產線智能化測試催生測試測量儀器多通道出現

測試和測量儀器隨著時間而發展，但大多數關注都來自明顯的性能改進，如測量帶寬和動態范圍。但是不太明顯的改進，諸如通道數量，I / O接口速度和組合功能之類的次要規格，往往被市場所忽視，但這些因素對實際應用卻起到了非常重要的作用以及最大的便利性。

 

八通道

 

幾十年來，高頻示波器提供了兩個或四個通道。雙通道示波器受模擬示波器的性能限制。數字示波器消除了陰極射線管及其顯示限制，并開始支持到四個通道，并持續了數十年，直到組件的大小為額外的通道提供了空間。在過去的幾年中，四家主要示波器供應商中的三家已將八通道示波器添加到了產品線中。擁有八個可用的模擬通道可打開整個測量應用范圍。

 

需要四通道的最常見測量是三相功率，三相是多相交流配電系統中最常見的類型。它在發電，輸電和配電中發現了常見的應用，并用于為大型電動機和其他重負載設備供電。

 

三相設備（例如三相電動機）以WYE（四線）或DELTA（三線）配置連接。對于星形連接設備，基本的三相功率確定需要測量三相電壓（Va，Vb和Bc）和三相電流（Ia，Ib和Ic）。通過將每個電壓的電壓乘以其相關相電流，可以計算出每個功率相的瞬時功率。瞬時功率的平均值是有功功率。所有三個相功率讀數的總和是設備的總有功功率。此測量稱為三瓦特表功率測量。為了使用外部差分電壓探頭和電流探頭進行電壓和電流測量，需要六個通道。

 

圖1顯示了使用Teledyne LeCroy WaveRunner 8038HD在八通道示波器上進行三相功率測量的示例。這是主要示波器供應商提供的八通道示波器之一。WaveRunner 8000HD系列示波器具有八個12位通道。相電壓的三個測量使用差分探頭進行的。它們顯示在頂部的三個顯示區域中。還有三個用于通過電流探頭進行相電流測量的通道，它們出現在相電壓測量值正下方的三個顯示區域中。

 

三相功率測量的示波器屏幕截圖圖1對于在八通道示波器上進行的三相功率測量，八個通道中的六個用于同時測量三相電壓和三相電流。將各相的功率相加，以讀取總功率。

 

該示波器具有12個雙功能數學跡線，可用于對任何模擬波形進行數學運算。

 

波形顯示下方將顯示各相RMS電壓和RMS電流的參數測量值以及平均相功率和總功率。還有總共12個測量參數可用，例如函數軌跡，并且測量參數的數量應超過采集通道的數量。

 

如本例所示，顯示八個采集的波形和其他派生信號會使示波器顯示非常繁忙。具有多種顯示格式，并且能夠在每個顯示網格中添加標簽將有助于清晰展示。本示例使用具有12個網格的顯示格式。支持一個，兩個，四個，六個，八個，12、16或20個分區顯示配置，以及一些特定于應用程序的布局。

 

具有多達八個模擬通道的其他應用還可以用于汽車測量，醫療電子和無損檢測。這些應用程序中的每一個都使用多個傳感器，并且需要同時顯示。所有主要的示波器供應商都提供支持最常見應用的專用軟件，例如多相電源和電動機驅動器分析。

 

多功能合一

 

另一個有趣的發展是具有綜合功能的儀器；內部信號源與其測量能力相匹配的儀器。這允許將單個儀器用于響應激勵測試。許多示波器已將函數發生器添加為內部功能。其中一些發生器提供任意波形發生器。其他儀器供應商的這種發展也在繼續，每臺儀器的源和測量通道數量增加了。

 

作為這種多通道/多功能開發的示例，請參考Spectrum Instrumentation的hybridNETBOX。這款獨立的LXI儀器提供多達8個用于測量的數字化儀通道，以及多達8個作為信號源的任意波形生成通道。 hybridNETBOX系列提供六種型號，分別具有40、80或125 MS / s數字轉換器的2、4或8個通道，并匹配任意波形發生器（AWG），這兩種儀器共享一個公共時鐘和觸發器。 DN2.806-08 hybridNETBOX如圖2所示。

 

圖2 DN2.806-08 hybridNETBOX具有八個16位數字化儀和八個16位AWG通道，最大采樣率為125 MS / s，通過LXI以太網鏈接PC。

 

該儀器的前面板具有八個16位AWG輸出和八個16位模擬數字轉換器輸入通道。數字化儀和AWG的最大時鐘速率均為125 MS / s，每個通道的最大存儲深度為512 MSamp。

 

AWG通道幾乎可以產生任何50Ω的幅度為±3V信號，而對于高阻抗則為±6V的信號。此外，還有四個數字I / O連接器可用作標記輸出，它們與模擬通道波形完全同步。此功能使您可以精確控制測試系統中可能連接的其他設備。AWG部分中的最后兩個連接器允許使用外部時鐘和觸發輸入。

 

八個數字轉換器通道可以處理范圍廣泛的輸入信號，因為它們具有從±200 mV到±10V的可變范圍。它們還具有可編程的失調和可選的輸入阻抗（50Ω和1MΩ）。單端和差分測量模式均可用。還有一個外部時鐘和觸發輸入，以及另外兩個數字I / O端口。

 

這些儀器適用于需要激勵源才能進行信號測量的應用。放大器，濾波器，接收器和數字接口等測試設備是典型的應用。常見的源響應測量是驗證中頻（IF）通道的帶寬，如圖3所示。

 

單個AWG數字轉換器對或帶有內部函數發生器的示波器用于確定10.7 MHz IF通道的頻率響應。 AWG輸出線性正弦波掃頻，覆蓋9至12.5 MHz的頻率范圍，如顯示屏的左上方所示。激勵信號的快速傅立葉變換（FFT）出現在右上方。 IF響應出現在左下方。IF頻率響應顯示在右下方，400 kHz的帶寬。使用本儀器最多可以同時復制八個通道。

 

圖3這些結果顯示了使用掃頻正弦激勵信號的10.7 MHz IF通道的頻率響應。

 

多功能儀器可用于開發和測試多輸入多輸出（MIMO）陣列系統。無損檢測（NDT）系統使用超聲波穿透材料并產生可顯示出空隙，裂紋和其他缺陷的響應。該技術使用換能器的相控陣來發送和接收超聲脈沖。換能器陣列使用多個發射信號來控制和聚焦超聲脈沖（圖4）。

 

圖4使用相控陣換能器來控制傳送的脈沖

 

通過控制施加到各個換能器的每個超聲脈沖的延遲，可以定向或聚焦輸出脈沖。如果所有脈沖都同時到達，則波前將以寬的平行模式輻射，如最左圖所示。如果脈沖順序到達換能器，其結果是使波前沿延遲越來越大的脈沖方向旋轉，如中心圖所示。最后，如果脈沖在外部換能器處具有最小的延遲，而在內部換能器處具有增加的延遲，結果是將波前聚焦在中心目標區域上，如最右圖所示。

 

使用AWG作為信號源，可以輕松控制這種信號的產生。超聲波脈沖載波的頻率，幅度，延遲，衰減時間可以輕松實現控制，如圖5所示。

 

圖5衰減逐漸增加的八個超聲波脈沖的產生旨在控制換能器陣列的組合輸出。幅度，載波頻率，持續時間，起音時間，衰減時間和延遲都可以單獨控制。

 

八個AWG通道產生40 kHz超聲脈沖，延遲步長增加25μs。在圖的左下角的插圖中顯示了用于單個脈沖實例的方程式。劃線上方的彩色線指示方程中影響輸出脈沖形狀的部分。起振時間由斜坡函數設置，而衰減則由衰減指數控制。八個單獨的方程式（每個AWG通道一個）用于定義每個單獨的脈沖。

 

脈沖發送后，換能器陣列負責接收。每個傳感器都連接到數字轉換器輸入（圖6）。

 

圖6在接收模式下，每個傳感器通過可編程延遲功能連接到數字轉換器的輸入。延遲值用于對陣列控制和聚焦進行編程，就像在發射模式期間所做的一樣。

 

就像在發射模式下一樣，在接收模式下對換能器陣列的控制和聚焦是使用可編程延遲來完成的。這可以通過外部可編程延遲元件來實現，也可以通過使用數字轉換器中可用的有限脈沖響應濾波器來實現。

 

諸如hybridNETBOX之類的多功能儀器正好適用于相控陣信號處理等應用程序，在該應用程序中，多通道信號源驅動換能器或天線陣列，而多通道數字化儀獲取返回信號。

 

儀器儀表的本地擴展（LXI）

 

LXI是用于使用以太網的儀器和模塊化系統的局域網（LAN）連接和控制的當前行業標準。 LXI是為臺式機和模塊化儀器系統定義通信協議的標準，建立了此類儀器之間的互操作性。大多數儀器都通過千兆以太網、100Base-T或10Base-T以太網標準。LXI標準由LXI聯盟維護。

 

LXI旨在以更高速度的串行數據接口取代已有數十年歷史的IEEE-488接口。除了使用RJ-45連接器和CAT5 LAN布線的LAN接口外，LXI接口還支持VXI-11以檢測網絡上的LXI儀器。 LXI儀器還必須提供可互換的虛擬儀器或IVI驅動程序，以支持用于與儀器通信的標準應用程序編程接口（API）。

 

圖7顯示了Spectrum Instrumentation hybridNETBOX的LXI界面主頁，該界面標識了儀器及其LXI特性。

 

圖7此頁面顯示了由8通道數字化儀和8通道AWG組合而成的儀器的信息。

 

每個LXI儀器都有一個類似這樣頁面，可以使用瀏覽器搜索儀器主機名或IP地址在網絡上找到該設備。

 

大多數中檔和更高級別的儀器都提供LXI或USB接口，通常也支持較舊的IEEE-488接口。

 

測試和測量儀器的開發永遠不會停滯不前；總會有一些新事物。諸如增加通道數，多功能拓撲和更快的遠程接口之類的特性，從而增加了儀器的多功能性和實用性。無論是誰引入了這樣的新概念，原因都是因為用戶要求進行有意義的改進，需要更方便地使用儀器。

 

Arthur Pini是技術支持專家和電氣工程師，在電子測試和測量領域擁有50多年的經驗。