電子測量儀器的技術發(fā)展走向

前言

電子測量儀器業(yè)是既傳統(tǒng)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)秀的專家和工程師。測量儀器在發(fā)展過程中與半導體器件共同成長，它們像母雞與雞蛋那樣密不可分，有時器件領先，有時儀器在前，有時齊頭并進，共譜新章。電子測量儀器與電子信息技術、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。

電子測量儀器的市場不大，相對半導體器件的每年2500億美元市場來說，近年全球測量儀器的市場每年只有50億美元左右。在測量儀器公司中，年銷售額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。電子測量儀器的生產(chǎn)數(shù)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，相對個人電腦、手機、視聽、家電等數(shù)以10萬件以上的大批量發(fā)貨，在數(shù)量上有很大區(qū)別。

圖1 合成儀器的基本模塊框圖

電子測量儀器在傳統(tǒng)上屬于高回報率工業(yè)，高檔儀器如數(shù)字存儲示波器、頻譜分析器、網(wǎng)絡分析儀等每臺價格4-5萬美元，主要成本是研發(fā)產(chǎn)品時的費用，特別是專用 ASIC 芯片和編程開銷。多年來測量儀器實際上是賣方市場，表現(xiàn)為大公司對代理、分銷商沒有銷售金額的折扣，只有銷售數(shù)量折扣。近年來儀器變成買方市場，儀器公司只好主動向用戶提供優(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儀器的測量結果表達，因此每年都更新相當數(shù)量的測量儀器，使測量儀器業(yè)每年獲得50億美元的營收。測量儀器業(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、新工藝、新產(chǎn)品出現(xiàn)。展望最近幾年，測量儀器業(yè)界的技術創(chuàng)新走向己經(jīng)明晰，本文試圖描述大體輪廓，供業(yè)內(nèi)外人仕和讀者參考。

新一代的合成測量儀器系統(tǒng)

經(jīng)歷海灣戰(zhàn)爭后，美國國防部門大力加強部隊的機動性和戰(zhàn)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，供應來源多途，資源浪費的現(xiàn)象加以整頓。過去美國陸海空三軍和海軍陸戰(zhàn)隊所用的電子測量儀器全部是專門訂貨，各自擁有不同的自動測量系統(tǒng)(ATE)，形成不同的供應鏈。新的構思要求ATE從軍事專用采購改為從民用產(chǎn)品選購，實施“下一代自動測試系統(tǒng)計劃(NxTest)”的統(tǒng)一標準，采用快捷全球戰(zhàn)斗支援(ARGCS)方案。ARGCS的核心是使用合成儀器(SI)構建ATE，具體規(guī)范和進度由軍方和儀器公司的代表組成的合成儀器工作組(SIWG)實施。

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(shù)字處理技術的、用于產(chǎn)生信號或測量信號的、可重配置的自動測量系統(tǒng)。SIWG 要求 SI 能夠達到6項預定目標，它們是：降低自動測量系統(tǒng)的總成本；減小自動測量系統(tǒng)的開發(fā)和現(xiàn)場升級時間；提高自動測量系統(tǒng)的互換性；降低自動測量系統(tǒng)的后勤支援和庫存量；縮小自動測量系統(tǒng)的物理尺寸；改善自動測量系統(tǒng)的測試質(zhì)量。目前，SIWG己對合成儀器提出實施設想，但是為測量儀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(tǒng)的積木化結構。例如剖析 RF 基本測量儀器，包括信號發(fā)生器、頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡分折儀、數(shù)字存儲示波器的系統(tǒng)構成時，可以歸納成幾種基本模塊：模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)、上變頻器、下變頻器、模擬信號調(diào)理器、數(shù)字信號處理器等基本硬件模塊。根據(jù)測量要求，它們能夠搭接成不同的功能子系統(tǒng)，獲取被測信號的幅度、相位、頻率、調(diào)制度等基本電氣參數(shù)后，由處理器模件和固件、軟件進行數(shù)字變換，即可獲得正弦波形、脈沖波形、頻率譜、功率譜、調(diào)制信息參數(shù)。

在2006年底第一批合成儀器 RF 射頻測量系統(tǒng)，已由安捷倫科技交付美國海軍，用于 NxTest 計劃中的統(tǒng)一自動支援系統(tǒng)(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 總線的臺式儀器測量系統(tǒng)，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 儀器要求的自動測量系統(tǒng)。安捷倫成功交付第一批 SI 自動測量系統(tǒng)之后，測量儀器業(yè)將有更多公司投入人力物力，開發(fā)更多應用目標不同的合成儀器。由于美國國防部門是全球電子測量儀器的最大采購商，合成儀器將推動美國、歐洲、日本投入更多人力物力,開發(fā)從器件、模塊、子系統(tǒng)至完整的自動測量系統(tǒng)，成為電子測量儀器業(yè)技求創(chuàng)新的動力。 　　

基于軟件定義無線電的測量儀器

圖2 軟件定義的RF信號發(fā)生器和分析器

無線通信和消費電子的快速發(fā)展和更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的先開發(fā)硬件再編寫應用軟件的解決方案跟不上快速換代的要求。在相當長的時間內(nèi)，無線通信系統(tǒng)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年前無線接收系統(tǒng)從超外差變頻結構，轉(zhuǎn)變成無外差變頻的零中頻結構之后，無線電發(fā)射接收系統(tǒng)簡化成為數(shù)字變頻、基帶放大器、基帶濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器等數(shù)字部件,使軟件定義無線電(SDR)得以實現(xiàn)。SDR的簡明定義是,采用軟件對無線電信號進行調(diào)制和解調(diào)制的無線通信系統(tǒng)。顯然，SDR借助通用的硬件子系統(tǒng),根據(jù)軟件定義的無線通信標準,靈活快速地構成不同通信標準的發(fā)射和接收系統(tǒng)。SDR 為推動無線通信系統(tǒng)從模擬設計進入數(shù)字設計作出重要貢獻。

圖3 四種測量儀器總線

如上所述，電子測量儀器是比較保守的，產(chǎn)品更新較慢的工業(yè)。雖然儀器的數(shù)字化取得相當進展，但是直接引用SDR原理構建RF測量儀器系統(tǒng)則是近5年才出現(xiàn)。具有代表性的SDR測量儀器是吉時利公司的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(jù)測量儀器的特點，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(shù)字化RF測量儀器，構思新穎，系統(tǒng)簡單，代表RF測量儀器結構的創(chuàng)新。其他RF測量儀器公司亦參考SDR的原理，構建可軟件定義或升級的測量儀器。可以預期，開發(fā)基于 SDR原理的RF測量儀器將是今后幾年的熱點。

時域-頻域-阻抗域儀器的互通應用

電子測量儀器按信號處理領域劃分有時域、頻域、數(shù)域、調(diào)制域、阻抗域等多種，它們除測量基本電氣參數(shù)之外，更多的是測量電子器件、電路的電氣特性。激勵源類儀器有正弦、脈沖、任意波形發(fā)生器等。檢測類儀器有數(shù)字示波器等時域儀器,頻譜分析儀等頻域儀器,矢量網(wǎng)絡分析器等阻抗儀器。近年來，大部分測量儀器使用直觀顯示方式,非時域儀器變得更像時域儀器那樣利用大型屏幕顯示測量結果。時域儀器在不同應用領域測量儀器的互通擴展中占有重要位置，例如調(diào)制域儀器可由時域和頻域儀器綜合而成，網(wǎng)絡分析儀的也可從數(shù)字示波器導出。

早期各類測量領域儀器是獨立發(fā)展的，自從著名數(shù)學家傅里葉利用數(shù)學表達式解決了時-頻變換難題之后,出現(xiàn)多種傅立葉變換的數(shù)字求解,特別是離散數(shù)字變換(DDF)和快速傅里葉變換(FFT)可使時-頻變換的計算數(shù)字化。借助數(shù)字信號處理器快速實時求解出時-頻變換和反變換結果，使時域-頻域-阻抗域的儀器的應用互通成為現(xiàn)實。

2006年泰克公司在 TDS8200 數(shù)字取樣示波器的基礎上成功推出 DSA8200數(shù)字串行分析儀，作為多用途測量儀器的 DSA8200既是 80GHz 等效帶寬的數(shù)字取樣示波器，又可擴展成 50 GHz 等效帶寬的時域反射計以及串行數(shù)字網(wǎng)絡分析儀。將數(shù)字示波器變成時域反射計，它們屬于在相同時域-時域的應用擴充，主要增加一個 10ns 級的快速階躍發(fā)生器，難度并不大。將時域反射計進一步擴展成為矢量網(wǎng)絡分析儀，屬于時域-阻抗域的應用擴展，難度更大。DSA8200根據(jù)同軸線對不同阻抗終端的反射波形,從反射波形導出計算網(wǎng)絡電特性所需的 S 參數(shù)。DSA8200的成本不到矢量網(wǎng)絡分析儀的一半，測量時間只要幾分鐘而不是一小時。DSA8200數(shù)字串行分析儀的成功推出，表明不同領域測量儀器的應用擴展還有廣闊的可挖掘潛力。

LXI接口和USB總線

電子測量儀器業(yè)自1966-2006年的40年間，前后有4種開放式儀器總線或接口得到認同，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)界的事實上標準。 GPIB 由惠普公司單獨開發(fā)，當時集成電路只有小規(guī)模芯片，PC 電腦還未問世，測量儀器大部分是臺式和機架式產(chǎn)品，GPIB 作為程控儀器總線實在是非常前衛(wèi)的構思。即使 GPIB 總線推出至今40年，大部分臺式儀器己經(jīng)變成內(nèi)嵌有微處理器智能儀器，GPIB仍然繼續(xù)發(fā)揮它的作用。

圖4 LXI接口的合成儀器自動測量系統(tǒng)

VXI和 PCI分別是在1980年代和1990年代出現(xiàn)了PC 電腦、虛擬儀器之后，將 PC 電腦的外設總線擴充成為模塊儀器總線的成功產(chǎn)品，VXI總線構建在 VME外設總線基礎上，PXI構建在 PCI 外設總線基礎上。VXI 采用籠式機箱、3種模塊尺寸、即插即用驅(qū)動器、快速時鐘總線、虛擬儀器接口、虛擬面板、標準語句等都是不錯的擴展?？上?VXI 主要針對國防軍事用戶，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，采用傳輸速率更高的PCI總線、簡化結構、降低成本、擴大應用。除 RF 頻段以外，當前 PXI 模塊儀器開始取代 VXI 而成為模塊儀器的業(yè)界事實上標準。

安捷倫科技一直是 GPIB 和 VXI 兩種開放總線儀器的最主要供應商，進入2000年代安捷倫開始從VXI總線模件儀器市場淡出，并出售VXI儀器產(chǎn)品線，轉(zhuǎn)而開發(fā)一種可替代 GPIB程控儀器總線，但性價比更高，壽命超過25年的下一代軍民兩用開放式儀器總線。安捷倫放棄 VXI 、PXI 的傳統(tǒng)做法，不再選用 PC 外設總線擴充作為儀器總線，而選用性能不斷提高，預期具有更長壽命的以太網(wǎng)絡作為基礎，擴展成為 LXI 儀器接口總線。安捷倫認為 LXI 接口總線博采了 GPIB 、VXI、PXI  的長處，避開它們的短處，真正成為承先啟后、兼容并蓄,通過以太網(wǎng)可全球接入、使用方便、經(jīng)濟實用的開放式儀器接口。

圖5  USB總線的手持數(shù)字示波器

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，電纜、連接器、集線器、網(wǎng)關的規(guī)格不變。在此基礎上增加儀器網(wǎng)頁和虛擬面板，構成最簡單的 LXI C類模塊儀器，亦即 LXI 兼容儀器。測量儀器系統(tǒng)往往需要時鐘定時和同步，LXI 標準在 A類模塊基礎上引入 IEEE1588 網(wǎng)絡定時同步協(xié)議，使入網(wǎng)模塊儀器獲得 1us 級的同步偏差，構成 LXI B類模塊儀器。在 B類模塊基礎上增加硬件的定時同步總線，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，LXI 的 3類模塊從低到高將不同標準的儀器廣泛地納入 LXI 測量系統(tǒng)內(nèi)。只要裝有以太網(wǎng)接口, 各種 GPIB 、VXI 和 PXI 儀器都可通過軟件升級成為 LXI C類或 B類儀器，對于小部分要求 10 ns 級同步偏差的數(shù)字儀器，才需要使用硬件觸發(fā)同步。與在 PC 外設總線基礎上擴充的 VXI 和 PXI 總線不同，LXI 接口避免使用增加時鐘線、本地觸發(fā)線達到時間同步的單一辦法，分成 A、B、C、三類不同級別的模塊, 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。

以安捷倫科技為首的 LXI 聯(lián)盟在2004年9月成立，一年后公布 LXI 標準1.0版本，2006年LXI的成員單位有 49個，產(chǎn)品達36種,型號171種。LXI得到大部分電子測量公司的支持，安捷倫并領先向美國海軍交付基于 LXI 的 RF 合成儀器自動測量系統(tǒng)。對 LXI持有保留意見的同行,例如國家儀器公司至今還不是 LXI聯(lián)盟的成員單位，而且認為“以太網(wǎng)好，但以太網(wǎng)擴展并無必要”。國家儀器的這種意見反映出 PXI 與 LXI 是兩種競爭性的總線標準，盡管多數(shù)同行業(yè)界都認為，兩者各有特點，互補性大于競爭性。 在今后幾年內(nèi)開始 LXI取代 GPIB的過程，而且 LXI將成為測量儀器系統(tǒng)的主流接口。

GPIB 、VXI 、PXI 、LXI 都是測量儀器系統(tǒng)總線，對于獨立的測量儀器，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儀器的外設接口配置來看，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?guī)в兄绷鞴╇娋€，對于小型的單臺測量儀器可謂一舉兩得。PC 一般安裝兩個 USB接口，接口數(shù)目可通過器擴展。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，使成本價格不斷降低。USB接口很受中小型測量儀器公司的歡迎，已推出帶有 USB 接口的手持小型儀器，包括數(shù)字示波器、功率計、信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。甚至臺式測量儀器為了便于在單機情況下與 PC鏈接，或者與硬盤或 USB電子盤作數(shù)據(jù)交換，都配備 USB接口。由此可見，臺式至手持式測量儀器針對不同用途都在使用 USB，今后如何在測量儀器中充分發(fā)揮 USB接口的潛力，將是測量儀器業(yè)界共同關心的課題，從而出現(xiàn)更多有價值的擴展應用。

結語

對照上文內(nèi)容可知，根據(jù)2000年開始取得的技術進步，預期電子測量儀器業(yè)在今后幾年內(nèi),在合成儀器的強勢帶動下，基于 SRD測量儀器和多領域儀器互通擴展作為熱點，在LXI和USB作為鏈接總線的空間內(nèi),將取得更多技術創(chuàng)新,并積極推動電子器件、電子應用的發(fā)展，形成良性互動。