電子測量?jì)x器的最新技術(shù)發(fā)展走向

 


前言

    電子測量?jì)x器業(yè)是既傳統又比較保守的工業(yè)，不少公司都擁有五十年以上的歷史，造就了一批優(yōu)秀的專(zhuān)家和工程師。測量?jì)x器在發(fā)展過(guò)程中與半導體器件共同成長(cháng)，它們像母雞與雞蛋那樣密不可分，有時(shí)器件領(lǐng)先，有時(shí)儀器在前，有時(shí)齊頭并進(jìn)，共譜新章。電子測量?jì)x器與電子信息技術(shù)、消費電子產(chǎn)品不同，它屬于耐用性設備，使用壽命可達10年以上，還要保持準確可靠，所以更新?lián)Q代的周期較長(cháng)。

   電子測量?jì)x器的市場(chǎng)不大，相對半導體器件的每年2500億美元市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，近年全球測量?jì)x器的市場(chǎng)每年只有50億美元左右。在測量?jì)x器公司中，年銷(xiāo)售額10億美元以上的巨頭只有安捷倫科技一家，5億美元以上的大戶(hù)有泰克、羅德施瓦茨茲等四家，1億美元以上的中等公司有力科等十家，其余中小型公司都在1億美元以下。電子測量?jì)x器的生產(chǎn)數量有限，中高檔儀器是1千臺左右的小批量，因而庫存量不大，相對個(gè)人電腦、手機、視聽(tīng)、家電等數以10萬(wàn)件以上的大批量發(fā)貨，在數量上有很大區別。

   電子測量?jì)x器在傳統上屬于高回報率工業(yè)，高檔儀器如數字存儲示波器、頻譜分析器、網(wǎng)絡(luò )分析儀等每臺價(jià)格4-5萬(wàn)美元，主要成本是研發(fā)產(chǎn)品時(shí)的費用，特別是專(zhuān)用 ASIC 芯片和編程開(kāi)銷(xiāo)。多年來(lái)測量?jì)x器實(shí)際上是賣(mài)方市場(chǎng)，表現為大公司對代理、分銷(xiāo)商沒(méi)有銷(xiāo)售金額的折扣，只有銷(xiāo)售數量折扣。近年來(lái)儀器變成買(mǎi)方市場(chǎng)，儀器公司只好主動(dòng)向用戶(hù)提供優(yōu)惠折扣。電子器件、電子電路和電子設備的特性由電子測量?jì)x器的測量結果表達，因此每年都更新相當數量的測量?jì)x器，使測量?jì)x器業(yè)每年獲得50億美元的營(yíng)收。測量?jì)x器業(yè)平均每年將利閨的百分之十投入研發(fā)和再生產(chǎn)，保持每年均有新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品出現。展望最近幾年，測量?jì)x器業(yè)界的技術(shù)創(chuàng )新走向己經(jīng)明晰，本文試圖描述大體輪廓，供業(yè)內外人仕和讀者參考。

                                    
新一代的合成測量?jì)x器系統

    經(jīng)歷中東海灣戰爭后，美國國防部門(mén)大力加強部隊的機動(dòng)性和戰斗協(xié)同能力，特別在電子通信和電子對抗方面，對各軍兵種的電子裝備不兼容，供應來(lái)源多途，資源浪費的現象加以整頓。過(guò)去美國陸?？杖姾秃＼婈憫痍犓玫碾娮訙y量?jì)x器全部是專(zhuān)門(mén)訂貨，各自擁有不同的自動(dòng)測量系統（ATE），形成不同的供應鏈。新的構思要求ATE從軍事專(zhuān)用采購改為從民用產(chǎn)品選購，實(shí)施‘下一代自動(dòng)測試系統計劃（NxTest）’的統一標準，采用快捷全球戰斗支援（ARGCS）方案。ARGCS的核心是使用合成儀器（SI）構建ATE，具體規范和進(jìn)度由軍方和儀器公司的代表組成的合成儀器工作組（SIWG）實(shí)施。

SIWG對SI－的定義是：由一系列基礎硬件和軟件單元以及標準化接口構建的、采用數字處理技術(shù)的、用于產(chǎn)生信號或測量信號的、可重配置的自動(dòng)測量系統。SIWG 要求 SI 能夠達到6項預定目標，它們是：降低自動(dòng)測量系統的總成本；減小自動(dòng)測量系統的開(kāi)發(fā)和現場(chǎng)升級時(shí)間；提高自動(dòng)測量系統的互換性；降低自動(dòng)測量系統的后勤支援和厙存量；縮小自動(dòng)測量系統的物理尺寸；改善自動(dòng)測量系統的測試質(zhì)量。目前，SIWG己對合成儀器提出實(shí)施設想，但是為測量?jì)x器供應商留出很大發(fā)展空間。 
                         
    合成儀器采用可互換的標準模塊、標準電路、標準接口，從單元電路至系統的積木化結構。例如剖析 RF 基本測量?jì)x器，包括信號發(fā)生器、頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò )分折儀、數字存儲示波器的系統構成時(shí)，可以歸納成幾種基本模塊：模/數轉換器（ADC）、數/模轉換器（DAC）、上變頻器、下變頻器、模擬信號調理器、數字信號處理器等基本硬件模塊。根據測量要求，它們能夠搭接成不同的功能子系統，獲取被測信號的幅度、相位、頻率、調制度等基本電氣參數后，由處理器模件和固件、軟件進(jìn)行數字變換，即可獲得正弦波形、脈沖波形、頻率譜、功率譜、調制信息參數。   


   在2006年底第一批合成儀器 RF 射頻測量系統，已由安捷倫科技交付美國海軍，用于 NxTest 計劃中的統一自動(dòng)支援系統（CASS）。美國海軍使用 CASS 作為航空母艦和其它艦艇的飛機電子設備測試和維護。安捷倫從1988年成為 CASS 供應商，主要供應基于 GPIB 總線(xiàn)的臺式儀器測量系統，2006年底采用基于LXI接口標準的模塊儀器，由6種模塊構建符合 SI 儀器要求的自動(dòng)測量系統。安捷倫成功交付第一批 SI 自動(dòng)測量系統之后，測量?jì)x器業(yè)將有更多公司投入人力物力，開(kāi)發(fā)更多應用目標不同的合成儀器。由于美國國防部門(mén)是全球電子測量?jì)x器的最大采購商，合成儀器將推動(dòng)美國、歐洲、日本投入更多人力物力,開(kāi)發(fā)從器件、模塊、子系統至完整的自動(dòng)測量系統，成為電子測量?jì)x器業(yè)技求創(chuàng )新的動(dòng)力。 

基于軟件定義無(wú)線(xiàn)電的測量?jì)x器

無(wú)線(xiàn)通信和消費電子的快速發(fā)展和更新?lián)Q代，傳統的先開(kāi)發(fā)硬件再編寫(xiě)應用軟件的解決方案跟不上快速換代的要求。在相當長(cháng)的時(shí)間內，無(wú)線(xiàn)通信系統以模擬電路為主導，基本部件是低噪聲放大器、本地振蕩器、變頻器、中頻放大器、檢波器、音頻放大器等模擬電路。自從10年前無(wú)線(xiàn)接收系統從超外差變頻結構，轉變成無(wú)外差變頻的零中頻結構之后，無(wú)線(xiàn)電發(fā)射接收系統簡(jiǎn)化成為數字變頻、基帶放大器、基帶濾波器、數模轉換器、模數轉換器、數字信號處理器等數字部件,使軟件定義無(wú)線(xiàn)電（SDR）得以實(shí)現。SDR的簡(jiǎn)明定義是,采用軟件對無(wú)線(xiàn)電信號進(jìn)行調制和解調制的無(wú)線(xiàn)通信系統。顯然，SDR借助通用的硬件子系統,根據軟件定義的無(wú)線(xiàn)通信標準,靈活快速地構成不同通信標準的發(fā)射和接收系統。SDR 為推動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信系統從模擬設計進(jìn)入數字設計作出重要貢獻。



如上所述，電子測量?jì)x器是比較保守的，產(chǎn)品更新較慢的工業(yè)。雖然儀器的數字化取得相當進(jìn)展，但是直接引用SDR原理構建RF測量?jì)x器系統則是近5年才出現。具有代表性的SDR測量?jì)x器是吉時(shí)利公司的2910 RF矢量信號發(fā)生器和2810 RF矢量信號分析器。它們直接引用SDR原理，根據測量?jì)x器的特點(diǎn)，將兩種儀器設計成采用相同的硬件結構，借助不同的軟件定義成為兩種測量用途不同的儀器。這種基于SDR原理構建的數字化RF測量?jì)x器，構思新穎，系統簡(jiǎn)單，代表RF測量?jì)x器結構的創(chuàng )新。其他RF測量?jì)x器公司亦參考SDR的原理，構建可軟件定義或升級的測量?jì)x器?？梢灶A期，開(kāi)發(fā)基于 SDR原理的RF測量?jì)x器將是今后幾年的熱點(diǎn)。

時(shí)域-頻域-阻抗域儀器的互通應用

    電子測量?jì)x器按信號處理領(lǐng)域劃分有時(shí)域、頻域、數域、調制域、阻抗域等多種，它們除測量基本電氣參數之外，更多的是測量電子器件、電路的電氣特性。激勵源類(lèi)儀器有正弦、脈沖、任意波形發(fā)生器等。檢測類(lèi)儀器有數字示波器等時(shí)域儀器,頻譜分析儀等頻域儀器,矢量網(wǎng)絡(luò )分析器等阻抗儀器。近年來(lái)，大部分測量?jì)x器使用直觀(guān)顯示方式,非時(shí)域儀器變得更像時(shí)域儀器那樣利用大型屏幕顯示測量結果。時(shí)域儀器在不同應用領(lǐng)域測量?jì)x器的互通擴展中占有重要位置，例如調制域儀器可由時(shí)域和頻域儀器綜合而成，網(wǎng)絡(luò )分析儀的也可從數字示波器導出。
早期各類(lèi)測量領(lǐng)域儀器是獨立發(fā)展的，自從著(zhù)名數學(xué)家傅里葉利用數學(xué)表達式解決了時(shí)-頻變換難題之后,出現多種傅立葉變換的數字求解,特別是離散數字變換(DDF)和快速傅里葉變換(FFT)可使時(shí)-頻變換的計算數字化。借助數字信號處理器快速實(shí)時(shí)求解出時(shí)-頻變換和反變換結果，使時(shí)域-頻域-阻抗域的儀器的應用互通成為現實(shí)。 
  

2006年泰克公司在 TDS8200 數字取樣示波器的基礎上成功推出 DSA8200數字串行分析儀，作為多用途測量?jì)x器的 DSA8200既是 80GHz 等效帶寬的數字取樣示波器，又可擴展成 50 GHz 等效帶寬的時(shí)域反射計以及串行數字網(wǎng)絡(luò )分析儀。將數字示波器變成時(shí)域反射計，它們屬于在相同時(shí)域-時(shí)域的應用擴充，主要增加一個(gè) 10ns 級的快速階躍發(fā)生器，難度并不大。將時(shí)域反射計進(jìn)一步擴展成為矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀，屬于時(shí)域-阻抗域的應用擴展，難度更大。DSA8200根據同軸線(xiàn)對不同阻抗終端的反射波形,從反射波形導出計算網(wǎng)絡(luò )電特性所需的 S 參數。DSA8200的成本不到矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的一半，測量時(shí)間只要幾分鐘而不是一小時(shí)。DSA8200數字串行分析儀的成功推出，表明不同領(lǐng)域測量?jì)x器的應用擴展還有廣闊的可挖掘潛力。

LXI接口和USB總線(xiàn)

    電子測量?jì)x器業(yè)自1966-2006年的40年間，前后有4種開(kāi)放式儀器總線(xiàn)或接口得到認同，它們是  GPIB（IEEE488）、VXI（IEEE1515）、PXI 和 LXI ，前兩種是獲得 IEEE 認證的國際級標準，后兩種是業(yè)界的事實(shí)上標準。 GPIB 由惠普公司單獨開(kāi)發(fā)，當時(shí)集成電路只有小規模芯片，PC 電腦還未問(wèn)世，測量?jì)x器大部分是臺式和機架式產(chǎn)品，GPIB 作為程控儀器總線(xiàn)實(shí)在是非常前衛的構思。即使 GPIB 總線(xiàn)推出至今40年，大部分臺式儀器己經(jīng)變成內嵌有微處理器智能儀器，GPIB仍然繼續發(fā)揮它的作用。

    VXI和 PCI分別是在1980年代和1990年代出現了PC 電腦、虛擬儀器之后，將 PC 電腦的外設總線(xiàn)擴充成為模塊儀器總線(xiàn)的成功產(chǎn)品，VXI總線(xiàn)構建在 VME外設總線(xiàn)基礎上，PXI構建在 PCI 外設總線(xiàn)基礎上。VXI 采用籠式機箱、3種模塊尺寸、即插即用驅動(dòng)器、快速時(shí)鐘總線(xiàn)、虛擬儀器接口、虛擬面板、標準語(yǔ)句等都是不錯的擴展?？上?nbsp;VXI 主要針對國防軍事用戶(hù)，成本較高，適合高檔儀器而不易普及到更廣泛的民用儀器。國家儀器公司吸收了GPIB和VXI的優(yōu)點(diǎn)，采用傳輸速率更高的PCI總線(xiàn)、簡(jiǎn)化結構、降低成本、擴大應用。除 RF 頻段以外，當前 PXI 模塊儀器開(kāi)始取代 VXI 而成為模塊儀器的業(yè)界事實(shí)上標準。
        
    安捷倫科技一直是 GPIB 和 VXI 兩種開(kāi)放總線(xiàn)儀器的最主要供應商，進(jìn)入2000年代安捷倫開(kāi)始從VXI總線(xiàn)模件儀器市場(chǎng)淡出，并出售VXI儀器產(chǎn)品線(xiàn)，轉而開(kāi)發(fā)一種可替代 GPIB程控儀器總線(xiàn)，但性?xún)r(jià)比更高，壽命超過(guò)25年的下一代軍民兩用開(kāi)放式儀器總線(xiàn)。安捷倫放棄 VXI 、PXI 的傳統做法，不再選用 PC 外設總線(xiàn)擴充作為儀器總線(xiàn)，而選用性能不斷提高，預期具有更長(cháng)壽命的以太網(wǎng)絡(luò )作為基礎，擴展成為 LXI 儀器接口總線(xiàn)。安捷倫認為 LXI 接口總線(xiàn)博采了 GPIB 、VXI、PXI  的長(cháng)處，避開(kāi)它們的短處，真正成為承先啟后、兼容并蓄,通過(guò)以太網(wǎng)可全球接入、使用方便、經(jīng)濟實(shí)用的開(kāi)放式儀器接口。

    從 LXI 標準 1.0可知，LXI 完全保留以太網(wǎng)的高速串行傳輸特點(diǎn)，電纜、連接器、集線(xiàn)器、網(wǎng)關(guān)的規格不變。在此基礎上增加儀器網(wǎng)頁(yè)和虛擬面板，構成最簡(jiǎn)單的 LXI C類(lèi)模塊儀器，亦即 LXI 兼容儀器。測量?jì)x器系統往往需要時(shí)鐘定時(shí)和同步，LXI 標準在 A類(lèi)模塊基礎上引入 IEEE1588 網(wǎng)絡(luò )定時(shí)同步協(xié)議，使入網(wǎng)模塊儀器獲得 1us 級的同步偏差，構成 LXI B類(lèi)模塊儀器。在 B類(lèi)模塊基礎上增加硬件的定時(shí)同步總線(xiàn)，使入網(wǎng)模塊達到 10 ns 級的同步偏差，構成最高級的 LXI A類(lèi)模塊儀器。目前，LXI接口采用多芯銅纜的最高串行傳輸速率是每秒1000Mb。 


    從 LXI 標準的設計構思可見(jiàn)，LXI 的 3類(lèi)模塊從低到高將不同標準的儀器廣泛地納入 LXI 測量系統內。只要裝有以太網(wǎng)接口, 各種 GPIB 、VXI 和 PXI 儀器都可通過(guò)軟件升級成為 LXI C類(lèi)或 B類(lèi)儀器，對于小部分要求 10 ns 級同步偏差的數字儀器，才需要使用硬件觸發(fā)同步。與在 PC 外設總線(xiàn)基礎上擴充的 VXI 和 PXI 總線(xiàn)不同，LXI 接口避免使用增加時(shí)鐘線(xiàn)、本地觸發(fā)線(xiàn)達到時(shí)間同步的單一辦法，分成 A、B、C、三類(lèi)不同級別的模塊, 顯得更加合理。LXI充分利用以太網(wǎng)的高速串行傳輸資源，盡量使用軟件擴展，少用硬件擴展的辦法，使組網(wǎng)成本降低。 
    
   
     GPIB 、VXI 、PXI 、LXI 都是測量?jì)x器系統總線(xiàn)，對于獨立的測量?jì)x器，為了與 PC 建立通信鏈接，通常選用 PC 的標準外設接口，例如并口、串口、以太網(wǎng)、USB口等。從近年手持式和掌上式測量?jì)x器的外設接口配置來(lái)看，以 USB 最受歡迎。原因在于 USB使用串行傳輸方式，速率最高達每秒 480Mb，而且帶有直流供電線(xiàn)，對于小型的單臺測量?jì)x器可謂一舉兩得。PC 一般安裝兩個(gè) USB接口，接口數目可通過(guò)器擴展。當前 USB不但是 PC的標準接口，還廣泛用于音頻、視頻消費設備，使成本價(jià)格不斷降低。USB接口很受中小型測量?jì)x器公司的歡迎，已推出帶有 USB 接口的手持小型儀器，包括數字示波器、功率計、信號發(fā)生器、數據采集系統等。甚至臺式測量?jì)x器為了便于在單機情況下與 PC鏈接，或者與硬盤(pán)或 USB電子盤(pán)作數據交換，都配備 USB接口。由此可見(jiàn)，臺式至手持式測量?jì)x器針對不同用途都在使用 USB，今后如何在測量?jì)x器中充分發(fā)揮 USB接口的潛力，將是測量?jì)x器業(yè)界共同關(guān)心的課題，從而出現更多有價(jià)值的擴展應用。 
 

結語(yǔ)

    對照上文內容可知，根據2000年開(kāi)始取得的技術(shù)進(jìn)步，預期電子測量?jì)x器業(yè)在今后幾年內,在合成儀器的強勢帶動(dòng)下，基于 SRD測量?jì)x器和多領(lǐng)域儀器互通擴展作為熱點(diǎn)，在LXI和USB作為鏈接總線(xiàn)的空間內,將取得更多技術(shù)創(chuàng )新,并積極推動(dòng)電子器件、電子應用的發(fā)展，形成良性互動(dòng)。