測試系統(tǒng)構建基礎知識-模擬和射頻儀器選擇
2024-12-10
工程師通常對 “為工作選擇正確的工具” 這一名言的重要性不置可否。使用錯誤的工具可能會浪費時間并影響質量，而正確的工具則可在短時間內提供正確的結果。在構建自動化測試系統(tǒng)時，使用的主要工具是測量儀器。這些儀器包括數(shù)字萬用表（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，資深的測試工程師必須對以下方面有深入的了解：
1、被測設備的技術測量要求(DUT)
2、會影響應用的重要儀器規(guī)格
3、可用的各種類型的儀器，以及功能、尺寸、價格等方面的權衡
4、特定儀器類別中產(chǎn)品型號之間的細微差異
為工作選擇正確的工具說起來容易，做起來難，特別是當涉及到評估許多權衡時。本文紹了可用儀器的主要類別，以及常見的選擇標準，可幫助您縮小應用的最佳選擇范圍。
模擬和射頻測試儀器的市場非常廣泛，數(shù)以百計的產(chǎn)品類別包含數(shù)千個型號。而且，這些儀器同樣可根據(jù)物理定律來選擇，具體來說，噪聲和帶寬的基本原理體現(xiàn)在放大器技術和用于創(chuàng)建儀器的模數(shù)轉換器(ADC)上。這些基本的物理限制使得工程師經(jīng)常需要在測量精度和數(shù)據(jù)采集速度之間進行取舍。下圖顯示的是隨著傳統(tǒng)和模塊化儀器的技術進步，速度與分辨率之間的關系如何隨著時間的推移而變化。
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。
如果要確定從哪個類型的儀器開始研究，首先要考慮幾個關于您測量任務的關鍵問題：
信號的方向是什么？（輸入、輸出或兩者皆有）
信號的頻率是多少？（DC、kHz、MHz或GHz）
在確定上面關于方向性和速度這兩個關鍵問題的答案后，便可根據(jù)表1來確定從哪種類型的儀器開始著手
這個圖表雖然有用，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域包括：
專用直流儀表，如靜電計、微歐姆計、納伏表等
音頻頻帶分析和生成（也稱為動態(tài)信號分析儀）
專業(yè)模擬產(chǎn)品，包括脈沖發(fā)生器、脈沖源/接收器等
二、需考慮的關鍵規(guī)格
在將測量任務縮小到特定儀器類別之后，下一步是對該類別的產(chǎn)品進行比較和權衡，需考慮的規(guī)格包括：
信號范圍、隔離和阻抗 - 首先，確保儀器的輸入信號范圍足夠大，可捕獲感興趣的信號。此外需考慮儀器的輸入阻抗（影響測量裝置的負載和頻率性能）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，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，并且ADC具有足夠快的采樣率來捕獲感興趣的信號（以每秒樣本數(shù)單位，例如每秒千個樣本、每秒百萬個樣本或每秒十億個樣本）。
測量分辨率和精度 - 最后，評估儀器垂直規(guī)格中影響測量質量的多個參數(shù)，如ADC分辨率（模擬信號的數(shù)字量化，通常在8位至24位之間）、測量精度（最大測量誤差隨時間和溫度的變化，一般以百萬或百萬分之一表示）和測量靈敏度（最小可檢測變化，通常以絕對單位表示，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格、尺寸、功耗和通道密度方面進行取舍，所有這些都會影響儀器的實用性。
圖2顯示了通用測量儀器的模擬輸入路徑簡圖，包含四級主要輸入、每一級影響的儀器規(guī)格，以及典型DMM和典型示波器的儀器規(guī)格受每一級影響的示例。
上面的表格概括了篩選儀器規(guī)格時的一些思路，通常使用各種儀器類別和儀器供應商的各種不同命名法來表示。這些級在影響關鍵規(guī)范時通常是相互依賴的。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帶寬具有顯著影響。
三、模擬和射頻儀器類別
在比較DUT的測量要求以及儀器測試DUT的能力時，請記住以下關鍵比率。
測試準確度比= 4:1
當測試組件（例如電壓參考）時，請確保測量設備的準確度遠遠大于被測組件的準確度。如果不滿足該標準，則測量誤差可能同時來源于DUT和測試設備，這樣便不可能知道真實的誤差源。因此，測試準確度比(TAR)這一概念可用于描述測量設備和被測組件的相對準確度。
TAR的可接受值為4及以上，取決于所執(zhí)行的測試和所需的測試確定度。
寬帶比 = 5:1
上升時間和帶寬直接相關，可以通過一個值算出另一個值。上升時間定義信號從滿量程值的10％上升到90％所需的時間?？筛鶕?jù)上升時間使用以下公式計算出信號的帶寬：
理想情況下，數(shù)字化儀的帶寬應該是信號帶寬的三到五倍，如上式所計算。換句話說，數(shù)字化儀的上升時間應該是信號上升時間的1/5到1/3，才能以最小的誤差采集信號。根據(jù)以下公式可隨時逆推來確定信號的實際帶寬：
時域采樣比 = 10:1
盡管帶寬描述了可以以最小衰減進行數(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提供時鐘以對輸入信號進行數(shù)字化的速率。采樣率和帶寬不直接相關; 然而，這兩個重要參數(shù)之間存在一個我們希望的關系：
數(shù)字化儀實時采樣率=輸入信號帶寬的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信號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)時域信號。為了準確地數(shù)字化輸入信號，數(shù)字化儀的實時采樣率應至少為數(shù)字化儀帶寬的三到四倍。具體原因請看下圖，想想你希望在示波器上看到的數(shù)字化信號。
盡管在兩種情況下通過前端模擬電路的實際信號都是相同的，但是左側的圖像屬于欠采樣，會使數(shù)字化信號失真。相反，右側的圖像具有足夠的采樣點來精確地重建信號，這可實現(xiàn)更精確的測量。因為信號的清晰表示對于上升時間、過沖或其它脈沖測量的時域應用非常重要，所以具有更高采樣的數(shù)字化儀有益于這些應用。
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