电子测量仪器的技术发展走向

发布日期:2019-07-10

  仪器业是既传统又比较保守的工业,不少公司都拥有五十年以上的历史,造就了一批优秀的专家和工程师。仪器在发展过程中与半导体器件共同成长,它们像母鸡与鸡蛋那样密不可分,有时器件领先,有时仪器在前,有时齐头并进,共谱新章。电子仪器与电子信息技术、消费电子产品不同,它属于耐用性设备,使用寿命可达10年以上,还要保持准确可靠,所以更新换代的周期较长。

  电子测量仪器的市场不大,相对半导体器件的每年2500亿美元市场来说,近年全球测量仪器的市场每年只有50亿美元左右。在测量仪器公司中,年销售额10亿美元以上的巨头只有安捷伦科技一家,5亿美元以上的大户有泰克、罗德施瓦茨兹等四家,1亿美元以上的中等公司有力科等十家,其余中小型公司都在1亿美元以下。电子测量仪器的生产数量有限,中高档仪器是1千台左右的小批量,因而库存量不大,相对个人电脑、手机、视听、家电等数以10万件以上的大批量发货,在数量上有很大区别。

  电子测量仪器在传统上属于高回报率工业,高档仪器如数字存储示波器、频谱分析器、网络分析仪等每台价格4-5万美元,主要成本是研发产品时的费用,特别是专用 ASIC 芯片和编程开销。多年来测量仪器实际上是卖方市场,表现为大公司对代理、分销商没有销售金额的折扣,只有销售数量折扣。近年来仪器变成买方市场,仪器公司只好主动向用户提供优惠折扣。电子器件、电子电路和电子设备的特性由电子测量仪器的测量结果表达,因此每年都更新相当数量的测量仪器,使测量仪器业每年获得50亿美元的营收。测量仪器业平均每年将利闺的百分之十投入研发和再生产,保持每年均有新技术、新工艺、新产品出现。展望最近几年,测量仪器业界的技术创新走向己经明晰,本文试图描述大体轮廓,供业内外人仕和读者参考。

  经历海湾战争后,美国国防部门大力加强部队的机动性和战斗协同能力,特别在电子通信和电子对抗方面,对各军兵种的电子装备不兼容,供应来源多途,资源浪费的现象加以整顿。过去美国陆海空三军和海军陆战队所用的电子测量仪器全部是专门订货,各自拥有不同的自动测量系统(ATE),形成不同的供应链。新的构思要求ATE从军事专用采购改为从民用产品选购,实施“下一代自动测试系统计划(NxTest)”的统一标准,采用快捷全球战斗支援(ARGCS)方案。ARGCS的核心是使用合成仪器(SI)构建ATE,具体规范和进度由军方和仪器公司的代表组成的合成仪器工作组(SIWG)实施。

  SIWG对SI-的定义是:由一系列基础硬件和软件单元以及标准化接口构建的、采用数字处理技术的、用于产生信号或测量信号的、可重配置的自动测量系统。SIWG 要求 SI 能够达到6项预定目标,它们是:降低自动测量系统的总成本;减小自动测量系统的开发和现场升级时间;提高自动测量系统的互换性;降低自动测量系统的后勤支援和库存量;缩小自动测量系统的物理尺寸;改善自动测量系统的测试质量。目前,SIWG己对合成仪器提出实施设想,但是为测量仪器供应商留出很大发展空间。

  合成仪器采用可互换的标准模块、标准电路、标准接口,从单元电路至系统的积木化结构。例如剖析 RF 基本测量仪器,包括信号发生器、频谱分析仪、矢量网络分折仪、数字存储示波器的系统构成时,可以归纳成几种基本模块:模/数转换器(ADC)、数/模转换器(DAC)、上变频器、下变频器、模拟信号调理器、数字信号处理器等基本硬件模块。根据测量要求,它们能够搭接成不同的功能子系统,获取被测信号的幅度、相位、频率、调制度等基本电气参数后,由处理器模件和固件、软件进行数字变换,即可获得正弦波形、脉冲波形、频率谱、功率谱、调制信息参数。

  在2006年底第一批合成仪器 RF 射频测量系统,已由安捷伦科技交付美国海军,用于 NxTest 计划中的统一自动支援系统(CASS)。美国海军使用 CASS 作为航空母舰和其它舰艇的飞机电子设备测试和维护。安捷伦从1988年成为 CASS 供应商,主要供应基于 GPIB 总线年底采用基于LXI接口标准的模块仪器,由6种模块构建符合 SI 仪器要求的自动测量系统。安捷伦成功交付第一批 SI 自动测量系统之后,测量仪器业将有更多公司投入人力物力,开发更多应用目标不同的合成仪器。由于美国国防部门是全球电子测量仪器的最大采购商,合成仪器将推动美国、欧洲、日本投入更多人力物力,开发从器件、模块、子系统至完整的自动测量系统,成为电子测量仪器业技求创新的动力。

  无线通信和消费电子的快速发展和更新换代,传统的先开发硬件再编写应用软件的解决方案跟不上快速换代的要求。在相当长的时间内,无线通信系统以模拟电路为主导,基本部件是低噪声放大器、本地振荡器、变频器、中频放大器、检波器、音频放大器等模拟电路。自从10年前无线接收系统从超外差变频结构,转变成无外差变频的零中频结构之后,无线电发射接收系统简化成为数字变频、基带放大器、基带滤波器、数模转换器、模数转换器、数字信号处理器等数字部件,使软件定义无线电(SDR)得以实现。SDR的简明定义是,采用软件对无线电信号进行调制和解调制的无线通信系统。显然,SDR借助通用的硬件子系统,根据软件定义的无线通信标准,灵活快速地构成不同通信标准的发射和接收系统。SDR 为推动无线通信系统从模拟设计进入数字设计作出重要贡献。

  如上所述,电子测量仪器是比较保守的,产品更新较慢的工业。虽然仪器的数字化取得相当进展,但是直接引用SDR原理构建RF测量仪器系统则是近5年才出现。具有代表性的SDR测量仪器是吉时利公司的2910 RF矢量信号发生器和2810 RF矢量信号分析器。它们直接引用SDR原理,根据测量仪器的特点,将两种仪器设计成采用相同的硬件结构,借助不同的软件定义成为两种测量用途不同的仪器。这种基于SDR原理构建的数字化RF测量仪器,构思新颖,系统简单,代表RF测量仪器结构的创新。其他RF测量仪器公司亦参考SDR的原理,构建可软件定义或升级的测量仪器。可以预期,开发基于 SDR原理的RF测量仪器将是今后几年的热点。

  电子测量仪器按信号处理领域划分有时域、频域、数域、调制域、阻抗域等多种,它们除测量基本电气参数之外,更多的是测量电子器件、电路的电气特性。激励源类仪器有正弦、脉冲、任意波形发生器等。检测类仪器有数字示波器等时域仪器,频谱分析仪等频域仪器,矢量网络分析器等阻抗仪器。近年来,大部分测量仪器使用直观显示方式,非时域仪器变得更像时域仪器那样利用大型屏幕显示测量结果。时域仪器在不同应用领域测量仪器的互通扩展中占有重要位置,例如调制域仪器可由时域和频域仪器综合而成,网络分析仪的也可从数字示波器导出。

  早期各类测量领域仪器是独立发展的,自从著名数学家傅里叶利用数学表达式解决了时-频变换难题之后,出现多种傅立叶变换的数字求解,特别是离散数字变换(DDF)和快速傅里叶变换(FFT)可使时-频变换的计算数字化。借助数字信号处理器快速实时求解出时-频变换和反变换结果,使时域-频域-阻抗域的仪器的应用互通成为现实。

  2006年泰克公司在 TDS8200 数字取样示波器的基础上成功推出 DSA8200数字串行分析仪,作为多用途测量仪器的 DSA8200既是 80GHz 等效带宽的数字取样示波器,又可扩展成 50 GHz 等效带宽的时域反射计以及串行数字网络分析仪。将数字示波器变成时域反射计,它们属于在相同时域-时域的应用扩充,主要增加一个 10ns 级的快速阶跃发生器,难度并不大。将时域反射计进一步扩展成为矢量网络分析仪,属于时域-阻抗域的应用扩展,难度更大。DSA8200根据同轴线对不同阻抗终端的反射波形,从反射波形导出计算网络电特性所需的 S 参数。DSA8200的成本不到矢量网络分析仪的一半,测量时间只要几分钟而不是一小时。DSA8200数字串行分析仪的成功推出,表明不同领域测量仪器的应用扩展还有广阔的可挖掘潜力。

  电子测量仪器业自1966-2006年的40年间,前后有4种开放式仪器总线或接口得到认同,它们是 GPIB(IEEE488)、VXI(IEEE1515)、PXI 和 LXI ,前两种是获得 IEEE 认证的国际级标准,后两种是业界的事实上标准。 GPIB 由惠普公司单独开发,当时集成电路只有小规模芯片,PC 电脑还未问世,测量仪器大部分是台式和机架式产品,GPIB 作为程控仪器总线实在是非常前卫的构思。即使 GPIB 总线年,大部分台式仪器己经变成内嵌有微处理器智能仪器,GPIB仍然继续发挥它的作用。

  VXI和 PCI分别是在1980年代和1990年代出现了PC 电脑、虚拟仪器之后,将 PC 电脑的外设总线扩充成为模块仪器总线的成功产品,VXI总线构建在 VME外设总线基础上,PXI构建在 PCI 外设总线基础上。VXI 采用笼式机箱、3种模块尺寸、即插即用驱动器、快速时钟总线、虚拟仪器接口、虚拟面板、标准语句等都是不错的扩展。可惜 VXI 主要针对国防军事用户,成本较高,适合高档仪器而不易普及到更广泛的民用仪器。国家仪器公司吸收了GPIB和VXI的优点,采用传输速率更高的PCI总线、简化结构、降低成本、扩大应用。除 RF 频段以外,当前 PXI 模块仪器开始取代 VXI 而成为模块仪器的业界事实上标准。

  安捷伦科技一直是 GPIB 和 VXI 两种开放总线仪器的最主要供应商,进入2000年代安捷伦开始从VXI总线模件仪器市场淡出,并出售VXI仪器产品线,转而开发一种可替代 GPIB程控仪器总线,但性价比更高,寿命超过25年的下一代军民两用开放式仪器总线。安捷伦放弃 VXI 、PXI 的传统做法,不再选用 PC 外设总线扩充作为仪器总线,而选用性能不断提高,预期具有更长寿命的以太网络作为基础,扩展成为 LXI 仪器接口总线。安捷伦认为 LXI 接口总线博采了 GPIB 、VXI、PXI 的长处,避开它们的短处,真正成为承先启后、兼容并蓄,通过以太网可全球接入、使用方便、经济实用的开放式仪器接口。

  从 LXI 标准 1.0可知,LXI 完全保留以太网的高速串行传输特点,电缆、连接器、集线器、网关的规格不变。在此基础上增加仪器网页和虚拟面板,构成最简单的 LXI C类模块仪器,亦即 LXI 兼容仪器。测量仪器系统往往需要时钟定时和同步,LXI 标准在 A类模块基础上引入 IEEE1588 网络定时同步协议,使入网模块仪器获得 1us 级的同步偏差,构成 LXI B类模块仪器。在 B类模块基础上增加硬件的定时同步总线 ns 级的同步偏差,构成最高级的 LXI A类模块仪器。目前,LXI接口采用多芯铜缆的最高串行传输速率是每秒1000Mb。

  从 LXI 标准的设计构思可见,LXI 的 3类模块从低到高将不同标准的仪器广泛地纳入 LXI 测量系统内。只要装有以太网接口, 各种 GPIB 、VXI 和 PXI 仪器都可通过软件升级成为 LXI C类或 B类仪器,对于小部分要求 10 ns 级同步偏差的数字仪器,才需要使用硬件触发同步。与在 PC 外设总线基础上扩充的 VXI 和 PXI 总线不同,LXI 接口避免使用增加时钟线、本地触发线达到时间同步的单一办法,分成 A、B、C、三类不同级别的模块, 显得更加合理。LXI充分利用以太网的高速串行传输资源,尽量使用软件扩展,少用硬件扩展的办法,使组网成本降低。

  以安捷伦科技为首的 LXI 联盟在2004年9月成立,一年后公布 LXI 标准1.0版本,2006年LXI的成员单位有 49个,产品达36种,型号171种。LXI得到大部分电子测量公司的支持,安捷伦并领先向美国海军交付基于 LXI 的 RF 合成仪器自动测量系统。对 LXI持有保留意见的同行,例如国家仪器公司至今还不是 LXI联盟的成员单位,而且认为“以太网好,但以太网扩展并无必要”。国家仪器的这种意见反映出 PXI 与 LXI 是两种竞争性的总线标准,尽管多数同行业界都认为,两者各有特点,互补性大于竞争性。 在今后几年内开始 LXI取代 GPIB的过程,而且 LXI将成为测量仪器系统的主流接口。

  GPIB 、VXI 、PXI 、LXI 都是测量仪器系统总线,对于独立的测量仪器,为了与 PC 建立通信链接,通常选用 PC 的标准外设接口,例如并口、串口、以太网、USB口等。从近年手持式和掌上式测量仪器的外设接口配置来看,以 USB 最受欢迎。原因在于 USB使用串行传输方式,速率最高达每秒 480Mb,而且带有直流供电线,对于小型的单台测量仪器可谓一举两得。PC 一般安装两个 USB接口,接口数目可通过器扩展。当前 USB不但是 PC的标准接口,还广泛用于音频、视频消费设备,使成本价格不断降低。USB接口很受中小型测量仪器公司的欢迎,已推出带有 USB 接口的手持小型仪器,包括数字示波器、功率计、信号发生器、数据采集系统等。甚至台式测量仪器为了便于在单机情况下与 PC链接,或者与硬盘或 USB电子盘作数据交换,都配备 USB接口。由此可见,台式至手持式测量仪器针对不同用途都在使用 USB,今后如何在测量仪器中充分发挥 USB接口的潜力,将是测量仪器业界共同关心的课题,从而出现更多有价值的扩展应用。

  对照上文内容可知,根据2000年开始取得的技术进步,预期电子测量仪器业在今后几年内,在合成仪器的强势带动下,基于 SRD测量仪器和多领域仪器互通扩展作为热点,在LXI和USB作为链接总线的空间内,将取得更多技术创新,并积极推动电子器件、电子应用的发展,形成良性互动。大丰收心水论坛


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