作者:Spectrum 儀器公司技術(shù)總監(jiān)Oliver Rovini

電子測試測量正朝著多渠道和多功能設(shè)備方向發(fā)展。隨著電子設(shè)備測試的日益復(fù)雜,通過陣列和并行技術(shù)進(jìn)行測試就需要在時間一致的情況下以更快的速度進(jìn)行更多的測量。

Spectrum儀器是以PC為基礎(chǔ)的測試測量產(chǎn)品供應(yīng)商,目前擁有完整的PCIe卡產(chǎn)品線。圖1展示的M2p系列能夠創(chuàng)建更具經(jīng)濟(jì)效益的多通道測試系統(tǒng)。

圖1:M2p系列模塊化儀器包括數(shù)字化儀、任意波形發(fā)生器和數(shù)字I/O卡

M2p系列產(chǎn)品共39款,分為三大類。數(shù)字化儀用于信號采集,AWG用于模擬信號生成,數(shù)字I/O卡能夠采集或生成高速數(shù)字信號。

本文將深入探索如何將M2p系列產(chǎn)品融入多渠道或多功能測試系統(tǒng),并為多個測試應(yīng)用服務(wù)。

工業(yè)電機(jī)控制

電動機(jī)就是現(xiàn)代電子產(chǎn)品演變的一個很好的例子。自20世紀(jì)90年代以來,電機(jī)特別是工業(yè)電機(jī)已經(jīng)從電力線驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛陔娮拥碾姍C(jī)驅(qū)動。750瓦以下的小型電機(jī),幾乎90%通過電子驅(qū)動。圖2為一個典型的電機(jī)控制器。

圖2:典型的電機(jī)控制系統(tǒng)使用脈沖寬度調(diào)制控制三相電動機(jī)。該控制系統(tǒng)是兼具模擬與數(shù)字信號的混合信號裝置

電機(jī)控制器的運作類似于開關(guān)模式電源。它們通過整流和濾波將交流轉(zhuǎn)換成直流總線。便攜式電機(jī)設(shè)備通過電池為直流總線供電。該直流總線為開關(guān)逆變器供電,使用脈寬調(diào)制(PWM)信號驅(qū)動電機(jī)。直流電機(jī)的逆變器也被用于整流電機(jī)。速度與角位置傳感器使用電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩完成反饋控制回路。控制器微處理器是一種模擬信號和數(shù)字信號的混合信號裝置。串行接口在微處理器和輔助設(shè)備(如控制器顯示器、EEPROM、VCO和DAC)之間進(jìn)行通信。

這種環(huán)境是M2p系列模塊化儀器的理想之選。數(shù)字化儀可以采集、顯示和分析模擬信號。數(shù)字I/O模塊也可以為數(shù)字信號做同樣的事情,譬如在地址和數(shù)據(jù)總線中的數(shù)字信號。AWG可通過采集的信號或數(shù)學(xué)生成的信號來模擬傳感器信號。

作為一個實際的案例,通過一個手持便攜式三相直流無刷電機(jī)(BLDC)測量電壓和電流。通過一個16位,8通道且采樣率為125MS/s的M2p.5968-x4數(shù)字化儀獲取相電壓和電流。數(shù)字化儀由Spectrum儀器提供的SBench6軟件控制,該軟件也用于顯示和分析測量數(shù)據(jù),如圖3所示。

圖3:三項直流無刷電機(jī)的電壓和電流。電壓波形為最上行,電流為中間行,電壓波形的放大視圖顯示在最下行

采集時間為40 ms,采樣率為10MS/s,獲取電機(jī)旋轉(zhuǎn)的1.6個周期。模擬顯示器2(頂部中心)中的游標(biāo)測量25毫秒的旋轉(zhuǎn)周期。其轉(zhuǎn)動頻率為每分鐘40Hz或2400轉(zhuǎn)。電壓波形顯示了六步換向的特性,有時稱為梯形控制。這種交換也出現(xiàn)在當(dāng)前的電流波中,每次旋轉(zhuǎn)都有6個“脈沖”波形段。電壓波形顯示了PWM電壓波形的開關(guān)特性。底部的水平擴(kuò)展視圖顯示了單個脈沖波形。模擬顯示7(底部中心)中的游標(biāo)測量的開關(guān)頻率為20kHz。逆變器部分是浮動的,不接地面(地表)參考,三相增量連接使用6個差分通道,這就意味著系統(tǒng)中的12個單端通道需要2個數(shù)字化儀卡。

電機(jī)控制器使用霍爾效應(yīng)傳感器的輸出來確定電機(jī)的速度和軸的角度位置。該傳感器由三個霍爾效應(yīng)傳感器組成,在電機(jī)外殼內(nèi)間隔120°。該傳感器有三個數(shù)字輸出,每個霍爾效應(yīng)傳感器一個。

霍爾效應(yīng)傳感器的三個相位可以通過M2p.7515-x4數(shù)字I/O模塊獲取。如圖4所示。M2p7515-x4可以在高達(dá)125 MS/s的采樣率下獲取或為32個數(shù)字通道提供來源。M2p系列還有一個選項,即M2p-Star-Hub可同步(共享時鐘和觸發(fā)信號)16張不同的卡片(數(shù)字化儀、AWG或數(shù)字I/O模塊),形成一個時間相關(guān)的測量系統(tǒng)。

圖4:霍爾效應(yīng)傳感器的三個階段可使控制器確定電機(jī)轉(zhuǎn)速和軸的角度位置

三個霍爾效應(yīng)傳感器數(shù)字輸出將旋轉(zhuǎn)周期分成六個子周期,每個子周期對應(yīng)60°旋轉(zhuǎn)。在圖底部覆蓋的彩色框顯示了在電機(jī)電樞單次旋轉(zhuǎn)期間發(fā)生的六個傳感器輸出狀態(tài)。霍爾效應(yīng)傳感器可使電機(jī)控制器確定電機(jī)的速度和角度位置。為了保持旋轉(zhuǎn),它使用了六個傳感器來換向電動機(jī)繞組。

圖5所示,32位寬數(shù)字I/O模塊也可以深入調(diào)研并行數(shù)字總線。

圖5:在按位和總線視圖中顯示的16位并行數(shù)字總線

數(shù)字信號可以按位顯示,也可以按總線顯示。總線視圖注釋可以以十六進(jìn)制、八進(jìn)制、二進(jìn)制或有符號或無符號十進(jìn)制格式顯示。

源響應(yīng)測試

有些電子設(shè)備必須在外部激發(fā)才能進(jìn)行測試,諸如放大器、濾波器、接收器和數(shù)字接口。它們需要信號源和測量儀器。模塊化數(shù)字化儀和模塊化任意波形發(fā)生器(AWG)具有多個源和測量通道,可以在帶寬、采樣率和內(nèi)存中配置。將兩種產(chǎn)品整合在一個系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法,并能滿足廣泛的測試需求。這個例子使用了刺激響應(yīng)測試系統(tǒng),它是由一個Spectrum M2p.5968-x4 16位數(shù)字化儀和一個8通道、125MHz、16位的任意波形發(fā)生器組成。

相位裕度是衡量閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個重要指標(biāo)。它是電源開發(fā)和調(diào)試過程中最常見的設(shè)計驗證措施之一。測量相位裕度是源響應(yīng)測量的一個例子,它需要數(shù)字化儀和信號源。

相位裕度是開路控制環(huán)的輸入和輸出在該環(huán)具有單位增益的頻率上的相位差。360°相移的單位增益是一種不穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)。雖然這種測量表征了反饋控制回路的開環(huán)特性,但它最常在閉環(huán)配置中測量。圖6中的框圖顯示了一種常用的測量開環(huán)特性的技術(shù),例如相位和增益裕度,同時保持閉環(huán)配置。

圖6:切換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回路的相位裕度

在這個例子中,一個20 Ohms的小擴(kuò)展電阻被插入控制回路上的一點,它不會干擾電路的正常運行。從AWG通過變壓器注入一個小的正弦信號,隨著頻率的變化環(huán)路周圍的增益和相位差可以通過測量數(shù)字化儀的電壓來確定。環(huán)路增益是在通道2上測量的環(huán)路輸出與在通道1上測量的環(huán)路輸入的比值。還可以直接測量環(huán)路輸入和輸出之間的相位差。隨著正弦波頻率的不斷變化,直到輸入和輸出波形相等(單位增益,0dB)。這個頻率下的相位差就是環(huán)路的相位裕度。請注意,這種測量遇到的最大困難就是準(zhǔn)確測定在電源開關(guān)噪聲存在時遇到的小電壓。噪聲的影響可通過平均、與正弦波激勵同步或濾波信號來降低。在這個例子中,Spectrum儀器的 SBench6軟件在測量前對兩個信號都使用了20 kHz低通濾波器,如圖7所示。

圖7:使用擾動正弦波測量電源的相位裕度。統(tǒng)一增益發(fā)生2.687kH的頻率。波形之間的時間差為-15.352?s (-14.85°)。

相位差計算為延遲乘以單位增益頻率乘以360°。

請注意,輸入和輸出波形的形狀提供了一個很好的指示,閉環(huán)并沒有因正弦超速轉(zhuǎn)動。超速轉(zhuǎn)動會表現(xiàn)為非正弦波形。

-14.85°是一個非常低的測量相位裕度。通過調(diào)整PWM控制器上的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)提升相位裕度。結(jié)果如圖8所示。相位裕度提高到了-40.6°,這也使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

圖8:由于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)值的改變,使相位裕度提升。延遲為-17.91?s,單位增益頻率為6.304 kHz,相位裕度-40.6°更為穩(wěn)定

模擬

一些開發(fā)情況需要當(dāng)前沒有的系統(tǒng)元素。與其停止工作等待缺失元素,不如通過AWG來模擬缺失的部分。AWG可以通過分析或從數(shù)字化儀或示波器導(dǎo)入波形來產(chǎn)生非常廣泛的波形。圖9所示的心電圖信號就是一個很好的例子。

圖9:數(shù)字化儀獲取的32秒心電圖波形;波形被轉(zhuǎn)移到SBench6函數(shù)跟蹤,它可以導(dǎo)入到AWG。

一旦獲得了波形,就可以通過修改振幅和偏移量改變它。其他波形可以與該波形進(jìn)行組合運算。波形也可以過濾。完成修改后,輸出結(jié)果可以導(dǎo)入到AWG中。

AWG還具有實時改變輸出波形的能力。可以立即加載測試過程所需的所有波形,然后使用AWG的序列模式根據(jù)需要進(jìn)行選擇。這極大提升了測試的速度,因為它不再需要在多個發(fā)電機(jī)之間切換,或加載新波形所需的時間。

波形段的實時控制使其易于提供自適應(yīng)響應(yīng)變化的測試需求。測試結(jié)果可以改變順序,無需中斷測試程序。這是一大優(yōu)勢,因為它支持自適應(yīng)測試,其中測試條件可以根據(jù)測量的性能更改。

考慮到輸出可能在RFID、以太網(wǎng)或汽車類型應(yīng)用中遇到的曼徹斯特編碼串行數(shù)據(jù)流。可使用AWG序列模式動態(tài)更改消息內(nèi)容,如圖10所示。

本例中有四個含有不同數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包,波形的數(shù)量僅受AWG中可用波形存儲器的限制。當(dāng)一個包被輸出時,下一個要輸出的包由計算機(jī)控制選擇。選中的包將加入隊列,在當(dāng)前包完成后無縫輸出。因此在本例中,四個包中的任何一個都可以在測試期間按需輸出。

圖10:存儲在AWG波形存儲器中的四個曼徹斯特編碼串行數(shù)據(jù)包中的任何一個,都可以在計算機(jī)控制下選擇輸出并無縫銜接

結(jié)論

多個M2p系列模塊化儀器、數(shù)字化器、AWG或數(shù)字I/O卡均可用于測試系統(tǒng),它們交互工作并提供混合模式信號采集和源。所有三個模塊設(shè)備均可通過Star-Hub模塊連接在一起,以實現(xiàn)相位穩(wěn)定同步。作為一半大小的PCI Express x4模塊,M2p卡可以直接安裝到PC系統(tǒng)。PCIe總線允許數(shù)據(jù)傳輸,從CPU和GPU的速率高達(dá)700Mbytes/秒。模塊化設(shè)計、快速數(shù)據(jù)傳輸和先進(jìn)處理技術(shù)的結(jié)合,使其易于創(chuàng)建非常強(qiáng)大的多通道、多功能測試和測量系統(tǒng)。M2p系列產(chǎn)品均可使用 SBench 6軟件,也可以使用多種第三方軟件包和編程語言進(jìn)行編程。

Authors:

作者:

獨立顧問Arthur Pini

編輯：fqj