應用于教學(xué)方案的USB 模塊化儀器

引言

研究人員一直在尋找能夠應對科技發(fā)展挑戰的測試儀器，以滿(mǎn)足包括教育界在內的各行各業(yè)的需要。這里要考慮的不僅僅是教育界當前的基本需要，商業(yè)界的未來(lái)可持續發(fā)展也至關(guān)重要。雖然傳統臺式儀器引領(lǐng)了過(guò)去的幾十年，但更多的教育界客戶(hù)已開(kāi)始接受兼具靈活性和可擴展性的模塊化儀器，這些儀器能適應基礎教學(xué)實(shí)驗室，以及從事先進(jìn)電氣、電子、物理和機械工程研究實(shí)驗室的需要。

滿(mǎn)足教學(xué)實(shí)驗室基本需要的USB 模塊化儀器

電子和電信行業(yè)在過(guò)去幾年間發(fā)生了巨大的變化。持續的技術(shù)創(chuàng )新更加速了這樣的變化，工程師們的研究成果不斷挑戰并突破技術(shù)壁壘。為實(shí)現最佳性能，所有電子及通訊設備在設計和制造過(guò)程中都必須經(jīng)過(guò)嚴格的性能驗證和測試。對致力于技術(shù)創(chuàng )新和改善人類(lèi)生活的工程師來(lái)說(shuō)，電子儀器，測量和測試知識，以及專(zhuān)業(yè)技能都是重要和必不可少的。

安捷倫科技為全世界的高等院校積極開(kāi)發(fā)教學(xué)解決方案。安捷倫為年輕的工程師們提供電子儀器和測量及測試專(zhuān)業(yè)的相關(guān)技能，幫助他們踏上工程師生涯。USB 模塊化儀器在教育部門(mén)的推廣，能在從基礎儀器到全面產(chǎn)品特性研究的教學(xué)中幫助學(xué)生掌握重要的基本概念。

對基本電氣實(shí)驗的經(jīng)驗涉及對儀器的熟悉程度。熟悉的儀器能幫助大學(xué)生理解電路運行和測量基本原理。理解有源濾波器工作原理就是一個(gè)這樣的例子。濾波是最重要的信號處理方法之一。模擬濾波器用于連續信號，通常認為這屬于分立元件。另一方面，有源濾波器使用著(zhù)一個(gè)或多個(gè)有源器件，如晶體管或運算放大器。與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器可以有高輸入阻抗、低輸出阻抗和幾乎任意的增益。有源濾波器的設計比無(wú)源濾波器更容易。在設計一階、二階，甚至五階濾波器時(shí)，示波器與函數發(fā)生器一起成為設計驗證的良好工具。例如把 Agilent U2761A 20MHz模塊化函數M任意波形發(fā)生器設置為掃描時(shí)間 100ms，100Hz 至 100kHz(正弦波)掃描，觸發(fā)源設置為內部。用 Agilent U2702A模塊化200MHz數字示波器檢查三階有源濾波器的波形。通過(guò)已知電容和電阻值，就可根據相應的傳遞函數，把所測截止頻率(fc)與 fc 的計算值相比較。通過(guò)整個(gè)實(shí)驗過(guò)程，大學(xué)生將學(xué)會(huì )如何進(jìn)行基本頻率和電壓測量，以及利用數字示波器的能力進(jìn)行其它測量，如上升時(shí)間和信號統計。

雖然基本測量要求相同，但模塊化儀器的能力已超出電氣工程實(shí)驗室的范圍。通用實(shí)驗室中的儀器可用于進(jìn)行科學(xué)研究和監測材料化學(xué)。大學(xué)教師建立起互動(dòng)的儀器系統，系統內部的反應會(huì )變得很復雜。這反過(guò)來(lái)又會(huì )阻礙精確測量和信號詳細分析的任務(wù)。例如通常用示波器來(lái)了解系統中的低頻噪音(通常為 100Hz或更低)狀況。對于這項研究，重要的是監視信號的頻域性能。Agilent U2701和U2702A 100MHz/200MHz示波器有兩個(gè)通道，可提供高達1GSa/sec采樣率，32Mpts 的深存儲器能完成實(shí)時(shí)數據分析和毛刺檢測。示波器 20種快的自動(dòng)測量使其適合這些一般性的應用。此外，捆綁的安捷倫測量管理器(AMM)軟件提供直觀(guān)和類(lèi)似臺式儀器的圖形用戶(hù)界面，使學(xué)生和研究人員能控制示波器和運行更便捷的自動(dòng)測試。該軟件旨在幫助他們快速完成設備配置，數據記錄和采集，而不需要開(kāi)發(fā)軟件程序。

圖 1，Agilent U2701A 100MHz 示波器以用戶(hù)友好和類(lèi)似臺式儀器的界面執行 FFT 分析 。這是 Agilent USB 模塊化示波器的標志性屏幕 —— 提供無(wú)需編程的配置控制。

在物理學(xué)和微電子學(xué)實(shí)驗室中，要向學(xué)生講授各種分立元件，如 BJT 晶體管、二極管、小信號 JFET 和MOSFET晶體管，以及齊納二極管的功能。學(xué)生通過(guò)這些基本元件測量所獲得的基礎知識，將使學(xué)生能進(jìn)而學(xué)會(huì )如何設計、裝配和使用基本電子電路。Agilent U2941A參數測試夾具是U2722A USB模塊化源M測量單元的補充，能使學(xué)生更多測試和掌握這些元件的特性。

圖 2，Agilent U2941A 參數測試夾具與 U2722A USB 模塊化源M測量單元一起測試基本分立元件

在控制實(shí)驗室中，Agilent USB DAQ和VEE軟件可用于實(shí)現組合的前饋和反饋控制。這種控制通常用于改善可測干擾存在時(shí)的控制系統性能。反饋控制的目的是跟蹤參考，前饋控制的目的是在干擾能夠影響過(guò)程變化前抑制干擾。前饋控制的長(cháng)處在于它的預測特性，在干擾進(jìn)入系統前先改變至系統的系統控制信號，從而抑制對系統的干擾。這是基于對干擾性質(zhì)和系統本身的認識，從而通過(guò)采取精確行動(dòng)消除逼近的不利影響。因此必須有實(shí)現前饋控制的干擾和系統模型。模型越精確，前饋控制對干擾的抑制就越有效。在工業(yè)界，實(shí)現前饋控制的好處在于干擾剛剛產(chǎn)生時(shí)，就能避免部分批次產(chǎn)品的經(jīng)濟損失，因為此時(shí)尚未有常規的反饋控制。工業(yè)中為得到最好

效果，總是把前饋控制與反饋控制一起使用。

教育部門(mén)一個(gè)發(fā)展中的趨勢是通過(guò)減小儀器的體積鼓勵學(xué)生借出基礎測量?jì)x器。這樣，高年級學(xué)生就可為他們的系統測量項目組合使用各種適宜的基礎測量?jì)x器。雖然傳統臺式儀器能進(jìn)行精確的測量，但當學(xué)生要確保項目按計劃進(jìn)行時(shí)，卻只能被禁錮在實(shí)驗室中。這是對傳統臺式測試儀器的挑戰。Agilent USB模塊化儀器的便攜性已引起教育工作者的極大興趣，因為它能讓學(xué)生方便地攜帶儀器離開(kāi)實(shí)驗室，在項目完成所需的任何地點(diǎn)工作。Agilent 是模塊化儀器的主要制造商，它有 USB 形式模塊化基礎測量?jì)x器的完整產(chǎn)品線(xiàn)。其它品種的模塊化儀器包括數字萬(wàn)用表、函數發(fā)生器、源M測量單元和開(kāi)關(guān)矩陣。

圖 3，您能從 Agilent USB 模塊化儀器“庫”容易地選擇符合項目要求的儀器

適合商業(yè)化的 USB 模塊化儀器

高校教師也強調產(chǎn)品的商業(yè)化價(jià)值。由于可擴展性和靈活性帶來(lái)的各種好處，PC基儀器的重要性為商界所公認。它的可持續性成為行將就業(yè)大學(xué)生獲得工業(yè)領(lǐng)域實(shí)際經(jīng)驗的很好平臺。例如在替代能源和減少對化石燃料依賴(lài)這些人們關(guān)注的領(lǐng)域，許多研究實(shí)驗室正在尋找更高能效的引擎和使用替代能源的引擎。電動(dòng)汽車(chē)就是這類(lèi)研究成果的例子。在引擎和燃油技術(shù)開(kāi)發(fā)中，引擎性能測試是非常重要的。有許多影響引擎性能的因素：基本引擎設計、燃油、潤滑、壓縮比、閥門(mén)定時(shí)、點(diǎn)火定時(shí)和溫度。其中最關(guān)鍵的因素是引擎功率控制、油耗和排放，這是相對消耗空氣量的攝入燃油量。它以空氣M燃油比表示，也就是使用的空氣量除以燃燒的燃油量。通常較大的引擎由計算機控制的燃油噴射調節空氣M燃油比，而較小引擎仍使用化油器控制空氣M燃油比。精調引擎化油器需要仔細測量作為油門(mén)位置函數的扭矩、速度、溫度和油耗。安捷倫的USB數據采集(DAQ)模塊為引擎測試提供低價(jià)和靈活的解決方案。

為了在實(shí)驗室測試引擎性能，通常把引擎耦合到拉力計，這可以是引擎拉力計(直接接到引擎輸出軸)或底盤(pán)拉力計(接到驅動(dòng)輪)。拉力計提供引擎負荷，能通過(guò)容易的控制測試寬范圍的扭矩和速度。這對于表征給定負荷下的馬達扭矩是非常重要的。常見(jiàn)的工業(yè)方法是測量作為輸入電壓函數的馬達轉速。馬達帶動(dòng)“分度盤(pán)”旋轉，并由反射型紅外發(fā)射器 - 探測器檢測。通過(guò)調整紅外傳感器位置得到與馬達速度相關(guān)的方波輸出。馬達的電壓和速度信號被讀入數據采集裝置。通過(guò)實(shí)踐這一采集技術(shù)，使授課內容覆蓋各種類(lèi)型的測量、信號和測量技術(shù)，實(shí)驗內容也使學(xué)生獲得豐富的測量經(jīng)驗。這樣保證了測量理論和實(shí)驗經(jīng)驗，是所學(xué)知識和技術(shù)實(shí)際應用的完美結合。帶 VEE 軟件的Agilent U2350系列USB數據采集單元就是很好的例子，它使人們把注意力集中到基本電路與測量系統的連接，而由熟悉的程序實(shí)現自動(dòng)化測量，通過(guò)容易的分析了解馬達最大額定值，加速和減速曲線(xiàn)及其它相關(guān)測量。U2350系列USB數據采集裝置提供每通道高達16bit 和500K的采樣率，使其成為測量，甚至產(chǎn)生預定義波形的理想解決方案。 VEE 軟件是功能強大的補充工具，它可以讀取整個(gè)跡線(xiàn)或波形，而不限于單個(gè)數據點(diǎn)，并能通過(guò)編程執行實(shí)例分析。學(xué)生們可通過(guò)最少的學(xué)時(shí)，用數據采集系統的最新技術(shù)完成精確的測量。Agilent 已經(jīng)開(kāi)發(fā)了為高校教師提供幫助的大學(xué)機械實(shí)驗室教學(xué)大綱，大綱強調商業(yè)實(shí)踐和為研究增加更多價(jià)值。

讓大學(xué)生了解工業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程也很重要。典型產(chǎn)品生命期包括設計和表征，量產(chǎn)，升級，或被更新一代產(chǎn)品替代。無(wú)論處于產(chǎn)品生命期哪一階段，測試方法都保有如圖4所示的一致性。隨著(zhù)半導體趨向于更小的集成芯片或具有更多功能和特性的 IC 封裝，儀器管理變得至關(guān)重要，更低的功耗和敏感的測試要求呼喚更緊湊和能力更強的測試儀器。例如在大學(xué)研究實(shí)驗室的硅納米線(xiàn)晶體管表征中，測量包括保持兩個(gè)電壓恒定，然后通過(guò)掃描第三個(gè)電壓得到性能特性集。這用于測試和驗證晶體管的不同配置和實(shí)現。選擇測試儀器時(shí)必須考慮功耗要求。由于硅納米線(xiàn)晶體管在低功耗區工作，Agilent U2722A是能夠滿(mǎn)足電流、電壓、測量分辨率和測量速度要求的理想解決方案。也必須注意U2722A的三通道輸出能有效地提供表征能力。帶有 AMM 的U2722A操作方便，Agilent 模塊化儀器推動(dòng)著(zhù)開(kāi)放體系結構，以及支持簡(jiǎn)化測試自動(dòng)化的VEE、MATLAB、LabVIEW 和Visual Studio。尤為重要的是通過(guò) AMM 中的命令記錄器和代碼轉換器特性，能容易地記錄和轉換所使用VEE、VB、C++ 和C#的代碼片段。

圖 4，參數測試方法 —— 強調儀器管理，選擇適合的設備，按被測器件確定要測試的參數，最后通過(guò)分析測試數據進(jìn)行設計驗證

圖 5，Agilent U2722A USB模塊化源M測量單元測試納米線(xiàn)晶體管。這里示出器件的斷面

半導體行業(yè)保括

各種可用器件，包括分立元件(MOSFET，二極管，晶體管)，邏輯電路(FPGA)，存儲器器件(EEPROM存儲器，微處理器，DRAM)，電源控制器(PWM控制器，直流到直流變換器)，信號處理器(ADC，DAC，電壓 - 頻率變換器)，定時(shí)處理器(振蕩器，定時(shí)器，波形發(fā)生器)和信號調整器(放大器和比較器)。U2722A及其增強版 U2723A是適用于半導體參數測試的強大高價(jià)值工具，U2941A則是為高校教師提供故障分析補充的有效解決方案。測試夾具提供固定元件，從而便于進(jìn)行分析和驗證的模塊。它的參數測量管理器(PMM)軟件提供MOSFET、二極管、電阻器和 BJT 晶體管分析程序。這樣，大學(xué)本科生就能開(kāi)始利用不多的設計資源優(yōu)化測試覆蓋，從而能在未來(lái)真正的工業(yè)領(lǐng)域縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間和使產(chǎn)品更快進(jìn)入市場(chǎng)。

結論

隨著(zhù) Agilent 符合靈活配置、快速設置、物美價(jià)廉要求的 USB 基模塊化儀器的推出，這些儀器迅速引起電子工業(yè)和高校師生的濃厚興趣，他們要在富有挑戰性的世界中通過(guò)具有附加價(jià)值的儀器贏(yíng)得成本優(yōu)勢。USB 基模塊化儀器家族能按變化的測量需要進(jìn)行靈活的配置 —— 容易、快速、經(jīng)濟。它可配備基本教學(xué)實(shí)驗室和研究實(shí)驗室，承擔從一般性應用到先進(jìn)和深入的材料分析和物理分析的各種項目。Agilent USB模塊化儀器家族包括示波器，函數發(fā)生器，數字萬(wàn)用表 (DMM)，源M測量單元，開(kāi)關(guān)矩陣和數據采集器，它們有便于攜帶的外形結構，又有臺式精密儀器般的測量能力。在研究實(shí)驗室中，USB模塊化儀器可自動(dòng)執行各種表征。