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現代電子測量儀器的發展趨勢

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發布日期：2019-07-15

進入21世紀以來，科學技術的發展已難以用日新月異來描述。新工藝、新材料、新的制造技術催生了新的一代電子元器件，同時也促使電子測量技術和電子測量儀器産生了新概念和新發展趨勢。本文拟從現代電子測量儀器發展的三個明顯特點入手，進而介紹下一代自動測試系統的概念和基本技術，引入合成儀器的概念，以供讀者參考。

現代電子測量儀器的發展趨勢

儀器性能更加優異

儀器的性能更加優異，測量功能更加強大，儀器的測量精度，測試靈敏度，測量的動态範圍等都達到了一定的高度。例如，Agilent公司的PSA頻譜分析儀的測量靈敏度高達—169dBm(接近物理界熱噪聲—174dBm)，PNA網絡分析儀的動态範圍高達143dB，Agilent83453A高分辨率分光計分辨帶寬=0.0001nm(亞皮米)(突破皮米分辨帶寬的壁壘)，Agilent86107A精密時基參考模塊，對小于100ns的時延，抖動為1.7psRMS(突破皮秒抖動瓶頸)，DSO80000系列的示波器，其單一A/D芯片具有20GSa/s實時高采樣率，使之成為世界上采樣率快的示波器(40GSa/s實時采樣率，13GHz帶寬)。另外，更多強大的測量功能被賦予單台儀表中，如Agilent公司的8960系列無線綜合測試儀(集移動手機和基站的射頻測試與協議測試于一身);ESG/PSG矢量信号源可以靈活産生包括連續波/調幅/調頻/調相/脈沖調制，全制式通信協議(GSM/EDGE/WCDMA/TD2SCDMA/CDMAOne/CDMA2000/CDMA20001X2EV/藍牙/WLAN/PHS/PDC/NADC/DECT/TETRA等)，任意波形及用于今後的其他信号;MSO混合信号示波器(2/4個模拟測量通道 16個邏輯分析通道)使單台儀器同時具備示波器和邏輯分析儀的功能;Infiniium示波器内裝VSA矢量信号分析軟件後也成為世界上測量分析帶寬寬的矢量信号分析儀。

儀器與計算機融為一體

首先，越來越多的儀器選用以Windows軟件和Intel芯片為平台，采用WindowsGUI和基于軍用标準的軟件，用Windows軟件代替儀器内部操作軟件，并易于與MS辦公室應用軟件連接，充分發揮其效能，如Agilent公司的儀器可用Word語言捕獲屏幕圖像，用Excel語言繪制的波形數據，用Excel語言捕獲測量數據，易于自由地從互聯網下載和升級最新的軟件版本，利用WindowsHelp提高了儀器操作學習的方便性;同時，觸摸屏被廣泛利用，話音控制可解決雙手同時被占用時操作儀器的問題，通過網絡控制儀器操作，并用基于MSWindows和MSVisualStudio實現測試自動化;另外，儀器内部的VBA軟件可有效地幫助實現生産過程中的測試自動化

其次，由于計算機技術被大量應用到儀器之中，使得儀器具備了更加先進的連通性，如Agilent公司的儀器大都具備采用了USB接口，LAN接口，GPIB接口。同時，也安裝了标準光标指示器(鼠标、跟蹤球、觸摸鍵、操縱杆等)和其他部件(鍵盤、CDRW驅動器、直接連結打印機的并行接口，用于外部監視器的VGA輸出，内部硬盤驅動器等)。特别值得一提的是，在軍工等特殊行業，測試數據的安全性和保密性要求格外重要，為此，Agilent公司在儀器上設計了可卸出的硬盤(如PNA矢量網絡分析儀和Infiniium示波器)，使工作人員在實驗室完成測試任務後，卸出硬盤，單獨運輸儀器至測試現場(如戰地)，再由操作人員取出随身攜帶的硬盤裝入儀器，再進行現場測量，從而保證了數據的安全性和保密性。

測試及仿真軟件在儀器中廣泛應用

随着計算機的運算速度和處理數據能力的不斷增加，及計算機仿真技術的廣泛應用，儀器的硬件和測試軟件及仿真軟件的結合越來越緊密。首先，硬件的模塊化設計，使得通過不同的硬件模塊組合配以不同的軟件，從而形成不同功能的儀器和不同的測試解決方案，如Agilent公司的DAC-J寬帶示波器86100C，通過插入不同的模塊并配以不同軟件，該儀器可成為抖動分析儀，寬帶示波器，數字通信分析儀，時域反射分析儀;此外，VXI結構的測試儀器更加充分地解釋了模塊化結構儀器的靈活配置和應用。

其次，軟件無線電的概念已有了全新的解釋和現實的應用，Agilent公司的89601A矢量分析軟件是實現這一理念的最好例證，它利用計算機強大的數學運算和數據處理能力将大量的數字信号處理功能和數據分析功能充分展現在計算機軟件之中，通過與不同的數據采集前端(如VXI結構的矢量信号分析儀，頻譜分析儀，Infiniium數字示波器)相結合，組合出不同功能的矢量信号分析儀。

同時，其捕獲的信号和數據分析的結果可以作為EDA仿真軟件(如Agilent公司的ADS高級設計仿真軟件)的數據輸入來源，用于驅動ADS高級設計仿真軟件進行部件及系統級仿真;并且，ADS高級設計仿真軟件的仿真結果可送入Agilent公司的ESG/PSG矢量信号源産生出信号通過VSA矢量信号分析儀的捕獲和分析，反過來可進行産品設計與真實産品之間的數據驗證，即實現設計、仿真、測量和驗證的有機結合。以AgilentADS高級設計仿真軟件為代表的EDA軟件，通過與Agilent公司測試儀器(包括:頻譜分析儀，網絡分析儀，信号源，示波器，邏輯分析儀等)的動态鍊接，從而實現了測量域與仿真域的有機結合，在設計、仿真和驗證之間架起了橋梁，從而加速設計，提高設計質量，完善系統及部件的半實物仿真手段，達到迅速拓展滿足需要的測量解決方案的目的。

自動測試系統的發展曆史和現狀　　随着測量儀器功能的不斷提高和完善，與其相關的自動測試系統(特别是軍用ATS測試系統)的組建與發展也經曆了從台式儀器ATS系統到卡式儀器ATS系統，從卡式儀器ATS系統到卡式儀器與台式儀器混合的ATS系統的發展過程。到目前為止，VXI結構的儀器(主要對于大通道數的數字信号測量)與GPIB标準的台式儀器(主要對于性能要求嚴格的射頻/微波信号測量)相結合組建ATS測試系統已成為軍用ATS測試系統普遍遵從的主流原則和典範。這與以美國為代表的軍工用戶在90年代提倡的采用COTS(CommercialOff-the-Shelf)流行商用儀器來構建軍用ATS測試系統有很大關系，它可以極大地降低整個測試系統的組建、開發、維護、替換和升級的成本。

但是，由于軍工行業系統研制周期和認證周期相對較長，系統維護和需要支持的周期通常在10年至20年，而民用科技的發展日新月異，流行商用儀器的更新速度越來越快，一些COTS産品在軍工行業被大規模全面使用之前就已廢型和停産，對于已定型的測試系統的維護和支持成為軍工客戶面臨的最大問題，特别是那些基于特定硬件而開發的測試軟件(TPS)的維護、支持和更新更是面臨巨大的挑戰。這一點在中國的客戶群中也遇到了同樣的問題。如何實現硬件的可互換性和軟件的可互操作性成為保證整個系統生命力和生命周期的關鍵。與此同時，軍用ATS測試系統還要滿足其可靠性、機動性和靈活性的要求，并盡可能地降低開發、維護的成本，節省人力資源，改進硬件的現場替換效率和維修中心替換效率，改進武器系統快速應對地區乃至全球支持的戰略要求。

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