混合信號激勵-響應測試的必備技術(shù)

混合信號的激勵-響應測試在當今的測試測量應用中變得越來(lái)越普遍，通常此類(lèi)應用需要將特定的模擬或數字信號作為激勵信號輸入到被測設備，同時(shí)獲得被測設備的響應信號，通過(guò)分析響應信號或與期望的信號進(jìn)行對比來(lái)刻畫(huà)被測設備的特性或者進(jìn)行故障的判斷。由于當今的電子產(chǎn)品功能越來(lái)越集成化，其涉及的信號種類(lèi)也很復雜，因此激勵-響應測試往往是一個(gè)涉及混合信號的較復雜的測試系統。

先來(lái)看兩個(gè)混合信號激勵-響應測試的案例，從中歸納出激勵-響應測試應用的典型需求，并進(jìn)一步延伸到所需的必備技術(shù)，幫助讀者更好的去理解和* 估一個(gè)激勵-響應測試系統。

測試模數轉換器的非線(xiàn)性度

在對ADC精度的測試中，差分非線(xiàn)性(DNL)和積分非線(xiàn)性(INL)是描述ADC線(xiàn)性度的最常用的兩個(gè)參數。測試DNL和INL參數通常需要發(fā)生一個(gè)模擬的激勵信號，對ADC的整個(gè)輸入范圍進(jìn)行掃描，同時(shí)將采集到的響應和每一個(gè)期望的輸出碼寬進(jìn)行比較。比較完成后，需要分析最小和最大值的情況或進(jìn)一步關(guān)心所有碼寬的測量值，繪制整個(gè)傳輸的函數曲線(xiàn)以直觀(guān)的跟蹤和了解。

這樣一個(gè)典型的激勵-響應測試就同時(shí)需要模擬的信號發(fā)生器和高速的數字分析儀，并要保證發(fā)生和采集設備之間的同步性，這樣才可以將采樣的點(diǎn)和發(fā)生的樣本點(diǎn)一一對應，這對于精確的獲取DNL和INL參數至關(guān)重要。如果是對一個(gè)高速的ADC進(jìn)行測試的話(huà)，您不僅需要高速的信號發(fā)生模塊和數字信號采集模塊，還要有高帶寬的總線(xiàn)來(lái)實(shí)時(shí)傳輸發(fā)生和采集的原始數據。采集到數據后，您更需要一個(gè)專(zhuān)業(yè)的軟件平臺來(lái)在線(xiàn)比較激勵信號和響應信號，找出不匹配的數據位，并進(jìn)一步獲取如DNL，INL，SINAD等參數。

超聲圖像相控陣

讓我們再來(lái)看一個(gè)更尖端的激勵-響應測試應用。通常超聲信號的頻率范圍為20kHz到25MHz甚至更高，對于超聲信號的測試最基本的方法就是通過(guò)一個(gè)初始脈沖激勵系統，然后捕獲其反射回來(lái)的脈沖，通過(guò)分析反射脈沖的時(shí)間延遲和幅度來(lái)描述超聲信號的特性。下圖就描述了這種通過(guò)激勵脈沖來(lái)分析反射信號的測試方法：

這樣的激勵-響應測試同樣需要一塊任意波形發(fā)生器對被測設備的多個(gè)部分產(chǎn)生激勵信號，同時(shí)用高速的數字化儀捕獲響應的反射脈沖。因為需要對反射信號的時(shí)間延遲進(jìn)行測量，波形發(fā)生器和數字化儀之間的精確同步就顯得尤為的重要。通過(guò)將發(fā)生的單個(gè)脈沖和數字化儀的8個(gè)通道進(jìn)行嚴格的同步，超聲圖像相控陣可以大大縮減非破壞性超聲測試的時(shí)間。

激勵-響應測試的必備技術(shù)

通過(guò)總結以上的兩個(gè)實(shí)際應用，我們不難歸納出激勵-響應測試的典型需求如下：

1. 要求實(shí)現混合信號的測試：模擬、數字甚至射頻信號等

2. 為了拿到原始數據進(jìn)行后續的分析，需要高速的數據總線(xiàn)帶寬

3. 為了保證測量精度，需要激勵和響應信號之間的精確同步

4. 軟件平臺的支持，提供專(zhuān)業(yè)且易用的分析工具

圖1.：ADC特性測試的系統框圖。

圖2：超聲測試中通過(guò)脈沖來(lái)實(shí)現特性描述。

針對以上的需求，一個(gè)以軟件為中心、并集成高速數據總線(xiàn)和精確定時(shí)同步特性的模塊化的架構是解決此類(lèi)應用的最佳平臺。在這里推薦使用模塊化架構的PXI(專(zhuān)門(mén)用于測試儀器的PCI eXtensions)平臺，它集成了多種行業(yè)標準的技術(shù)(如PCI/PCI Express總線(xiàn)，標準OS技術(shù)等)，并添加了工業(yè)級的堅固設計和集成的定時(shí)和同步功能，使得PXI成為當今測試測量應用最理想的模塊化工業(yè)平臺。

如今市場(chǎng)上有來(lái)自于70多家廠(chǎng)商超過(guò)1500種符合PXI規范的各種模塊化測試儀器，包括數字化儀、任意波形發(fā)生器、高速數字I/O、數字萬(wàn)用表、射頻設備等等，能夠很好的滿(mǎn)足激勵-響應測試對混合信號的需求。而這些混合信號的測試模塊都是通過(guò)PXI的背板總線(xiàn)相連，將采集的原始數據通過(guò)高速的背板帶寬(132MB/s)傳輸到控制器作后續的處理和分析。如果涉及更高頻(如中頻和射頻)的信號，基于PCI Express的PXI Express總線(xiàn)更能提供高達6GB/s的背板帶寬，滿(mǎn)足絕大多數高速激勵-響應測量的應用。

激勵-響應測試應用中另一個(gè)非常重要的技術(shù)就是信號之間的精確同步，因為激勵信號和響應信號之間的時(shí)間延遲會(huì )嚴重影響后期的分析和結果比對，同時(shí)對于并行多通道的激勵-響應測試，通道之間的嚴格同步也是重要的因素之一。PXI內建的定時(shí)和同步架構能夠保證多個(gè)模塊化I/O設備之間實(shí)現精確的同步。其包含了8根TTL的觸發(fā)總線(xiàn)，一個(gè)高穩定的10MHz的共享時(shí)鐘，以及一組高精度的星型觸發(fā)總線(xiàn)。最新的PXI Express總線(xiàn)在現有PXI的定時(shí)和同步特性上還添加了附加的100MHz的差分系統時(shí)鐘、差分信號、以及差分星形觸發(fā)(見(jiàn)圖4)，進(jìn)一步增強了對儀器時(shí)鐘的抗噪聲能力，并能傳輸更高頻率的時(shí)鐘信號，確保更高的同步精度。用于發(fā)生激勵和采集響應的PXI/PXI Express模塊可以通過(guò)背板總線(xiàn)共享和同步采樣時(shí)鐘，并通過(guò)觸發(fā)總線(xiàn)實(shí)時(shí)傳遞開(kāi)始采集信號，以達到模塊間納秒甚至皮秒級的同步精度。

圖3.：超聲圖像相控陣的系統原理圖。

圖4.：PXI/PXI Express內建的定時(shí)和同步功能，能夠實(shí)現更高精度的測量。

最后也是最重要的是要有一個(gè)統一的軟件平臺，不僅能夠無(wú)縫的集成各種模塊化的測試硬件，而且能用符合行業(yè)標準的開(kāi)發(fā)軟件來(lái)采集、分析和存儲數據。由于激勵-響應應用會(huì )涉及很多后期的結果比較和算法處理，例如采集到的大量數據需要做數據位的匹配和比較，以及進(jìn)一步的信號分析如獲取ADC的 INL，DNL等參數。因此開(kāi)發(fā)軟件需要提供專(zhuān)業(yè)且易用的信號處理工具，而且還要提供給客戶(hù)融合自定義算法的功能。LabVIEW作為一個(gè)專(zhuān)為測試測量設計的編程語(yǔ)言，使用了工程師們最熟悉的圖形化的編程方式，其內建了超過(guò)700種的信號處理的算法，能夠幫助用戶(hù)更快更高效的開(kāi)發(fā)和應用這些專(zhuān)業(yè)的算法，同時(shí)LabVIEW開(kāi)放的平臺能夠方便的融合用戶(hù)自定義的算法設計。針對激勵-響應測試，LabVIEW中提供了數字到模擬的轉換函數、數據位的比較函數等一些常用的功能外，還內建了諸如快速傅立葉變換、小波分析、聯(lián)合時(shí)頻域分析等高級的算法。此外，LabVIEW中還擁有快速數據存盤(pán)和報告生成的功能，供用戶(hù)做離線(xiàn)的分析和報告?？梢?jiàn)，一個(gè)專(zhuān)業(yè)而且開(kāi)放的平臺可以幫助客戶(hù)快速而高效的開(kāi)發(fā)激勵-響應應用，且易于后期進(jìn)一步的升級和維護。

總結

實(shí)現一個(gè)混合信號的激勵-響應測試應用對軟硬件的要求都相對較高，通過(guò)模塊化的硬件架構加上專(zhuān)業(yè)開(kāi)放的軟件平臺能夠從根本上簡(jiǎn)化這些技術(shù)難題，幫助用戶(hù)實(shí)現從簡(jiǎn)單到復雜的各種激勵-響應的應用。通過(guò)本文的案例分析和對于必備技術(shù)的討論，希望能夠幫助讀者更好的理解這類(lèi)應用并提供一些有益的幫助。