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虚拟示波器

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一 什么是虚拟仪器技术 虚拟仪器技术(NI)就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面,模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成,标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分,才能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开发时间少,以及出色的集成这四大优势。

编辑本段二 虚拟仪器技术的三大组成部分

1.高效的软件

软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过调用特定的程序模块,工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。NI公司提供的行业标准的图形化编程软件——NI LabVIEW,不仅能轻松方便地完成与各种软硬件的连接,更能提供强大的数据处理能力,并将分析结果有效地显示给用户。此外,NI还提供了许多其它交互式的测量工具和系统管理软件工具,例如连接设计与测试的交互式软件SignalExpress、基于ANSI-C语言的LabWindows/CVI、支持微软Visual Studio的Measurement Studio等等,这些软件均可满足客户对高性能应用的需求。
拥有了功能强大的软件,您就可以在仪器中创建智能性和决策功能,从而发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。

2.模块化的I/O硬件

面对如今日益复杂的测试测量应用,NI提供了全方位的软硬件解决方案。无论您是使用PCI, PXI, PCMCIA, USB或者是IEEE 1394总线,NI都能提供相应的模块化硬件产品,产品种类从数据采集及信号调理、模块化仪器、机器视觉、运动控制、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯,应有尽有。NI高性能的硬件产品结合灵活的开发软件,可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定义的测量系统,满足各种灵活独特的应用需求。
目前,NI已经达到了每2个工作日推出一款硬件产品的速度,大大拓宽了用户的选择面:例如NI数据采集系列产品为工程师们提供了从分布式、便携性到工业级的全方位测量测试应用的解决方案。

3.用于集成的软硬件平台

NI首先提出的专为测试任务设计的PXI硬件平台,已经成为当今测试、测量和自动化应用的标准平台,它的开放式构架、灵活性和PC技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。由NI发起的PXI系统联盟现已吸引了70家厂商,联盟属下的产品数量也已超过一千种。
PXI作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台,内建有高端的定时和触发总线,再配以各类模块化的I/O硬件和相应的测试测量开发软件 ,您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数据采集应用,还是高端的混合信号同步采集,借助PXI高性能的硬件平台,您都能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。

编辑本段三 虚拟仪器技术的四大技术优势

1 性能高

虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的,所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点,包括功能超卓的处理器和文件I/O,使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外,当前正蓬勃发展的一些新兴技术(如多核、PCI Express等)也成为推动虚拟仪器技术发展的新动力,使其展现出更强大的优势。。

2 扩展性强

NI的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于固有的、封闭的技术之中。得益于NI软件的灵活性,只需更新您的计算机或测量硬件,就能以最少的硬件投资和极少、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个现有系统。在利用最新科技的时候,您可以把它们集成到现有的测量设备,最终以较少的成本加速产品上市的时间。

3 开发时间少

在驱动和应用两个层面上,NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。NI设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户操作的同时,还提供了高灵活性和强大的功能,使您轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

4 出色的集成

虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂,工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求,而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。NI的虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口,帮助用户轻松地将多个测量设备集成到一个系统之中,减少了任务的复杂性。

编辑本段四 虚拟仪器的其他优势

1 多种产品供选择

面对目前市场上的所有测量软硬件工具,工程师们要花很多时间去学习如何使用它们,所以花时间选择合适的工具这一点至关重要。NI为您提供了种类齐全的测试测量硬件产品,从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通讯应有尽有。

2 行业标准和长期的兼容性

无论是现在还是将来,根据行业标准创建的测量和自动化系统都能使您节省开发和维护的成本。NI深知这一点对用户来说至关重要,我们也在积极地参与和推动开放式的行业标准的开发。
NI在致力于提供最先进的技术的同时保证了系统对之前版本的兼容性,所以工程师和科学家们可以在相当长的一段时间内一直使用同一个解决方案。为了获得这种长期的解决方案,NI提供了一个软件构架,它包括标准的应用程序接口(简称 API)以便在计算机、网络和操作系统不断改进的同时确保兼容性和可扩展性。

编辑本段五 虚拟仪器和传统仪器的比较

1 功能定义方式不同

虚拟仪器由用户定义,而传统仪器则功能固定且由厂商定义。
传统仪器和基于软件的虚拟仪器具有许多相同的结构组件,但是在体系结构原理上完全不同
每一个虚拟仪器系统都由两部分组成——软件和硬件。对于当前的测量任务,虚拟仪器系统的价格与具有相似功能的传统仪器相差无几,甚至比它少很多倍。而且,由于虚拟仪器在测量任务需要改变时具有更大的灵活性,因而随着时间的流逝,节省的成本也不断累计。
不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件,工程师和科学家获得了最大的用户定义的灵活性。传统仪器把所有软件和测量电路封装在一起利用仪器前面板为用户提供一组有限的功能。而虚拟仪器系统提供的则是完成测量或控制任务所需的所有软件和硬件设备,功能完全由用户自定义。此外,利用虚拟仪器计数,工程师和科学家们还可以使用高效且功能强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能。
这里有一些体现虚拟仪器灵活性的例子:
1.一个应用,不同的设备
在这个例子中, 一位工程师正在实验室的台式计算机PCI总线上使用NI LabVIEW和M系列DAQ设备开发一个应用程序,以创建一个直流(DC)电压和温度测量应用。在完成了系统构建之后,他需要在一个生产层PXI系统上配置应用程序以完成新产品的测试。或者,他可能需要应用程序具有便携性,所以他选择了NI USB DAQ产品来完成任务。在这个例子中,无论是何种选择,在这三种情况下,他都可以仅在同一个程序中使用虚拟仪器而无需改变代码。
2.许多应用程序,一个设备
假设有另外一个工程师,刚刚完成了一个利用最新的M系列DAQ设备和积分编码器测量电机位置的项目。他的下一个项目是监视和记录这个电机的功率。即使任务完全不同他也可以重用同样的M系列DAQ 设备。他所需要做的就是使用虚拟仪器软件开发出新的应用程序。此外,如果需要的话,项目既可以与一个单一的应用程序结合也可以运行在一个单一的M系列DAQ设备。

2 硬件性能的不同

NI致力于使用诸如Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx以及其他公司的商业可用技术:NI使用Microsoft在操作系统(OS)和开发工具方面的诸多技术;在硬件方面,NI则基于Analog Devices在A/D转换器方面的研究成果。
基本上,虚拟仪器系统是基于软件的,所以如果只要是可以数字化的东西,就可以对它进行测量。因此,测量硬件可在通过两根坐标轴进行评估,即分辨率(位)和频率。参考下图可以看出虚拟仪器硬件测量性能与传统仪器的比较。NI的目标就是将曲线在频率和分辨率上延伸并且在曲线内进行不断推陈出新。

3 虚拟仪器和传统仪器的兼容性

许多工程师和科学家都在实验室里将虚拟仪器和传统仪器结合使用。除此之外,一些传统仪器提供了特定的测量,工程师和科学家宁愿厂商定义也不愿自己定义。这就引出了一个问题,“虚拟仪器和传统仪器能够兼容吗?”
虚拟仪器可与传统仪器完全兼容,无一例外。虚拟仪器软件通常提供了与常用普通仪器总线 (如GPIB、串行总线和以太网) 相连接的函数库。
除了提供库之外,200多家仪器厂商也为NI仪器驱动库提供了4000余种仪器驱动。仪器驱动提供了一套高层且可读的函数以及仪器接口。每一个仪器驱动都专为仪器某一特定的模型而设计,从而为它独特的性能提供接口。

4 虚拟仪器和综合性仪器的不同

自动测试工业中一个基本的趋势就是往基于软件的测试系统的重大转变。例如,美国国防部(DoD)是世界上最大的自动测试设备(ATE)客户之一。为了减少测试系统的成本并提高重用率,DoD通过海军的NxTest计划已经确定:将来的ATE要使用建立在模块化硬件和可重复配置的软件基础上的体系结构,称为综合性仪器。采用综合性仪器代表了将来军用ATE系统标准和规范的重大发展,并且反映出可重复配置的软件处于将来系统的核心地位这一基本转变。基于软件测试系统的成功应用,例如综合性仪器,需要对硬件平台和市场上软件工具的理解,以及对系统级体系结构和仪器级体系结构之间区别的理解。
综合性仪器执行团体将综合性仪器定义为“一个可重复配置的系统,它通过标准化的接口连接一系列基本硬件和软件组件,从而发生信号或者使用数值处理技术进行测量”。这与虚拟仪器的许多性质相同,虚拟仪器是“一个软件定义的系统,其中基于用户需要的软件定义了通用测量硬件的功能”。两种定义享有共同的性质,即运行于商用硬件之上的可自定义功能的仪器。通过将测量功能转向用户可接触并可重复配置的硬件,那些采用这种体系结构的仪器从具有更大灵活性和可重复配置功能的系统中受益,而且这些系统反过来又提高了性能同时减少了成本。

编辑本段六、技术在产品测试、控制和设计中的应用

1 虚拟仪器技术在测试中的应用

测试一直是虚拟仪器技术成熟应用的领域。超过25,000家公司 (大部分是测试和测量公司) 在使用NI的虚拟仪器技术。现在,许多公司都迅速地采用了具有高达200MS/s数字化性能的产品。PXI系统联盟拥有60多个成员,提供了数以百计的产品,而且数以万计的R&D、验证和产品测试工程师和科学家正在使用成千上万的仪器驱动。
而且,现在客户对于测试的需求越来越大。随着创新的步伐越来越快,希望更多具有竞争力的新产品更快投入市场的压力也越来越大。消费者的期望在不断地增高。以电子市场为例,消费者要求不同的功能可以更低的成本在一个更小的空间得到集成。近年来经济的低迷并没有阻止革新的需要,但是却要求使用更少资源。满足这些需要是商业成功的一个因素——能够快速、一贯并且最可靠地满足这些需要的公司一定能在竞争中占有决定性的优势。
所有这些条件都驱使着对新的验证、检验和生产测试技术的高要求。一个能与创新保持同步的测试平台不是可有可无的,而是必需的。这个平台必须包含具有足够适应能力的快速测试开发工具以在整个产品开发流程中使用。产品快速上市和高效生产产品的需要要求有高吞吐量的测试技术。为了测试消费者所要求的复杂多功能产品需要精确的同步测量能力,而且随着公司不断地创新以提供有竞争力的产品,测试系统必须能够进行快速调整以满足新的测试需求。
虚拟仪器是应对这些挑战的一种革新性的解决方案。它将快速软件开发和模块化、灵活的硬件结合在一起从而创建用户定义的测试系统。虚拟仪器提供了:
用于快速测试开发的直观的软件工具
基于创新商用技术的快速、精确的模块化I/O
具有集成同步功能的基于PC的平台,以实现高精确度和高吞吐量
近来NI加速测试、控制和设计创新的一个例子就是使用LabVIEW FPGA进行编程的基于FPGA的硬件。如果工程师需要一个新的硬件性能,如板载DSP,或者新的触发模式,您甚至可以在同样的软件中定义这种性能并且将它应用在板载的FPGA上。之前,工程师和科学家已经可以通过使用LabVIEW和模块化I/O来创建高度集成的用户自定义系统,而现在他们还可以将可自定义配置功能扩展至硬件本身。这种用户可配置功能和透明度将会改进工程师构建测试系统的方式。

2 虚拟仪器技术在工业I/O和控制的的应用

PC和PLC在控制和工业应用中都发挥着十分重要的作用。PC带来了更大的软件灵活性和更多的性能,而PLC则提供了优良的稳定性和可靠性。但是随着控制需求越来越复杂,提高性能并同时保持稳定性和可靠性就成为公认的需要。
独立的工业专家们已经意识到了对工具的需要,这种工具应该能够满足不断增长的对更加复杂、动态、自适应和基于算法控制的需要。PAC正是工业的需求也是虚拟仪器技术的回答。
一个独立的研究公司定义了可编程自动控制器(PAC)来解决这个问题。ARC研究机构的Craig Resnick将PAC定义成:
多域功能(逻辑、运动、驱动和过程)——这个概念支持多种I/O类型。逻辑、运动和其他功能的集成是不断增长的复杂控制方法的要求
单一的多学科开发平台——单一的开发环境必须能支持各种I/O和控制方案
用于设计贯穿多个机器或处理单元的应用程序的软件工具——这个软件工具必须能适应分布式操作
一组de facto网络和语言标准——这个技术必须利用高投入技术
开放式、模块化体系结构——设计和技术标准与规范必须是在实现中开放的、模块化的和可集成的
PAC给PC软件的灵活性增添了PLC的稳定性和可靠性。LabVIEW软件和稳定、实时的控制硬件平台对于创建PAC是十分完美的。

3 虚拟仪器技术在产品设计中的应用

使用各种仿真设计工具的设计工程师们必须使用硬件来测试设计原型。通常,在设计阶段和测试/验证阶段之间没有一个良好的接口,这就意味着设计必须经历一个完成阶段而后进入测试/验证阶段。测试阶段发现的问题需要不断反复设计阶段。
事实上,开发过程有两个完全不同且分离的阶段——设计和测试是两个单独的实体。在设计方面,EDA工具厂商承受着巨大的压力与不断增长的半导体设计和生产集团复杂要求相互作用。工程师和科学家们要求随着产品从原理图设计到仿真再到物理层,EDA应具有从一个工具到其他的工具可重复使用设计的能力。相似地,测试系统开发正朝模块化方式发展。这两个世界之间的间隙在传统上一直被忽视,直到在新的产品原型设计阶段才第一次引起注意。传统上,这一阶段是产品设计者使用台式仪器将物理原型与他们的设计对照,进行完整性检查以获得正确性。设计者手工地进行测量,在他们的仪器上探测电路并监测信号以发现问题或性能局限。随着设计反复地经历建立-测量-调整-重建立这个过程,设计者再次需要同样的测量。此外,这些测量可能十分复杂——需要频率、幅值和温度自始至终地随所采集和分析的数据而变动。由于工程师注重于设计工具,所以他们不愿意学习如何将他们的测试自动化。
具有内在集成属性的系统容易扩展并且能适应不断增长的产品功能。一旦需要新的测试,工程师只需要简单地给平台添加新的模块以完成测量。虚拟仪器软件的灵活性和虚拟仪器硬件的模块化使得虚拟仪器成为加速开发周期的必需。

编辑本段七 虚拟示波器使用时必须注意的几个问题

虚拟示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点,其使用日益普及。由于虚拟示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异,如果使用不当,会产生较大的测量误差,从而影响测试任务。

1 区分模拟带宽和数字实时带宽

带宽是示波器最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定的值,而虚拟示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。虚拟示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽,数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子K相关(数字实时带宽=最高数字化速率/K),一般并不作为一项指标直接给出。从两种带宽的定义可以看出,模拟带宽只适合重复周期信号的测量,而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。厂家声称示波器的带宽能达到多少兆,实际上指的是模拟带宽,数字实时带宽是要低于这个值的。例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz,实际上是指其模拟带宽为500MHz,而最高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。所以在测量单次信号时,一定要参考虚拟示波器的数字实时带宽,否则会给测量带来意想不到的误差。

2 选择合适的采样速率

采样速率也称为数字化速率,是指单位时间内,对模拟输入信号的采样次数,常以MS/s表示。采样速率是虚拟示波器的一项重要指标。
1.如果采样速率不够,容易出现混迭现象
如果示波器的输人信号为一个100KHz的正弦信号,示波器显示的信号频率却是50KHz,这是怎么回事呢?这是因为示波器的采样速率太慢,产生了混迭现象。混迭就是屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率,或者即使示波器上的触发指示灯已经亮了,而显示的波形仍不稳定。混迭的产生如图1所示。那么,对于一个未知频率的波形,如何判断所显示的波形是否已经产生混迭呢?可以通过慢慢改变扫速t/div到较快的时基档,看波形的频率参数是否急剧改变,如果是,说明波形混迭已经发生;或者晃动的波形在某个较快的时基档稳定下来,也说明波形混迭已经发生。根据奈奎斯特定理,采样速率至少高于信号高频成分的2倍才不会发生混迭,如一个500MHz的信号,至少需要1GS/s的采样速率。有如下几种方法可以简单地防止混迭发生:
?调整扫速;
?采用自动设置(Autoset);
?试着将收集方式切换到包络方式或峰值检测方式,因为包络方式是在多个收集记录中寻找极值,而峰值检测方式则是在单个收集记录中寻找最大最小值,这两种方法都能检测到较快的信号变化。
?如果示波器有InstaVu采集方式,可以选用,因为这种方式采集波形速度快,用这种方法显示的波形类似于用模拟示波器显示的波形。
2.采样速率与t/div的关系
每台虚拟示波器的最大采样速率是一个定值。
但是,在任意一个扫描时间t/div,采样速率fs由下式给出:
fs=N/(t/div)N为每格采样点
当采样点数N为一定值时,fs与t/div成反比,扫速越大,采样速率越低。使用虚拟示波器时,为了避免混迭,扫速档最好置于扫速较快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺,扫速档则最好置于主扫速较慢的位置。

3 虚拟示波器的上升时间

在模拟示波器中,上升时间是示波器的一项极其重要的指标。而在虚拟示波器中,上升时间甚至都不作为指标明确给出。由于虚拟示波器测量方法的原因,以致于自动测量出的上升时间不仅与采样点的位置相关,如图2中a表示上升沿恰好落在两采样点中间,这时上升时间为数字化间隔的0.8倍。图2中的b的上升沿的中部有一采样点,则同样的波形,上升时间为数字化间隔的1.6倍。另外,上升时间还与扫速有关,虽然波形的上升时间是一个定值,而用虚拟示波器测量出来的结果却因为扫速不同而相差甚远。模拟示波器的上升时间与扫速无关,而虚拟示波器的上升时间不仅与扫速有关,还与采样点的位置有关,使用虚拟示波器时,我们不能象用模拟示波器那样,根据测出的时间来反推出信号的上升时间。
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