應(yīng)用于教學(xué)方案的USB 模塊化儀器的研究

應(yīng)用于教學(xué)方案的USB 模塊化儀器的研究

引言
　　
　　研究人員一直在尋找能夠應(yīng)對(duì)科技發(fā)展挑戰(zhàn)的測(cè)試儀器，以滿足包括教育界在內(nèi)的各行各業(yè)的需要。這里要考慮的不僅僅是教育界當(dāng)前的基本需要，商業(yè)界的未來(lái)可持續(xù)發(fā)展也至關(guān)重要。雖然傳統(tǒng)臺(tái)式儀器引領(lǐng)了過(guò)去的幾十年，但更多的教育界客戶已開(kāi)始接受兼具靈活性和可擴(kuò)展性的模塊化儀器，這些儀器能適應(yīng)基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，以及從事先進(jìn)電氣、電子、物理和機(jī)械工程研究實(shí)驗(yàn)室的需要。
　　
　　滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)室基本需要的USB 模塊化儀器
　　
　　電子和電信行業(yè)在過(guò)去幾年間發(fā)生了巨大的變化。持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新更加速了這樣的變化，工程師們的研究成果不斷挑戰(zhàn)并突破技術(shù)壁壘。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，所有電子及通訊設(shè)備在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的性能驗(yàn)證和測(cè)試。對(duì)致力于技術(shù)創(chuàng)新和改善人類(lèi)生活的工程師來(lái)說(shuō)，電子儀器，測(cè)量和測(cè)試知識(shí)，以及專(zhuān)業(yè)技能都是重要和必不可少的。
　　
　　安捷倫科技為全世界的高等院校積極開(kāi)發(fā)教學(xué)解決方案。安捷倫為年輕的工程師們提供電子儀器和測(cè)量及測(cè)試專(zhuān)業(yè)的相關(guān)技能，幫助他們踏上工程師生涯。USB 模塊化儀器在教育部門(mén)的推廣，能在從基礎(chǔ)儀器到全面產(chǎn)品特性研究的教學(xué)中幫助學(xué)生掌握重要的基本概念。
　　
　　對(duì)基本電氣實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)涉及對(duì)儀器的熟悉程度。熟悉的儀器能幫助大學(xué)生理解電路運(yùn)行和測(cè)量基本原理。理解有源濾波器工作原理就是一個(gè)這樣的例子。濾波是最重要的信號(hào)處理方法之一。模擬濾波器用于連續(xù)信號(hào)，通常認(rèn)為這屬于分立元件。另一方面，有源濾波器使用著一個(gè)或多個(gè)有源器件，如晶體管或運(yùn)算放大器。與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器可以有高輸入阻抗、低輸出阻抗和幾乎任意的增益。有源濾波器的設(shè)計(jì)比無(wú)源濾波器更容易。在設(shè)計(jì)一階、二階，甚至五階濾波器時(shí)，示波器與函數(shù)發(fā)生器一起成為設(shè)計(jì)驗(yàn)證的良好工具。例如把 Agilent U2761A 20MHz模塊化函數(shù)∕任意波形發(fā)生器設(shè)置為掃描時(shí)間 100ms，100Hz 至 100kHz（正弦波）掃描，觸發(fā)源設(shè)置為內(nèi)部。用 Agilent U2702A模塊化200MHz數(shù)字示波器檢查三階有源濾波器的波形。通過(guò)已知電容和電阻值，就可根據(jù)相應(yīng)的傳遞函數(shù)，把所測(cè)截止頻率（fc）與 fc 的計(jì)算值相比較。通過(guò)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，大學(xué)生將學(xué)會(huì)如何進(jìn)行基本頻率和電壓測(cè)量，以及利用數(shù)字示波器的能力進(jìn)行其它測(cè)量，如上升時(shí)間和信號(hào)統(tǒng)計(jì)。
　　
　　雖然基本測(cè)量要求相同，但模塊化儀器的能力已超出電氣工程實(shí)驗(yàn)室的范圍。通用實(shí)驗(yàn)室中的儀器可用于進(jìn)行科學(xué)研究和監(jiān)測(cè)材料化學(xué)。大學(xué)教師建立起互動(dòng)的儀器系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部的反應(yīng)會(huì)變得很復(fù)雜。這反過(guò)來(lái)又會(huì)阻礙精確測(cè)量和信號(hào)詳細(xì)分析的任務(wù)。例如通常用示波器來(lái)了解系統(tǒng)中的低頻噪音（通常為 100Hz或更低）狀況。對(duì)于這項(xiàng)研究，重要的是監(jiān)視信號(hào)的頻域性能。Agilent U2701和U2702A 100MHz/200MHz示波器有兩個(gè)通道，可提供高達(dá)1GSa/sec采樣率，32Mpts 的深存儲(chǔ)器能完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和毛刺檢測(cè)。示波器 20種快的自動(dòng)測(cè)量使其適合這些一般性的應(yīng)用。此外，捆綁的安捷倫測(cè)量管理器（AMM）軟件提供直觀和類(lèi)似臺(tái)式儀器的圖形用戶界面，使學(xué)生和研究人員能控制示波器和運(yùn)行更便捷的自動(dòng)測(cè)試。該軟件旨在幫助他們快速完成設(shè)備配置，數(shù)據(jù)記錄和采集，而不需要開(kāi)發(fā)軟件程序。

　　
　　圖 1，Agilent U2701A 100MHz 示波器以用戶友好和類(lèi)似臺(tái)式儀器的界面執(zhí)行 FFT 分析 。這是 Agilent USB 模塊化示波器的標(biāo)志性屏幕 —— 提供無(wú)需編程的配置控制。

在物理學(xué)和微電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，要向?qū)W生講授各種分立元件，如 BJT 晶體管、二極管、小信號(hào) JFET 和MOSFET晶體管，以及齊納二極管的功能。學(xué)生通過(guò)這些基本元件測(cè)量所獲得的基礎(chǔ)知識(shí)，將使學(xué)生能進(jìn)而學(xué)會(huì)如何設(shè)計(jì)、裝配和使用基本電子電路。Agilent U2941A參數(shù)測(cè)試夾具是U2722A USB模塊化源∕測(cè)量單元的補(bǔ)充，能使學(xué)生更多測(cè)試和掌握這些元件的特性。

　　
　　圖 2，Agilent U2941A 參數(shù)測(cè)試夾具與 U2722A USB 模塊化源∕測(cè)量單元一起測(cè)試基本分立元件
　　
　　在控制實(shí)驗(yàn)室中，Agilent USB DAQ和VEE軟件可用于實(shí)現(xiàn)組合的前饋和反饋控制。這種控制通常用于改善可測(cè)干擾存在時(shí)的控制系統(tǒng)性能。反饋控制的目的是跟蹤參考，前饋控制的目的是在干擾能夠影響過(guò)程變化前抑制干擾。前饋控制的長(zhǎng)處在于它的預(yù)測(cè)特性，在干擾進(jìn)入系統(tǒng)前先改變至系統(tǒng)的系統(tǒng)控制信號(hào)，從而抑制對(duì)系統(tǒng)的干擾。這是基于對(duì)干擾性質(zhì)和系統(tǒng)本身的認(rèn)識(shí)，從而通過(guò)采取精確行動(dòng)消除逼近的不利影響。因此必須有實(shí)現(xiàn)前饋控制的干擾和系統(tǒng)模型。模型越精確，前饋控制對(duì)干擾的抑制就越有效。在工業(yè)界，實(shí)現(xiàn)前饋控制的好處在于干擾剛剛產(chǎn)生時(shí)，就能避免部分批次產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)損失，因?yàn)榇藭r(shí)尚未有常規(guī)的反饋控制。工業(yè)中為得到最好效果，總是把前饋控制與反饋控制一起使用。
　　
　　教育部門(mén)一個(gè)發(fā)展中的趨勢(shì)是通過(guò)減小儀器的體積鼓勵(lì)學(xué)生借出基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器。這樣，高年級(jí)學(xué)生就可為他們的系統(tǒng)測(cè)量項(xiàng)目組合使用各種適宜的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器。雖然傳統(tǒng)臺(tái)式儀器能進(jìn)行精確的測(cè)量，但當(dāng)學(xué)生要確保項(xiàng)目按計(jì)劃進(jìn)行時(shí)，卻只能被禁錮在實(shí)驗(yàn)室中。這是對(duì)傳統(tǒng)臺(tái)式測(cè)試儀器的挑戰(zhàn)。Agilent USB模塊化儀器的便攜性已引起教育工作者的極大興趣，因?yàn)樗茏寣W(xué)生方便地?cái)y帶儀器離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室，在項(xiàng)目完成所需的任何地點(diǎn)工作。Agilent 是模塊化儀器的主要制造商，它有 USB 形式模塊化基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器的完整產(chǎn)品線。其它品種的模塊化儀器包括數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生器、源∕測(cè)量單元和開(kāi)關(guān)矩陣。

　　
　　圖 3，您能從 Agilent USB 模塊化儀器“庫(kù)”容易地選擇符合項(xiàng)目要求的儀器

　適合商業(yè)化的 USB 模塊化儀器
　　
　　高校教師也強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的商業(yè)化價(jià)值。由于可擴(kuò)展性和靈活性帶來(lái)的各種好處，PC基儀器的重要性為商界所公認(rèn)。它的可持續(xù)性成為行將就業(yè)大學(xué)生獲得工業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H經(jīng)驗(yàn)的很好平臺(tái)。例如在替代能源和減少對(duì)化石燃料依賴這些人們關(guān)注的領(lǐng)域，許多研究實(shí)驗(yàn)室正在尋找更高能效的引擎和使用替代能源的引擎。電動(dòng)汽車(chē)就是這類(lèi)研究成果的例子。在引擎和燃油技術(shù)開(kāi)發(fā)中，引擎性能測(cè)試是非常重要的。有許多影響引擎性能的因素：基本引擎設(shè)計(jì)、燃油、潤(rùn)滑、壓縮比、閥門(mén)定時(shí)、點(diǎn)火定時(shí)和溫度。其中最關(guān)鍵的因素是引擎功率控制、油耗和排放，這是相對(duì)消耗空氣量的攝入燃油量。它以空氣∕燃油比表示，也就是使用的空氣量除以燃燒的燃油量。通常較大的引擎由計(jì)算機(jī)控制的燃油噴射調(diào)節(jié)空氣∕燃油比，而較小引擎仍使用化油器控制空氣∕燃油比。精調(diào)引擎化油器需要仔細(xì)測(cè)量作為油門(mén)位置函數(shù)的扭矩、速度、溫度和油耗。安捷倫的USB數(shù)據(jù)采集（DAQ）模塊為引擎測(cè)試提供低價(jià)和靈活的解決方案。
　　
　　為了在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試引擎性能，通常把引擎耦合到拉力計(jì)，這可以是引擎拉力計(jì)（直接接到引擎輸出軸）或底盤(pán)拉力計(jì)（接到驅(qū)動(dòng)輪）。拉力計(jì)提供引擎負(fù)荷，能通過(guò)容易的控制測(cè)試寬范圍的扭矩和速度。這對(duì)于表征給定負(fù)荷下的馬達(dá)扭矩是非常重要的。常見(jiàn)的工業(yè)方法是測(cè)量作為輸入電壓函數(shù)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速。馬達(dá)帶動(dòng)“分度盤(pán)”旋轉(zhuǎn)，并由反射型紅外發(fā)射器 － 探測(cè)器檢測(cè)。通過(guò)調(diào)整紅外傳感器位置得到與馬達(dá)速度相關(guān)的方波輸出。馬達(dá)的電壓和速度信號(hào)被讀入數(shù)據(jù)采集裝置。通過(guò)實(shí)踐這一采集技術(shù)，使授課內(nèi)容覆蓋各種類(lèi)型的測(cè)量、信號(hào)和測(cè)量技術(shù)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也使學(xué)生獲得豐富的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)。這樣保證了測(cè)量理論和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，是所學(xué)知識(shí)和技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的完美結(jié)合。帶 VEE 軟件的Agilent U2350系列USB數(shù)據(jù)采集單元就是很好的例子，它使人們把注意力集中到基本電路與測(cè)量系統(tǒng)的連接，而由熟悉的程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，通過(guò)容易的分析了解馬達(dá)最大額定值，加速和減速曲線及其它相關(guān)測(cè)量。U2350系列USB數(shù)據(jù)采集裝置提供每通道高達(dá)16bit 和500K的采樣率，使其成為測(cè)量，甚至產(chǎn)生預(yù)定義波形的理想解決方案。 VEE 軟件是功能強(qiáng)大的補(bǔ)充工具，它可以讀取整個(gè)跡線或波形，而不限于單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并能通過(guò)編程執(zhí)行實(shí)例分析。學(xué)生們可通過(guò)最少的學(xué)時(shí)，用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最新技術(shù)完成精確的測(cè)量。Agilent 已經(jīng)開(kāi)發(fā)了為高校教師提供幫助的大學(xué)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室教學(xué)大綱，大綱強(qiáng)調(diào)商業(yè)實(shí)踐和為研究增加更多價(jià)值。
　　
　　讓大學(xué)生了解工業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程也很重要。典型產(chǎn)品生命期包括設(shè)計(jì)和表征，量產(chǎn)，升級(jí)，或被更新一代產(chǎn)品替代。無(wú)論處于產(chǎn)品生命期哪一階段，測(cè)試方法都保有如圖4所示的一致性。隨著半導(dǎo)體趨向于更小的集成芯片或具有更多功能和特性的 IC 封裝，儀器管理變得至關(guān)重要，更低的功耗和敏感的測(cè)試要求呼喚更緊湊和能力更強(qiáng)的測(cè)試儀器。例如在大學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室的硅納米線晶體管表征中，測(cè)量包括保持兩個(gè)電壓恒定，然后通過(guò)掃描第三個(gè)電壓得到性能特性集。這用于測(cè)試和驗(yàn)證晶體管的不同配置和實(shí)現(xiàn)。選擇測(cè)試儀器時(shí)必須考慮功耗要求。由于硅納米線晶體管在低功耗區(qū)工作，Agilent U2722A是能夠滿足電流、電壓、測(cè)量分辨率和測(cè)量速度要求的理想解決方案。也必須注意U2722A的三通道輸出能有效地提供表征能力。帶有 AMM 的U2722A操作方便，Agilent 模塊化儀器推動(dòng)著開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)，以及支持簡(jiǎn)化測(cè)試自動(dòng)化的VEE、MATLAB、LabVIEW 和Visual Studio。尤為重要的是通過(guò) AMM 中的命令記錄器和代碼轉(zhuǎn)換器特性，能容易地記錄和轉(zhuǎn)換所使用VEE、VB、C++ 和C＃的代碼片段。

　　
　　圖 4，參數(shù)測(cè)試方法 —— 強(qiáng)調(diào)儀器管理，選擇適合的設(shè)備，按被測(cè)器件確定要測(cè)試的參數(shù)，最后通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證

　　
　　圖 5，Agilent U2722A USB模塊化源∕測(cè)量單元測(cè)試納米線晶體管。這里示出器件的斷面
　　
　　半導(dǎo)體行業(yè)包括各種可用器件，包括分立元件（MOSFET，二極管，晶體管），邏輯電路（FPGA），存儲(chǔ)器器件（EEPROM存儲(chǔ)器，微處理器，DRAM），電源控制器（PWM控制器，直流到直流變換器），信號(hào)處理器（ADC，DAC，電壓 - 頻率變換器），定時(shí)處理器（振蕩器，定時(shí)器，波形發(fā)生器）和信號(hào)調(diào)整器（放大器和比較器）。U2722A及其增強(qiáng)版 U2723A是適用于半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試的強(qiáng)大高價(jià)值工具，U2941A則是為高校教師提供故障分析補(bǔ)充的有效解決方案。測(cè)試夾具提供固定元件，從而便于進(jìn)行分析和驗(yàn)證的模塊。它的參數(shù)測(cè)量管理器（PMM）軟件提供MOSFET、二極管、電阻器和 BJT 晶體管分析程序。這樣，大學(xué)本科生就能開(kāi)始利用不多的設(shè)計(jì)資源優(yōu)化測(cè)試覆蓋，從而能在未來(lái)真正的工業(yè)領(lǐng)域縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間和使產(chǎn)品更快進(jìn)入市場(chǎng)。
　　
　　結(jié)論
　　
　　隨著 Agilent 符合靈活配置、快速設(shè)置、物美價(jià)廉要求的 USB 基模塊化儀器的推出，這些儀器迅速引起電子工業(yè)和高校師生的濃厚興趣，他們要在富有挑戰(zhàn)性的世界中通過(guò)具有附加價(jià)值的儀器贏得成本優(yōu)勢(shì)。USB 基模塊化儀器家族能按變化的測(cè)量需要進(jìn)行靈活的配置 —— 容易、快速、經(jīng)濟(jì)。它可配備基本教學(xué)實(shí)驗(yàn)室和研究實(shí)驗(yàn)室，承擔(dān)從一般性應(yīng)用到先進(jìn)和深入的材料分析和物理分析的各種項(xiàng)目。Agilent USB模塊化儀器家族包括示波器，函數(shù)發(fā)生器，數(shù)字萬(wàn)用表 （DMM），源∕測(cè)量單元，開(kāi)關(guān)矩陣和數(shù)據(jù)采集器，它們有便于攜帶的外形結(jié)構(gòu)，又有臺(tái)式精密儀器般的測(cè)量能力。在研究實(shí)驗(yàn)室中，USB模塊化儀器可自動(dòng)執(zhí)行各種表征。