NI示波器的優(yōu)勢

1. 概覽

傳統(tǒng)臺式示波器進(jìn)行了優(yōu)化以滿足設(shè)計(jì)工程師的需求，這些工程師主要使用交互式儀器，優(yōu)先考慮第一次測量時(shí)間、波形可視化以及與各種探針的連接等功能。雖然新型臺式示波器通過諸如提高帶寬和添加用于分析總線協(xié)議的交鑰匙軟件以及特性優(yōu)化了這些用戶體驗(yàn)，但往往還是不能滿足工程師構(gòu)建自動(dòng)化測試系統(tǒng)或高通道數(shù)高速測量系統(tǒng)的需求。這些工程師需要以自動(dòng)化的方式采集和分析大量的數(shù)據(jù)，在該過程中，優(yōu)先考慮的特性通常包括與其他儀器的集成、尺寸和編程體驗(yàn)以及數(shù)據(jù)吞吐量或執(zhí)行時(shí)間?；谶@些獨(dú)特的需求，許多用戶開始尋求模塊化平臺，該平臺應(yīng)既可提供臺式示波器的測量特性，而且其外形結(jié)構(gòu)也針對用戶應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

NI在PXI平臺中提供了種類最多的模塊化示波器，這樣您就可以優(yōu)化系統(tǒng)成本、密度、測量分辨率或采樣率。圖1列出了各種NI示波器的采樣率和分辨率。藍(lán)色的I / O點(diǎn)代表的是使用NI-SCOPE儀器驅(qū)動(dòng)程序編程的軟件定義示波器，而黃色的I / O點(diǎn)則代表基于FPGA的數(shù)字化儀，使用的是NI可重配置I/ O（RIO）架構(gòu)。

圖1.NI示波器具有具有各種分辨率和高速采樣率

圖2列出了圖1中藍(lán)色I(xiàn)/O點(diǎn)的一些具體示波器規(guī)格。這些示波器提供了用戶所希望的與傳統(tǒng)臺式示波器一樣的測量功能，如可選的輸入范圍、輸入耦合和阻抗、濾波器和可溯源校準(zhǔn)。同時(shí)，它們還支持軟件前面板，并通過儀器驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程，這些儀器驅(qū)動(dòng)程序包含預(yù)先創(chuàng)建的函數(shù)來執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)示波器測量，如測量上升時(shí)間、頻率和脈沖寬度或通過軟件定義功能。

圖2.從豐富的示波器產(chǎn)品組合中選擇適合您的產(chǎn)品

圖1中黃色I(xiàn)/O點(diǎn)代表基于FPGA的數(shù)字化儀,它將高速采樣率與用戶可訪問的FPGA相結(jié)合，成為板載信號處理、實(shí)時(shí)分析或自定義觸發(fā)實(shí)現(xiàn)的理想選擇。

圖3.通過更換適配器模塊定義應(yīng)用程序的所需I / O.

NI提供一系列豐富的PXI示波器和基于FPGA的數(shù)字化儀，專為高通道數(shù)或混合信號自動(dòng)化測試系統(tǒng)而開發(fā)。盡管這些儀器的規(guī)格從高分辨率到高速不盡相同，但是NI示波器具有以下幾個(gè)共同的關(guān)鍵屬性，可針對這些應(yīng)用優(yōu)化示波器，這些屬性包括：

• 與其他儀器緊密的集成和同步
• 可存儲和傳輸大量數(shù)據(jù)
• 高通道密度
• 自定義觸發(fā)和板載信號處理
• 快速進(jìn)行測量、編程和調(diào)試的全面軟件體驗(yàn)

2. 混合信號或高通道數(shù)系統(tǒng)的同步和集成

混合信號測試系統(tǒng)是由信號源、測量設(shè)備和開關(guān)等各種類型的儀器組成的。NI PXI示波器通過將PXI平臺的優(yōu)勢與NI專利技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了與其他儀器的緊密集成和同步。借助PXI系統(tǒng)和NI模塊化儀器，您不僅可以在一個(gè)獨(dú)立、緊湊的PXI機(jī)箱中構(gòu)建一個(gè)完整的測試系統(tǒng)，同時(shí)由于機(jī)箱中的模塊能夠以皮秒級的精度進(jìn)行同步，因而也可保證測量質(zhì)量和可重復(fù)性。

圖4.PXI平臺提供了種類豐富的模塊化儀器

通過同步，您可以將多個(gè)相同類型儀器的時(shí)基和觸發(fā)進(jìn)行匹配以實(shí)現(xiàn)通道擴(kuò)展的目的，或者將不同儀器的輸入和輸出緊密關(guān)聯(lián)。同步的基本方法包括共享觸發(fā)和采樣時(shí)鐘，而更先進(jìn)的同步則涉及將多個(gè)不同速率的采樣時(shí)鐘對齊以及調(diào)整時(shí)鐘和觸發(fā)之間的相位延遲。 PXI架構(gòu)通過PXI機(jī)箱背板均勻地分布多個(gè)觸發(fā)和采樣時(shí)鐘，從而解決其中存在的一些挑戰(zhàn)，如圖5所示。

圖5.PXI Express背板簡化了定時(shí)和同步

此外，NI示波器與信號發(fā)生器和高速數(shù)字I / O等其他儀器共享同步和存儲核心（SMC）技術(shù)。這項(xiàng)專利技術(shù)使用獨(dú)立的時(shí)鐘域信號來實(shí)現(xiàn)不同儀器之間的觸發(fā)的驅(qū)動(dòng)和接收，繼而實(shí)現(xiàn)了皮秒級的同步。該觸發(fā)稱為Trigger Clock (TClk), 相比僅將采樣時(shí)鐘鎖定相至10 MHz參考時(shí)鐘的方法來說，顯著提高了性能。

3. 高數(shù)據(jù)吞吐量

公司在高效、準(zhǔn)確地測試產(chǎn)品上需要花費(fèi)很多成本。除了初始的測試設(shè)備支出外，測試時(shí)間等因素也會大大影響測試的成本。雖然每個(gè)應(yīng)用都是獨(dú)一無二的，有其特定的需求，但是自動(dòng)測試系統(tǒng)總是有一些共性。帶寬和延遲是自動(dòng)化測試系統(tǒng)兩個(gè)最重要的因素，因?yàn)閮烧叩慕M合決定了測量系統(tǒng)的整體速度。

圖6.常用儀器總線的帶寬和延遲

延遲描述的是儀器響應(yīng)遠(yuǎn)程命令（如測量查詢）所需的時(shí)間量。帶寬主要指的是將測量儀器與上位機(jī)或控制器相連接的數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)吞吐容量。高帶寬總線可縮短測試時(shí)間，無論應(yīng)用是一次性傳輸大量數(shù)據(jù)記錄還是連續(xù)多次傳輸少量數(shù)據(jù)記錄。PXI平臺——內(nèi)置有NI高速示波器——通過PCI和PCI Express總線為各種應(yīng)用提供了高帶寬、低延遲和高速率。 PXI Express是一種使用高速PCI Express總線的PXI，其系統(tǒng)吞吐量可達(dá)到幾個(gè)GB/ s，這取決于機(jī)箱和控制器。 PXI和PXI Express的數(shù)據(jù)吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GPIB、USB和LAN等其他自動(dòng)測試儀器常用的總線（表1）。

表1.PXI和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐量比較

4. 密度

NI PXI示波器比傳統(tǒng)臺式儀器更為緊湊，這意味著您能夠以比機(jī)架堆疊式測試儀小得多的體積構(gòu)建混合信號自動(dòng)化測試系統(tǒng)。占地面積小的測試系統(tǒng)可節(jié)省生產(chǎn)車間寶貴和表征實(shí)驗(yàn)室的寶貴空間，同時(shí)還可通過減小重量和體積提高便攜性，此外，由于配電和冷卻需求減少，往往也會降低設(shè)備的成本和、減少測試基礎(chǔ)設(shè)施。

圖7.NI示波器與其他儀器相結(jié)合，可創(chuàng)建緊湊的自動(dòng)化測試系統(tǒng)

由于大多數(shù)傳統(tǒng)臺式示波器的最大通道數(shù)為四個(gè)，因此如果要同時(shí)采集超過四個(gè)通道的數(shù)據(jù)，示波器的通道密度就尤其重要。臺式示波器針對低通道數(shù)臺式應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，其上面有許多物理旋鈕和大型顯示器可用于采集和顯示數(shù)據(jù)。這些儀器的前面板占用的物理空間使得將它們堆疊在一起來實(shí)現(xiàn)高通道數(shù)系統(tǒng)變得不切實(shí)際。

PXI示波器去除了許多與傳統(tǒng)工具相關(guān)的冗余組件，比如個(gè)人顯示器、物理旋鈕、電源和風(fēng)扇。 PXI機(jī)箱和控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、冷卻和為儀器供電，而用戶可通過軟件控制儀器，并且只需在一個(gè)顯示器上顯示數(shù)據(jù)。使用PXI平臺和NI示波器，您就可以在一個(gè)4U 19英寸PXI機(jī)箱內(nèi)構(gòu)建多達(dá)136個(gè)通道的高通道數(shù)系統(tǒng)。

圖8.在單個(gè)PXI機(jī)箱（19英寸4U機(jī)架）中組合多達(dá)68個(gè)或136個(gè)示波器通道，實(shí)現(xiàn)高速采集系統(tǒng)

5. 軟件定義的儀器

如今大多數(shù)測試儀器將FPGA與固定的固件結(jié)合來實(shí)現(xiàn)儀器的各種功能。NI軟件設(shè)計(jì)的示波器配備了開放式FPGA，使用戶能夠在儀器上執(zhí)行復(fù)雜算法，顯著減少了需要傳輸?shù)街鳈C(jī)的數(shù)據(jù)量。該示例顯示了如何在儀器上的FPGA中構(gòu)建可執(zhí)行常見計(jì)算（即SFDR、SNR和SINAD）的應(yīng)用程序。

圖9.這一開放式FPGA的程序框圖展示了在FPGA上計(jì)算SFDR、SNR和SINAD的架構(gòu)

在上一節(jié)中，高數(shù)據(jù)吞吐量指的是增加帶寬和減少延遲。軟件設(shè)計(jì)的示波器采用所定義的開放式FPGA架構(gòu)大大增強(qiáng)了這些優(yōu)勢。用于PXI Express的NI FlexRIO FPGA模塊模塊的一個(gè)獨(dú)特功能是，它們能夠以3 GB / s的速率在模塊之間傳輸數(shù)據(jù)，而無需使數(shù)據(jù)經(jīng)過主機(jī)的芯片集。該模塊可支持多達(dá)16個(gè)這樣的數(shù)據(jù)流，簡化了復(fù)雜的多FPGA通信方案，而且不耗費(fèi)主機(jī)CPU資源。有關(guān)該技術(shù)的更多信息，請參閱白皮書《點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)流介紹》。

圖10.在測試儀器中，開放式FPGA可用于添加觸發(fā)和后處理等功能

6. 儀器編程

示波器中最經(jīng)常被忽視的其中一個(gè)功能是用來控制和編程設(shè)備以進(jìn)行自動(dòng)化測試和測量的軟件。但是忽視該軟件可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，因?yàn)檐浖@著影響應(yīng)用程序的開發(fā)時(shí)間。 NI示波器提供各種軟件工具，使您能夠快速采集數(shù)據(jù)、調(diào)試應(yīng)用程序、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集以及與其他儀器同步，從而幫助您提高生產(chǎn)力。

借助NI-SCOPE軟件前面板開始測量

這一交互式程序類似于傳統(tǒng)示波器的專用顯示器，提供了一個(gè)易于使用的界面。除了可讓用戶訪問所有NI示波器的基本功能外，它還提供了實(shí)時(shí)測量以及將數(shù)據(jù)保存到文件進(jìn)行后期處理和分析的功能。這個(gè)界面使得使用NI示波器的用戶在幾秒鐘內(nèi)就可輕松地開始測量。

圖11.使用NI-SCOPE軟件前面板快速進(jìn)行測量

使用NI-SCOPE驅(qū)動(dòng)和范例程序進(jìn)行編程

為了利用基于PC的測量設(shè)備的全部功能，通過編程來定義并控制其行為是至關(guān)重要的。所有NI示波器均可使用NI-SCOPE儀器驅(qū)動(dòng)程序來進(jìn)行編程控制，該驅(qū)動(dòng)程序提供了快速入門的高層功能以及用于訪問示波器所有功能的底層控制。此外，該驅(qū)動(dòng)器包含了50多個(gè)預(yù)先編寫的示例程序，演示了如何訪問任意一種NI示波器的全部功能。NI-SCOPE儀器驅(qū)動(dòng)程序可以通過多種編程語言來訪問，如LabVIEW中的圖形化語言、C + +和Visual Basic。每一種語言都有相應(yīng)的編程范例。

圖12.使用NI-SCOPE驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程，創(chuàng)建自定義程序

7. 使用NI-TClk實(shí)現(xiàn)同步

多臺設(shè)備的同步是許多應(yīng)用的關(guān)鍵要求，這往往會增加軟件開發(fā)時(shí)間。但是基于SMC架構(gòu)的NI示波器可以利用NI-TClk幫助工程師以最少的精力實(shí)現(xiàn)精確的同步。 NI-TClk提供了一個(gè)高層接口，用于編程多個(gè)NI示波器、任意波形發(fā)生器、高速數(shù)字I/ O設(shè)備的同步。此外，各種預(yù)先寫好的范例也可以執(zhí)行此類同步，這使得實(shí)現(xiàn)和維持同步變得更加容易。下面顯示的是在LabVIEW環(huán)境實(shí)現(xiàn)多個(gè)PXI示波器均相同步所需要的三個(gè)函數(shù)。

圖13.在LabVIEW或LabWindows™/CVI中使用三個(gè)函數(shù)同步多個(gè)NI示波器

8. 借助示波器提高工作效率

NI示波器提供了傳統(tǒng)臺式示波器的測量性能，同時(shí)其外形結(jié)構(gòu)針對自動(dòng)化測試和高通道數(shù)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。借助一系列基于PXI的示波器和基于FPGA的數(shù)字化儀，您可以優(yōu)化系統(tǒng)的密度、分辨率、帶寬和采樣率。此外，軟件設(shè)計(jì)的儀器可讓您使用LabVIEW FPGA模塊自定義儀器的功能，從而提供了無可比擬的靈活性。從提供開箱即用的軟件工具以快速進(jìn)行測量和調(diào)試應(yīng)用程序到構(gòu)建完整的自動(dòng)化測試程序以及在硬件上實(shí)現(xiàn)自定義算法，NI示波器均可為您提供最好的硬件和軟件組合，使您更高效地構(gòu)建自動(dòng)化測試和高通道數(shù)系統(tǒng)。