基于NI Flex II創(chuàng)新技術(shù)的通用儀器可提供最高動(dòng)態(tài)性能

技術(shù)的融合使系統(tǒng)制造商們能夠不斷滿足用戶的期望，但也給研發(fā)人員和測(cè)試工程師帶來(lái)極大的壓力，因?yàn)樗麄冃枰獪y(cè)試更多的功能，還要盡量縮短測(cè)試時(shí)間，使產(chǎn)品盡快上市。虛擬儀器能夠有效整合快速開發(fā)軟件和高度靈活的模塊化硬件來(lái)創(chuàng)建用戶定義的測(cè)試系統(tǒng)，因而成為克服這些挑戰(zhàn)的優(yōu)秀測(cè)試方案。

消費(fèi)者需求和期望值的日漸提高促使制造商開發(fā)出更新、功能更多的創(chuàng)新產(chǎn)品以保持其競(jìng)爭(zhēng)地位和利潤(rùn)。汽車中的遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)就是一個(gè)功能不斷增多的典型例子。幾年前，汽車還只配備有卡帶機(jī)和AM/FM收音機(jī)。隨后出現(xiàn)了光盤，汽車制造商立即在汽車中集成了CD播放機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)的AM/FM收音機(jī)及卡帶機(jī)。消費(fèi)者的需求和期望仍在不斷提高，現(xiàn)在很容易見到信息處理系統(tǒng)中含有CD/MP3播放器、DVD播放器、AM/FM及衛(wèi)星廣播、GPS和蜂窩電話。所有這些過去由各個(gè)獨(dú)立設(shè)備實(shí)現(xiàn)的技術(shù)現(xiàn)在可被融合進(jìn)一個(gè)成熟而復(fù)雜的信息處理系統(tǒng)中。 

圖1. NI PXI-5922多分辨率數(shù)字轉(zhuǎn)換器的頻率-分辨率曲線上的關(guān)鍵點(diǎn)。

技術(shù)的融合使汽車制造商們能夠滿足用戶的期望，并能立足于競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)。但這給研發(fā)人員和測(cè)試工程師都帶來(lái)極大的壓力，因?yàn)樗麄冃枰獪y(cè)試更多的功能，還要盡量縮短測(cè)試時(shí)間，滿足上市時(shí)間要求。

讓我們從汽車制造商的角度來(lái)看。先考慮一下設(shè)計(jì)和開發(fā)信息處理系統(tǒng)所需的成本。幾年前，設(shè)計(jì)師可能只需要一套傳統(tǒng)的盒裝儀器就能設(shè)計(jì)和測(cè)試卡帶機(jī)中的有限功能了。然而，為了迎接今天的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員必須購(gòu)買新的儀器才能完成遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)中新功能的測(cè)試。隨著測(cè)試系統(tǒng)的不斷膨脹，不僅空間開始不夠用，支出也超出預(yù)算。如果能用一個(gè)集成的測(cè)試系統(tǒng)代替所有這些昂貴且種類各異的儀器，并能根據(jù)具體應(yīng)用定義功能，還能提供未來(lái)擴(kuò)展空間那該有多好？

如今，虛擬儀器已經(jīng)成為克服這些挑戰(zhàn)的首選測(cè)試解決方案。它結(jié)合了快速開發(fā)軟件和高度靈活的模塊化硬件來(lái)創(chuàng)建用戶定義的測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器能夠提供：用于快速測(cè)試開發(fā)的直觀軟件工具；基于創(chuàng)新商用技術(shù)的快速、精確的模塊化I/O；提供高精確度和高吞吐量并具有一體化同步功能的PC平臺(tái)。

快速的測(cè)試開發(fā)軟件

隨著自動(dòng)化逐漸成為快速測(cè)試復(fù)雜產(chǎn)品的基本要求，軟件已成為從設(shè)計(jì)驗(yàn)證到高度自動(dòng)化制造測(cè)試等所有測(cè)試系統(tǒng)中的基本組成部分。為了快速提供能夠測(cè)試新功能的測(cè)試系統(tǒng)，需要一套集成的測(cè)試開發(fā)工具。這些工具包括測(cè)試管理、測(cè)試開發(fā)和I/O驅(qū)動(dòng)器。

圖2. 在高達(dá)15MS/s采樣速率條件下與其它數(shù)字轉(zhuǎn)換器相比的PX-5922頻率-分辨率曲線。

模塊化I/O

第二個(gè)重要的測(cè)試技術(shù)是包括模塊化儀器和數(shù)據(jù)捕獲等技術(shù)在內(nèi)的模塊化I/O。模塊化I/O采用商用芯片技術(shù)創(chuàng)建低成本高性能的虛擬儀器。像ADC、DAC、FPGA、DSP等被廣泛使用的商用技術(shù)的普及化迅速增強(qiáng)了模塊化I/O功能和性能。在許多情況下，虛擬儀器的精度超過了傳統(tǒng)儀器的精度。

基于PC的測(cè)試平臺(tái)

所有現(xiàn)代的測(cè)試系統(tǒng)都包含有PC。PC已經(jīng)不僅是測(cè)試系統(tǒng)的一部分，而且正逐漸成為重要的集成平臺(tái)：測(cè)試系統(tǒng)中心。千兆赫處理器、高速總線、軟件的廣泛可用性、不斷提高的性能和特別低的價(jià)格使得PC已經(jīng)成為理想的測(cè)試平臺(tái)。如果考察一下過去20年來(lái)PC的性能演變，測(cè)試系統(tǒng)中具有同樣量級(jí)性能提升的部分只有被測(cè)設(shè)備本身了。

用于動(dòng)態(tài)測(cè)試的通用儀器

假設(shè)你正在測(cè)試車載信息處理系統(tǒng)中的音頻和無(wú)線功能，執(zhí)行音頻和無(wú)線測(cè)試所需的儀器是音頻分析儀、射頻下變頻器和中頻數(shù)字轉(zhuǎn)換器。你可以選擇3個(gè)PXI或PCI模塊，并用軟件定義測(cè)試系統(tǒng)。如果一個(gè)設(shè)備能夠用于多種用途顯然更有益。 

圖3. 線性化前后應(yīng)用于6位Δ-ΣADC的純正弦波FFT圖。

現(xiàn)在可以使用用于動(dòng)態(tài)測(cè)量的通用儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司的PXI-5922多分辨率數(shù)字轉(zhuǎn)換器就是這樣一種將多個(gè)儀器功能集成在一個(gè)模塊中的設(shè)備。通過這個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用戶可以調(diào)整采樣速率獲得不同的分辨率。例如，在15MS/s的采樣速率下，模塊可以提供16位的分辨率，通過軟件將采樣速率降低到500kS/s后，同樣的模塊(對(duì)硬件不作任何改動(dòng))將提供24位的分辨率。在本例中，PXI-5992通用儀器既可作為24位音頻分析儀，也可以作為16位中頻數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用。

就像DMM將多個(gè)DC測(cè)量功能整合進(jìn)一個(gè)儀器那樣，PXI-5992也通過在一個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換器中提供多種儀器功能改進(jìn)了AC測(cè)量功能。使用該數(shù)字轉(zhuǎn)換器和LabVIEW8之類的軟件就可以創(chuàng)建新的虛擬儀器。與音頻分析儀、頻譜分析儀、中頻和I/Q基帶數(shù)字轉(zhuǎn)換器、DC和RMS電壓表和頻率計(jì)數(shù)器等許多傳統(tǒng)儀器相比，采用這種虛擬儀器能夠獲得更好的測(cè)量性能。

創(chuàng)新的Flex II ADC多分辨率技術(shù)

這種創(chuàng)新的多分辨率技術(shù)可以通過NI的 Flex II ADC實(shí)現(xiàn)。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用了NI設(shè)計(jì)的全定制模擬ASIC，是一種增強(qiáng)型的Δ-Σ轉(zhuǎn)換器，利用下面這兩種創(chuàng)新技術(shù)在寬范圍的采樣速率下獲得了特別高的動(dòng)態(tài)范圍：用6位Δ-Σ ADC代替單比特Δ-Σ ADC；擁有專利的數(shù)字線性化機(jī)制。

單比特Δ-Σ ADC可以為低頻應(yīng)用提供高分辨和高動(dòng)態(tài)范圍。然而，由于采樣速度有限，單比特Δ-Σ ADC不適合動(dòng)態(tài)信號(hào)頻率超過數(shù)百KHz的應(yīng)用場(chǎng)合。而多比特Δ-Σ ADC可以在高頻時(shí)提供高的動(dòng)態(tài)范圍，并且線性化后可以去除多比特Δ-Σ ADC所固有的非線性。 

圖4. 高端發(fā)生器產(chǎn)生非常純的10kHz正弦波FFT捕獲，其噪聲水平低至-170dB FS/Hz，SFDR高達(dá)-120dBc。

圖3所示ADC中的非線性如何在頻域中表現(xiàn)為諧波。Flex II ADC采用強(qiáng)大的FPGA和線性化專利技術(shù)以數(shù)字方式消除這些非線性，并在較高采樣速率范圍內(nèi)提供較寬的動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍的增加使用戶有能力去分析以前會(huì)混跡于傳統(tǒng)儀器噪聲中的信號(hào)。

Flex II ADC是一項(xiàng)偉大的發(fā)明，但如果工程師不能在不降低性能的條件下將它集成進(jìn)數(shù)字化儀器，那么它就無(wú)法發(fā)揮作用。PXI-5922多分辨率數(shù)字轉(zhuǎn)換器擁有一流的模塊前端，它能充分利用高性能的Flex II ADC功能，釋放數(shù)字轉(zhuǎn)換器的有效資源，從而提供強(qiáng)大的性能。這種數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以提供市場(chǎng)上最高的分辨率和最大的動(dòng)態(tài)范圍。因此，它不僅可以當(dāng)作通用儀器使用，而且與它可代替的各種單獨(dú)儀器相比還能提供更高的動(dòng)態(tài)性能。圖4顯示出高端發(fā)生器產(chǎn)生的非常純的10kHz正弦波FFT捕獲。PXI-5922噪聲密度可低至-170dB FS/Hz，本例中的SFDR可高達(dá)-120dBc。