1. 概覽

傳統臺式示波器進行了優(yōu)化以滿足設計工程師的需求，這些工程師主要使用交互式儀器，優(yōu)先考慮第一次測量時間、波形可視化以及與各種探針的連接等功能。雖然新型臺式示波器通過諸如提高帶寬和添加用于分析總線協議的交鑰匙軟件以及特性優(yōu)化了這些用戶體驗，但往往還是不能滿足工程師構建自動化測試系統或高通道數高速測量系統的需求。這些工程師需要以自動化的方式采集和分析大量的數據，在該過程中，優(yōu)先考慮的特性通常包括與其他儀器的集成、尺寸和編程體驗以及數據吞吐量或執(zhí)行時間。基于這些獨特的需求，許多用戶開始尋求模塊化平臺，該平臺應既可提供臺式示波器的測量特性，而且其外形結構也針對用戶應用進行了優(yōu)化。

NI在PXI平臺中提供了種類最多的模塊化示波器，這樣您就可以優(yōu)化系統成本、密度、測量分辨率或采樣率。圖1列出了各種NI示波器的采樣率和分辨率。藍色的I / O點代表的是使用NI-SCOPE儀器驅動程序編程的軟件定義示波器，而黃色的I / O點則代表基于FPGA的數字化儀，使用的是NI可重配置I/ O（RIO）架構。

圖1.NI示波器具有具有各種分辨率和高速采樣率

圖2列出了圖1中藍色I/O點的一些具體示波器規(guī)格。這些示波器提供了用戶所希望的與傳統臺式示波器一樣的測量功能，如可選的輸入范圍、輸入耦合和阻抗、濾波器和可溯源校準。同時，它們還支持軟件前面板，并通過儀器驅動程序進行編程，這些儀器驅動程序包含預先創(chuàng)建的函數來執(zhí)行標準示波器測量，如測量上升時間、頻率和脈沖寬度或通過軟件定義功能。

圖2.從豐富的示波器產品組合中選擇適合您的產品

圖1中黃色I/O點代表基于FPGA的數字化儀,它將高速采樣率與用戶可訪問的FPGA相結合，成為板載信號處理、實時分析或自定義觸發(fā)實現的理想選擇。

圖3.通過更換適配器模塊定義應用程序的所需I / O.

NI提供一系列豐富的PXI示波器和基于FPGA的數字化儀，專為高通道數或混合信號自動化測試系統而開發(fā)。盡管這些儀器的規(guī)格從高分辨率到高速不盡相同，但是NI示波器具有以下幾個共同的關鍵屬性，可針對這些應用優(yōu)化示波器，這些屬性包括：

• 與其他儀器緊密的集成和同步
• 可存儲和傳輸大量數據
• 高通道密度
• 自定義觸發(fā)和板載信號處理
• 快速進行測量、編程和調試的全面軟件體驗

2. 混合信號或高通道數系統的同步和集成

混合信號測試系統是由信號源、測量設備和開關等各種類型的儀器組成的。NI PXI示波器通過將PXI平臺的優(yōu)勢與NI專利技術相結合，實現了與其他儀器的緊密集成和同步。借助PXI系統和NI模塊化儀器，您不僅可以在一個獨立、緊湊的PXI機箱中構建一個完整的測試系統，同時由于機箱中的模塊能夠以皮秒級的精度進行同步，因而也可保證測量質量和可重復性。

圖4.PXI平臺提供了種類豐富的模塊化儀器

通過同步，您可以將多個相同類型儀器的時基和觸發(fā)進行匹配以實現通道擴展的目的，或者將不同儀器的輸入和輸出緊密關聯。同步的基本方法包括共享觸發(fā)和采樣時鐘，而更先進的同步則涉及將多個不同速率的采樣時鐘對齊以及調整時鐘和觸發(fā)之間的相位延遲。 PXI架構通過PXI機箱背板均勻地分布多個觸發(fā)和采樣時鐘，從而解決其中存在的一些挑戰(zhàn)，如圖5所示。

圖5.PXI Express背板簡化了定時和同步

此外，NI示波器與信號發(fā)生器和高速數字I / O等其他儀器共享同步和存儲核心（SMC）技術。這項專利技術使用獨立的時鐘域信號來實現不同儀器之間的觸發(fā)的驅動和接收，繼而實現了皮秒級的同步。該觸發(fā)稱為Trigger Clock (TClk), 相比僅將采樣時鐘鎖定相至10 MHz參考時鐘的方法來說，顯著提高了性能。

3. 高數據吞吐量

公司在高效、準確地測試產品上需要花費很多成本。除了初始的測試設備支出外，測試時間等因素也會大大影響測試的成本。雖然每個應用都是獨一無二的，有其特定的需求，但是自動測試系統總是有一些共性。帶寬和延遲是自動化測試系統兩個最重要的因素，因為兩者的組合決定了測量系統的整體速度。

圖6.常用儀器總線的帶寬和延遲

延遲描述的是儀器響應遠程命令（如測量查詢）所需的時間量。帶寬主要指的是將測量儀器與上位機或控制器相連接的數據總線的數據吞吐容量。高帶寬總線可縮短測試時間，無論應用是一次性傳輸大量數據記錄還是連續(xù)多次傳輸少量數據記錄。PXI平臺——內置有NI高速示波器——通過PCI和PCI Express總線為各種應用提供了高帶寬、低延遲和高速率。 PXI Express是一種使用高速PCI Express總線的PXI，其系統吞吐量可達到幾個GB/ s，這取決于機箱和控制器。 PXI和PXI Express的數據吞吐量遠遠高于GPIB、USB和LAN等其他自動測試儀器常用的總線（表1）。

表1.PXI和以太網的數據吞吐量比較

4. 密度

NI PXI示波器比傳統臺式儀器更為緊湊，這意味著您能夠以比機架堆疊式測試儀小得多的體積構建混合信號自動化測試系統。占地面積小的測試系統可節(jié)省生產車間寶貴和表征實驗室的寶貴空間，同時還可通過減小重量和體積提高便攜性，此外，由于配電和冷卻需求減少，往往也會降低設備的成本和、減少測試基礎設施。

圖7.NI示波器與其他儀器相結合，可創(chuàng)建緊湊的自動化測試系統

由于大多數傳統臺式示波器的最大通道數為四個，因此如果要同時采集超過四個通道的數據，示波器的通道密度就尤其重要。臺式示波器針對低通道數臺式應用進行優(yōu)化，其上面有許多物理旋鈕和大型顯示器可用于采集和顯示數據。這些儀器的前面板占用的物理空間使得將它們堆疊在一起來實現高通道數系統變得不切實際。

PXI示波器去除了許多與傳統工具相關的冗余組件，比如個人顯示器、物理旋鈕、電源和風扇。 PXI機箱和控制器負責數據處理、數據傳輸、冷卻和為儀器供電，而用戶可通過軟件控制儀器，并且只需在一個顯示器上顯示數據。使用PXI平臺和NI示波器，您就可以在一個4U 19英寸PXI機箱內構建多達136個通道的高通道數系統。

圖8.在單個PXI機箱（19英寸4U機架）中組合多達68個或136個示波器通道，實現高速采集系統

5. 軟件定義的儀器

如今大多數測試儀器將FPGA與固定的固件結合來實現儀器的各種功能。NI軟件設計的示波器配備了開放式FPGA，使用戶能夠在儀器上執(zhí)行復雜算法，顯著減少了需要傳輸到主機的數據量。該示例顯示了如何在儀器上的FPGA中構建可執(zhí)行常見計算（即SFDR、SNR和SINAD）的應用程序。

圖9.這一開放式FPGA的程序框圖展示了在FPGA上計算SFDR、SNR和SINAD的架構

在上一節(jié)中，高數據吞吐量指的是增加帶寬和減少延遲。軟件設計的示波器采用所定義的開放式FPGA架構大大增強了這些優(yōu)勢。用于PXI Express的NI FlexRIO FPGA模塊模塊的一個獨特功能是，它們能夠以3 GB / s的速率在模塊之間傳輸數據，而無需使數據經過主機的芯片集。該模塊可支持多達16個這樣的數據流，簡化了復雜的多FPGA通信方案，而且不耗費主機CPU資源。有關該技術的更多信息，請參閱白皮書《點對點數據流介紹》。

圖10.在測試儀器中，開放式FPGA可用于添加觸發(fā)和后處理等功能

6. 儀器編程

示波器中最經常被忽視的其中一個功能是用來控制和編程設備以進行自動化測試和測量的軟件。但是忽視該軟件可能會導致嚴重的后果，因為軟件會顯著影響應用程序的開發(fā)時間。 NI示波器提供各種軟件工具，使您能夠快速采集數據、調試應用程序、自動化數據采集以及與其他儀器同步，從而幫助您提高生產力。

借助NI-SCOPE軟件前面板開始測量

這一交互式程序類似于傳統示波器的專用顯示器，提供了一個易于使用的界面。除了可讓用戶訪問所有NI示波器的基本功能外，它還提供了實時測量以及將數據保存到文件進行后期處理和分析的功能。這個界面使得使用NI示波器的用戶在幾秒鐘內就可輕松地開始測量。

圖11.使用NI-SCOPE軟件前面板快速進行測量

使用NI-SCOPE驅動和范例程序進行編程

為了利用基于PC的測量設備的全部功能，通過編程來定義并控制其行為是至關重要的。所有NI示波器均可使用NI-SCOPE儀器驅動程序來進行編程控制，該驅動程序提供了快速入門的高層功能以及用于訪問示波器所有功能的底層控制。此外，該驅動器包含了50多個預先編寫的示例程序，演示了如何訪問任意一種NI示波器的全部功能。NI-SCOPE儀器驅動程序可以通過多種編程語言來訪問，如LabVIEW中的圖形化語言、C + +和Visual Basic。每一種語言都有相應的編程范例。

圖12.使用NI-SCOPE驅動程序進行編程，創(chuàng)建自定義程序

7. 使用NI-TClk實現同步

多臺設備的同步是許多應用的關鍵要求，這往往會增加軟件開發(fā)時間。但是基于SMC架構的NI示波器可以利用NI-TClk幫助工程師以最少的精力實現精確的同步。 NI-TClk提供了一個高層接口，用于編程多個NI示波器、任意波形發(fā)生器、高速數字I/ O設備的同步。此外，各種預先寫好的范例也可以執(zhí)行此類同步，這使得實現和維持同步變得更加容易。下面顯示的是在LabVIEW環(huán)境實現多個PXI示波器均相同步所需要的三個函數。

圖13.在LabVIEW或LabWindows™/CVI中使用三個函數同步多個NI示波器

8. 借助示波器提高工作效率

NI示波器提供了傳統臺式示波器的測量性能，同時其外形結構針對自動化測試和高通道數應用進行了優(yōu)化。借助一系列基于PXI的示波器和基于FPGA的數字化儀，您可以優(yōu)化系統的密度、分辨率、帶寬和采樣率。此外，軟件設計的儀器可讓您使用LabVIEW FPGA模塊自定義儀器的功能，從而提供了無可比擬的靈活性。從提供開箱即用的軟件工具以快速進行測量和調試應用程序到構建完整的自動化測試程序以及在硬件上實現自定義算法，NI示波器均可為您提供最好的硬件和軟件組合，使您更高效地構建自動化測試和高通道數系統。