混合信號(hào)激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試的必備技術(shù)

混合信號(hào)的激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試在當(dāng)今的測(cè)試測(cè)量應(yīng)用中變得越來(lái)越普遍，通常此類應(yīng)用需要將特定的模擬或數(shù)字信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)輸入到被測(cè)設(shè)備，同時(shí)獲得被測(cè)設(shè)備的響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)分析響應(yīng)信號(hào)或與期望的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比來(lái)刻畫(huà)被測(cè)設(shè)備的特性或者進(jìn)行故障的判斷。由于當(dāng)今的電子產(chǎn)品功能越來(lái)越集成化，其涉及的信號(hào)種類也很復(fù)雜，因此激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試往往是一個(gè)涉及混合信號(hào)的較復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)。

先來(lái)看兩個(gè)混合信號(hào)激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試的案例，從中歸納出激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試應(yīng)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(lì)-響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)。

測(cè)試模數(shù)轉(zhuǎn)換器的非線性度

在對(duì)ADC精度的測(cè)試中，差分非線性(DNL)和積分非線性(INL)是描述ADC線性度的最常用的兩個(gè)參數(shù)。測(cè)試DNL和INL參數(shù)通常需要發(fā)生一個(gè)模擬的激勵(lì)信號(hào)，對(duì)ADC的整個(gè)輸入范圍進(jìn)行掃描，同時(shí)將采集到的響應(yīng)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(cè)量值，繪制整個(gè)傳輸?shù)暮瘮?shù)曲線以直觀的跟蹤和了解。

這樣一個(gè)典型的激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試就同時(shí)需要模擬的信號(hào)發(fā)生器和高速的數(shù)字分析儀，并要保證發(fā)生和采集設(shè)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(duì)應(yīng)，這對(duì)于精確的獲取DNL和INL參數(shù)至關(guān)重要。如果是對(duì)一個(gè)高速的ADC進(jìn)行測(cè)試的話，您不僅需要高速的信號(hào)發(fā)生模塊和數(shù)字信號(hào)采集模塊，還要有高帶寬的總線來(lái)實(shí)時(shí)傳輸發(fā)生和采集的原始數(shù)據(jù)。采集到數(shù)據(jù)后，您更需要一個(gè)專業(yè)的軟件平臺(tái)來(lái)在線比較激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)，找出不匹配的數(shù)據(jù)位，并進(jìn)一步獲取如DNL，INL，SINAD等參數(shù)。

超聲圖像相控陣

讓我們?cè)賮?lái)看一個(gè)更尖端的激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試應(yīng)用。通常超聲信號(hào)的頻率范圍為20kHz到25MHz甚至更高，對(duì)于超聲信號(hào)的測(cè)試最基本的方法就是通過(guò)一個(gè)初始脈沖激勵(lì)系統(tǒng)，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(hào)的特性。下圖就描述了這種通過(guò)激勵(lì)脈沖來(lái)分析反射信號(hào)的測(cè)試方法：

這樣的激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試同樣需要一塊任意波形發(fā)生器對(duì)被測(cè)設(shè)備的多個(gè)部分產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)用高速的數(shù)字化儀捕獲響應(yīng)的反射脈沖。因?yàn)樾枰獙?duì)反射信號(hào)的時(shí)間延遲進(jìn)行測(cè)量，波形發(fā)生器和數(shù)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(shù)字化儀的8個(gè)通道進(jìn)行嚴(yán)格的同步，超聲圖像相控陣可以大大縮減非破壞性超聲測(cè)試的時(shí)間。

激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試的必備技術(shù)

通過(guò)總結(jié)以上的兩個(gè)實(shí)際應(yīng)用，我們不難歸納出激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試的典型需求如下：

1. 要求實(shí)現(xiàn)混合信號(hào)的測(cè)試：模擬、數(shù)字甚至射頻信號(hào)等

2. 為了拿到原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的分析，需要高速的數(shù)據(jù)總線帶寬

3. 為了保證測(cè)量精度，需要激勵(lì)和響應(yīng)信號(hào)之間的精確同步

4. 軟件平臺(tái)的支持，提供專業(yè)且易用的分析工具

圖1.：ADC特性測(cè)試的系統(tǒng)框圖。

圖2：超聲測(cè)試中通過(guò)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)特性描述。

針對(duì)以上的需求，一個(gè)以軟件為中心、并集成高速數(shù)據(jù)總線和精確定時(shí)同步特性的模塊化的架構(gòu)是解決此類應(yīng)用的最佳平臺(tái)。在這里推薦使用模塊化架構(gòu)的PXI(專門(mén)用于測(cè)試儀器的PCI eXtensions)平臺(tái)，它集成了多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)(如PCI/PCI Express總線，標(biāo)準(zhǔn)OS技術(shù)等)，并添加了工業(yè)級(jí)的堅(jiān)固設(shè)計(jì)和集成的定時(shí)和同步功能，使得PXI成為當(dāng)今測(cè)試測(cè)量應(yīng)用最理想的模塊化工業(yè)平臺(tái)。

如今市場(chǎng)上有來(lái)自于70多家廠商超過(guò)1500種符合PXI規(guī)范的各種模塊化測(cè)試儀器，包括數(shù)字化儀、任意波形發(fā)生器、高速數(shù)字I/O、數(shù)字萬(wàn)用表、射頻設(shè)備等等，能夠很好的滿足激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試對(duì)混合信號(hào)的需求。而這些混合信號(hào)的測(cè)試模塊都是通過(guò)PXI的背板總線相連，將采集的原始數(shù)據(jù)通過(guò)高速的背板帶寬(132MB/s)傳輸?shù)娇刂破髯骱罄m(xù)的處理和分析。如果涉及更高頻(如中頻和射頻)的信號(hào)，基于PCI Express的PXI Express總線更能提供高達(dá)6GB/s的背板帶寬，滿足絕大多數(shù)高速激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)量的應(yīng)用。

激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試應(yīng)用中另一個(gè)非常重要的技術(shù)就是信號(hào)之間的精確同步，因?yàn)榧?lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)之間的時(shí)間延遲會(huì)嚴(yán)重影響后期的分析和結(jié)果比對(duì)，同時(shí)對(duì)于并行多通道的激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試，通道之間的嚴(yán)格同步也是重要的因素之一。PXI內(nèi)建的定時(shí)和同步架構(gòu)能夠保證多個(gè)模塊化I/O設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)精確的同步。其包含了8根TTL的觸發(fā)總線，一個(gè)高穩(wěn)定的10MHz的共享時(shí)鐘，以及一組高精度的星型觸發(fā)總線。最新的PXI Express總線在現(xiàn)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(tǒng)時(shí)鐘、差分信號(hào)、以及差分星形觸發(fā)(見(jiàn)圖4)，進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)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(hào)，確保更高的同步精度。用于發(fā)生激勵(lì)和采集響應(yīng)的PXI/PXI Express模塊可以通過(guò)背板總線共享和同步采樣時(shí)鐘，并通過(guò)觸發(fā)總線實(shí)時(shí)傳遞開(kāi)始采集信號(hào)，以達(dá)到模塊間納秒甚至皮秒級(jí)的同步精度。

圖3.：超聲圖像相控陣的系統(tǒng)原理圖。

圖4.：PXI/PXI Express內(nèi)建的定時(shí)和同步功能，能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的測(cè)量。

最后也是最重要的是要有一個(gè)統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，不僅能夠無(wú)縫的集成各種模塊化的測(cè)試硬件，而且能用符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)軟件來(lái)采集、分析和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。由于激勵(lì)-響應(yīng)應(yīng)用會(huì)涉及很多后期的結(jié)果比較和算法處理，例如采集到的大量數(shù)據(jù)需要做數(shù)據(jù)位的匹配和比較，以及進(jìn)一步的信號(hào)分析如獲取ADC的 INL，DNL等參數(shù)。因此開(kāi)發(fā)軟件需要提供專業(yè)且易用的信號(hào)處理工具，而且還要提供給客戶融合自定義算法的功能。LabVIEW作為一個(gè)專為測(cè)試測(cè)量設(shè)計(jì)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(nèi)建了超過(guò)700種的信號(hào)處理的算法，能夠幫助用戶更快更高效的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用這些專業(yè)的算法，同時(shí)LabVIEW開(kāi)放的平臺(tái)能夠方便的融合用戶自定義的算法設(shè)計(jì)。針對(duì)激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試，LabVIEW中提供了數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換函數(shù)、數(shù)據(jù)位的比較函數(shù)等一些常用的功能外，還內(nèi)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(jí)的算法。此外，LabVIEW中還擁有快速數(shù)據(jù)存盤(pán)和報(bào)告生成的功能，供用戶做離線的分析和報(bào)告?？梢?jiàn)，一個(gè)專業(yè)而且開(kāi)放的平臺(tái)可以幫助客戶快速而高效的開(kāi)發(fā)激勵(lì)-響應(yīng)應(yīng)用，且易于后期進(jìn)一步的升級(jí)和維護(hù)。

總結(jié)

實(shí)現(xiàn)一個(gè)混合信號(hào)的激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試應(yīng)用對(duì)軟硬件的要求都相對(duì)較高，通過(guò)模塊化的硬件架構(gòu)加上專業(yè)開(kāi)放的軟件平臺(tái)能夠從根本上簡(jiǎn)化這些技術(shù)難題，幫助用戶實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種激勵(lì)-響應(yīng)的應(yīng)用。通過(guò)本文的案例分析和對(duì)于必備技術(shù)的討論，希望能夠幫助讀者更好的理解這類應(yīng)用并提供一些有益的幫助。