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測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建基礎(chǔ)知識(shí)-模擬和射頻儀器選擇
2024-12-10
工程師通常對(duì) “為工作選擇正確的工具” 這一名言的重要性不置可否。使用錯(cuò)誤的工具可能會(huì)浪費(fèi)時(shí)間并影響質(zhì)量，而正確的工具則可在短時(shí)間內(nèi)提供正確的結(jié)果。在構(gòu)建自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，使用的主要工具是測(cè)量?jī)x器。這些儀器包括數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）、示波器和波形發(fā)生器等大家耳熟能詳?shù)膬x器，以及各種新的和不斷變化的產(chǎn)品類別，如矢量信號(hào)收發(fā)器和多功能一體式示波器。如果要選擇正確儀器，資深的測(cè)試工程師必須對(duì)以下方面有深入的了解：
1、被測(cè)設(shè)備的技術(shù)測(cè)量要求(DUT)
2、會(huì)影響應(yīng)用的重要儀器規(guī)格
3、可用的各種類型的儀器，以及功能、尺寸、價(jià)格等方面的權(quán)衡
4、特定儀器類別中產(chǎn)品型號(hào)之間的細(xì)微差異
為工作選擇正確的工具說(shuō)起來(lái)容易，做起來(lái)難，特別是當(dāng)涉及到評(píng)估許多權(quán)衡時(shí)。本文紹了可用儀器的主要類別，以及常見(jiàn)的選擇標(biāo)準(zhǔn)，可幫助您縮小應(yīng)用的最佳選擇范圍。
模擬和射頻測(cè)試儀器的市場(chǎng)非常廣泛，數(shù)以百計(jì)的產(chǎn)品類別包含數(shù)千個(gè)型號(hào)。而且，這些儀器同樣可根據(jù)物理定律來(lái)選擇，具體來(lái)說(shuō)，噪聲和帶寬的基本原理體現(xiàn)在放大器技術(shù)和用于創(chuàng)建儀器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)上。這些基本的物理限制使得工程師經(jīng)常需要在測(cè)量精度和數(shù)據(jù)采集速度之間進(jìn)行取舍。下圖顯示的是隨著傳統(tǒng)和模塊化儀器的技術(shù)進(jìn)步，速度與分辨率之間的關(guān)系如何隨著時(shí)間的推移而變化。
一、模擬和射頻儀器類別
圖1中的曲線代表了各種不同儀器類別的示例。圖表左上角的DMM在低速下提供高精度，圖表右下角的示波器在較低分辨率下提供高頻采集，而左下角的DAQ產(chǎn)品則提供更高的通道密度和更低的成本。
如果要確定從哪個(gè)類型的儀器開(kāi)始研究，首先要考慮幾個(gè)關(guān)于您測(cè)量任務(wù)的關(guān)鍵問(wèn)題：
信號(hào)的方向是什么？（輸入、輸出或兩者皆有）
信號(hào)的頻率是多少？（DC、kHz、MHz或GHz）
在確定上面關(guān)于方向性和速度這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的答案后，便可根據(jù)表1來(lái)確定從哪種類型的儀器開(kāi)始著手
這個(gè)圖表雖然有用，但包含的儀器類型非常少，特別是缺少垂直或特定用途的儀器。該表未提及的一些值得注意的領(lǐng)域包括：
專用直流儀表，如靜電計(jì)、微歐姆計(jì)、納伏表等
音頻頻帶分析和生成（也稱為動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀）
專業(yè)模擬產(chǎn)品，包括脈沖發(fā)生器、脈沖源/接收器等
二、需考慮的關(guān)鍵規(guī)格
在將測(cè)量任務(wù)縮小到特定儀器類別之后，下一步是對(duì)該類別的產(chǎn)品進(jìn)行比較和權(quán)衡，需考慮的規(guī)格包括：
信號(hào)范圍、隔離和阻抗 - 首先，確保儀器的輸入信號(hào)范圍足夠大，可捕獲感興趣的信號(hào)。此外需考慮儀器的輸入阻抗（影響測(cè)量裝置的負(fù)載和頻率性能）以及儀器與地面的隔離（影響抗噪聲性和安全性）。
模擬帶寬和采樣率 - 接下來(lái)，確保儀器的模擬帶寬（以kHz、MHz或GHz為單位）能夠傳遞感興趣的信號(hào)，并且ADC具有足夠快的采樣率來(lái)捕獲感興趣的信號(hào)（以每秒樣本數(shù)單位，例如每秒千個(gè)樣本、每秒百萬(wàn)個(gè)樣本或每秒十億個(gè)樣本）。
測(cè)量分辨率和精度 - 最后，評(píng)估儀器垂直規(guī)格中影響測(cè)量質(zhì)量的多個(gè)參數(shù)，如ADC分辨率（模擬信號(hào)的數(shù)字量化，通常在8位至24位之間）、測(cè)量精度（最大測(cè)量誤差隨時(shí)間和溫度的變化，一般以百萬(wàn)或百萬(wàn)分之一表示）和測(cè)量靈敏度（最小可檢測(cè)變化，通常以絕對(duì)單位表示，例如mV）
在量程、精度和速度等功能維度具有出色性能的儀器將可能需要在價(jià)格、尺寸、功耗和通道密度方面進(jìn)行取舍，所有這些都會(huì)影響儀器的實(shí)用性。
圖2顯示了通用測(cè)量?jī)x器的模擬輸入路徑簡(jiǎn)圖，包含四級(jí)主要輸入、每一級(jí)影響的儀器規(guī)格，以及典型DMM和典型示波器的儀器規(guī)格受每一級(jí)影響的示例。
上面的表格概括了篩選儀器規(guī)格時(shí)的一些思路，通常使用各種儀器類別和儀器供應(yīng)商的各種不同命名法來(lái)表示。這些級(jí)在影響關(guān)鍵規(guī)范時(shí)通常是相互依賴的。例如，輸入放大器還可以影響儀器的輸入帶寬和有效分辨率。類似地，儀器的輸入阻抗可能對(duì)帶寬具有顯著影響。
三、模擬和射頻儀器類別
在比較DUT的測(cè)量要求以及儀器測(cè)試DUT的能力時(shí)，請(qǐng)記住以下關(guān)鍵比率。
測(cè)試準(zhǔn)確度比= 4:1
當(dāng)測(cè)試組件（例如電壓參考）時(shí)，請(qǐng)確保測(cè)量設(shè)備的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測(cè)組件的準(zhǔn)確度。如果不滿足該標(biāo)準(zhǔn)，則測(cè)量誤差可能同時(shí)來(lái)源于DUT和測(cè)試設(shè)備，這樣便不可能知道真實(shí)的誤差源。因此，測(cè)試準(zhǔn)確度比(TAR)這一概念可用于描述測(cè)量設(shè)備和被測(cè)組件的相對(duì)準(zhǔn)確度。
TAR的可接受值為4及以上，取決于所執(zhí)行的測(cè)試和所需的測(cè)試確定度。
寬帶比 = 5:1
上升時(shí)間和帶寬直接相關(guān)，可以通過(guò)一個(gè)值算出另一個(gè)值。上升時(shí)間定義信號(hào)從滿量程值的10％上升到90％所需的時(shí)間?？筛鶕?jù)上升時(shí)間使用以下公式計(jì)算出信號(hào)的帶寬：
理想情況下，數(shù)字化儀的帶寬應(yīng)該是信號(hào)帶寬的三到五倍，如上式所計(jì)算。換句話說(shuō)，數(shù)字化儀的上升時(shí)間應(yīng)該是信號(hào)上升時(shí)間的1/5到1/3，才能以最小的誤差采集信號(hào)。根據(jù)以下公式可隨時(shí)逆推來(lái)確定信號(hào)的實(shí)際帶寬：
時(shí)域采樣比 = 10:1
盡管帶寬描述了可以以最小衰減進(jìn)行數(shù)字化的最高頻率正弦波，但采樣率僅僅是數(shù)字化儀或示波器中的ADC提供時(shí)鐘以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化的速率。采樣率和帶寬不直接相關(guān); 然而，這兩個(gè)重要參數(shù)之間存在一個(gè)我們希望的關(guān)系：
數(shù)字化儀實(shí)時(shí)采樣率=輸入信號(hào)帶寬的10倍
奈奎斯特定理指出，為了避免混疊，數(shù)字化儀的采樣率需要至少是被測(cè)信號(hào)中最高頻率分量的兩倍。然而，僅僅是最高頻率分量的兩倍并不足以精確地再現(xiàn)時(shí)域信號(hào)。為了準(zhǔn)確地?cái)?shù)字化輸入信號(hào)，數(shù)字化儀的實(shí)時(shí)采樣率應(yīng)至少為數(shù)字化儀帶寬的三到四倍。具體原因請(qǐng)看下圖，想想你希望在示波器上看到的數(shù)字化信號(hào)。
盡管在兩種情況下通過(guò)前端模擬電路的實(shí)際信號(hào)都是相同的，但是左側(cè)的圖像屬于欠采樣，會(huì)使數(shù)字化信號(hào)失真。相反，右側(cè)的圖像具有足夠的采樣點(diǎn)來(lái)精確地重建信號(hào)，這可實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量。因?yàn)樾盘?hào)的清晰表示對(duì)于上升時(shí)間、過(guò)沖或其它脈沖測(cè)量的時(shí)域應(yīng)用非常重要，所以具有更高采樣的數(shù)字化儀有益于這些應(yīng)用。
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