應(yīng)用于教學(xué)方案的USB模塊化儀器
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時(shí)間：2017-02-06
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滿(mǎn)足教學(xué)實(shí)驗(yàn)室基本需要的USB模塊化儀器
電子和電信行業(yè)在過(guò)去幾年間發(fā)生了巨大的變化。持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新更加速了這樣的變化，工程師們的研究成果不斷挑戰(zhàn)并突破技術(shù)壁壘。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，所有電子及通訊設(shè)備在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的性能驗(yàn)證和測(cè)試。對(duì)致力于技術(shù)創(chuàng)新和改善人類(lèi)生活的工程師來(lái)說(shuō)，電子儀器，測(cè)量和測(cè)試知識(shí)，以及專(zhuān)業(yè)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(kāi)發(fā)教學(xué)解決方案。安捷倫為年輕的工程師們提供電子儀器和測(cè)量及測(cè)試專(zhuān)業(yè)的相關(guān)技能，幫助他們踏上工程師生涯。USB 模塊化儀器在教育部門(mén)的推廣，能在從基礎(chǔ)儀器到全面產(chǎn)品特性研究的教學(xué)中幫助學(xué)生掌握重要的基本概念。
對(duì)基本電氣實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)涉及對(duì)儀器的熟悉程度。熟悉的儀器能幫助大學(xué)生理解電路運(yùn)行和測(cè)量基本原理。理解有源濾波器工作原理就是一個(gè)這樣的例子。濾波是最重要的信號(hào)處理方法之一。模擬濾波器用于連續(xù)信號(hào)，通常認(rèn)為這屬于分立元件。另一方面，有源濾波器使用著一個(gè)或多個(gè)有源器件，如晶體管或運(yùn)算放大器。與無(wú)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(shè)計(jì)比無(wú)源濾波器更容易。在設(shè)計(jì)一階、二階，甚至五階濾波器時(shí)，示波器與函數(shù)發(fā)生器一起成為設(shè)計(jì)驗(yàn)證的良好工具。例如把 Agilent U2761A 20MHz模塊化函數(shù)∕任意波形發(fā)生器設(shè)置為掃描時(shí)間 100ms，100Hz 至 100kHz（正弦波）掃描，觸發(fā)源設(shè)置為內(nèi)部。用 Agilent U2702A模塊化200MHz數(shù)字示波器檢查三階有源濾波器的波形。通過(guò)已知電容和電阻值，就可根據(jù)相應(yīng)的傳遞函數(shù)，把所測(cè)截止頻率（fc）與 fc 的計(jì)算值相比較。通過(guò)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，大學(xué)生將學(xué)會(huì)如何進(jìn)行基本頻率和電壓測(cè)量，以及利用數(shù)字示波器的能力進(jìn)行其它測(cè)量，如上升時(shí)間和信號(hào)統(tǒng)計(jì)。
雖然基本測(cè)量要求相同，但模塊化儀器的能力已超出電氣工程實(shí)驗(yàn)室的范圍。通用實(shí)驗(yàn)室中的儀器可用于進(jìn)行科學(xué)研究和監(jiān)測(cè)材料化學(xué)。大學(xué)教師建立起互動(dòng)的儀器系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部的反應(yīng)會(huì)變得很復(fù)雜。這反過(guò)來(lái)又會(huì)阻礙精確測(cè)量和信號(hào)詳細(xì)分析的任務(wù)。例如通常用示波器來(lái)了解系統(tǒng)中的低頻噪音（通常為 100Hz或更低）狀況。對(duì)于這項(xiàng)研究，重要的是監(jiān)視信號(hào)的頻域性能。Agilent U2701和U2702A 100MHz/200MHz示波器有兩個(gè)通道，可提供高達(dá)1GSa/sec采樣率，32Mpts 的深存儲(chǔ)器能完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和毛刺檢測(cè)。示波器 20種快的自動(dòng)測(cè)量使其適合這些一般性的應(yīng)用。此外，捆綁的安捷倫測(cè)量管理器（AMM）軟件提供直觀(guān)和類(lèi)似臺(tái)式儀器的圖形用戶(hù)界面，使學(xué)生和研究人員能控制示波器和運(yùn)行更便捷的自動(dòng)測(cè)試。該軟件旨在幫助他們快速完成設(shè)備配置，數(shù)據(jù)記錄和采集，而不需要開(kāi)發(fā)軟件程序。
圖 1，Agilent U2701A 100MHz 示波器以用戶(hù)友好和類(lèi)似臺(tái)式儀器的界面執(zhí)行 FFT 分析 。這是 Agilent USB 模塊化示波器的標(biāo)志性屏幕 —— 提供無(wú)需編程的配置控制。
在物理學(xué)和微電子學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，要向?qū)W生講授各種分立元件，如 BJT 晶體管、二極管、小信號(hào) JFET 和MOSFET晶體管，以及齊納二極管的功能。學(xué)生通過(guò)這些基本元件測(cè)量所獲得的基礎(chǔ)知識(shí)，將使學(xué)生能進(jìn)而學(xué)會(huì)如何設(shè)計(jì)、裝配和使用基本電子電路。Agilent U2941A參數(shù)測(cè)試夾具是U2722A USB模塊化源∕測(cè)量單元的補(bǔ)充，能使學(xué)生更多測(cè)試和掌握這些元件的特性。
圖 2，Agilent U2941A 參數(shù)測(cè)試夾具與 U2722A USB 模塊化源∕測(cè)量單元一起測(cè)試基本分立元件
在控制實(shí)驗(yàn)室中，Agilent USB DAQ和VEE軟件可用于實(shí)現(xiàn)組合的前饋和反饋控制。這種控制通常用于改善可測(cè)干擾存在時(shí)的控制系統(tǒng)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(guò)程變化前抑制干擾。前饋控制的長(zhǎng)處在于它的預(yù)測(cè)特性，在干擾進(jìn)入系統(tǒng)前先改變至系統(tǒng)的系統(tǒng)控制信號(hào)，從而抑制對(duì)系統(tǒng)的干擾。這是基于對(duì)干擾性質(zhì)和系統(tǒng)本身的認(rèn)識(shí)，從而通過(guò)采取精確行動(dòng)消除逼近的不利影響。因此必須有實(shí)現(xiàn)前饋控制的干擾和系統(tǒng)模型。模型越精確，前饋控制對(duì)干擾的抑制就越有效。在工業(yè)界，實(shí)現(xiàn)前饋控制的好處在于干擾剛剛產(chǎn)生時(shí)，就能避免部分批次產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)損失，因?yàn)榇藭r(shí)尚未有常規(guī)的反饋控制。工業(yè)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(mén)一個(gè)發(fā)展中的趨勢(shì)是通過(guò)減小儀器的體積鼓勵(lì)學(xué)生借出基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器。這樣，高年級(jí)學(xué)生就可為他們的系統(tǒng)測(cè)量項(xiàng)目組合使用各種適宜的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器。雖然傳統(tǒng)臺(tái)式儀器能進(jìn)行精確的測(cè)量，但當(dāng)學(xué)生要確保項(xiàng)目按計(jì)劃進(jìn)行時(shí)，卻只能被禁錮在實(shí)驗(yàn)室中。這是對(duì)傳統(tǒng)臺(tái)式測(cè)試儀器的挑戰(zhàn)。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?yàn)樗茏寣W(xué)生方便地?cái)y帶儀器離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室，在項(xiàng)目完成所需的任何地點(diǎn)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(chǔ)測(cè)量?jī)x器的完整產(chǎn)品線(xiàn)。其它品種的模塊化儀器包括數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生器、源∕測(cè)量單元和開(kāi)關(guān)矩陣。
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