數(shù)字技(jì)術(shù)将推動未來(lái)儀器(qì)發展
日期：2024-07-16 22:38
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摘要：
電(diàn)子測量儀器(qì)的演變
電(diàn)子測量儀器(qì)的演化與發展從總體(tǐ)上(shàng)看沿着兩條主線展開(kāi)。一是從所采用的技(jì)術(shù)上(shàng)看,經曆了模拟儀器(qì)、數(shù)字化儀器(qì)、智能儀器(qì)的發展過程;二是從儀器(qì)結構(可(kě)擴展性)和(hé)實現形式上(shàng)看,經曆了單台儀器(qì)、模塊化儀器(qì)和(hé)虛拟儀器(qì)的發展過程。這兩條發展主線的技(jì)術(shù)基礎都是微電(diàn)子技(jì)術(shù)、數(shù)字信号處理(lǐ)技(jì)術(shù)、計(jì)算(suàn)機技(jì)術(shù),并随這些(xiē)技(jì)術(shù)的發展以及深層次的逐漸結合而發展。
但(dàn)無論儀器(qì)*終如何發展,任何一台儀器(qì)測量系統都可(kě)概括為(wèi)以下三個(gè)功能組塊:信号采集(包括傳感器(qì)電(diàn)路、信号調理(lǐ)電(diàn)路)、信号分析與處理(lǐ)、結果表達與輸出。一個(gè)具體(tǐ)的儀器(qì)各部分或許有(yǒu)增有(yǒu)減，總的架構概莫能外。
不同儀器(qì)針對的測量對象不同,傳感器(qì)的形式也不同,但(dàn)傳感器(qì)的作(zuò)用相同,即把自然界的模拟量轉換成電(diàn)信号(電(diàn)壓或電(diàn)流);信号變換和(hé)調理(lǐ)電(diàn)路對來(lái)自傳感器(qì)的電(diàn)信号進行(xíng)放大(dà)、衰減、變換(包括變頻、檢波等)、濾波以及調整到适合于AD轉化的狀态。在可(kě)以預見的未來(lái),各種傳感器(qì)、放大(dà)器(qì)、變換器(qì)還(hái)是模拟器(qì)件的領地。其中,傳感器(qì)是關鍵:傳感器(qì)決定了儀器(qì)的應用範圍;AD轉換器(qì)與信号變換調理(lǐ)電(diàn)路共同決定儀器(qì)頻帶寬度和(hé)測量精度,當然AD的作(zuò)用更為(wèi)關鍵。
信号處理(lǐ)部分的數(shù)字化、軟件化是儀器(qì)發展的必然選擇,也是虛拟儀器(qì)的發展基礎。測量就是對信息的提取,而通(tōng)過時(shí)域采樣獲得(de)的數(shù)字信号中包含有(yǒu)大(dà)多(duō)數(shù)所需要的測量信息,從未來(lái)技(jì)術(shù)發展講,如何實時(shí)地将這些(xiē)信息有(yǒu)效地提取出來(lái)是新一代測量儀器(qì)發展的瓶頸之一。
對測量對象進行(xíng)數(shù)字信号處理(lǐ),參數(shù)設置靈活,不引人(rén)額外的處理(lǐ)過程噪聲,可(kě)以擴大(dà)動态範圍和(hé)提高(gāo)測量精度,同時(shí)增強了儀器(qì)的穩定性、可(kě)靠性、靈活性。數(shù)字信号處理(lǐ)技(jì)術(shù)的應用,大(dà)大(dà)拓展了儀器(qì)的功能,儀器(qì)功能大(dà)小(xiǎo)更多(duō)地取決于儀器(qì)的數(shù)字信号處理(lǐ)能力。強大(dà)的處理(lǐ)能力對同一被測信号進行(xíng)不同形式的表征,讓測試者從不同的角度觀測同一信号,迅速達到測試目的。信号處理(lǐ)技(jì)術(shù)的應用,也大(dà)大(dà)拓展了儀器(qì)的使用範圍,儀器(qì)的使用已涉及到日常生(shēng)活、工農業生(shēng)産、**、航天等領域的各個(gè)方面。信号處理(lǐ)部分是發展*快、技(jì)術(shù)水(shuǐ)平也*高(gāo)的領域,在相當大(dà)的程度上(shàng)決定一個(gè)國家(jiā)的儀器(qì)水(shuǐ)平,是行(xíng)業核心競争力的集中體(tǐ)現。
另外高(gāo)速ADC也是決定未來(lái)測試儀器(qì)、特别是電(diàn)子測試儀器(qì)發展方向的重要因素,目前高(gāo)速ADC的采集帶寬已開(kāi)始進入微波波段,這對目前微波儀器(qì)的技(jì)術(shù)體(tǐ)制(zhì)将會(huì)産生(shēng)越來(lái)越大(dà)的影(yǐng)響。但(dàn)高(gāo)速ADC的技(jì)術(shù)對一個(gè)國家(jiā)整體(tǐ)技(jì)術(shù)水(shuǐ)平,特别對IC技(jì)術(shù)水(shuǐ)平有(yǒu)着極大(dà)的依賴關系,目前這方面的技(jì)術(shù)幾乎全被美國壟斷,這一點對國內(nèi)儀器(qì)發展的定位有(yǒu)着不可(kě)忽視(shì)的影(yǐng)響。
信号處理(lǐ)的技(jì)術(shù)路線
信号數(shù)字處理(lǐ)的實現途徑主要有(yǒu)兩種:一種是A/D十DSP(orFPGA)十D/A的形式;一種是A/D+CPU(含操作(zuò)系統)十D/A的形式。兩種結構各有(yǒu)優點。在運算(suàn)能力上(shàng),DSP和(hé)CPU是運行(xíng)軟件完成運算(suàn);而FPGA則是直接以硬件方式執行(xíng)算(suàn)法,當對特定的運算(suàn)進行(xíng)分解、執行(xíng)流水(shuǐ)操作(zuò)和(hé)并行(xíng)運算(suàn)後,其運算(suàn)速度大(dà)大(dà)超過DSP和(hé)CPU。在靈活性上(shàng)CPU*好,DSP次之,FPGA欠佳;在開(kāi)發周期和(hé)可(kě)維護性上(shàng),CPU*好,FPGA次之,DSP欠佳。采用DSP(FPGA)或者是CPU結構要針對不同的測量對象而定。通(tōng)常,DSP主要針對運算(suàn)複雜,實時(shí)性要求高(gāo)、但(dàn)程序不太大(dà),任務相對單一的場(chǎng)合:如頻譜分析儀,信号分析儀等。CPU主要針對運算(suàn)複雜,需要大(dà)量的數(shù)據和(hé)程序存儲器(qì),實時(shí)性要求适中,需要對測量數(shù)據進行(xíng)複雜的分析和(hé)處理(lǐ)的場(chǎng)合上(shàng):如邏輯分析儀,網絡分析儀,生(shēng)化分析儀等。
獨立儀器(qì)把上(shàng)述信号采集、信号處理(lǐ)、結果輸出三部分放在一個(gè)獨立的機箱。有(yǒu)操作(zuò)面闆、信号輸入輸出端口、還(hái)有(yǒu)各種通(tōng)信接口等。檢測結果輸出方式有(yǒu)數(shù)字、指針式表頭,圖形窗口等,可(kě)能還(hái)有(yǒu)打印輸出。這些(xiē)功能塊全部以硬件或固化軟件的形式存在,這就決定了傳統儀器(qì)隻能由廠家(jiā)來(lái)定義、制(zhì)造,而用戶無法改變。近幾年來(lái),獨立儀器(qì)通(tōng)常采用DSP(FPGA)結構。從信息處理(lǐ)技(jì)術(shù)的發展上(shàng)看,以FPGA為(wèi)基礎的軟件硬件化是其重要的發展方向。
虛拟儀器(qì)把信号的分析與處理(lǐ)、結果的表達與輸出放到計(jì)算(suàn)機上(shàng)來(lái)完成,或在計(jì)算(suàn)機上(shàng)插上(shàng)數(shù)據采集卡,把儀器(qì)的三個(gè)部分全部放到計(jì)算(suàn)機上(shàng)來(lái)實現。用軟件在屏幕上(shàng)生(shēng)成儀器(qì)控制(zhì)面闆,用軟件來(lái)進行(xíng)信号分析和(hé)處理(lǐ),完成多(duō)種多(duō)樣的測試;通(tōng)過計(jì)算(suàn)機屏幕形象的各種形式表達輸出檢測結果。突破了傳統儀器(qì)在數(shù)據處理(lǐ)、表達、傳送、存儲等方面的限制(zhì),達到傳統儀器(qì)無法比拟的效果。虛拟儀器(qì)通(tōng)常采用CPU結構。
電(diàn)子技(jì)術(shù)的飛速發展使虛拟儀器(qì)與獨立儀器(qì)的界線已經變得(de)越來(lái)越模糊,許多(duō)獨立儀器(qì)的設計(jì)也采用了虛拟儀器(qì)的概念,比如許多(duō)公司新推出的數(shù)字示波器(qì),概括地說就是通(tōng)用計(jì)算(suàn)機+專用硬件,隻不過數(shù)字示波器(qì)中的AD轉換部分是高(gāo)度集中的,內(nèi)部采用了通(tōng)用計(jì)算(suàn)機(PIII處理(lǐ)器(qì),Windows操作(zuò)系統)作(zuò)為(wèi)系統控制(zhì)和(hé)測量信号處理(lǐ)器(qì),有(yǒu)上(shàng)網功能,具有(yǒu)遠程測試和(hé)分析能力。其他一些(xiē)新産品如邏輯分析儀也采用了類似的結構。
在對實時(shí)性、複雜性要求都很(hěn)高(gāo)的場(chǎng)合,一般采用的是DSP+FPGA+CPU的混合結構,比如在無線機站(zhàn)測試儀中,FPGA用于碼片率處理(lǐ)部分,完成樣、相關、信道(dào)編解碼,而DSP則用于速度相對較低(dī)的符号率處理(lǐ)部分,CPU用于系統控制(zhì)、測量分析和(hé)和(hé)數(shù)據通(tōng)信。
關鍵技(jì)術(shù)
儀器(qì)在形式上(shàng)不斷翻新,從獨立儀器(qì)、基于PC的卡式儀器(qì)、到基于VXI、CPCI、PXI模塊化的虛拟儀器(qì),層出不窮,但(dàn)其關鍵技(jì)術(shù)都是相通(tōng)的。目前制(zhì)約我國儀器(qì)發展行(xíng)業發展的關鍵技(jì)術(shù),主要是對高(gāo)速、高(gāo)精度A/D、D/A、DSP和(hé)CPLD技(jì)術(shù)開(kāi)發能力不足。A/D、D/A、DSP和(hé)CPLD技(jì)術(shù)即是電(diàn)子儀器(qì)的關鍵技(jì)術(shù),也是通(tōng)用技(jì)術(shù),這幾項技(jì)術(shù)在電(diàn)子儀器(qì)中的應用,必然帶動性能指标的突破。
A/D是模拟信号到數(shù)字信号的橋梁,目前A/D的發展水(shuǐ)平是：高(gāo)精度A/D16bits 5MSPS;高(gāo)速度A/D8bits1.8GSPS;速度和(hé)精度兼顧A/D14bits105MSPS。在A/D技(jì)術(shù)的應用中,還(hái)會(huì)涉及到相關技(jì)術(shù)的突破，比如，開(kāi)發數(shù)字示波器(qì)，按現有(yǒu)可(kě)購買到的A/D器(qì)件水(shuǐ)平,可(kě)實現單次采樣1GSPS的示波器(qì)。但(dàn)要對采集數(shù)據進行(xíng)處理(lǐ)。還(hái)必須能達到1MSPS高(gāo)速數(shù)據進行(xíng)存儲(如波形RAM16Mbyts)。國外儀器(qì)廠家(jiā)已将示波器(qì)單次采集率提高(gāo)到了20GSPS,要實現高(gāo)達20GSPS的采樣率并對20GSPS高(gāo)速數(shù)據進行(xíng)連續存儲,隻有(yǒu)在芯片級應用線路集成技(jì)術(shù)可(kě)實現。在芯片級進行(xíng)開(kāi)發我們目前還(hái)做(zuò)不到,但(dàn)利用現有(yǒu)的器(qì)件對500MSPS或1GSPS的采樣數(shù)據進行(xíng)連續存儲是完全可(kě)能的。
目前D/A的發展水(shuǐ)平是:高(gāo)精度D/A16bits 5MSPS,高(gāo)速度D/A14bits 1GSPS,速度和(hé)精度兼顧D/A14bits300MSPS。D/A技(jì)術(shù)可(kě)用轉換器(qì),還(hái)需要高(gāo)速存儲器(qì),現在集成電(diàn)路技(jì)術(shù)的發展已有(yǒu)1ns的砷化嫁RAM商品,但(dàn)将大(dà)量砷化嫁RAM用到任意波形發生(shēng)器(qì)上(shàng)顯然價格過高(gāo),而且也消耗大(dà)量功率,比較經濟的做(zuò)法是用多(duō)路轉換的方案,允許波形存儲在相對低(dī)速的COMSRAM。
FPGA具有(yǒu)高(gāo)的可(kě)重配置性、巨大(dà)的I/O帶寬、高(gāo)速的運算(suàn)能力,使其在儀器(qì)中的使用越來(lái)越廣泛,FPGA在儀器(qì)中的主要功能:完成系統控制(zhì)邏輯,執行(xíng)運算(suàn)速度快的算(suàn)法,比如數(shù)字濾波,正交分解、數(shù)字解調、數(shù)字解碼、FFT等。**FPGA的時(shí)鍾頻率已高(gāo)達250MHz,可(kě)提供25G次MAC的性能,遠遠大(dà)于現今*快的DSP的運算(suàn)能力。
相對于FPGA,DSP可(kě)做(zuò)到低(dī)功耗和(hé)很(hěn)強的靈活性。随着微電(diàn)子技(jì)術(shù)的發展,數(shù)字信号處理(lǐ)器(qì)件将在速度和(hé)性能上(shàng)有(yǒu)很(hěn)大(dà)的提高(gāo)。然而,在DSP、FPGA以及CPU上(shàng)實現用于測量的基本算(suàn)法是相對穩定的,針對某種測量的數(shù)字算(suàn)法是可(kě)以通(tōng)過的,跨平台應用僅僅改變代碼而已。因此,在儀器(qì)開(kāi)發中,數(shù)字信号處理(lǐ)算(suàn)法比數(shù)字信号處理(lǐ)器(qì)件更重要。
目前,國外各種形式的數(shù)字示波器(qì)、任意波形發生(shēng)器(qì)、移動通(tōng)信基站(zhàn)測試儀發展很(hěn)快,我國由于上(shàng)述關鍵技(jì)術(shù)正在研究和(hé)開(kāi)發中,隻有(yǒu)一些(xiē)低(dī)檔次的數(shù)字示波卡、任意波形發生(shēng)卡,而**數(shù)字示波器(qì)、任意波形發生(shēng)器(qì)和(hé)移動通(tōng)信基站(zhàn)測試儀仍處于空(kōng)白。
提高(gāo)A/D、D/A的精度和(hé)速度滿足少(shǎo)數(shù)要求很(hěn)高(gāo)的場(chǎng)合還(hái)是尚待解決的任務,這需要從器(qì)件和(hé)電(diàn)路設計(jì)兩個(gè)方面去解決。
結論
高(gāo)速數(shù)字化采樣技(jì)術(shù)和(hé)DSP技(jì)術(shù)的發展已經開(kāi)始對傳統測試儀器(qì),包括現有(yǒu)的數(shù)字化儀器(qì)發展産生(shēng)着深刻的影(yǐng)響,這種影(yǐng)響已經不僅僅是停留在簡單的信号數(shù)字化方面。她孕育着對傳統儀器(qì)體(tǐ)系結構(包括傳統測量方法、傳統儀器(qì)的定義分類等等)的深刻變革。這對國內(nèi)電(diàn)子儀器(qì)的發展來(lái)講,更多(duō)的是一種機遇。如何盡早開(kāi)展這方面的研究,特别是基礎理(lǐ)論和(hé)原創性技(jì)術(shù)的研究開(kāi)發,使我們在某些(xiē)電(diàn)子儀器(qì)技(jì)術(shù)領域首先實現跨越式追趕,是目前國內(nèi)電(diàn)子儀器(qì)發展的重要課題。
電(diàn)子測量儀器(qì)的演化與發展從總體(tǐ)上(shàng)看沿着兩條主線展開(kāi)。一是從所采用的技(jì)術(shù)上(shàng)看,經曆了模拟儀器(qì)、數(shù)字化儀器(qì)、智能儀器(qì)的發展過程;二是從儀器(qì)結構(可(kě)擴展性)和(hé)實現形式上(shàng)看,經曆了單台儀器(qì)、模塊化儀器(qì)和(hé)虛拟儀器(qì)的發展過程。這兩條發展主線的技(jì)術(shù)基礎都是微電(diàn)子技(jì)術(shù)、數(shù)字信号處理(lǐ)技(jì)術(shù)、計(jì)算(suàn)機技(jì)術(shù),并随這些(xiē)技(jì)術(shù)的發展以及深層次的逐漸結合而發展。
但(dàn)無論儀器(qì)*終如何發展,任何一台儀器(qì)測量系統都可(kě)概括為(wèi)以下三個(gè)功能組塊:信号采集(包括傳感器(qì)電(diàn)路、信号調理(lǐ)電(diàn)路)、信号分析與處理(lǐ)、結果表達與輸出。一個(gè)具體(tǐ)的儀器(qì)各部分或許有(yǒu)增有(yǒu)減，總的架構概莫能外。
不同儀器(qì)針對的測量對象不同,傳感器(qì)的形式也不同,但(dàn)傳感器(qì)的作(zuò)用相同,即把自然界的模拟量轉換成電(diàn)信号(電(diàn)壓或電(diàn)流);信号變換和(hé)調理(lǐ)電(diàn)路對來(lái)自傳感器(qì)的電(diàn)信号進行(xíng)放大(dà)、衰減、變換(包括變頻、檢波等)、濾波以及調整到适合于AD轉化的狀态。在可(kě)以預見的未來(lái),各種傳感器(qì)、放大(dà)器(qì)、變換器(qì)還(hái)是模拟器(qì)件的領地。其中,傳感器(qì)是關鍵:傳感器(qì)決定了儀器(qì)的應用範圍;AD轉換器(qì)與信号變換調理(lǐ)電(diàn)路共同決定儀器(qì)頻帶寬度和(hé)測量精度,當然AD的作(zuò)用更為(wèi)關鍵。
信号處理(lǐ)部分的數(shù)字化、軟件化是儀器(qì)發展的必然選擇,也是虛拟儀器(qì)的發展基礎。測量就是對信息的提取,而通(tōng)過時(shí)域采樣獲得(de)的數(shù)字信号中包含有(yǒu)大(dà)多(duō)數(shù)所需要的測量信息,從未來(lái)技(jì)術(shù)發展講,如何實時(shí)地将這些(xiē)信息有(yǒu)效地提取出來(lái)是新一代測量儀器(qì)發展的瓶頸之一。
對測量對象進行(xíng)數(shù)字信号處理(lǐ),參數(shù)設置靈活,不引人(rén)額外的處理(lǐ)過程噪聲,可(kě)以擴大(dà)動态範圍和(hé)提高(gāo)測量精度,同時(shí)增強了儀器(qì)的穩定性、可(kě)靠性、靈活性。數(shù)字信号處理(lǐ)技(jì)術(shù)的應用,大(dà)大(dà)拓展了儀器(qì)的功能,儀器(qì)功能大(dà)小(xiǎo)更多(duō)地取決于儀器(qì)的數(shù)字信号處理(lǐ)能力。強大(dà)的處理(lǐ)能力對同一被測信号進行(xíng)不同形式的表征,讓測試者從不同的角度觀測同一信号,迅速達到測試目的。信号處理(lǐ)技(jì)術(shù)的應用,也大(dà)大(dà)拓展了儀器(qì)的使用範圍,儀器(qì)的使用已涉及到日常生(shēng)活、工農業生(shēng)産、**、航天等領域的各個(gè)方面。信号處理(lǐ)部分是發展*快、技(jì)術(shù)水(shuǐ)平也*高(gāo)的領域,在相當大(dà)的程度上(shàng)決定一個(gè)國家(jiā)的儀器(qì)水(shuǐ)平,是行(xíng)業核心競争力的集中體(tǐ)現。
另外高(gāo)速ADC也是決定未來(lái)測試儀器(qì)、特别是電(diàn)子測試儀器(qì)發展方向的重要因素,目前高(gāo)速ADC的采集帶寬已開(kāi)始進入微波波段,這對目前微波儀器(qì)的技(jì)術(shù)體(tǐ)制(zhì)将會(huì)産生(shēng)越來(lái)越大(dà)的影(yǐng)響。但(dàn)高(gāo)速ADC的技(jì)術(shù)對一個(gè)國家(jiā)整體(tǐ)技(jì)術(shù)水(shuǐ)平,特别對IC技(jì)術(shù)水(shuǐ)平有(yǒu)着極大(dà)的依賴關系,目前這方面的技(jì)術(shù)幾乎全被美國壟斷,這一點對國內(nèi)儀器(qì)發展的定位有(yǒu)着不可(kě)忽視(shì)的影(yǐng)響。
信号處理(lǐ)的技(jì)術(shù)路線
信号數(shù)字處理(lǐ)的實現途徑主要有(yǒu)兩種:一種是A/D十DSP(orFPGA)十D/A的形式;一種是A/D+CPU(含操作(zuò)系統)十D/A的形式。兩種結構各有(yǒu)優點。在運算(suàn)能力上(shàng),DSP和(hé)CPU是運行(xíng)軟件完成運算(suàn);而FPGA則是直接以硬件方式執行(xíng)算(suàn)法,當對特定的運算(suàn)進行(xíng)分解、執行(xíng)流水(shuǐ)操作(zuò)和(hé)并行(xíng)運算(suàn)後,其運算(suàn)速度大(dà)大(dà)超過DSP和(hé)CPU。在靈活性上(shàng)CPU*好,DSP次之,FPGA欠佳;在開(kāi)發周期和(hé)可(kě)維護性上(shàng),CPU*好,FPGA次之,DSP欠佳。采用DSP(FPGA)或者是CPU結構要針對不同的測量對象而定。通(tōng)常,DSP主要針對運算(suàn)複雜,實時(shí)性要求高(gāo)、但(dàn)程序不太大(dà),任務相對單一的場(chǎng)合:如頻譜分析儀,信号分析儀等。CPU主要針對運算(suàn)複雜,需要大(dà)量的數(shù)據和(hé)程序存儲器(qì),實時(shí)性要求适中,需要對測量數(shù)據進行(xíng)複雜的分析和(hé)處理(lǐ)的場(chǎng)合上(shàng):如邏輯分析儀,網絡分析儀,生(shēng)化分析儀等。
獨立儀器(qì)把上(shàng)述信号采集、信号處理(lǐ)、結果輸出三部分放在一個(gè)獨立的機箱。有(yǒu)操作(zuò)面闆、信号輸入輸出端口、還(hái)有(yǒu)各種通(tōng)信接口等。檢測結果輸出方式有(yǒu)數(shù)字、指針式表頭,圖形窗口等,可(kě)能還(hái)有(yǒu)打印輸出。這些(xiē)功能塊全部以硬件或固化軟件的形式存在,這就決定了傳統儀器(qì)隻能由廠家(jiā)來(lái)定義、制(zhì)造,而用戶無法改變。近幾年來(lái),獨立儀器(qì)通(tōng)常采用DSP(FPGA)結構。從信息處理(lǐ)技(jì)術(shù)的發展上(shàng)看,以FPGA為(wèi)基礎的軟件硬件化是其重要的發展方向。
虛拟儀器(qì)把信号的分析與處理(lǐ)、結果的表達與輸出放到計(jì)算(suàn)機上(shàng)來(lái)完成,或在計(jì)算(suàn)機上(shàng)插上(shàng)數(shù)據采集卡,把儀器(qì)的三個(gè)部分全部放到計(jì)算(suàn)機上(shàng)來(lái)實現。用軟件在屏幕上(shàng)生(shēng)成儀器(qì)控制(zhì)面闆,用軟件來(lái)進行(xíng)信号分析和(hé)處理(lǐ),完成多(duō)種多(duō)樣的測試;通(tōng)過計(jì)算(suàn)機屏幕形象的各種形式表達輸出檢測結果。突破了傳統儀器(qì)在數(shù)據處理(lǐ)、表達、傳送、存儲等方面的限制(zhì),達到傳統儀器(qì)無法比拟的效果。虛拟儀器(qì)通(tōng)常采用CPU結構。
電(diàn)子技(jì)術(shù)的飛速發展使虛拟儀器(qì)與獨立儀器(qì)的界線已經變得(de)越來(lái)越模糊,許多(duō)獨立儀器(qì)的設計(jì)也采用了虛拟儀器(qì)的概念,比如許多(duō)公司新推出的數(shù)字示波器(qì),概括地說就是通(tōng)用計(jì)算(suàn)機+專用硬件,隻不過數(shù)字示波器(qì)中的AD轉換部分是高(gāo)度集中的,內(nèi)部采用了通(tōng)用計(jì)算(suàn)機(PIII處理(lǐ)器(qì),Windows操作(zuò)系統)作(zuò)為(wèi)系統控制(zhì)和(hé)測量信号處理(lǐ)器(qì),有(yǒu)上(shàng)網功能,具有(yǒu)遠程測試和(hé)分析能力。其他一些(xiē)新産品如邏輯分析儀也采用了類似的結構。
在對實時(shí)性、複雜性要求都很(hěn)高(gāo)的場(chǎng)合,一般采用的是DSP+FPGA+CPU的混合結構,比如在無線機站(zhàn)測試儀中,FPGA用于碼片率處理(lǐ)部分,完成樣、相關、信道(dào)編解碼,而DSP則用于速度相對較低(dī)的符号率處理(lǐ)部分,CPU用于系統控制(zhì)、測量分析和(hé)和(hé)數(shù)據通(tōng)信。
關鍵技(jì)術(shù)
儀器(qì)在形式上(shàng)不斷翻新,從獨立儀器(qì)、基于PC的卡式儀器(qì)、到基于VXI、CPCI、PXI模塊化的虛拟儀器(qì),層出不窮,但(dàn)其關鍵技(jì)術(shù)都是相通(tōng)的。目前制(zhì)約我國儀器(qì)發展行(xíng)業發展的關鍵技(jì)術(shù),主要是對高(gāo)速、高(gāo)精度A/D、D/A、DSP和(hé)CPLD技(jì)術(shù)開(kāi)發能力不足。A/D、D/A、DSP和(hé)CPLD技(jì)術(shù)即是電(diàn)子儀器(qì)的關鍵技(jì)術(shù),也是通(tōng)用技(jì)術(shù),這幾項技(jì)術(shù)在電(diàn)子儀器(qì)中的應用,必然帶動性能指标的突破。
A/D是模拟信号到數(shù)字信号的橋梁,目前A/D的發展水(shuǐ)平是：高(gāo)精度A/D16bits 5MSPS;高(gāo)速度A/D8bits1.8GSPS;速度和(hé)精度兼顧A/D14bits105MSPS。在A/D技(jì)術(shù)的應用中,還(hái)會(huì)涉及到相關技(jì)術(shù)的突破，比如，開(kāi)發數(shù)字示波器(qì)，按現有(yǒu)可(kě)購買到的A/D器(qì)件水(shuǐ)平,可(kě)實現單次采樣1GSPS的示波器(qì)。但(dàn)要對采集數(shù)據進行(xíng)處理(lǐ)。還(hái)必須能達到1MSPS高(gāo)速數(shù)據進行(xíng)存儲(如波形RAM16Mbyts)。國外儀器(qì)廠家(jiā)已将示波器(qì)單次采集率提高(gāo)到了20GSPS,要實現高(gāo)達20GSPS的采樣率并對20GSPS高(gāo)速數(shù)據進行(xíng)連續存儲,隻有(yǒu)在芯片級應用線路集成技(jì)術(shù)可(kě)實現。在芯片級進行(xíng)開(kāi)發我們目前還(hái)做(zuò)不到,但(dàn)利用現有(yǒu)的器(qì)件對500MSPS或1GSPS的采樣數(shù)據進行(xíng)連續存儲是完全可(kě)能的。
目前D/A的發展水(shuǐ)平是:高(gāo)精度D/A16bits 5MSPS,高(gāo)速度D/A14bits 1GSPS,速度和(hé)精度兼顧D/A14bits300MSPS。D/A技(jì)術(shù)可(kě)用轉換器(qì),還(hái)需要高(gāo)速存儲器(qì),現在集成電(diàn)路技(jì)術(shù)的發展已有(yǒu)1ns的砷化嫁RAM商品,但(dàn)将大(dà)量砷化嫁RAM用到任意波形發生(shēng)器(qì)上(shàng)顯然價格過高(gāo),而且也消耗大(dà)量功率,比較經濟的做(zuò)法是用多(duō)路轉換的方案,允許波形存儲在相對低(dī)速的COMSRAM。
FPGA具有(yǒu)高(gāo)的可(kě)重配置性、巨大(dà)的I/O帶寬、高(gāo)速的運算(suàn)能力,使其在儀器(qì)中的使用越來(lái)越廣泛,FPGA在儀器(qì)中的主要功能:完成系統控制(zhì)邏輯,執行(xíng)運算(suàn)速度快的算(suàn)法,比如數(shù)字濾波,正交分解、數(shù)字解調、數(shù)字解碼、FFT等。**FPGA的時(shí)鍾頻率已高(gāo)達250MHz,可(kě)提供25G次MAC的性能,遠遠大(dà)于現今*快的DSP的運算(suàn)能力。
相對于FPGA,DSP可(kě)做(zuò)到低(dī)功耗和(hé)很(hěn)強的靈活性。随着微電(diàn)子技(jì)術(shù)的發展,數(shù)字信号處理(lǐ)器(qì)件将在速度和(hé)性能上(shàng)有(yǒu)很(hěn)大(dà)的提高(gāo)。然而,在DSP、FPGA以及CPU上(shàng)實現用于測量的基本算(suàn)法是相對穩定的,針對某種測量的數(shù)字算(suàn)法是可(kě)以通(tōng)過的,跨平台應用僅僅改變代碼而已。因此,在儀器(qì)開(kāi)發中,數(shù)字信号處理(lǐ)算(suàn)法比數(shù)字信号處理(lǐ)器(qì)件更重要。
目前,國外各種形式的數(shù)字示波器(qì)、任意波形發生(shēng)器(qì)、移動通(tōng)信基站(zhàn)測試儀發展很(hěn)快,我國由于上(shàng)述關鍵技(jì)術(shù)正在研究和(hé)開(kāi)發中,隻有(yǒu)一些(xiē)低(dī)檔次的數(shù)字示波卡、任意波形發生(shēng)卡,而**數(shù)字示波器(qì)、任意波形發生(shēng)器(qì)和(hé)移動通(tōng)信基站(zhàn)測試儀仍處于空(kōng)白。
提高(gāo)A/D、D/A的精度和(hé)速度滿足少(shǎo)數(shù)要求很(hěn)高(gāo)的場(chǎng)合還(hái)是尚待解決的任務,這需要從器(qì)件和(hé)電(diàn)路設計(jì)兩個(gè)方面去解決。
結論
高(gāo)速數(shù)字化采樣技(jì)術(shù)和(hé)DSP技(jì)術(shù)的發展已經開(kāi)始對傳統測試儀器(qì),包括現有(yǒu)的數(shù)字化儀器(qì)發展産生(shēng)着深刻的影(yǐng)響,這種影(yǐng)響已經不僅僅是停留在簡單的信号數(shù)字化方面。她孕育着對傳統儀器(qì)體(tǐ)系結構(包括傳統測量方法、傳統儀器(qì)的定義分類等等)的深刻變革。這對國內(nèi)電(diàn)子儀器(qì)的發展來(lái)講,更多(duō)的是一種機遇。如何盡早開(kāi)展這方面的研究,特别是基礎理(lǐ)論和(hé)原創性技(jì)術(shù)的研究開(kāi)發,使我們在某些(xiē)電(diàn)子儀器(qì)技(jì)術(shù)領域首先實現跨越式追趕,是目前國內(nèi)電(diàn)子儀器(qì)發展的重要課題。