI 的仪器套件来开发紧凑、灵活、高性能的测试系统。NI 还提供了软件环境的选择，以加快开发过程。