2021年01月05日 | 测试测量仪器发展新方向：多通道、多功能、多连接

测试和测量仪器随着时间而发展，但大多数关注都来自明显的性能改进，如测量带宽和动态范围。但是不太明显的改进，诸如通道数量，I / O接口速度和组合功能之类的次要规格，往往被市场所忽视，但这些因素对实际应用却起到了非常重要的作用以及最大的便利性。

八通道

几十年来，高频示波器提供了两个或四个通道。双通道示波器受模拟示波器的性能限制。数字示波器消除了阴极射线管及其显示限制，并开始支持到四个通道，并持续了数十年，直到组件的大小为额外的通道提供了空间。在过去的几年中，四家主要示波器供应商中的三家已将八通道示波器添加到了产品线中。拥有八个可用的模拟通道可打开整个测量应用范围。

需要四通道的最常见测量是三相功率，三相是多相交流配电系统中最常见的类型。它在发电，输电和配电中发现了常见的应用，并用于为大型电动机和其他重负载设备供电。

三相设备（例如三相电动机）以WYE（四线）或DELTA（三线）配置连接。对于星形连接设备，基本的三相功率确定需要测量三相电压（Va，Vb和Bc）和三相电流（Ia，Ib和Ic）。通过将每个电压的电压乘以其相关相电流，可以计算出每个功率相的瞬时功率。瞬时功率的平均值是有功功率。所有三个相功率读数的总和是设备的总有功功率。此测量称为三瓦特表功率测量。为了使用外部差分电压探头和电流探头进行电压和电流测量，需要六个通道。

图1显示了使用Teledyne LeCroy WaveRunner 8038HD在八通道示波器上进行三相功率测量的示例。这是主要示波器供应商提供的八通道示波器之一。WaveRunner 8000HD系列示波器具有八个12位通道。相电压的三个测量使用差分探头进行的。它们显示在顶部的三个显示区域中。还有三个用于通过电流探头进行相电流测量的通道，它们出现在相电压测量值正下方的三个显示区域中。

三相功率测量的示波器屏幕截图图1对于在八通道示波器上进行的三相功率测量，八个通道中的六个用于同时测量三相电压和三相电流。将各相的功率相加，以读取总功率。

该示波器具有12个双功能数学迹线，可用于对任何模拟波形进行数学运算。

波形显示下方将显示各相RMS电压和RMS电流的参数测量值以及平均相功率和总功率。还有总共12个测量参数可用，例如函数轨迹，并且测量参数的数量应超过采集通道的数量。

如本例所示，显示八个采集的波形和其他派生信号会使示波器显示非常繁忙。具有多种显示格式，并且能够在每个显示网格中添加标签将有助于清晰展示。本示例使用具有12个网格的显示格式。支持一个，两个，四个，六个，八个，12、16或20个分区显示配置，以及一些特定于应用程序的布局。

具有多达八个模拟通道的其他应用还可以用于汽车测量，医疗电子和无损检测。这些应用程序中的每一个都使用多个传感器，并且需要同时显示。所有主要的示波器供应商都提供支持最常见应用的专用软件，例如多相电源和电动机驱动器分析。

多功能合一

另一个有趣的发展是具有综合功能的仪器；内部信号源与其测量能力相匹配的仪器。这允许将单个仪器用于响应激励测试。许多示波器已将函数发生器添加为内部功能。其中一些发生器提供任意波形发生器。其他仪器供应商的这种发展也在继续，每台仪器的源和测量通道数量增加了。

作为这种多通道/多功能开发的示例，请参考Spectrum Instrumentation的hybridNETBOX。这款独立的LXI仪器提供多达8个用于测量的数字化仪通道，以及多达8个作为信号源的任意波形生成通道。 hybridNETBOX系列提供六种型号，分别具有40、80或125 MS / s数字转换器的2、4或8个通道，并匹配任意波形发生器（AWG），这两种仪器共享一个公共时钟和触发器。 DN2.806-08 hybridNETBOX如图2所示。

图2 DN2.806-08 hybridNETBOX具有八个16位数字化仪和八个16位AWG通道，最大采样率为125 MS / s，通过LXI以太网链接PC。

该仪器的前面板具有八个16位AWG输出和八个16位模拟数字转换器输入通道。数字化仪和AWG的最大时钟速率均为125 MS / s，每个通道的最大存储深度为512 MSamp。

AWG通道几乎可以产生任何50Ω的幅度为±3V信号，而对于高阻抗则为±6V的信号。此外，还有四个数字I / O连接器可用作标记输出，它们与模拟通道波形完全同步。此功能使您可以精确控制测试系统中可能连接的其他设备。AWG部分中的最后两个连接器允许使用外部时钟和触发输入。

八个数字转换器通道可以处理范围广泛的输入信号，因为它们具有从±200 mV到±10V的可变范围。它们还具有可编程的失调和可选的输入阻抗（50Ω和1MΩ）。单端和差分测量模式均可用。还有一个外部时钟和触发输入，以及另外两个数字I / O端口。

这些仪器适用于需要激励源才能进行信号测量的应用。放大器，滤波器，接收器和数字接口等测试设备是典型的应用。常见的源响应测量是验证中频（IF）通道的带宽，如图3所示。

单个AWG数字转换器对或带有内部函数发生器的示波器用于确定10.7 MHz IF通道的频率响应。 AWG输出线性正弦波扫频，覆盖9至12.5 MHz的频率范围，如显示屏的左上方所示。激励信号的快速傅立叶变换（FFT）出现在右上方。 IF响应出现在左下方。IF频率响应显示在右下方，400 kHz的带宽。使用本仪器最多可以同时复制八个通道。

图3这些结果显示了使用扫频正弦激励信号的10.7 MHz IF通道的频率响应。

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）系统使用超声波穿透材料并产生可显示出空隙，裂纹和其他缺陷的响应。该技术使用换能器的相控阵来发送和接收超声脉冲。换能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使用相控阵换能器来控制传送的脉冲

通过控制施加到各个换能器的每个超声脉冲的延迟，可以定向或聚焦输出脉冲。如果所有脉冲都同时到达，则波前将以宽的平行模式辐射，如最左图所示。如果脉冲顺序到达换能器，其结果是使波前沿延迟越来越大的脉冲方向旋转，如中心图所示。最后，如果脉冲在外部换能器处具有最小的延迟，而在内部换能器处具有增加的延迟，结果是将波前聚焦在中心目标区域上，如最右图所示。

使用AWG作为信号源，可以轻松控制这种信号的产生。超声波脉冲载波的频率，幅度，延迟，衰减时间可以轻松实现控制，如图5所示。

图5衰减逐渐增加的八个超声波脉冲的产生旨在控制换能器阵列的组合输出。幅度，载波频率，持续时间，起音时间，衰减时间和延迟都可以单独控制。

八个AWG通道产生40 kHz超声脉冲，延迟步长增加25μs。在图的左下角的插图中显示了用于单个脉冲实例的方程式。划线上方的彩色线指示方程中影响输出脉冲形状的部分。起振时间由斜坡函数设置，而衰减则由衰减指数控制。八个单独的方程式（每个AWG通道一个）用于定义每个单独的脉冲。

脉冲发送后，换能器阵列负责接收。每个传感器都连接到数字转换器输入（图6）。

图6在接收模式下，每个传感器通过可编程延迟功能连接到数字转换器的输入。延迟值用于对阵列控制和聚焦进行编程，就像在发射模式期间所做的一样。

就像在发射模式下一样，在接收模式下对换能器阵列的控制和聚焦是使用可编程延迟来完成的。这可以通过外部可编程延迟元件来实现，也可以通过使用数字转换器中可用的有限脉冲响应滤波器来实现。

诸如hybridNETBOX之类的多功能仪器正好适用于相控阵信号处理等应用程序，在该应用程序中，多通道信号源驱动换能器或天线阵列，而多通道数字化仪获取返回信号。

仪器仪表的本地扩展（LXI）

LXI是用于使用以太网的仪器和模块化系统的局域网（LAN）连接和控制的当前行业标准。 LXI是为台式机和模块化仪器系统定义通信协议的标准，建立了此类仪器之间的互操作性。大多数仪器都通过千兆以太网、100Base-T或10Base-T以太网标准。LXI标准由LXI联盟维护。

LXI旨在以更高速度的串行数据接口取代已有数十年历史的IEEE-488接口。除了使用RJ-45连接器和CAT5 LAN布线的LAN接口外，LXI接口还支持VXI-11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，以支持用于与仪器通信的标准应用程序编程接口（API）。

图7显示了Spectrum Instrumentation hybridNETBOX的LXI界面主页，该界面标识了仪器及其LXI特性。

图7此页面显示了由8通道数字化仪和8通道AWG组合而成的仪器的信息。

每个LXI仪器都有一个类似这样页面，可以使用浏览器搜索仪器主机名或IP地址在网络上找到该设备。

大多数中档和更高级别的仪器都提供LXI或USB接口，通常也支持较旧的IEEE-488接口。

测试和测量仪器的开发永远不会停滞不前；总会有一些新事物。诸如增加通道数，多功能拓扑和更快的远程接口之类的特性，从而增加了仪器的多功能性和实用性。无论是谁引入了这样的新概念，原因都是因为用户要求进行有意义的改进，需要更方便地使用仪器。

Arthur Pini是技术支持专家和电气工程师，在电子测试和测量领域拥有50多年的经验。