測試系統構建基礎知識-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時，使用的主要工具是測量儀器。這些儀器包括數字萬用表（DMM）、示波器和波形發生器等大家耳熟能詳的儀器，以及各種新的和不斷變化的產品類別，如矢量信號收發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，數以百計的產品類別包含數千個型號。而且，這些儀器同樣可根據物理定律來選擇，具體來說，噪聲和帶寬的基本原理體現在放大器技術和用于創建儀器的模數轉換器(ADC)上。這些基本的物理限制使得工程師經常需要在測量精度和數據采集速度之間進行取舍。下圖顯示的是隨著傳統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（也稱為動態信號分析儀）
專業模擬產品，包括脈沖發生器、脈沖源/接收器等
二、需考慮的關鍵規格
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品進行比較和權衡，需考慮的規格包括：
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，評估儀器垂直規格中影響測量質量的多個參數，如ADC分辨率（模擬信號的數字量化，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格，以及典型DMM和典型示波器的儀器規格受每一級影響的示例。
上面的表格概括了篩選儀器規格時的一些思路，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。可根據上升時間使用以下公式計算出信號的帶寬：
理想情況下，數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字化的最高頻率正弦波，但采樣率僅僅是數字化儀或示波器中的ADC提供時鐘以對輸入信號進行數字化的速率。采樣率和帶寬不直接相關; 然而，這兩個重要參數之間存在一個我們希望的關系：
數字化儀實時采樣率=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時域信號。為了準確地數字化輸入信號，數字化儀的實時采樣率應至少為數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字化儀有益于這些應用。
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