【虹科案例】虹科數(shù)字化儀在多通道、多功能測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

電子測(cè)試測(cè)量在需求的驅(qū)動(dòng)下，繼續(xù)朝著多通道、多功能儀器的方向發(fā)展。使用并行和陣列拓?fù)涞谋粶y(cè)電子設(shè)備的復(fù)雜性不斷增加，這些拓?fù)湫枰愿叩乃俣冗M(jìn)行更多的測(cè)量，同時(shí)保持時(shí)間一致性。

虹科Spectrum是基于 PC 的測(cè)試和測(cè)量產(chǎn)品的引領(lǐng)者，現(xiàn)在擁有完整的 PCIe 卡陣容，如圖 1 所示的 M2p 系列，可以創(chuàng)建經(jīng)濟(jì)的多通道測(cè)試系統(tǒng)。

圖 1：虹科M2p 系列模塊化儀器包括數(shù)字化儀、任意波形發(fā)生器和數(shù)字 I/O 卡。

M2p 系列提供 39 種不同的產(chǎn)品，分為三個(gè)不同的儀器類(lèi)別：用于模擬信號(hào)采集的數(shù)字化儀、用于模擬信號(hào)生成的任意波形發(fā)生器 (AWG)，以及可以采集或生成高速數(shù)字信號(hào)的數(shù)字 I/O 卡。本文將研究這些產(chǎn)品如何在多通道/多功能測(cè)試系統(tǒng)中用于多種測(cè)試應(yīng)用。

02

工業(yè)電機(jī)控制

圖 2：典型的電機(jī)控制系統(tǒng)使用脈沖寬度調(diào)制來(lái)控制三相電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)是使用模擬和數(shù)字信號(hào)的混合信號(hào)設(shè)備。

電動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代電子產(chǎn)品發(fā)生變化的一個(gè)很好的例子。自 1990 年代以來(lái)，電機(jī)，尤其是工業(yè)電機(jī)，已經(jīng)從電力線驅(qū)動(dòng)過(guò)渡到基于電子的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。即使是小型電機(jī)，例如占使用電機(jī) 90% 的 750 瓦以下的電機(jī)，現(xiàn)在也使用電子電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。讓我們看一個(gè)典型的電機(jī)控制器（圖 2）。

電機(jī)控制器像開(kāi)關(guān)電源一樣工作。它們對(duì)電源進(jìn)行整流和濾波，以將電源 AC 轉(zhuǎn)換為 DC 總線。便攜式設(shè)備電機(jī)使用電池為直流總線供電。該直流總線為使用脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的開(kāi)關(guān)逆變器供電。在直流電機(jī)的情況下，逆變器也用于對(duì)電機(jī)進(jìn)行換向。然后速度和角位置傳感器反饋電機(jī)速度和扭矩以完成反饋控制回路?？刂破?a target="_blank">微處理器是具有模擬和數(shù)字信號(hào)的混合信號(hào)設(shè)備。串行接口在微處理器和輔助設(shè)備（例如控制器顯示器、EEPROM、VCO 和 DAC）之間進(jìn)行通信。

這種環(huán)境非常適合虹科 M2p 系列模塊化儀器。數(shù)字化儀可以采集、顯示和分析模擬信號(hào)。而數(shù)字 I/O 模塊可以對(duì)數(shù)字信號(hào)執(zhí)行相同的操作，例如地址和數(shù)據(jù)總線中使用的數(shù)字信號(hào)。AWG 可以基于采集的信號(hào)或數(shù)學(xué)創(chuàng)建的信號(hào)來(lái)模擬傳感器信號(hào)。

圖 3：來(lái)自 BLDC 電機(jī)的三相電壓和電流。電壓波形顯示在頂行，電流顯示在中間，而電壓波形的縮放視圖顯示在底行。

作為一個(gè)實(shí)際示例，請(qǐng)考慮測(cè)量便攜式手持工具中使用的三相無(wú)刷直流 (BLDC) 電機(jī)的電壓和電流。相電壓和電流是使用 16 位、八通道虹科M2p.5968-x4數(shù)字化儀獲得的，該數(shù)字化儀以高達(dá) 125 MS/s 的速度進(jìn)行采樣。數(shù)字化儀由虹科 Spectrum SBench6 軟件控制，該軟件還用于顯示和分析測(cè)量數(shù)據(jù)，如圖 3 所示。

以 10 毫秒/秒的采樣率采集 40 毫秒的持續(xù)時(shí)間，捕獲大約 1.6 個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)周期。模擬顯示器 2（頂部中心）中的光標(biāo)測(cè)量 25 ms 的旋轉(zhuǎn)周期，作為左側(cè)信息面板中的讀數(shù)。這轉(zhuǎn)化為每分鐘 40 Hz 或 2400 轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)頻率。電壓波形顯示了 6 步換向的特性，有時(shí)也稱(chēng)為梯形控制。在電流波形中也觀察到換向，每轉(zhuǎn)六個(gè)“脈沖狀”波形段。電壓波形顯示了 PWM 電壓波形的切換特性。底部行中的水平擴(kuò)展視圖顯示了各個(gè)脈沖波形。模擬顯示器 7（底部中心）中的光標(biāo)測(cè)量開(kāi)關(guān)頻率為 20 kHz。

圖 4：霍爾效應(yīng)傳感器的三相允許控制器確定電機(jī)轉(zhuǎn)速以及軸的角位置。

電機(jī)控制器使用霍爾效應(yīng)傳感器的輸出來(lái)確定電機(jī)速度和軸角位置。該傳感器由三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器組成，在電機(jī)外殼內(nèi)以 120° 的間隔間隔開(kāi)。該傳感器具有三個(gè)數(shù)字輸出，每個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器各有一個(gè)。

霍爾效應(yīng)傳感器的三個(gè)相位可以通過(guò)使用虹科M2p.7515-x4數(shù)字 I/O 卡來(lái)獲取，如圖 4 所示。虹科M2p.7515-x4 可以以高達(dá)125 毫秒/秒。M2p 系列還有一個(gè)選項(xiàng)，即 M2p-Star-Hub，它允許多達(dá) 16 個(gè)不同的卡（數(shù)字化儀、AWG和數(shù)字 I/O模塊）混合和同步（共享公共時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)），形成時(shí)間相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)。

圖 5：按位和總線視圖顯示的 16 位并行數(shù)字總線。

三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器數(shù)字輸出將旋轉(zhuǎn)周期分成六個(gè)子周期，每個(gè)子周期對(duì)應(yīng) 60° 的旋轉(zhuǎn)。圖底部的彩色方框顯示了電機(jī)電樞單次旋轉(zhuǎn)期間出現(xiàn)的六個(gè)傳感器輸出狀態(tài)。霍爾效應(yīng)傳感器允許電機(jī)控制器確定電機(jī)速度和角位置。它使用六個(gè)傳感器狀態(tài)來(lái)?yè)Q向電機(jī)繞組以保持旋轉(zhuǎn)。32 位寬的數(shù)字 I/O 模塊還可以研究并行數(shù)字總線，如圖 5 所示。

數(shù)字信號(hào)可以按位或總線視圖顯示?？偩€視圖注釋可以十六進(jìn)制、八進(jìn)制、二進(jìn)制或有符號(hào)或無(wú)符號(hào)十進(jìn)制格式顯示。

03

科學(xué)與技術(shù)

一些電子設(shè)備，如放大器、濾波器、接收器和數(shù)字接口，必須外部激勵(lì)才能進(jìn)行測(cè)試，它們需要信號(hào)源和測(cè)量?jī)x器。虹科模塊化數(shù)字化儀和模塊化任意波形發(fā)生器 (AWG) 提供多個(gè)源和測(cè)量通道，可在帶寬、采樣率和內(nèi)存中進(jìn)行配置。將這兩種產(chǎn)品組合在一個(gè)系統(tǒng)中提供了一種非常經(jīng)濟(jì)高效的方式來(lái)滿(mǎn)足廣泛的測(cè)試要求。此示例使用由虹科 M2p.5968-x4 16 位數(shù)字化儀和 M2p.6568-x4、8 通道 125 MHz、16 位任意波形發(fā)生器組成的激勵(lì)響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)。

圖 6：開(kāi)關(guān)模式電源的功能框圖，顯示了引入一個(gè)小擾動(dòng)信號(hào)來(lái)測(cè)量電源控制環(huán)路的相位裕度。

相位裕度是一個(gè)關(guān)鍵的品質(zhì)因數(shù)，用于指示閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它是開(kāi)發(fā)和調(diào)試期間在電源中進(jìn)行的最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)量之一。測(cè)量相位裕度是源響應(yīng)測(cè)量的一個(gè)例子，它需要一個(gè)數(shù)字化儀和一個(gè)信號(hào)源。

相位裕度是在環(huán)路具有單位增益的頻率下，開(kāi)路控制環(huán)路的輸入和輸出之間的相位差。具有 360° 相移的單位增益是一種不穩(wěn)定的振蕩條件。雖然這種測(cè)量表征了反饋控制回路的開(kāi)環(huán)特性，但它最常在閉環(huán)配置中進(jìn)行測(cè)量。圖 6 中的框圖顯示了一種在保持閉環(huán)配置的同時(shí)測(cè)量開(kāi)環(huán)特性（例如相位和增益裕度）的常用技術(shù)。

圖 7：使用小的擾動(dòng)正弦波測(cè)量電源的相位裕度。單位增益發(fā)生在 2.687 kHz 的頻率上。波形之間的時(shí)間差為 -15.352 μs (-14.85°)。

一個(gè)小的擴(kuò)展電阻，在本例中為 20 歐姆，被插入控制回路中不會(huì)干擾電路正常運(yùn)行的位置。來(lái)自 AWG 的小正弦信號(hào)通過(guò)變壓器注入，隨著頻率的變化，可以通過(guò)使用數(shù)字化儀測(cè)量電壓來(lái)確定環(huán)路周?chē)脑鲆婧拖辔徊?。環(huán)路增益是在通道 2 上測(cè)得的環(huán)路輸出除以在通道 1 上測(cè)得的環(huán)路輸入的比率。還可以直接測(cè)量環(huán)路輸入和輸出之間的相位差。改變正弦波的頻率，直到輸入和輸出波形相等（單位增益，0dB）。這個(gè)頻率的相位差就是環(huán)路的相位裕度。請(qǐng)注意，此測(cè)量遇到的最大困難是準(zhǔn)確確定在電源開(kāi)關(guān)噪聲存在時(shí)遇到的小電壓。通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行平均、與正弦波激勵(lì)同步或?qū)π盘?hào)進(jìn)行濾波，可以顯著降低噪聲的影響。在此示例中，虹科 Spectrum SBench6 軟件在測(cè)量前對(duì)兩個(gè)信號(hào)應(yīng)用 20 kHz 低通濾波器，如圖 7 所示。

圖 8：由于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)值的變化，相位裕度的改善。延遲為 -17.91 μs，單位增益頻率已轉(zhuǎn)移至 6.304 kHz，相位裕度現(xiàn)在更穩(wěn)定為 -40.6°。

相位差計(jì)算為延遲乘以單位增益頻率乘以 360°。

另請(qǐng)注意，輸入和輸出波形的形狀很好地表明了環(huán)路沒(méi)有被正弦激勵(lì)過(guò)度驅(qū)動(dòng)。過(guò)載將顯示為非正弦波形。

測(cè)得的相位裕度 -14.85° 非常低。通過(guò)調(diào)整 PWM 控制器上的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)增加相位裕度。結(jié)果如圖 8 所示。相位裕度已增加到 –40.6°。這在系統(tǒng)中提供了更大的穩(wěn)定性。

04

模擬

圖 9：由虹科數(shù)字化儀捕獲的 30 秒長(zhǎng)的 ECG 波形；波形被傳輸?shù)?SBench6 函數(shù)跡線，在此可以將其導(dǎo)入 AWG。較低的縮放軌跡顯示更熟悉的竇性心律

某些開(kāi)發(fā)情況需要當(dāng)前不可用的系統(tǒng)元素。與其在缺少的部件可用之前停止工作，不如使用 AWG 模擬缺少的元素。AWG 可以通過(guò)分析或從數(shù)字化儀或示波器導(dǎo)入波形來(lái)產(chǎn)生極其廣泛的波形。一個(gè)例子是圖 9 所示的心電圖 (ECG) 信號(hào)。

采集波形后，可以通過(guò)更改其幅度和偏移量來(lái)對(duì)其進(jìn)行修改。其他波形可以與波形進(jìn)行算術(shù)組合。波形也可以被過(guò)濾。在進(jìn)行任何這些修改后，可以將生成的輸出導(dǎo)入 AWG。

AWG 還可以在輸出的波形中產(chǎn)生實(shí)時(shí)變化?？梢粤⒓醇虞d測(cè)試程序所需的所有波形，然后使用 AWG 的序列模式根據(jù)需要進(jìn)行選擇。這大大提高了測(cè)試速度，因?yàn)樗鼰o(wú)需在多個(gè)發(fā)生器之間切換，也無(wú)需加載新波形所需的時(shí)間。

圖 10：存儲(chǔ)在 AWG 波形存儲(chǔ)器中的這四種不同曼徹斯特編碼串行數(shù)據(jù)包中的任何一種都可以在計(jì)算機(jī)控制下選擇輸出，同時(shí)輸出前一個(gè)數(shù)據(jù)包。選擇數(shù)據(jù)包在 curr 后立即輸出

波形段的實(shí)時(shí)控制可以很容易地為不同的測(cè)試需求提供自適應(yīng)響應(yīng)。測(cè)量的測(cè)試結(jié)果可以改變序列順序，這可以在不停止測(cè)試過(guò)程的情況下發(fā)生。這是最強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗С肿赃m應(yīng)測(cè)試，其中測(cè)試條件可以根據(jù)測(cè)量的性能進(jìn)行更改。

考慮輸出可能在 RFID、以太網(wǎng)或汽車(chē)類(lèi)型應(yīng)用中遇到的曼徹斯特編碼串行數(shù)據(jù)流?？梢允褂?AWG 序列模式即時(shí)更改消息內(nèi)容，如圖 10 所示。

本例中有四個(gè)數(shù)據(jù)內(nèi)容不同的數(shù)據(jù)包，波形數(shù)量?jī)H受 AWG 中可用波形存儲(chǔ)器的限制。當(dāng)一個(gè)包被輸出時(shí)，下一個(gè)要輸出的包由計(jì)算機(jī)控制選擇。選擇的數(shù)據(jù)包排隊(duì)，在當(dāng)前數(shù)據(jù)包完成后無(wú)縫輸出。因此，在此示例中，四個(gè)數(shù)據(jù)包中的任何一個(gè)都可以在測(cè)試期間按需輸出。

結(jié)論

虹科M2p 系列模塊化儀器、數(shù)字化儀、AWG 或數(shù)字 I/O 卡可用于測(cè)試系統(tǒng)，它們以交互方式工作來(lái)提供混合模式信號(hào)采集和信號(hào)源。所有三個(gè)模塊化儀器類(lèi)都可以使用 Star-Hub 模塊鏈接在一起，以實(shí)現(xiàn)相位穩(wěn)定同步。作為半尺寸 PCI Express x4 模塊，M2p 卡可以直接安裝到 PC 系統(tǒng)中。PCIe 總線允許以高達(dá)每秒 700 MB 的速率與 CPU 和 GPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。模塊化設(shè)計(jì)、快速數(shù)據(jù)傳輸和先進(jìn)處理技術(shù)的結(jié)合使得創(chuàng)建功能強(qiáng)大的多通道、多功能測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)變得容易。