電子測試測量在需求的驅動下，繼續朝著多通道、多功能儀器的方向發展。使用并行和陣列拓撲的被測電子設備的復雜性不斷增加，這些拓撲需要以更高的速度進行更多的測量，同時保持時間一致性。

虹科Spectrum是基于 PC 的測試和測量產品的引領者，現在擁有完整的 PCIe 卡陣容，如圖 1 所示的 M2p 系列，可以創建經濟的多通道測試系統。

圖 1：虹科M2p 系列模塊化儀器包括數字化儀、任意波形發生器和數字 I/O 卡。

M2p 系列提供 39 種不同的產品，分為三個不同的儀器類別：用于模擬信號采集的數字化儀、用于模擬信號生成的任意波形發生器 (AWG)，以及可以采集或生成高速數字信號的數字 I/O 卡。本文將研究這些產品如何在多通道/多功能測試系統中用于多種測試應用。

02

工業電機控制

圖 2：典型的電機控制系統使用脈沖寬度調制來控制三相電機。控制系統是使用模擬和數字信號的混合信號設備。

電動機是現代電子產品發生變化的一個很好的例子。自 1990 年代以來，電機，尤其是工業電機，已經從電力線驅動過渡到基于電子的電機驅動。即使是小型電機，例如占使用電機 90% 的 750 瓦以下的電機，現在也使用電子電機驅動器。讓我們看一個典型的電機控制器（圖 2）。

電機控制器像開關電源一樣工作。它們對電源進行整流和濾波，以將電源 AC 轉換為 DC 總線。便攜式設備電機使用電池為直流總線供電。該直流總線為使用脈寬調制 (PWM) 信號驅動電機的開關逆變器供電。在直流電機的情況下，逆變器也用于對電機進行換向。然后速度和角位置傳感器反饋電機速度和扭矩以完成反饋控制回路。控制器微處理器是具有模擬和數字信號的混合信號設備。串行接口在微處理器和輔助設備（例如控制器顯示器、EEPROM、VCO 和 DAC）之間進行通信。

這種環境非常適合虹科 M2p 系列模塊化儀器。數字化儀可以采集、顯示和分析模擬信號。而數字 I/O 模塊可以對數字信號執行相同的操作，例如地址和數據總線中使用的數字信號。AWG 可以基于采集的信號或數學創建的信號來模擬傳感器信號。

圖 3：來自 BLDC 電機的三相電壓和電流。電壓波形顯示在頂行，電流顯示在中間，而電壓波形的縮放視圖顯示在底行。

作為一個實際示例，請考慮測量便攜式手持工具中使用的三相無刷直流 (BLDC) 電機的電壓和電流。相電壓和電流是使用 16 位、八通道虹科M2p.5968-x4數字化儀獲得的，該數字化儀以高達 125 MS/s 的速度進行采樣。數字化儀由虹科 Spectrum SBench6 軟件控制，該軟件還用于顯示和分析測量數據，如圖 3 所示。

以 10 毫秒/秒的采樣率采集 40 毫秒的持續時間，捕獲大約 1.6 個電機旋轉周期。模擬顯示器 2（頂部中心）中的光標測量 25 ms 的旋轉周期，作為左側信息面板中的讀數。這轉化為每分鐘 40 Hz 或 2400 轉的旋轉頻率。電壓波形顯示了 6 步換向的特性，有時也稱為梯形控制。在電流波形中也觀察到換向，每轉六個“脈沖狀”波形段。電壓波形顯示了 PWM 電壓波形的切換特性。底部行中的水平擴展視圖顯示了各個脈沖波形。模擬顯示器 7（底部中心）中的光標測量開關頻率為 20 kHz。

圖 4：霍爾效應傳感器的三相允許控制器確定電機轉速以及軸的角位置。

電機控制器使用霍爾效應傳感器的輸出來確定電機速度和軸角位置。該傳感器由三個霍爾效應傳感器組成，在電機外殼內以 120° 的間隔間隔開。該傳感器具有三個數字輸出，每個霍爾效應傳感器各有一個。

霍爾效應傳感器的三個相位可以通過使用虹科M2p.7515-x4數字 I/O 卡來獲取，如圖 4 所示。虹科M2p.7515-x4 可以以高達125 毫秒/秒。M2p 系列還有一個選項，即 M2p-Star-Hub，它允許多達 16 個不同的卡（數字化儀、AWG和數字 I/O模塊）混合和同步（共享公共時鐘和觸發信號），形成時間相關測量系統。

圖 5：按位和總線視圖顯示的 16 位并行數字總線。

三個霍爾效應傳感器數字輸出將旋轉周期分成六個子周期，每個子周期對應 60° 的旋轉。圖底部的彩色方框顯示了電機電樞單次旋轉期間出現的六個傳感器輸出狀態。霍爾效應傳感器允許電機控制器確定電機速度和角位置。它使用六個傳感器狀態來換向電機繞組以保持旋轉。32 位寬的數字 I/O 模塊還可以研究并行數字總線，如圖 5 所示。

數字信號可以按位或總線視圖顯示。總線視圖注釋可以十六進制、八進制、二進制或有符號或無符號十進制格式顯示。

03

科學與技術

一些電子設備，如放大器、濾波器、接收器和數字接口，必須外部激勵才能進行測試，它們需要信號源和測量儀器。虹科模塊化數字化儀和模塊化任意波形發生器 (AWG) 提供多個源和測量通道，可在帶寬、采樣率和內存中進行配置。將這兩種產品組合在一個系統中提供了一種非常經濟高效的方式來滿足廣泛的測試要求。此示例使用由虹科 M2p.5968-x4 16 位數字化儀和 M2p.6568-x4、8 通道 125 MHz、16 位任意波形發生器組成的激勵響應測試系統。

圖 6：開關模式電源的功能框圖，顯示了引入一個小擾動信號來測量電源控制環路的相位裕度。

相位裕度是一個關鍵的品質因數，用于指示閉環控制系統的穩定性。它是開發和調試期間在電源中進行的最常見的設計驗證測量之一。測量相位裕度是源響應測量的一個例子，它需要一個數字化儀和一個信號源。

相位裕度是在環路具有單位增益的頻率下，開路控制環路的輸入和輸出之間的相位差。具有 360° 相移的單位增益是一種不穩定的振蕩條件。雖然這種測量表征了反饋控制回路的開環特性，但它最常在閉環配置中進行測量。圖 6 中的框圖顯示了一種在保持閉環配置的同時測量開環特性（例如相位和增益裕度）的常用技術。

圖 7：使用小的擾動正弦波測量電源的相位裕度。單位增益發生在 2.687 kHz 的頻率上。波形之間的時間差為 -15.352 μs (-14.85°)。

一個小的擴展電阻，在本例中為 20 歐姆，被插入控制回路中不會干擾電路正常運行的位置。來自 AWG 的小正弦信號通過變壓器注入，隨著頻率的變化，可以通過使用數字化儀測量電壓來確定環路周圍的增益和相位差。環路增益是在通道 2 上測得的環路輸出除以在通道 1 上測得的環路輸入的比率。還可以直接測量環路輸入和輸出之間的相位差。改變正弦波的頻率，直到輸入和輸出波形相等（單位增益，0dB）。這個頻率的相位差就是環路的相位裕度。請注意，此測量遇到的最大困難是準確確定在電源開關噪聲存在時遇到的小電壓。通過對信號進行平均、與正弦波激勵同步或對信號進行濾波，可以顯著降低噪聲的影響。在此示例中，虹科 Spectrum SBench6 軟件在測量前對兩個信號應用 20 kHz 低通濾波器，如圖 7 所示。

圖 8：由于補償網絡值的變化，相位裕度的改善。延遲為 -17.91 μs，單位增益頻率已轉移至 6.304 kHz，相位裕度現在更穩定為 -40.6°。

相位差計算為延遲乘以單位增益頻率乘以 360°。

另請注意，輸入和輸出波形的形狀很好地表明了環路沒有被正弦激勵過度驅動。過載將顯示為非正弦波形。

測得的相位裕度 -14.85° 非常低。通過調整 PWM 控制器上的補償網絡來增加相位裕度。結果如圖 8 所示。相位裕度已增加到 –40.6°。這在系統中提供了更大的穩定性。

04

模擬

圖 9：由虹科數字化儀捕獲的 30 秒長的 ECG 波形；波形被傳輸到 SBench6 函數跡線，在此可以將其導入 AWG。較低的縮放軌跡顯示更熟悉的竇性心律

某些開發情況需要當前不可用的系統元素。與其在缺少的部件可用之前停止工作，不如使用 AWG 模擬缺少的元素。AWG 可以通過分析或從數字化儀或示波器導入波形來產生極其廣泛的波形。一個例子是圖 9 所示的心電圖 (ECG) 信號。

采集波形后，可以通過更改其幅度和偏移量來對其進行修改。其他波形可以與波形進行算術組合。波形也可以被過濾。在進行任何這些修改后，可以將生成的輸出導入 AWG。

AWG 還可以在輸出的波形中產生實時變化。可以立即加載測試程序所需的所有波形，然后使用 AWG 的序列模式根據需要進行選擇。這大大提高了測試速度，因為它無需在多個發生器之間切換，也無需加載新波形所需的時間。

圖 10：存儲在 AWG 波形存儲器中的這四種不同曼徹斯特編碼串行數據包中的任何一種都可以在計算機控制下選擇輸出，同時輸出前一個數據包。選擇數據包在 curr 后立即輸出

波形段的實時控制可以很容易地為不同的測試需求提供自適應響應。測量的測試結果可以改變序列順序，這可以在不停止測試過程的情況下發生。這是最強大的優勢，因為它支持自適應測試，其中測試條件可以根據測量的性能進行更改。

考慮輸出可能在 RFID、以太網或汽車類型應用中遇到的曼徹斯特編碼串行數據流。可以使用 AWG 序列模式即時更改消息內容，如圖 10 所示。

本例中有四個數據內容不同的數據包，波形數量僅受 AWG 中可用波形存儲器的限制。當一個包被輸出時，下一個要輸出的包由計算機控制選擇。選擇的數據包排隊，在當前數據包完成后無縫輸出。因此，在此示例中，四個數據包中的任何一個都可以在測試期間按需輸出。

結論

虹科M2p 系列模塊化儀器、數字化儀、AWG 或數字 I/O 卡可用于測試系統，它們以交互方式工作來提供混合模式信號采集和信號源。所有三個模塊化儀器類都可以使用 Star-Hub 模塊鏈接在一起，以實現相位穩定同步。作為半尺寸 PCI Express x4 模塊，M2p 卡可以直接安裝到 PC 系統中。PCIe 總線允許以高達每秒 700 MB 的速率與 CPU 和 GPU 進行數據傳輸。模塊化設計、快速數據傳輸和先進處理技術的結合使得創建功能強大的多通道、多功能測試和測量系統變得容易。