傳統(tǒng)臺(tái)式示波器進(jìn)行了優(yōu)化以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)工程師的需求，這些工程師主要使用交互式儀器，優(yōu)先考慮第一次測(cè)量時(shí)間、波形可視化以及與各種探針的連接等功能。雖然新型臺(tái)式示波器通過(guò)諸如提高帶寬和添加用于分析總線協(xié)議的交鑰匙軟件以及特性?xún)?yōu)化了這些用戶(hù)體驗(yàn)，但往往還是不能滿(mǎn)足工程師構(gòu)建自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)或高通道數(shù)高速測(cè)量系統(tǒng)的需求。這些工程師需要以自動(dòng)化的方式采集和分析大量的數(shù)據(jù)，在該過(guò)程中，優(yōu)先考慮的特性通常包括與其他儀器的集成、尺寸和編程體驗(yàn)以及數(shù)據(jù)吞吐量或執(zhí)行時(shí)間。基于這些獨(dú)特的需求，許多用戶(hù)開(kāi)始尋求模塊化平臺(tái)，該平臺(tái)應(yīng)既可提供臺(tái)式示波器的測(cè)量特性，而且其外形結(jié)構(gòu)也針對(duì)用戶(hù)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。
NI在PXI平臺(tái)中提供了種類(lèi)最多的模塊化示波器，這樣您就可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)成本、密度、測(cè)量分辨率或采樣率。圖1列出了各種NI示波器的采樣率和分辨率。藍(lán)色的I / O點(diǎn)代表的是使用NI-SCOPE儀器驅(qū)動(dòng)程序編程的軟件定義示波器，而黃色的I / O點(diǎn)則代表基于FPGA的數(shù)字化儀，使用的是NI可重配置I/ O（RIO）架構(gòu)。
圖1.NI示波器具有具有各種分辨率和高速采樣率
圖2列出了圖1中藍(lán)色I(xiàn)/O點(diǎn)的一些具體示波器規(guī)格。這些示波器提供了用戶(hù)所希望的與傳統(tǒng)臺(tái)式示波器一樣的測(cè)量功能，如可選的輸入范圍、輸入耦合和阻抗、濾波器和可溯源校準(zhǔn)。同時(shí)，它們還支持軟件前面板，并通過(guò)儀器驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程，這些儀器驅(qū)動(dòng)程序包含預(yù)先創(chuàng)建的函數(shù)來(lái)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)示波器測(cè)量，如測(cè)量上升時(shí)間、頻率和脈沖寬度或通過(guò)軟件定義功能。
圖2.從豐富的示波器產(chǎn)品組合中選擇適合您的產(chǎn)品
圖1中黃色I(xiàn)/O點(diǎn)代表基于FPGA的數(shù)字化儀,它將高速采樣率與用戶(hù)可訪問(wèn)的FPGA相結(jié)合，成為板載信號(hào)處理、實(shí)時(shí)分析或自定義觸發(fā)實(shí)現(xiàn)的理想選擇。
圖3.通過(guò)更換適配器模塊定義應(yīng)用程序的所需I / O.
NI提供一系列豐富的PXI示波器和基于FPGA的數(shù)字化儀，專(zhuān)為高通道數(shù)或混合信號(hào)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)。盡管這些儀器的規(guī)格從高分辨率到高速不盡相同，但是NI示波器具有以下幾個(gè)共同的關(guān)鍵屬性，可針對(duì)這些應(yīng)用優(yōu)化示波器，這些屬性包括：
- 與其他儀器緊密的集成和同步
- 可存儲(chǔ)和傳輸大量數(shù)據(jù)
- 高通道密度
- 自定義觸發(fā)和板載信號(hào)處理
- 快速進(jìn)行測(cè)量、編程和調(diào)試的全面軟件體驗(yàn)
混合信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)是由信號(hào)源、測(cè)量設(shè)備和開(kāi)關(guān)等各種類(lèi)型的儀器組成的。NI PXI示波器通過(guò)將PXI平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)與NI專(zhuān)利技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了與其他儀器的緊密集成和同步。借助PXI系統(tǒng)和NI模塊化儀器，您不僅可以在一個(gè)獨(dú)立、緊湊的PXI機(jī)箱中構(gòu)建一個(gè)完整的測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)由于機(jī)箱中的模塊能夠以皮秒級(jí)的精度進(jìn)行同步，因而也可保證測(cè)量質(zhì)量和可重復(fù)性。
圖4.PXI平臺(tái)提供了種類(lèi)豐富的模塊化儀器
通過(guò)同步，您可以將多個(gè)相同類(lèi)型儀器的時(shí)基和觸發(fā)進(jìn)行匹配以實(shí)現(xiàn)通道擴(kuò)展的目的，或者將不同儀器的輸入和輸出緊密關(guān)聯(lián)。同步的基本方法包括共享觸發(fā)和采樣時(shí)鐘，而更先進(jìn)的同步則涉及將多個(gè)不同速率的采樣時(shí)鐘對(duì)齊以及調(diào)整時(shí)鐘和觸發(fā)之間的相位延遲。 PXI架構(gòu)通過(guò)PXI機(jī)箱背板均勻地分布多個(gè)觸發(fā)和采樣時(shí)鐘，從而解決其中存在的一些挑戰(zhàn)，如圖5所示。
圖5.PXI Express背板簡(jiǎn)化了定時(shí)和同步
此外，NI示波器與信號(hào)發(fā)生器和高速數(shù)字I / O等其他儀器共享同步和存儲(chǔ)核心（SMC）技術(shù)。這項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)使用獨(dú)立的時(shí)鐘域信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同儀器之間的觸發(fā)的驅(qū)動(dòng)和接收，繼而實(shí)現(xiàn)了皮秒級(jí)的同步。該觸發(fā)稱(chēng)為T(mén)rigger Clock (TClk), 相比僅將采樣時(shí)鐘鎖定相至10 MHz參考時(shí)鐘的方法來(lái)說(shuō)，顯著提高了性能。
3. 高數(shù)據(jù)吞吐量公司在高效、準(zhǔn)確地測(cè)試產(chǎn)品上需要花費(fèi)很多成本。除了初始的測(cè)試設(shè)備支出外，測(cè)試時(shí)間等因素也會(huì)大大影響測(cè)試的成本。雖然每個(gè)應(yīng)用都是獨(dú)一無(wú)二的，有其特定的需求，但是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總是有一些共性。帶寬和延遲是自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)兩個(gè)最重要的因素，因?yàn)閮烧叩慕M合決定了測(cè)量系統(tǒng)的整體速度。
圖6.常用儀器總線的帶寬和延遲
延遲描述的是儀器響應(yīng)遠(yuǎn)程命令（如測(cè)量查詢(xún)）所需的時(shí)間量。帶寬主要指的是將測(cè)量?jī)x器與上位機(jī)或控制器相連接的數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)吞吐容量。高帶寬總線可縮短測(cè)試時(shí)間，無(wú)論應(yīng)用是一次性傳輸大量數(shù)據(jù)記錄還是連續(xù)多次傳輸少量數(shù)據(jù)記錄。PXI平臺(tái)——內(nèi)置有NI高速示波器——通過(guò)PCI和PCI Express總線為各種應(yīng)用提供了高帶寬、低延遲和高速率。 PXI Express是一種使用高速PCI Express總線的PXI，其系統(tǒng)吞吐量可達(dá)到幾個(gè)GB/ s，這取決于機(jī)箱和控制器。 PXI和PXI Express的數(shù)據(jù)吞吐量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GPIB、USB和LAN等其他自動(dòng)測(cè)試儀器常用的總線（表1）。
表1.PXI和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)吞吐量比較
4. 密度NI PXI示波器比傳統(tǒng)臺(tái)式儀器更為緊湊，這意味著您能夠以比機(jī)架堆疊式測(cè)試儀小得多的體積構(gòu)建混合信號(hào)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。占地面積小的測(cè)試系統(tǒng)可節(jié)省生產(chǎn)車(chē)間寶貴和表征實(shí)驗(yàn)室的寶貴空間，同時(shí)還可通過(guò)減小重量和體積提高便攜性，此外，由于配電和冷卻需求減少，往往也會(huì)降低設(shè)備的成本和、減少測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)施。
圖7.NI示波器與其他儀器相結(jié)合，可創(chuàng)建緊湊的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)
由于大多數(shù)傳統(tǒng)臺(tái)式示波器的最大通道數(shù)為四個(gè)，因此如果要同時(shí)采集超過(guò)四個(gè)通道的數(shù)據(jù)，示波器的通道密度就尤其重要。臺(tái)式示波器針對(duì)低通道數(shù)臺(tái)式應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，其上面有許多物理旋鈕和大型顯示器可用于采集和顯示數(shù)據(jù)。這些儀器的前面板占用的物理空間使得將它們堆疊在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)高通道數(shù)系統(tǒng)變得不切實(shí)際。
PXI示波器去除了許多與傳統(tǒng)工具相關(guān)的冗余組件，比如個(gè)人顯示器、物理旋鈕、電源和風(fēng)扇。 PXI機(jī)箱和控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、冷卻和為儀器供電，而用戶(hù)可通過(guò)軟件控制儀器，并且只需在一個(gè)顯示器上顯示數(shù)據(jù)。使用PXI平臺(tái)和NI示波器，您就可以在一個(gè)4U 19英寸PXI機(jī)箱內(nèi)構(gòu)建多達(dá)136個(gè)通道的高通道數(shù)系統(tǒng)。
圖8.在單個(gè)PXI機(jī)箱（19英寸4U機(jī)架）中組合多達(dá)68個(gè)或136個(gè)示波器通道，實(shí)現(xiàn)高速采集系統(tǒng)
5. 軟件定義的儀器如今大多數(shù)測(cè)試儀器將FPGA與固定的固件結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的各種功能。NI軟件設(shè)計(jì)的示波器配備了開(kāi)放式FPGA，使用戶(hù)能夠在儀器上執(zhí)行復(fù)雜算法，顯著減少了需要傳輸?shù)街鳈C(jī)的數(shù)據(jù)量。該示例顯示了如何在儀器上的FPGA中構(gòu)建可執(zhí)行常見(jiàn)計(jì)算（即SFDR、SNR和SINAD）的應(yīng)用程序。
圖9.這一開(kāi)放式FPGA的程序框圖展示了在FPGA上計(jì)算SFDR、SNR和SINAD的架構(gòu)
在上一節(jié)中，高數(shù)據(jù)吞吐量指的是增加帶寬和減少延遲。軟件設(shè)計(jì)的示波器采用所定義的開(kāi)放式FPGA架構(gòu)大大增強(qiáng)了這些優(yōu)勢(shì)。用于PXI Express的NI FlexRIO FPGA模塊模塊的一個(gè)獨(dú)特功能是，它們能夠以3 GB / s的速率在模塊之間傳輸數(shù)據(jù)，而無(wú)需使數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)主機(jī)的芯片集。該模塊可支持多達(dá)16個(gè)這樣的數(shù)據(jù)流，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的多FPGA通信方案，而且不耗費(fèi)主機(jī)CPU資源。有關(guān)該技術(shù)的更多信息，請(qǐng)參閱白皮書(shū)《點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)流介紹》。
圖10.在測(cè)試儀器中，開(kāi)放式FPGA可用于添加觸發(fā)和后處理等功能
6. 儀器編程示波器中最經(jīng)常被忽視的其中一個(gè)功能是用來(lái)控制和編程設(shè)備以進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試和測(cè)量的軟件。但是忽視該軟件可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，因?yàn)檐浖?huì)顯著影響應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間。 NI示波器提供各種軟件工具，使您能夠快速采集數(shù)據(jù)、調(diào)試應(yīng)用程序、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集以及與其他儀器同步，從而幫助您提高生產(chǎn)力。
借助NI-SCOPE軟件前面板開(kāi)始測(cè)量這一交互式程序類(lèi)似于傳統(tǒng)示波器的專(zhuān)用顯示器，提供了一個(gè)易于使用的界面。除了可讓用戶(hù)訪問(wèn)所有NI示波器的基本功能外，它還提供了實(shí)時(shí)測(cè)量以及將數(shù)據(jù)保存到文件進(jìn)行后期處理和分析的功能。這個(gè)界面使得使用NI示波器的用戶(hù)在幾秒鐘內(nèi)就可輕松地開(kāi)始測(cè)量。
圖11.使用NI-SCOPE軟件前面板快速進(jìn)行測(cè)量
使用NI-SCOPE驅(qū)動(dòng)和范例程序進(jìn)行編程為了利用基于PC的測(cè)量設(shè)備的全部功能，通過(guò)編程來(lái)定義并控制其行為是至關(guān)重要的。所有NI示波器均可使用NI-SCOPE儀器驅(qū)動(dòng)程序來(lái)進(jìn)行編程控制，該驅(qū)動(dòng)程序提供了快速入門(mén)的高層功能以及用于訪問(wèn)示波器所有功能的底層控制。此外，該驅(qū)動(dòng)器包含了50多個(gè)預(yù)先編寫(xiě)的示例程序，演示了如何訪問(wèn)任意一種NI示波器的全部功能。NI-SCOPE儀器驅(qū)動(dòng)程序可以通過(guò)多種編程語(yǔ)言來(lái)訪問(wèn)，如LabVIEW中的圖形化語(yǔ)言、C + +和Visual Basic。每一種語(yǔ)言都有相應(yīng)的編程范例。
圖12.使用NI-SCOPE驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程，創(chuàng)建自定義程序
7. 使用NI-TClk實(shí)現(xiàn)同步多臺(tái)設(shè)備的同步是許多應(yīng)用的關(guān)鍵要求，這往往會(huì)增加軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。但是基于SMC架構(gòu)的NI示波器可以利用NI-TClk幫助工程師以最少的精力實(shí)現(xiàn)精確的同步。 NI-TClk提供了一個(gè)高層接口，用于編程多個(gè)NI示波器、任意波形發(fā)生器、高速數(shù)字I/ O設(shè)備的同步。此外，各種預(yù)先寫(xiě)好的范例也可以執(zhí)行此類(lèi)同步，這使得實(shí)現(xiàn)和維持同步變得更加容易。下面顯示的是在LabVIEW環(huán)境實(shí)現(xiàn)多個(gè)PXI示波器均相同步所需要的三個(gè)函數(shù)。
圖13.在LabVIEW或LabWindows™/CVI中使用三個(gè)函數(shù)同步多個(gè)NI示波器
NI示波器提供了傳統(tǒng)臺(tái)式示波器的測(cè)量性能，同時(shí)其外形結(jié)構(gòu)針對(duì)自動(dòng)化測(cè)試和高通道數(shù)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。借助一系列基于PXI的示波器和基于FPGA的數(shù)字化儀，您可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)的密度、分辨率、帶寬和采樣率。此外，軟件設(shè)計(jì)的儀器可讓您使用LabVIEW FPGA模塊自定義儀器的功能，從而提供了無(wú)可比擬的靈活性。從提供開(kāi)箱即用的軟件工具以快速進(jìn)行測(cè)量和調(diào)試應(yīng)用程序到構(gòu)建完整的自動(dòng)化測(cè)試程序以及在硬件上實(shí)現(xiàn)自定義算法，NI示波器均可為您提供最好的硬件和軟件組合，使您更高效地構(gòu)建自動(dòng)化測(cè)試和高通道數(shù)系統(tǒng)。
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