應用于教學方案的USB 模塊化儀器的研究

引言
　　
　　研究人員一直在尋找能夠應對科技發展挑戰的測試儀器，以滿足包括教育界在內的各行各業的需要。這里要考慮的不僅僅是教育界當前的基本需要，商業界的未來可持續發展也至關重要。雖然傳統臺式儀器引領了過去的幾十年，但更多的教育界客戶已開始接受兼具靈活性和可擴展性的模塊化儀器，這些儀器能適應基礎教學實驗室，以及從事先進電氣、電子、物理和機械工程研究實驗室的需要。
　　
　　滿足教學實驗室基本需要的USB 模塊化儀器
　　
　　電子和電信行業在過去幾年間發生了巨大的變化。持續的技術創新更加速了這樣的變化，工程師們的研究成果不斷挑戰并突破技術壁壘。為實現最佳性能，所有電子及通訊設備在設計和制造過程中都必須經過嚴格的性能驗證和測試。對致力于技術創新和改善人類生活的工程師來說，電子儀器，測量和測試知識，以及專業技能都是重要和必不可少的。
　　
　　安捷倫科技為全世界的高等院校積極開發教學解決方案。安捷倫為年輕的工程師們提供電子儀器和測量及測試專業的相關技能，幫助他們踏上工程師生涯。USB 模塊化儀器在教育部門的推廣，能在從基礎儀器到全面產品特性研究的教學中幫助學生掌握重要的基本概念。
　　
　　對基本電氣實驗的經驗涉及對儀器的熟悉程度。熟悉的儀器能幫助大學生理解電路運行和測量基本原理。理解有源濾波器工作原理就是一個這樣的例子。濾波是最重要的信號處理方法之一。模擬濾波器用于連續信號，通常認為這屬于分立元件。另一方面，有源濾波器使用著一個或多個有源器件，如晶體管或運算放大器。與無源濾波器相比，有源濾波器可以有高輸入阻抗、低輸出阻抗和幾乎任意的增益。有源濾波器的設計比無源濾波器更容易。在設計一階、二階，甚至五階濾波器時，示波器與函數發生器一起成為設計驗證的良好工具。例如把 Agilent U2761A 20MHz模塊化函數∕任意波形發生器設置為掃描時間 100ms，100Hz 至 100kHz（正弦波）掃描，觸發源設置為內部。用 Agilent U2702A模塊化200MHz數字示波器檢查三階有源濾波器的波形。通過已知電容和電阻值，就可根據相應的傳遞函數，把所測截止頻率（fc）與 fc 的計算值相比較。通過整個實驗過程，大學生將學會如何進行基本頻率和電壓測量，以及利用數字示波器的能力進行其它測量，如上升時間和信號統計。
　　
　　雖然基本測量要求相同，但模塊化儀器的能力已超出電氣工程實驗室的范圍。通用實驗室中的儀器可用于進行科學研究和監測材料化學。大學教師建立起互動的儀器系統，系統內部的反應會變得很復雜。這反過來又會阻礙精確測量和信號詳細分析的任務。例如通常用示波器來了解系統中的低頻噪音（通常為 100Hz或更低）狀況。對于這項研究，重要的是監視信號的頻域性能。Agilent U2701和U2702A 100MHz/200MHz示波器有兩個通道，可提供高達1GSa/sec采樣率，32Mpts 的深存儲器能完成實時數據分析和毛刺檢測。示波器 20種快的自動測量使其適合這些一般性的應用。此外，捆綁的安捷倫測量管理器（AMM）軟件提供直觀和類似臺式儀器的圖形用戶界面，使學生和研究人員能控制示波器和運行更便捷的自動測試。該軟件旨在幫助他們快速完成設備配置，數據記錄和采集，而不需要開發軟件程序。

　　
　　圖 1，Agilent U2701A 100MHz 示波器以用戶友好和類似臺式儀器的界面執行 FFT 分析 。這是 Agilent USB 模塊化示波器的標志性屏幕 —— 提供無需編程的配置控制。

在物理學和微電子學實驗室中，要向學生講授各種分立元件，如 BJT 晶體管、二極管、小信號 JFET 和MOSFET晶體管，以及齊納二極管的功能。學生通過這些基本元件測量所獲得的基礎知識，將使學生能進而學會如何設計、裝配和使用基本電子電路。Agilent U2941A參數測試夾具是U2722A USB模塊化源∕測量單元的補充，能使學生更多測試和掌握這些元件的特性。

　　
　　圖 2，Agilent U2941A 參數測試夾具與 U2722A USB 模塊化源∕測量單元一起測試基本分立元件
　　
　　在控制實驗室中，Agilent USB DAQ和VEE軟件可用于實現組合的前饋和反饋控制。這種控制通常用于改善可測干擾存在時的控制系統性能。反饋控制的目的是跟蹤參考，前饋控制的目的是在干擾能夠影響過程變化前抑制干擾。前饋控制的長處在于它的預測特性，在干擾進入系統前先改變至系統的系統控制信號，從而抑制對系統的干擾。這是基于對干擾性質和系統本身的認識，從而通過采取精確行動消除逼近的不利影響。因此必須有實現前饋控制的干擾和系統模型。模型越精確，前饋控制對干擾的抑制就越有效。在工業界，實現前饋控制的好處在于干擾剛剛產生時，就能避免部分批次產品的經濟損失，因為此時尚未有常規的反饋控制。工業中為得到最好效果，總是把前饋控制與反饋控制一起使用。
　　
　　教育部門一個發展中的趨勢是通過減小儀器的體積鼓勵學生借出基礎測量儀器。這樣，高年級學生就可為他們的系統測量項目組合使用各種適宜的基礎測量儀器。雖然傳統臺式儀器能進行精確的測量，但當學生要確保項目按計劃進行時，卻只能被禁錮在實驗室中。這是對傳統臺式測試儀器的挑戰。Agilent USB模塊化儀器的便攜性已引起教育工作者的極大興趣，因為它能讓學生方便地攜帶儀器離開實驗室，在項目完成所需的任何地點工作。Agilent 是模塊化儀器的主要制造商，它有 USB 形式模塊化基礎測量儀器的完整產品線。其它品種的模塊化儀器包括數字萬用表、函數發生器、源∕測量單元和開關矩陣。

　　
　　圖 3，您能從 Agilent USB 模塊化儀器“庫”容易地選擇符合項目要求的儀器

　適合商業化的 USB 模塊化儀器
　　
　　高校教師也強調產品的商業化價值。由于可擴展性和靈活性帶來的各種好處，PC基儀器的重要性為商界所公認。它的可持續性成為行將就業大學生獲得工業領域實際經驗的很好平臺。例如在替代能源和減少對化石燃料依賴這些人們關注的領域，許多研究實驗室正在尋找更高能效的引擎和使用替代能源的引擎。電動汽車就是這類研究成果的例子。在引擎和燃油技術開發中，引擎性能測試是非常重要的。有許多影響引擎性能的因素：基本引擎設計、燃油、潤滑、壓縮比、閥門定時、點火定時和溫度。其中最關鍵的因素是引擎功率控制、油耗和排放，這是相對消耗空氣量的攝入燃油量。它以空氣∕燃油比表示，也就是使用的空氣量除以燃燒的燃油量。通常較大的引擎由計算機控制的燃油噴射調節空氣∕燃油比，而較小引擎仍使用化油器控制空氣∕燃油比。精調引擎化油器需要仔細測量作為油門位置函數的扭矩、速度、溫度和油耗。安捷倫的USB數據采集（DAQ）模塊為引擎測試提供低價和靈活的解決方案。
　　
　　為了在實驗室測試引擎性能，通常把引擎耦合到拉力計，這可以是引擎拉力計（直接接到引擎輸出軸）或底盤拉力計（接到驅動輪）。拉力計提供引擎負荷，能通過容易的控制測試寬范圍的扭矩和速度。這對于表征給定負荷下的馬達扭矩是非常重要的。常見的工業方法是測量作為輸入電壓函數的馬達轉速。馬達帶動“分度盤”旋轉，并由反射型紅外發射器 － 探測器檢測。通過調整紅外傳感器位置得到與馬達速度相關的方波輸出。馬達的電壓和速度信號被讀入數據采集裝置。通過實踐這一采集技術，使授課內容覆蓋各種類型的測量、信號和測量技術，實驗內容也使學生獲得豐富的測量經驗。這樣保證了測量理論和實驗經驗，是所學知識和技術實際應用的完美結合。帶 VEE 軟件的Agilent U2350系列USB數據采集單元就是很好的例子，它使人們把注意力集中到基本電路與測量系統的連接，而由熟悉的程序實現自動化測量，通過容易的分析了解馬達最大額定值，加速和減速曲線及其它相關測量。U2350系列USB數據采集裝置提供每通道高達16bit 和500K的采樣率，使其成為測量，甚至產生預定義波形的理想解決方案。 VEE 軟件是功能強大的補充工具，它可以讀取整個跡線或波形，而不限于單個數據點，并能通過編程執行實例分析。學生們可通過最少的學時，用數據采集系統的最新技術完成精確的測量。Agilent 已經開發了為高校教師提供幫助的大學機械實驗室教學大綱，大綱強調商業實踐和為研究增加更多價值。
　　
　　讓大學生了解工業產品開發過程也很重要。典型產品生命期包括設計和表征，量產，升級，或被更新一代產品替代。無論處于產品生命期哪一階段，測試方法都保有如圖4所示的一致性。隨著半導體趨向于更小的集成芯片或具有更多功能和特性的 IC 封裝，儀器管理變得至關重要，更低的功耗和敏感的測試要求呼喚更緊湊和能力更強的測試儀器。例如在大學研究實驗室的硅納米線晶體管表征中，測量包括保持兩個電壓恒定，然后通過掃描第三個電壓得到性能特性集。這用于測試和驗證晶體管的不同配置和實現。選擇測試儀器時必須考慮功耗要求。由于硅納米線晶體管在低功耗區工作，Agilent U2722A是能夠滿足電流、電壓、測量分辨率和測量速度要求的理想解決方案。也必須注意U2722A的三通道輸出能有效地提供表征能力。帶有 AMM 的U2722A操作方便，Agilent 模塊化儀器推動著開放體系結構，以及支持簡化測試自動化的VEE、MATLAB、LabVIEW 和Visual Studio。尤為重要的是通過 AMM 中的命令記錄器和代碼轉換器特性，能容易地記錄和轉換所使用VEE、VB、C++ 和C＃的代碼片段。

　　
　　圖 4，參數測試方法 —— 強調儀器管理，選擇適合的設備，按被測器件確定要測試的參數，最后通過分析測試數據進行設計驗證

　　
　　圖 5，Agilent U2722A USB模塊化源∕測量單元測試納米線晶體管。這里示出器件的斷面
　　
　　半導體行業包括各種可用器件，包括分立元件（MOSFET，二極管，晶體管），邏輯電路（FPGA），存儲器器件（EEPROM存儲器，微處理器，DRAM），電源控制器（PWM控制器，直流到直流變換器），信號處理器（ADC，DAC，電壓 - 頻率變換器），定時處理器（振蕩器，定時器，波形發生器）和信號調整器（放大器和比較器）。U2722A及其增強版 U2723A是適用于半導體參數測試的強大高價值工具，U2941A則是為高校教師提供故障分析補充的有效解決方案。測試夾具提供固定元件，從而便于進行分析和驗證的模塊。它的參數測量管理器（PMM）軟件提供MOSFET、二極管、電阻器和 BJT 晶體管分析程序。這樣，大學本科生就能開始利用不多的設計資源優化測試覆蓋，從而能在未來真正的工業領域縮短產品開發時間和使產品更快進入市場。
　　
　　結論
　　
　　隨著 Agilent 符合靈活配置、快速設置、物美價廉要求的 USB 基模塊化儀器的推出，這些儀器迅速引起電子工業和高校師生的濃厚興趣，他們要在富有挑戰性的世界中通過具有附加價值的儀器贏得成本優勢。USB 基模塊化儀器家族能按變化的測量需要進行靈活的配置 —— 容易、快速、經濟。它可配備基本教學實驗室和研究實驗室，承擔從一般性應用到先進和深入的材料分析和物理分析的各種項目。Agilent USB模塊化儀器家族包括示波器，函數發生器，數字萬用表 （DMM），源∕測量單元，開關矩陣和數據采集器，它們有便于攜帶的外形結構，又有臺式精密儀器般的測量能力。在研究實驗室中，USB模塊化儀器可自動執行各種表征。