源響應(yīng)測試(Source-Response-Testing)：兼具AWG與數(shù)字化儀于一體的設(shè)備

電子測試通常分為兩類。第一類是自激電子設(shè)備，如電源、振蕩器、發(fā)射機和信號發(fā)生器。他們使用數(shù)字化儀、示波器或頻譜分析儀等數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行測試。第二類測試所需設(shè)備包括放大器、濾波器、接收器和數(shù)字接口等。這些設(shè)備必須由信號源外部激發(fā)，才能使用信號采集儀器。因此，這類測試通常被稱為源響應(yīng)測試。

Spectrum 儀器公司推出的hybridNETBOX，將多通道數(shù)字化儀和任意波形發(fā)生器(AWG)通過一個通用的LXI兼容儀整合，能夠同時滿足激發(fā)和響應(yīng)監(jiān)測。這是一款將測試系統(tǒng)容納于一個設(shè)備的解決方案。圖1為一款經(jīng)典的hybridNETBOX。

圖1: DN2.806-08型號，包括8個具有16位AWG的通道，與數(shù)字化器一同置于LXI儀表箱內(nèi)。

hybridNETBOX共有6個型號可選，采樣和輸出時鐘速率為40MS/s、80MS/s及125MS/s，可通過2、4和8通道進行信號的生成和采集。每個通道的分辨率為16位，帶寬高達60 MHz，與采樣率成正比。該技術(shù)確保了數(shù)字化儀和AWG通道的高精準度。

AWG有2至8個通道，無論是內(nèi)部還是外部的生成均通過同一個時鐘和觸發(fā)器實現(xiàn)完全同步。AWG輸出電平可在±6 V時達到50歐姆，或±12 V時達到高阻抗，并有2通道和4通道可選。同時，用戶亦可選擇±3 V時達到50歐姆或±6 V時達到高阻抗的8通道版本。此外，4條數(shù)字I/O線顯著提升了AWG功能，用戶可通過編程標記脈沖和外部時鐘及觸發(fā)器輸入。

2至8個數(shù)字化儀通道可處理大范圍的輸入信號，可變輸入范圍可從±200mv到±10v，可進行DC偏移設(shè)置，用戶還能選擇50 Ohm和1 MOhm輸入阻抗。數(shù)字化儀可采用單端和差分模式。此外，數(shù)字化儀還提供外部時鐘、觸發(fā)輸入以及兩條供用戶定義的通用數(shù)字I/O線。

hybridNETBOX與LXI完美兼容。產(chǎn)品可通過后面板的Gbit以太網(wǎng)端口，輕松與單個設(shè)備、多個設(shè)備、電腦或網(wǎng)絡(luò)連接。hybridNETBOX可自由編程，并為Windows和Linux操作系統(tǒng)提供了驅(qū)動程序。

Spectrum儀器旗下產(chǎn)品均配有SBench 6軟件工具，用于信號的控制、顯示、測量、處理和生成報告。此外，設(shè)備也可以通過C++、LabVIEW、MATLAB、Visual Basic.NET、Python和其他主流編程語言實現(xiàn)編程。

源響應(yīng)測試(Source Response Testing)

hybridNETBOX擁有8個通道，用于信號的生成和采集，是刺激反應(yīng)類測試系統(tǒng)的理想配置。鑒于一個hybridNETBOX能產(chǎn)生多個發(fā)射和接收信號，完美符合了陣列MIMO或總線系統(tǒng)的測試和評估。hybridNETBOX適合在ATE應(yīng)用中自動測試部件和組件，以確保被測試設(shè)備的功能和校準。

源響應(yīng)測試示例，AC開環(huán)增益運算放大器通過一個AWG和數(shù)字化儀測量。測試電路如圖2所示。

圖2: AC開環(huán)增益運算放大器測試電路，將AWG和數(shù)字化儀作為源和相應(yīng)測量

該測試適用于小的AC波形，從AWG到被測的運算放大器的輸入。由于放大器的增益相當高，輸入信號必須衰減。一個10,000到1的電阻衰減器(R1和R2)將輸入分貝降低至80。放大器U1為被測器件(DUT)。U2是一個輔助放大器，用于穩(wěn)定被測器件輸出的平均直流電平。

AC開環(huán)增益被用于頻率函數(shù)。輸入波形必須在所需測試頻率范圍內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng)。滿足此要求的波形可以是線性掃頻，或是脈沖函數(shù)。通過Spectrum公司的SBench6控制和信號處理軟件，AWG可通過編程輕松獲得這兩種信號。SBench 6可使用標準函數(shù)和數(shù)學(xué)方程創(chuàng)建波形，或從數(shù)字化儀或示波器導(dǎo)入波形。在這種情況下，使用數(shù)學(xué)方程掃描時間為1秒，可以創(chuàng)建從100 Hz到100 kHz的正弦掃描。正弦掃頻能夠提供比脈沖函數(shù)更廣的動態(tài)范圍。掃描信號被應(yīng)用于測試電路和數(shù)字化儀測量在掃描期間的電路輸出。圖3顯示了結(jié)果。

圖3:AC開環(huán)增益測量的四個主要步驟。信號產(chǎn)生(左上)，輸入信號頻率范圍驗證(右上)，輸出信號采集(左下)，從輸出信號中提取頻率響應(yīng)(右下)，即AC開環(huán)增益。

左上角的圖顯示了一秒內(nèi)的正弦掃描輸入信號，以驗證振幅的平滑度。SBench6的信號處理能力包括對快速傅里葉變換(FFT)的計算。FFT如同頻譜分析儀一樣，能夠顯示信號的功率和頻率。右上方的圖包含輸入信號的FFT，用于驗證從100 Hz到kHz的平坦頻率響應(yīng)。左下方的圖顯示了運算放大器對衰減輸入信號的響應(yīng)。輸出信號的頻譜顯示在右下方的圖中，包括80db衰減器的振幅校正。這個波普視圖是AC開環(huán)增益，顯示AC增益從100 Hz到100 kHz，最大AC增益為112 dB。振幅下降頻率為每八度-6 dB或每10度-20 dB，符合預(yù)期的運放。

為了是測試更簡單，hybridNETBOX包含了信號源和信號采集硬件。請記住，多達8個通道的信號源和數(shù)字化器可同時進行8個并行測試。

記錄回放應(yīng)用程序

hybridNETBOX的另一大亮點是能夠獲取一個或多個信號，并根據(jù)模擬需要或需要替換丟失的組件時對其重放。例如，從三線動態(tài)心電圖記錄器獲取和重放心電圖信號。這將意味著病人無需佩戴設(shè)備亦可進行電路開發(fā)。預(yù)錄信號庫進一步擴展了這種模擬能力。圖4為示例。

上面的三幅圖顯示從lead 1至lead 3所獲得的信號。這些線被復(fù)制到指定為Function、Function_01和Function_02的AWG通道中。通過AWG輸出前，還可以通過SBench6提供的過濾和信號處理功能對獲取的通道進一步優(yōu)化。

圖4:使用三線動態(tài)心電圖記錄器記錄和回放測試策略的示例。上面三幅圖中線表示從lead 1到 lead 3，此后被復(fù)雜并被三個AWG通道重放。

與之類似，一些異常的現(xiàn)象亦可通過這種方式處理信號，然后轉(zhuǎn)移至AWG通道，并按需輸出。圖5展示了50Hz的異常信號通過lead 1的處理過程。最初的lead 1信號顯示在左上方的圖中，可以看到每個心臟周期。整個信號的FFT顯示在上方中間的圖中。右上方的圖顯示了FFT在50Hz的水平擴展視圖。請注意，原始信號為50Hz。左下方的圖顯示了同樣的lead 1信號，外加0.1V和50Hz的異常信號。有50Hz異常信號的FFT顯示在底部中間的圖中。一條橙色的線表示50 Hz，由于增加異常顯示出振幅的增加。右下角的圖的FFT約為50Hz。增加50Hz的振幅干擾也被標記下來。回放前可修改獲取信號的功能，方便用戶根據(jù)需要評估濾波和糾錯電路的有效性。

圖5:在lead 1動態(tài)心電圖信號上添加一個50 Hz的干擾信號

回聲測距與測向

hybridNETBOX可利用“回聲”信號的測向和測距，此類應(yīng)用包括雷達、聲納、激光雷達或超聲波。AWG源可生成復(fù)雜的信號，16位數(shù)字化儀可查看回波信號所需的動態(tài)范圍，如圖6所示。

圖6:一個透射超聲脈沖和多個反射回波。

這是從測距儀獲得的40 kHz超聲波脈沖及回聲?；夭}沖的振幅大約比透射脈沖低36 dB。因此，可以在圖中直觀地看到它們。通常，它們的數(shù)值要低得多! hybridNETBOX 的16位振幅分辨率非常適于此類應(yīng)用，因為回波信號比透射信號低得多，并且需要動態(tài)范圍來生成或檢測低振幅的回波。

超聲傳感器在測向方面薄弱，是造成多回波的主要原因。

所有的回聲測向和測距應(yīng)用都遇到了這個問題，并試圖通過傳感器或天線的相位陣列提升測向和增益。hybridNETBOX能夠生成多個發(fā)射信號并接收多通道，是測試和評估陣列系統(tǒng)的最佳選擇。

例如一個超聲成像系統(tǒng)，將生成的多個信號提供給一個傳感器陣列。調(diào)整單個信號的延遲和衰減可以用來控制傳感器陣列的輸出。相控陣系統(tǒng)，無論是射頻信號天線還是超聲傳感器，都是一種常見的多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)。多通道AWG能夠為驅(qū)動這些系統(tǒng)提供所需信號，從而實現(xiàn)對發(fā)射信號的轉(zhuǎn)向。同樣，多通道數(shù)字化儀可接收傳輸信號。圖7顯示了八單元超聲相控陣傳輸系統(tǒng)的基本信號組成。

使用SBench6的方程式編輯器，能夠輕松創(chuàng)建大量的信號波形。如圖7左下角的插圖所示。每個波形的振幅調(diào)制40 kHz余弦波。這八種波形中的每一種都比前一種延遲了25μs。調(diào)制包絡(luò)線是由控制沖擊時間的總坡度和決定衰減時間的指數(shù)元素組成。它們都以10 MHz計時，每個波形都使用AWG的512 MS內(nèi)存中的16 kS。長波形存儲非常重要，因為它決定了既定采樣率的輸出模擬波形的持續(xù)時間。

圖7:使用8個函數(shù)創(chuàng)建了8個延遲為25μs的超聲波波形，其中一個函數(shù)顯示于左下角插入圖中。另一個插圖顯示了每個波形由于程序延遲的可能轉(zhuǎn)向或聚焦機會。

如果八個信號分段同時到達傳感器，就會產(chǎn)生一個一致的或側(cè)波前(如圖7右側(cè)插圖所示)。超聲聲學(xué)換能陣列傳輸信號能夠通過順序性延遲單個驅(qū)動信號來控制。在本案例中，由傳感器發(fā)出的球面波前在空間上延遲，導(dǎo)致復(fù)合信號被向下定向。同樣，如果驅(qū)動信號從陣列的外部延遲到陣列的內(nèi)部，如圖所示，光束可以聚焦到中心。這些相控陣能夠用非機械手段控制和移動輻射波束。本例中的波形實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向功能。除了延時之外，對驅(qū)動信號振幅的調(diào)整還能達到其他效果。AWG用戶可以完全控制波形的特性和時間，以及控制發(fā)射波前的靈活性。

結(jié)論

以上案例展示了hybridNETBOX的運用，并充分印證了信號源與測量儀器能夠并存于一款儀器來單獨使用，或作為設(shè)備集成于測試系統(tǒng)中。