Spectrum儀器推出定制化多通道、多功能測試與測量系統(tǒng)

作者:Spectrum 儀器公司技術總監(jiān)Oliver Rovini

電子測試測量正朝著多渠道和多功能設備方向發(fā)展。隨著電子設備測試的日益復雜,通過陣列和并行技術進行測試就需要在時間一致的情況下以更快的速度進行更多的測量。

Spectrum儀器是以PC為基礎的測試測量產品供應商,目前擁有完整的PCIe卡產品線。圖1展示的M2p系列能夠創(chuàng)建更具經濟效益的多通道測試系統(tǒng)。

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

M2p系列產品共39款,分為三大類。數字化儀用于信號采集,AWG用于模擬信號生成,數字I/O卡能夠采集或生成高速數字信號。

本文將深入探索如何將M2p系列產品融入多渠道或多功能測試系統(tǒng),并為多個測試應用服務。

工業(yè)電機控制

電動機就是現代電子產品演變的一個很好的例子。自20世紀90年代以來,電機特別是工業(yè)電機已經從電力線驅動轉變?yōu)榛陔娮拥碾姍C驅動。750瓦以下的小型電機,幾乎90%通過電子驅動。圖2為一個典型的電機控制器。

圖2:典型的電機控制系統(tǒng)使用脈沖寬度調制控制三相電動機。該控制系統(tǒng)是兼具模擬與數字信號的混合信號裝置

電機控制器的運作類似于開關模式電源。它們通過整流和濾波將交流轉換成直流總線。便攜式電機設備通過電池為直流總線供電。該直流總線為開關逆變器供電,使用脈寬調制(PWM)信號驅動電機。直流電機的逆變器也被用于整流電機。速度與角位置傳感器使用電機的速度和轉矩完成反饋控制回路?？刂破?a target="_blank">微處理器是一種模擬信號和數字信號的混合信號裝置。串行接口在微處理器和輔助設備(如控制器顯示器、EEPROM、VCO和DAC)之間進行通信。

這種環(huán)境是M2p系列模塊化儀器的理想之選。數字化儀可以采集、顯示和分析模擬信號。數字I/O模塊也可以為數字信號做同樣的事情,譬如在地址和數據總線中的數字信號。AWG可通過采集的信號或數學生成的信號來模擬傳感器信號。

作為一個實際的案例,通過一個手持便攜式三相直流無刷電機(BLDC)測量電壓和電流。通過一個16位,8通道且采樣率為125MS/s的M2p.5968-x4數字化儀獲取相電壓和電流。數字化儀由Spectrum儀器提供的SBench6軟件控制,該軟件也用于顯示和分析測量數據,如圖3所示。

圖3:三項直流無刷電機的電壓和電流。電壓波形為最上行,電流為中間行,電壓波形的放大視圖顯示在最下行

采集時間為40 ms,采樣率為10MS/s,獲取電機旋轉的1.6個周期。模擬顯示器2(頂部中心)中的游標測量25毫秒的旋轉周期。其轉動頻率為每分鐘40Hz或2400轉。電壓波形顯示了六步換向的特性,有時稱為梯形控制。這種交換也出現在當前的電流波中,每次旋轉都有6個“脈沖”波形段。電壓波形顯示了PWM電壓波形的開關特性。底部的水平擴展視圖顯示了單個脈沖波形。模擬顯示7(底部中心)中的游標測量的開關頻率為20kHz。逆變器部分是浮動的,不接地面(地表)參考,三相增量連接使用6個差分通道,這就意味著系統(tǒng)中的12個單端通道需要2個數字化儀卡。

電機控制器使用霍爾效應傳感器的輸出來確定電機的速度和軸的角度位置。該傳感器由三個霍爾效應傳感器組成,在電機外殼內間隔120°。該傳感器有三個數字輸出,每個霍爾效應傳感器一個。

霍爾效應傳感器的三個相位可以通過M2p.7515-x4數字I/O模塊獲取。如圖4所示。M2p7515-x4可以在高達125 MS/s的采樣率下獲取或為32個數字通道提供來源。M2p系列還有一個選項,即M2p-Star-Hub可同步(共享時鐘和觸發(fā)信號)16張不同的卡片(數字化儀、AWG或數字I/O模塊),形成一個時間相關的測量系統(tǒng)。

圖4:霍爾效應傳感器的三個階段可使控制器確定電機轉速和軸的角度位置

三個霍爾效應傳感器數字輸出將旋轉周期分成六個子周期,每個子周期對應60°旋轉。在圖底部覆蓋的彩色框顯示了在電機電樞單次旋轉期間發(fā)生的六個傳感器輸出狀態(tài)。霍爾效應傳感器可使電機控制器確定電機的速度和角度位置。為了保持旋轉,它使用了六個傳感器來換向電動機繞組。

圖5所示,32位寬數字I/O模塊也可以深入調研并行數字總線。

圖5:在按位和總線視圖中顯示的16位并行數字總線

數字信號可以按位顯示,也可以按總線顯示?？偩€視圖注釋可以以十六進制、八進制、二進制或有符號或無符號十進制格式顯示。

源響應測試

有些電子設備必須在外部激發(fā)才能進行測試,諸如放大器、濾波器、接收器和數字接口。它們需要信號源和測量儀器。模塊化數字化儀和模塊化任意波形發(fā)生器(AWG)具有多個源和測量通道,可以在帶寬、采樣率和內存中配置。將兩種產品整合在一個系統(tǒng)是一種經濟有效的方法,并能滿足廣泛的測試需求。這個例子使用了刺激響應測試系統(tǒng),它是由一個Spectrum M2p.5968-x4 16位數字化儀和一個8通道、125MHz、16位的任意波形發(fā)生器組成。

相位裕度是衡量閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個重要指標。它是電源開發(fā)和調試過程中最常見的設計驗證措施之一。測量相位裕度是源響應測量的一個例子,它需要數字化儀和信號源。

相位裕度是開路控制環(huán)的輸入和輸出在該環(huán)具有單位增益的頻率上的相位差。360°相移的單位增益是一種不穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)。雖然這種測量表征了反饋控制回路的開環(huán)特性,但它最常在閉環(huán)配置中測量。圖6中的框圖顯示了一種常用的測量開環(huán)特性的技術,例如相位和增益裕度,同時保持閉環(huán)配置。

圖6:切換模式電源的功能框圖,顯示了引入一個小擾動信號來測量電源控制回路的相位裕度

在這個例子中,一個20 Ohms的小擴展電阻被插入控制回路上的一點,它不會干擾電路的正常運行。從AWG通過變壓器注入一個小的正弦信號,隨著頻率的變化環(huán)路周圍的增益和相位差可以通過測量數字化儀的電壓來確定。環(huán)路增益是在通道2上測量的環(huán)路輸出與在通道1上測量的環(huán)路輸入的比值。還可以直接測量環(huán)路輸入和輸出之間的相位差。隨著正弦波頻率的不斷變化,直到輸入和輸出波形相等(單位增益,0dB)。這個頻率下的相位差就是環(huán)路的相位裕度。請注意,這種測量遇到的最大困難就是準確測定在電源開關噪聲存在時遇到的小電壓。噪聲的影響可通過平均、與正弦波激勵同步或濾波信號來降低。在這個例子中,Spectrum儀器的 SBench6軟件在測量前對兩個信號都使用了20 kHz低通濾波器,如圖7所示。

圖7:使用擾動正弦波測量電源的相位裕度。統(tǒng)一增益發(fā)生2.687kH的頻率。波形之間的時間差為-15.352?s (-14.85°)。

相位差計算為延遲乘以單位增益頻率乘以360°。

請注意,輸入和輸出波形的形狀提供了一個很好的指示,閉環(huán)并沒有因正弦超速轉動。超速轉動會表現為非正弦波形。

-14.85°是一個非常低的測量相位裕度。通過調整PWM控制器上的補償網絡提升相位裕度。結果如圖8所示。相位裕度提高到了-40.6°,這也使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

圖8:由于補償網絡值的改變,使相位裕度提升。延遲為-17.91?s,單位增益頻率為6.304 kHz,相位裕度-40.6°更為穩(wěn)定

模擬

一些開發(fā)情況需要當前沒有的系統(tǒng)元素。與其停止工作等待缺失元素,不如通過AWG來模擬缺失的部分。AWG可以通過分析或從數字化儀或示波器導入波形來產生非常廣泛的波形。圖9所示的心電圖信號就是一個很好的例子。

圖9:數字化儀獲取的32秒心電圖波形;波形被轉移到SBench6函數跟蹤,它可以導入到AWG。

一旦獲得了波形,就可以通過修改振幅和偏移量改變它。其他波形可以與該波形進行組合運算。波形也可以過濾。完成修改后,輸出結果可以導入到AWG中。

AWG還具有實時改變輸出波形的能力。可以立即加載測試過程所需的所有波形,然后使用AWG的序列模式根據需要進行選擇。這極大提升了測試的速度,因為它不再需要在多個發(fā)電機之間切換,或加載新波形所需的時間。

波形段的實時控制使其易于提供自適應響應變化的測試需求。測試結果可以改變順序,無需中斷測試程序。這是一大優(yōu)勢,因為它支持自適應測試,其中測試條件可以根據測量的性能更改。

考慮到輸出可能在RFID、以太網或汽車類型應用中遇到的曼徹斯特編碼串行數據流?？墒褂肁WG序列模式動態(tài)更改消息內容,如圖10所示。

本例中有四個含有不同數據的數據包,波形的數量僅受AWG中可用波形存儲器的限制。當一個包被輸出時,下一個要輸出的包由計算機控制選擇。選中的包將加入隊列,在當前包完成后無縫輸出。因此在本例中,四個包中的任何一個都可以在測試期間按需輸出。

圖10:存儲在AWG波形存儲器中的四個曼徹斯特編碼串行數據包中的任何一個,都可以在計算機控制下選擇輸出并無縫銜接

結論

多個M2p系列模塊化儀器、數字化器、AWG或數字I/O卡均可用于測試系統(tǒng),它們交互工作并提供混合模式信號采集和源。所有三個模塊設備均可通過Star-Hub模塊連接在一起,以實現相位穩(wěn)定同步。作為一半大小的PCI Express x4模塊,M2p卡可以直接安裝到PC系統(tǒng)。PCIe總線允許數據傳輸,從CPU和GPU的速率高達700Mbytes/秒。模塊化設計、快速數據傳輸和先進處理技術的結合,使其易于創(chuàng)建非常強大的多通道、多功能測試和測量系統(tǒng)。M2p系列產品均可使用 SBench 6軟件,也可以使用多種第三方軟件包和編程語言進行編程。

Authors:

作者:

獨立顧問Arthur Pini

編輯：fqj