使用 PXI 示波器套件快速启动并运行紧凑的自动化测试系统

作者： Art Pini

使用独立仪器设计多通道自动化测试系统时，由于要重复设计显示屏、前面板、电源和电源线等基本功能，效率非常低下。与机架堆叠式仪器通信也很低效，因为这些仪器中的大多数可能使用基于以太网的 LAN 仪器扩展 (LXI)，与 Thunderbolt 3 等更快的串行接口相比，LXI 速度更慢，编程开销也更大。

更好的方法是使用模块化仪器，这类仪器外形小巧，但能提供所需的功能。在这种设置中，示波器、万用表和信号发生器等多种仪器并排安装在一个公用机箱中。这些仪器通过公共总线结构进行内部通信，确保所有仪器同步运行。它们还由运行统一软件的 PC 进行控制，从一个公用屏幕就能控制所有仪器。

本文将介绍如何使用 NI 的设备设计所需的系统，该公司多年来一直致力于自动化测试与计量系统的开发和商业化。NI 提供了一系列使用 PCI 仪器扩展 (PXI) 的示波器套件，以简化测试系统的设计。PXI 是一种基于 PCI 的平台，具有并行接口，非常适合用于构建具有多种仪器和高通道数的测试系统。

PXI 套件

在 PCI 计算机总线基础之上，PXI 增加了时钟、同步和触发总线，以及软件可配置能力，旨在构建高度灵活的测试系统。PXI 机箱为所有模块供电，并提供内部模块间通信，以及高速模块到 PC 通信链路。

NI 的套件包括：带有五个模块化仪器插槽的 PXI 机箱、一系列可选的示波器模块、必要的电缆或探头，以及 InstrumentStudio 控制软件（图 1）。

图 1：NI PXI 示波器套件包括 PXI 机箱、PXI 示波器模块、InstrumentStudio 多仪器软件和电缆。（图片来源：NI）

NI 的 PXI 示波器套件提供六种示波器模块供选择，通道数有 2、4 或 8 个，带宽范围为 60 MHz 至 1.5 GHz，采样率介于 60 和 5000 MS/s 之间（表 1）。对于机箱，PXIe 表示支持更快的 PCIe 串行接口。

表 1：NI PXI 示波器套件的模块化示波器规格汇总。所有套件产品均使用相同的 PXIe 机箱。（表格来源：Art Pini，基于 NI 数据）

例如，867011-01 使用带宽为 100 MHz、采样率为 1000 MS/s 的 PXIe-5110 双通道示波器模块（图 2）。

图 2：PXIe-5100 是一款双通道示波器 PXIe 模块，随 867011-01 PXI 示波器套件提供，包含两个示波器探头。（图片来源：NI）

PXI 示波器占用机箱中的一个模块插槽，剩下四个插槽用于安装其他仪器。例如，要获得 16 个通道，可以使用两个 PXIe-5105 或 PXIe-5172 模块。您还可以选用其他 PXI 仪器和支持选件，如万用表、波形发生器、计数器或电源等等。

高效使用 PXI 套件

关于数字示波器，存在一些经验法则。例如，采样率必须大于带宽的两倍，以防止混叠。参见表 1，PXIe-5105 的模拟带宽为 60 MHz，最大采样率为 60 MS/s。PXIe-5105 通过内置一个具有快速衰减特性的 24 MHz 抗混叠滤波器来避免混叠问题，带宽被限制在最大采样率 60 MS/s 的一半以下。

存储深度控制可在最大采样率下实现的最长采集。较长的采集需要降低采样率。当处理长波形事件时，存储深度最重要，例如车辆中的超声波测距应用可能需要毫秒级的持续时间。对于这种应用，以 60 MS/s 的最大采样率运行的 867010-01 PXI 示波器可以在其 128 MB 存储器中采集 2.1 秒的数据。

示波器的分辨率决定了仪器的理论动态范围。理想情况下，8 位示波器可以将介于满量程幅度 (FSA) 和 FSA/256（即 2 的位数次方）之间的信号数字化。因此，位数越大，电压分辨率越高。当示波器在有大幅度信号存在的情况下测量幅度非常小的信号时，高分辨率非常重要。这里再以超声波测距应用为例。发射的脉冲接近 FSA，但反射的回波可能是其 1/1000 或更小，因此需要 60 dB 的动态范围。粗略的经验法则是，每位分辨率提供 6 dB 的动态范围，因此 1000:1 的动态范围要求 10 位以上的分辨率。

同所有实际仪器一样，由于噪声和失真，可实现的电压分辨率一般低于理想值。用于衡量示波器实际分辨率的品质因数是有效位数 (ENOB) 和无杂散动态范围 (SFDR)（图 3）。

图 3：ENOB 和 SFDR 是衡量示波器分辨率的指标，考虑了噪声和谐波等失真产物。（图片来源：NI）

SFDR 以 dB 为单位，通过满量程与所采集波形频谱中最高频谱峰值之差来衡量分辨率。ENOB 以位为单位，确定动态范围介于满量程和均方根 (RMS) 噪声量化电平之间的理想数字化仪的分辨率。ENOB 总是小于示波器的理论分辨率。它还与频率和幅度相关，随着输入信号频率而变化。

软件

为了以交互方式同时控制多个仪器，您可以将 NI 的 InstrumentStudio 配合示波器套件使用（图 4）。每个仪器都有一个用户指定的控制窗口，允许监控和调试测试系统的操作。

图 4：InstrumentStudio 用户界面支持以交互方式控制多个 PXI 仪器；每个仪器都有一个用户指定的控制窗口，允许监控和调试测试系统的操作。（图片来源：Art Pini）

InstrumentStudio 支持实时监控和调试自动化测试组件，包括电源、信号源、万用表和其他 PXI 仪器。该软件还能用于将仪器配置直接导出到更高级的 NI 测试软件，如 LabView。

InstrumentStudio 包括 PXI 示波器的测量和分析功能。其包含 35 个常用测量参数，如峰间幅值、频率、占空比以及时间和幅度光标。若要提供类似频谱分析仪的视图，可以使用带均值功能的快速傅立叶变换 (FFT) 函数形式的频域分析。FFT 视图可以包括多达 12 个用户放置的标记，支持读取频谱视图上特定峰值的幅值和频率。

数据链路

PXI 机箱由 PC 通过 Thunderbolt 3 链路控制，该链路可在每个方向上以高达 40 Gb/s 的速率同步传输数据。PXI 机箱有两个 Thunderbolt 3 接口，位于控制器插槽的前面板上。两个 Thunderbolt 3 接口支持以菊花链连接多台 Thunderbolt 3 兼容设备，如外部监视器。

测试系统

所有这些单独的部分组合在一起，就构成了一个非常紧凑的测试系统。PXI 机箱和三个模块（一个示波器、一个数字万用表 (DMM) 和一个电源）一起比单个机架堆叠式示波器更小（图 5）。

图 5：基于 PXI 示波器套件的典型系统，使用了机箱、示波器、电源、DMM 和 InstrumentStudio 软件，一同显示的是相同类型的机架堆叠式仪器。（图片来源：NI）

图 5 中的被测设备 (DUT) 是一个 Arduino 板，该板设置用于产生脉冲宽度调制 (PWM) 信号。电源产生 5 V 电压为其供电，DMM 读取设备上的 3.3 V 稳定电压，示波器显示 PWM 波形。与 DUT 的互连是通过常规示波器探头（随 PXI 示波器提供，带有 BNC 输入连接器）和常规测试引线实现的。右图所示的等效机架堆叠式仪器要大得多。

结语

NI PXI 示波器套件为实现紧凑型自动化测试系统提供了一个坚实的基础。这些套件支持多通道配置，最多可容纳五个独立的模块化仪器。InstrumentStudio 软件通过一套完整的测量工具，包括参数、光标和标记，支持在时域和频域对 DUT 进行交互式测量。