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源响应测试(Source-Response-Testing):兼具AWG与数字化仪于一体的设备

2020-09-16
作者:Oliver Rovini,Arthur Pini
来源:Spectrum仪器

电子测试通常分为两类。第一类是自激电子设备,如电源、振荡器、发射机和信号发生器。他们使用数字化仪、示波器或频谱分析仪等数据采集设备进行测试。第二类测试所需设备包括放大器、滤波器、接收器和数字接口等。这些设备必须由信号源外部激发,才能使用信号采集仪器。因此,这类测试通常被称为源响应测试

Spectrum 仪器公司推出的hybridNETBOX,将多通道数字化仪和任意波形发生器(AWG)通过一个通用的LXI兼容仪整合,能够同时满足激发和响应监测。这是一款将测试系统容纳于一个设备的解决方案。图1为一款经典的hybridNETBOX。

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图1: DN2.806-08型号,包括8个具有16位AWG的通道,与数字化器一同置于LXI仪表箱内。

hybridNETBOX共有6个型号可选,采样和输出时钟速率为40MS/s、80MS/s及125MS/s,可通过2、4和8通道进行信号的生成和采集。每个通道的分辨率为16位,带宽高达60 MHz,与采样率成正比。该技术确保了数字化仪和AWG通道的高精准度。

AWG有2至8个通道,无论是内部还是外部的生成均通过同一个时钟和触发器实现完全同步。AWG输出电平可在±6 V时达到50欧姆,或±12 V时达到高阻抗,并有2通道和4通道可选。同时,用户亦可选择±3 V时达到50欧姆或±6 V时达到高阻抗的8通道版本。此外,4条数字I/O线显著提升了AWG功能,用户可通过编程标记脉冲和外部时钟及触发器输入。

2至8个数字化仪通道可处理大范围的输入信号,可变输入范围可从±200mv到±10v,可进行DC偏移设置,用户还能选择50 Ohm和1 MOhm输入阻抗。数字化仪可采用单端和差分模式。此外,数字化仪还提供外部时钟、触发输入以及两条供用户定义的通用数字I/O线。

hybridNETBOX与LXI完美兼容。产品可通过后面板的Gbit以太网端口,轻松与单个设备、多个设备、电脑或网络连接。hybridNETBOX可自由编程,并为Windows和Linux操作系统提供了驱动程序。

Spectrum仪器旗下产品均配有SBench 6软件工具,用于信号的控制、显示、测量、处理和生成报告。此外,设备也可以通过C++、LabVIEW、MATLAB、Visual Basic.NET、Python和其他主流编程语言实现编程。

源响应测试(Source Response Testing)

hybridNETBOX拥有8个通道,用于信号的生成和采集,是刺激反应类测试系统的理想配置。鉴于一个hybridNETBOX能产生多个发射和接收信号,完美符合了阵列MIMO或总线系统的测试和评估。hybridNETBOX适合在ATE应用中自动测试部件和组件,以确保被测试设备的功能和校准。

源响应测试示例,AC开环增益运算放大器通过一个AWG和数字化仪测量。测试电路如图2所示。

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图2: AC开环增益运算放大器测试电路,将AWG和数字化仪作为源和相应测量

该测试适用于小的AC波形,从AWG到被测的运算放大器的输入。由于放大器的增益相当高,输入信号必须衰减。一个10,000到1的电阻衰减器(R1和R2)将输入分贝降低至80。放大器U1为被测器件(DUT)。U2是一个辅助放大器,用于稳定被测器件输出的平均直流电平。

AC开环增益被用于频率函数。输入波形必须在所需测试频率范围内具有平坦的频率响应。满足此要求的波形可以是线性扫频,或是脉冲函数。通过Spectrum公司的SBench6控制和信号处理软件,AWG可通过编程轻松获得这两种信号。SBench 6可使用标准函数和数学方程创建波形,或从数字化仪或示波器导入波形。在这种情况下,使用数学方程扫描时间为1秒,可以创建从100 Hz到100 kHz的正弦扫描。正弦扫频能够提供比脉冲函数更广的动态范围。扫描信号被应用于测试电路和数字化仪测量在扫描期间的电路输出。图3显示了结果。

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图3:AC开环增益测量的四个主要步骤。信号产生(左上),输入信号频率范围验证(右上),输出信号采集(左下),从输出信号中提取频率响应(右下),即AC开环增益。

左上角的图显示了一秒内的正弦扫描输入信号,以验证振幅的平滑度。SBench6的信号处理能力包括对快速傅里叶变换(FFT)的计算。FFT如同频谱分析仪一样,能够显示信号的功率和频率。右上方的图包含输入信号的FFT,用于验证从100 Hz到kHz的平坦频率响应。左下方的图显示了运算放大器对衰减输入信号的响应。输出信号的频谱显示在右下方的图中,包括80db衰减器的振幅校正。这个波普视图是AC开环增益,显示AC增益从100 Hz到100 kHz,最大AC增益为112 dB。振幅下降频率为每八度-6 dB或每10度-20 dB,符合预期的运放。

为了是测试更简单,hybridNETBOX包含了信号源和信号采集硬件。请记住,多达8个通道的信号源和数字化器可同时进行8个并行测试。

记录回放应用程序

hybridNETBOX的另一大亮点是能够获取一个或多个信号,并根据模拟需要或需要替换丢失的组件时对其重放。例如,从三线动态心电图记录器获取和重放心电图信号。这将意味着病人无需佩戴设备亦可进行电路开发。预录信号库进一步扩展了这种模拟能力。图4为示例。

上面的三幅图显示从lead 1至lead 3所获得的信号。这些线被复制到指定为Function、Function_01和Function_02的AWG通道中。通过AWG输出前,还可以通过SBench6提供的过滤和信号处理功能对获取的通道进一步优化。

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图4:使用三线动态心电图记录器记录和回放测试策略的示例。上面三幅图中线表示从lead 1到 lead 3,此后被复杂并被三个AWG通道重放。

与之类似,一些异常的现象亦可通过这种方式处理信号,然后转移至AWG通道,并按需输出。图5展示了50Hz的异常信号通过lead 1的处理过程。最初的lead 1信号显示在左上方的图中,可以看到每个心脏周期。整个信号的FFT显示在上方中间的图中。右上方的图显示了FFT在50Hz的水平扩展视图。请注意,原始信号为50Hz。左下方的图显示了同样的lead 1信号,外加0.1V和50Hz的异常信号。有50Hz异常信号的FFT显示在底部中间的图中。一条橙色的线表示50 Hz,由于增加异常显示出振幅的增加。右下角的图的FFT约为50Hz。增加50Hz的振幅干扰也被标记下来。回放前可修改获取信号的功能,方便用户根据需要评估滤波和纠错电路的有效性。

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图5:在lead 1动态心电图信号上添加一个50 Hz的干扰信号

回声测距与测向

hybridNETBOX可利用“回声”信号的测向和测距,此类应用包括雷达、声纳、激光雷达或超声波。AWG源可生成复杂的信号,16位数字化仪可查看回波信号所需的动态范围,如图6所示。

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图6:一个透射超声脉冲和多个反射回波。

这是从测距仪获得的40 kHz超声波脉冲及回声。回波脉冲的振幅大约比透射脉冲低36 dB。因此,可以在图中直观地看到它们。通常,它们的数值要低得多! hybridNETBOX 的16位振幅分辨率非常适于此类应用,因为回波信号比透射信号低得多,并且需要动态范围来生成或检测低振幅的回波。

超声传感器在测向方面薄弱,是造成多回波的主要原因。

所有的回声测向和测距应用都遇到了这个问题,并试图通过传感器或天线的相位阵列提升测向和增益。hybridNETBOX能够生成多个发射信号并接收多通道,是测试和评估阵列系统的最佳选择。

例如一个超声成像系统,将生成的多个信号提供给一个传感器阵列。调整单个信号的延迟和衰减可以用来控制传感器阵列的输出。相控阵系统,无论是射频信号天线还是超声传感器,都是一种常见的多输入多输出(MIMO)系统。多通道AWG能够为驱动这些系统提供所需信号,从而实现对发射信号的转向。同样,多通道数字化仪可接收传输信号。图7显示了八单元超声相控阵传输系统的基本信号组成。

使用SBench6的方程式编辑器,能够轻松创建大量的信号波形。如图7左下角的插图所示。每个波形的振幅调制40 kHz余弦波。这八种波形中的每一种都比前一种延迟了25μs。调制包络线是由控制冲击时间的总坡度和决定衰减时间的指数元素组成。它们都以10 MHz计时,每个波形都使用AWG的512 MS内存中的16 kS。长波形存储非常重要,因为它决定了既定采样率的输出模拟波形的持续时间。


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图7:使用8个函数创建了8个延迟为25μs的超声波波形,其中一个函数显示于左下角插入图中。另一个插图显示了每个波形由于程序延迟的可能转向或聚焦机会。

如果八个信号分段同时到达传感器,就会产生一个一致的或侧波前(如图7右侧插图所示)。超声声学换能阵列传输信号能够通过顺序性延迟单个驱动信号来控制。在本案例中,由传感器发出的球面波前在空间上延迟,导致复合信号被向下定向。同样,如果驱动信号从阵列的外部延迟到阵列的内部,如图所示,光束可以聚焦到中心。这些相控阵能够用非机械手段控制和移动辐射波束。本例中的波形实现了转向功能。除了延时之外,对驱动信号振幅的调整还能达到其他效果。AWG用户可以完全控制波形的特性和时间,以及控制发射波前的灵活性。

结论

以上案例展示了hybridNETBOX的运用,并充分印证了信号源与测量仪器能够并存于一款仪器来单独使用,或作为设备集成于测试系统中。

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