一、引言

在新能源電池、功率半導體、柔性電子等前沿應用場景中，材料常被置于快速脈沖、電壓尖峰或大電流沖擊的復雜工況下，其導電路徑、發熱行為乃至失效機理都會隨瞬態電氣條件而劇烈變化。如果只依賴穩態直流或低頻測試，很容易低估材料在真實工作環境中的風險和性能極限。通過系統地研究電壓-電流動態特性，研發人員能夠捕捉材料在微秒到秒級時域內的響應曲線，進而量化其導電性衰減和熱穩定性等相關特性，為配方迭代、結構優化和可靠性評估提供精準依據。

本方案旨在為材料提供電壓-電流動態特性測試解決方案。通過激勵源對材料施加特定波形的電壓或電流激勵，使用數據采集系統采集經過材料后的電壓、電流等信號變化，以此分析材料的動態特性。通過對電壓和電流信號的精準采集，可以實時監測材料在不同電氣條件下的反應，幫助用戶深入了解材料在實際工作狀態下的性能表現。這一過程對于評估材料的導電性、熱穩定性和抗壓能力等特性至關重要，為材料的優化與設計提供科學數據支持。測試系統整體結構圖如下：

圖 1?測試系統整體結構圖

二、具體測試方案

2.1測試系統原理

系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括激勵源、數據采集系統。激勵源提供可編程波形輸出，波形類型、信號頻率、幅值及直流偏置均可按客戶需求自由編輯。數據采集系統通過電壓采集模塊并聯在被測材料兩端，實時采集材料上的電壓信號，同時通過電流采集模塊串聯在回路中，監測電流變化。通過數據采集與分析系統，用戶可獲取精確的電壓、電流數據，并可進行實時時域波形查看和頻譜分析。數據通過高速存儲方式保存，確保數據完整與安全。軟件部分提供一體化的數據采集與分析平臺，支持對采集的電壓和電流信號進行實時查看、存儲和導出。內置的時域波形顯示和頻譜分析功能，幫助用戶即時識別信號中的異常或頻譜特性。此外，系統可按需導出測試結果，便于后續離線分析或報告制作。

通過硬件與軟件的協同，本系統可對材料的電壓-電流動態特性進行同步測量與分析。測試時，任意波形發生器首先將設定的激勵信號（頻率、幅值、偏置均可編程）注入被測材料輸入端；電壓采集通道以并聯方式接在材料兩端，實時記錄其端電壓變化；電流測量通道則在回路中串聯電流采集模塊（或精密分流電阻），同步捕獲流經材料的電流。所有通道數據經 PXIe機框匯總并由 ASMC軟件統一時序，對應的時域波形和頻譜分析可即時顯示并高速存儲。這樣，用戶即可獲得材料在不同電氣激勵下的完整電壓-電流響應曲線，準確評估其導電特性、動態阻抗及能耗表現，為材料優化與設計提供可靠依據。測試流程圖如下：

圖 2?測試流程圖

2.2數據采集與測試分析軟件ASMC介紹

數據采集與測試分析軟件ASMC具備多項強大功能，能夠為材料的電壓-電流動態特性測試提供全方位的支持。軟件支持電壓和電流的高精度采集，能夠連續測量被測材料兩端電壓及回路電流，并確保全通道同步，保證數據的準確性與一致性。軟件還提供實時波形顯示功能，能夠在采集過程中即時呈現時域波形，幫助測試人員隨時觀察材料的響應情況，提升測試的實時性和操作便捷性。

此外，ASMC軟件具備數據自動保存功能，能夠將采樣數據實時寫入本地高速存儲，確保長時間測試過程中數據的完整性，避免漏幀現象的發生。在試驗結束后，軟件支持將數據導出為多種常用文件格式（如CSV、XLSX等），簡化離線分析與報告制作過程。

軟件界面提供靈活的參數調整功能，允許用戶實時設定各通道的采樣率與量程，并支持信號采集類型的動態更改，以滿足不同測試需求。同時，ASMC軟件內置頻譜分析與功率計算模塊，利用FFT和功率算法對采集信號進行頻域分析，并輸出平均功率、峰值等統計結果，為后續的深度數據分析和決策提供有力支持。

通過這些功能，ASMC軟件能夠全面滿足材料電氣性能測試中的各種需求，確保測試過程中的數據采集、分析及報告制作的高效性與準確性。軟件示意圖如下：

圖 3?數據采集與測試分析軟件示意圖

2.3測試系統核心參數

本測試系統具備多項關鍵參數，確保其在各種測試場景中高效、精準地運行。系統提供8路可配置輸入通道，支持電壓、IEPE、電流、應變橋、RTD等信號類型，能夠靈活應對不同的測量需求。信號類型包括電壓（±2 mV ~ ±100 V）、IEPE（±100 mV ~ ±10 V）、電橋（±1 mV ~ ±1000 mV）、電阻（10 Ω ~ 30 kΩ）、電流（±30 mA）、MSI計數/熱電偶/LVDT等。系統的最大采樣率為每通道0 S/s ~ 5 MS/s，確保對高頻率信號的采集。采樣分辨率在0 ~ 2 MS/s范圍內為24位，而在大于2 ~ 5 MS/s時為18位，以適應不同精度要求。

系統的模擬帶寬為2 MHz，能夠滿足常見測試信號頻段的需求，并且提供了通道與機箱之間的隔離等級為±350 V DC，保證了在復雜環境下的穩定性。額定輸入耐壓（對地）為33 V RMS / 46.7 V PEAK / 70 V DC，具備較強的抗干擾能力。參考校準端口采用SMB接口（LEMO版本專用），方便進行系統的校準與參考。系統還配備了512 MB的板載數據緩沖，確保數據存儲的高效性和連續性。

為了實現數據同步或外部總線采集，系統提供了一個高速CAN 2.0接口。用戶可選配AOUT-8版本，提供隔離的模擬輸出，支持±5 V、±10 V或±30 mA的輸出范圍，以滿足不同的測試需求。輸入接插件方面，系統提供8通道0B-LEMO接口（或4通道D-SUB/BNC，視版本而定），確保多樣化的接入方式。工作環境方面，系統的工作溫度范圍為0 ℃ ~ +45 ℃，存儲溫度為-20 ℃ ~ +70 ℃，并且支持10 % ~ 80 %（非冷凝）的工作濕度，以及5 % ~ 95 %的存儲濕度，適應多種環境條件。

在可靠性方面，系統的MTBF（平均故障間隔時間）為2M采樣率版為196,187小時，5M采樣率版為93,843小時，體現了其高穩定性。功耗方面，系統在不同模式下的典型功耗為：電壓模式 ≤ 15 W；IEPE模式 15 W / 19 W；橋式模式 18 W / 21 W。該測試系統為PXIe 3U單槽模塊，占用空間小，適合緊湊的測試環境。

這些核心參數確保了系統在高精度和高效率的測試過程中能夠穩定運行，滿足多種測試需求，提供可靠的數據采集與分析支持。

三、方案優勢特點

1. 同步電壓 /電流測量：單張 PXIe采集卡提供8路可配置電壓或電流通道。
2. 高精度 /采樣模式隨時切換：采樣率在 0–2 MS/s時維持 24 bit分辨率，提升至 2–5 MS/s時自動切換為 16 bit，既保證穩態測試的高精度，又滿足瞬態沖擊測量的高速需求。
3. 多量程輸入一體化：同一模塊即可混采 ±2 mV ~ ±100 V電壓、±30 mA電流、IEPE、橋式應變、RTD等多種信號，省去切換采集模塊的時間。
4. 2MHz帶寬 +通道隔離：高模擬帶寬配合全通道 /通道-機箱隔離，有效抑制共模噪聲，保障高頻與大共模場景下的數據完整性。
5. 任意波形激勵與自由編輯：激勵波的類型、頻率、幅值、直流偏置均可腳本設定；波形確定后可一鍵發出，縮短用例準備與重復迭代時間。
6. 硬件時鐘級同步：采集模塊共用 PXIe時基，毫秒級對齊電壓并聯和電流串聯通道，為功率計算和頻譜分析提供高精度時間基準。
7. 高速數據存儲保障：采集數據實時寫入機框內高速存儲卡，滿足長時高頻測試，確保原始波形完整留存。
8. 一鍵數據導出與報告生成：采集完成后，ASMC軟件可將電壓、電流原始數據及頻譜分析結果一鍵導出為常用文件格式，并自動生成測試報告，便于后續歸檔與共享。

四、硬件核心產品介紹

4.1多功能采集卡

ASMC-PXIe-4054多功能采集卡專為電壓-電流動態特性測試而設計，單槽 3U PXIe形態集成 8路可編程輸入，可按需切換為高精度電壓（±2 mV-±100 V）、電流（±30 mA）、IEPE、橋式應變或 RTD熱電阻測量，同卡即可同步接入熱電偶與 LVDT等輔助信號。每通道采樣率最高 5 MS/s，其中 0-2 MS/s保持 24 bit分辨率，2-5 MS/s為 18 bit，配合 2 MHz模擬帶寬和 512 MB板載緩沖，可無丟幀記錄瞬態沖擊與穩態漂移。通道-通道及通道-機箱隔離等級達 ±350 V DC，額定耐壓 33 V RMS，確保在高共模噪聲場景下依舊獲得干凈波形。板上預留 1個高速 CAN 2.0口用于同步采集外部總線數據；AOUT-8版本還提供隔離 ±5 V / ±10 V或 ±30 mA模擬輸出，方便閉環控制或校準。卡片工作溫度 0 °C-45 °C，存儲溫度 ?20°C-70°C，典型功耗 ≤ 15 W（電壓模式），是 PXIe機框中實現多物理量同步采樣、功耗計算與頻譜分析的核心組件。采集卡核心參下：

1. 輸入通道：4-8路（可配置為：電壓、IEPE、電流、橋式應變、RTD等）
2. 信號量程：電壓 ±2 mV ~ ±100 V；電流 ±30 mA；電阻 10 Ω ~ 30 kΩ
3. 最大采樣率：5 MS/s（每通道）
4. 分辨率：0 ~ 2 MS/s時 24 bit；> 2 ~ 5 MS/s時 18 bit
5. 模擬帶寬：2 MHz
6. 隔離等級：通道-通道 /通道-機箱 ±350 V DC
7. 板載緩沖：512 MB
8. 高速接口：PXIe 3U單槽，集成 1 × CAN 2.0同步端口
9. 輸出選件：AOUT-8版本提供隔離 ±5 V / ±10 V / ±30 mA模擬輸出
10. 工作溫度范圍：0 ℃ ~ +45 ℃；存儲 ?20℃ ~ +70 ℃

圖 4 度緯PXIe采集卡產品圖

4.2任意波形發生器

?激勵源選用 SDG7052A任意波形發生器，雙通道差分/單端輸出，模擬帶寬 500 MHz， 14-bit DAC。儀器可在 0.01 Sa/s–2.5 GSa/s采樣率范圍內生成逐點任意波，單通道波形深度至 512 Mpts，支持段式編輯與無縫播放。最小1ns脈寬、500 ps上/下降沿脈沖輸出，內置 AM / FM / PM / FSK / ASK等多種模擬與數字調制、掃頻和脈沖串功能，并可產生 PRBS、Gaussian Noise及 16-bit高速數字總線信號。單通道最大 24 Vpp幅值疊加 ±12 V直流偏置，滿足寬幅激勵需求；通道間可耦合、跟蹤或互為調制源，便于構造復雜雙通道波形。前面板 5″觸控屏配合 USB/LAN/外觸發接口，實現本地與遠程（SCPI）雙模式控制，是材料電壓-電流特性測試中靈活可編程的高性能激勵核心。任意波形發生器核心參數如下：

1. 輸出通道：雙通道差分 /單端輸出，14-bit垂直分辨率
2. 模擬輸出帶寬：500 MHz（SDG7052A型號規格）
3. 數-模采樣率：5 GS/s；任意波采樣率 0.01 Sa/s – 2.5 GS/s，波形深度至 512 Mpt/通道
4. 最大輸出幅度：24 Vpp，可疊加 ±12 V DC偏置，滿足寬幅激勵需求
5. 最小脈沖性能：1 ns脈寬、500 ps上/下降沿，適合高速瞬態測試
6. 內置調制與掃頻：支持 AM / FM / PM / FSK / ASK等模擬、數字調制及掃頻、脈沖串功能
7. 數字/總線輸出（選件）：16-bit LVTTL / LVDS，速率最高 1 Gbps?
8. 接口配置：USB Host ×3、USB Device、LAN(VXI-11/Telnet/Socket)、外觸發 /參考時鐘 In/Out等
9. 人機交互：5英寸 800 × 480觸摸屏，支持 WebServer遠程控制與 SCPI自動化
10. 環境與尺寸：工作 0 °C – 50 °C；整機 338 mm × 113 mm × 369 mm

圖 5?任意波形發生器產品圖