電子測(cè)量?jī)x器的技術(shù)發(fā)展走向

前言

電子測(cè)量儀器業(yè)是既傳統(tǒng)又比較保守的工業(yè)，不少公司都擁有五十年以上的歷史，造就了一批優(yōu)秀的專家和工程師。測(cè)量儀器在發(fā)展過(guò)程中與半導(dǎo)體器件共同成長(zhǎng)，它們像母雞與雞蛋那樣密不可分，有時(shí)器件領(lǐng)先，有時(shí)儀器在前，有時(shí)齊頭并進(jìn)，共譜新章。電子測(cè)量儀器與電子信息技術(shù)、消費(fèi)電子產(chǎn)品不同，它屬于耐用性設(shè)備，使用壽命可達(dá)10年以上，還要保持準(zhǔn)確可靠，所以更新?lián)Q代的周期較長(zhǎng)。

電子測(cè)量?jī)x器的市場(chǎng)不大，相對(duì)半導(dǎo)體器件的每年2500億美元市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，近年全球測(cè)量?jī)x器的市場(chǎng)每年只有50億美元左右。在測(cè)量?jī)x器公司中，年銷售額10億美元以上的巨頭只有安捷倫科技一家，5億美元以上的大戶有泰克、羅德施瓦茨茲等四家，1億美元以上的中等公司有力科等十家，其余中小型公司都在1億美元以下。電子測(cè)量?jī)x器的生產(chǎn)數(shù)量有限，中高檔儀器是1千臺(tái)左右的小批量，因而庫(kù)存量不大，相對(duì)個(gè)人電腦、手機(jī)、視聽(tīng)、家電等數(shù)以10萬(wàn)件以上的大批量發(fā)貨，在數(shù)量上有很大區(qū)別。

圖1 合成儀器的基本模塊框圖

電子測(cè)量?jī)x器在傳統(tǒng)上屬于高回報(bào)率工業(yè)，高檔儀器如數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析器、網(wǎng)絡(luò)分析儀等每臺(tái)價(jià)格4-5萬(wàn)美元，主要成本是研發(fā)產(chǎn)品時(shí)的費(fèi)用，特別是專用 ASIC 芯片和編程開(kāi)銷。多年來(lái)測(cè)量?jī)x器實(shí)際上是賣方市場(chǎng)，表現(xiàn)為大公司對(duì)代理、分銷商沒(méi)有銷售金額的折扣，只有銷售數(shù)量折扣。近年來(lái)儀器變成買方市場(chǎng)，儀器公司只好主動(dòng)向用戶提供優(yōu)惠折扣。電子器件、電子電路和電子設(shè)備的特性由電子測(cè)量?jī)x器的測(cè)量結(jié)果表達(dá)，因此每年都更新相當(dāng)數(shù)量的測(cè)量?jī)x器，使測(cè)量?jī)x器業(yè)每年獲得50億美元的營(yíng)收。測(cè)量?jī)x器業(yè)平均每年將利閨的百分之十投入研發(fā)和再生產(chǎn)，保持每年均有新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品出現(xiàn)。展望最近幾年，測(cè)量?jī)x器業(yè)界的技術(shù)創(chuàng)新走向己經(jīng)明晰，本文試圖描述大體輪廓，供業(yè)內(nèi)外人仕和讀者參考。

新一代的合成測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)

經(jīng)歷海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后，美國(guó)國(guó)防部門大力加強(qiáng)部隊(duì)的機(jī)動(dòng)性和戰(zhàn)斗協(xié)同能力，特別在電子通信和電子對(duì)抗方面，對(duì)各軍兵種的電子裝備不兼容，供應(yīng)來(lái)源多途，資源浪費(fèi)的現(xiàn)象加以整頓。過(guò)去美國(guó)陸海空三軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)所用的電子測(cè)量?jī)x器全部是專門訂貨，各自擁有不同的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(ATE)，形成不同的供應(yīng)鏈。新的構(gòu)思要求ATE從軍事專用采購(gòu)改為從民用產(chǎn)品選購(gòu)，實(shí)施“下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)計(jì)劃(NxTest)”的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，采用快捷全球戰(zhàn)斗支援(ARGCS)方案。ARGCS的核心是使用合成儀器(SI)構(gòu)建ATE，具體規(guī)范和進(jìn)度由軍方和儀器公司的代表組成的合成儀器工作組(SIWG)實(shí)施。

SIWG對(duì)SI－的定義是：由一系列基礎(chǔ)硬件和軟件單元以及標(biāo)準(zhǔn)化接口構(gòu)建的、采用數(shù)字處理技術(shù)的、用于產(chǎn)生信號(hào)或測(cè)量信號(hào)的、可重配置的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。SIWG 要求 SI 能夠達(dá)到6項(xiàng)預(yù)定目標(biāo)，它們是：降低自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的總成本；減小自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)時(shí)間；提高自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的互換性；降低自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的后勤支援和庫(kù)存量；縮小自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的物理尺寸；改善自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試質(zhì)量。目前，SIWG己對(duì)合成儀器提出實(shí)施設(shè)想，但是為測(cè)量?jī)x器供應(yīng)商留出很大發(fā)展空間。

合成儀器采用可互換的標(biāo)準(zhǔn)模塊、標(biāo)準(zhǔn)電路、標(biāo)準(zhǔn)接口，從單元電路至系統(tǒng)的積木化結(jié)構(gòu)。例如剖析 RF 基本測(cè)量?jī)x器，包括信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分折儀、數(shù)字存儲(chǔ)示波器的系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)，可以歸納成幾種基本模塊：模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)、上變頻器、下變頻器、模擬信號(hào)調(diào)理器、數(shù)字信號(hào)處理器等基本硬件模塊。根據(jù)測(cè)量要求，它們能夠搭接成不同的功能子系統(tǒng)，獲取被測(cè)信號(hào)的幅度、相位、頻率、調(diào)制度等基本電氣參數(shù)后，由處理器模件和固件、軟件進(jìn)行數(shù)字變換，即可獲得正弦波形、脈沖波形、頻率譜、功率譜、調(diào)制信息參數(shù)。

在2006年底第一批合成儀器 RF 射頻測(cè)量系統(tǒng)，已由安捷倫科技交付美國(guó)海軍，用于 NxTest 計(jì)劃中的統(tǒng)一自動(dòng)支援系統(tǒng)(CASS)。美國(guó)海軍使用 CASS 作為航空母艦和其它艦艇的飛機(jī)電子設(shè)備測(cè)試和維護(hù)。安捷倫從1988年成為 CASS 供應(yīng)商，主要供應(yīng)基于 GPIB 總線的臺(tái)式儀器測(cè)量系統(tǒng)，2006年底采用基于LXI接口標(biāo)準(zhǔn)的模塊儀器，由6種模塊構(gòu)建符合 SI 儀器要求的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。安捷倫成功交付第一批 SI 自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)之后，測(cè)量?jī)x器業(yè)將有更多公司投入人力物力，開(kāi)發(fā)更多應(yīng)用目標(biāo)不同的合成儀器。由于美國(guó)國(guó)防部門是全球電子測(cè)量?jī)x器的最大采購(gòu)商，合成儀器將推動(dòng)美國(guó)、歐洲、日本投入更多人力物力,開(kāi)發(fā)從器件、模塊、子系統(tǒng)至完整的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，成為電子測(cè)量?jī)x器業(yè)技求創(chuàng)新的動(dòng)力。 　　

基于軟件定義無(wú)線電的測(cè)量?jī)x器

圖2 軟件定義的RF信號(hào)發(fā)生器和分析器

無(wú)線通信和消費(fèi)電子的快速發(fā)展和更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的先開(kāi)發(fā)硬件再編寫應(yīng)用軟件的解決方案跟不上快速換代的要求。在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，無(wú)線通信系統(tǒng)以模擬電路為主導(dǎo)，基本部件是低噪聲放大器、本地振蕩器、變頻器、中頻放大器、檢波器、音頻放大器等模擬電路。自從10年前無(wú)線接收系統(tǒng)從超外差變頻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變成無(wú)外差變頻的零中頻結(jié)構(gòu)之后，無(wú)線電發(fā)射接收系統(tǒng)簡(jiǎn)化成為數(shù)字變頻、基帶放大器、基帶濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器等數(shù)字部件,使軟件定義無(wú)線電(SDR)得以實(shí)現(xiàn)。SDR的簡(jiǎn)明定義是,采用軟件對(duì)無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)制的無(wú)線通信系統(tǒng)。顯然，SDR借助通用的硬件子系統(tǒng),根據(jù)軟件定義的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn),靈活快速地構(gòu)成不同通信標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射和接收系統(tǒng)。SDR 為推動(dòng)無(wú)線通信系統(tǒng)從模擬設(shè)計(jì)進(jìn)入數(shù)字設(shè)計(jì)作出重要貢獻(xiàn)。

圖3 四種測(cè)量?jī)x器總線

如上所述，電子測(cè)量?jī)x器是比較保守的，產(chǎn)品更新較慢的工業(yè)。雖然儀器的數(shù)字化取得相當(dāng)進(jìn)展，但是直接引用SDR原理構(gòu)建RF測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)則是近5年才出現(xiàn)。具有代表性的SDR測(cè)量?jī)x器是吉時(shí)利公司的2910 RF矢量信號(hào)發(fā)生器和2810 RF矢量信號(hào)分析器。它們直接引用SDR原理，根據(jù)測(cè)量?jī)x器的特點(diǎn)，將兩種儀器設(shè)計(jì)成采用相同的硬件結(jié)構(gòu)，借助不同的軟件定義成為兩種測(cè)量用途不同的儀器。這種基于SDR原理構(gòu)建的數(shù)字化RF測(cè)量?jī)x器，構(gòu)思新穎，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，代表RF測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。其他RF測(cè)量?jī)x器公司亦參考SDR的原理，構(gòu)建可軟件定義或升級(jí)的測(cè)量?jī)x器?？梢灶A(yù)期，開(kāi)發(fā)基于 SDR原理的RF測(cè)量?jī)x器將是今后幾年的熱點(diǎn)。

時(shí)域-頻域-阻抗域儀器的互通應(yīng)用

電子測(cè)量?jī)x器按信號(hào)處理領(lǐng)域劃分有時(shí)域、頻域、數(shù)域、調(diào)制域、阻抗域等多種，它們除測(cè)量基本電氣參數(shù)之外，更多的是測(cè)量電子器件、電路的電氣特性。激勵(lì)源類儀器有正弦、脈沖、任意波形發(fā)生器等。檢測(cè)類儀器有數(shù)字示波器等時(shí)域儀器,頻譜分析儀等頻域儀器,矢量網(wǎng)絡(luò)分析器等阻抗儀器。近年來(lái)，大部分測(cè)量?jī)x器使用直觀顯示方式,非時(shí)域儀器變得更像時(shí)域儀器那樣利用大型屏幕顯示測(cè)量結(jié)果。時(shí)域儀器在不同應(yīng)用領(lǐng)域測(cè)量?jī)x器的互通擴(kuò)展中占有重要位置，例如調(diào)制域儀器可由時(shí)域和頻域儀器綜合而成，網(wǎng)絡(luò)分析儀的也可從數(shù)字示波器導(dǎo)出。

早期各類測(cè)量領(lǐng)域儀器是獨(dú)立發(fā)展的，自從著名數(shù)學(xué)家傅里葉利用數(shù)學(xué)表達(dá)式解決了時(shí)-頻變換難題之后,出現(xiàn)多種傅立葉變換的數(shù)字求解,特別是離散數(shù)字變換(DDF)和快速傅里葉變換(FFT)可使時(shí)-頻變換的計(jì)算數(shù)字化。借助數(shù)字信號(hào)處理器快速實(shí)時(shí)求解出時(shí)-頻變換和反變換結(jié)果，使時(shí)域-頻域-阻抗域的儀器的應(yīng)用互通成為現(xiàn)實(shí)。

2006年泰克公司在 TDS8200 數(shù)字取樣示波器的基礎(chǔ)上成功推出 DSA8200數(shù)字串行分析儀，作為多用途測(cè)量?jī)x器的 DSA8200既是 80GHz 等效帶寬的數(shù)字取樣示波器，又可擴(kuò)展成 50 GHz 等效帶寬的時(shí)域反射計(jì)以及串行數(shù)字網(wǎng)絡(luò)分析儀。將數(shù)字示波器變成時(shí)域反射計(jì)，它們屬于在相同時(shí)域-時(shí)域的應(yīng)用擴(kuò)充，主要增加一個(gè) 10ns 級(jí)的快速階躍發(fā)生器，難度并不大。將時(shí)域反射計(jì)進(jìn)一步擴(kuò)展成為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，屬于時(shí)域-阻抗域的應(yīng)用擴(kuò)展，難度更大。DSA8200根據(jù)同軸線對(duì)不同阻抗終端的反射波形,從反射波形導(dǎo)出計(jì)算網(wǎng)絡(luò)電特性所需的 S 參數(shù)。DSA8200的成本不到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的一半，測(cè)量時(shí)間只要幾分鐘而不是一小時(shí)。DSA8200數(shù)字串行分析儀的成功推出，表明不同領(lǐng)域測(cè)量?jī)x器的應(yīng)用擴(kuò)展還有廣闊的可挖掘潛力。

LXI接口和USB總線

電子測(cè)量?jī)x器業(yè)自1966-2006年的40年間，前后有4種開(kāi)放式儀器總線或接口得到認(rèn)同，它們是  GPIB(IEEE488)、VXI(IEEE1515)、PXI 和 LXI ，前兩種是獲得 IEEE 認(rèn)證的國(guó)際級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，后兩種是業(yè)界的事實(shí)上標(biāo)準(zhǔn)。 GPIB 由惠普公司單獨(dú)開(kāi)發(fā)，當(dāng)時(shí)集成電路只有小規(guī)模芯片，PC 電腦還未問(wèn)世，測(cè)量?jī)x器大部分是臺(tái)式和機(jī)架式產(chǎn)品，GPIB 作為程控儀器總線實(shí)在是非常前衛(wèi)的構(gòu)思。即使 GPIB 總線推出至今40年，大部分臺(tái)式儀器己經(jīng)變成內(nèi)嵌有微處理器智能儀器，GPIB仍然繼續(xù)發(fā)揮它的作用。

圖4 LXI接口的合成儀器自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

VXI和 PCI分別是在1980年代和1990年代出現(xiàn)了PC 電腦、虛擬儀器之后，將 PC 電腦的外設(shè)總線擴(kuò)充成為模塊儀器總線的成功產(chǎn)品，VXI總線構(gòu)建在 VME外設(shè)總線基礎(chǔ)上，PXI構(gòu)建在 PCI 外設(shè)總線基礎(chǔ)上。VXI 采用籠式機(jī)箱、3種模塊尺寸、即插即用驅(qū)動(dòng)器、快速時(shí)鐘總線、虛擬儀器接口、虛擬面板、標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)句等都是不錯(cuò)的擴(kuò)展?？上?VXI 主要針對(duì)國(guó)防軍事用戶，成本較高，適合高檔儀器而不易普及到更廣泛的民用儀器。國(guó)家儀器公司吸收了GPIB和VXI的優(yōu)點(diǎn)，采用傳輸速率更高的PCI總線、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本、擴(kuò)大應(yīng)用。除 RF 頻段以外，當(dāng)前 PXI 模塊儀器開(kāi)始取代 VXI 而成為模塊儀器的業(yè)界事實(shí)上標(biāo)準(zhǔn)。

安捷倫科技一直是 GPIB 和 VXI 兩種開(kāi)放總線儀器的最主要供應(yīng)商，進(jìn)入2000年代安捷倫開(kāi)始從VXI總線模件儀器市場(chǎng)淡出，并出售VXI儀器產(chǎn)品線，轉(zhuǎn)而開(kāi)發(fā)一種可替代 GPIB程控儀器總線，但性價(jià)比更高，壽命超過(guò)25年的下一代軍民兩用開(kāi)放式儀器總線。安捷倫放棄 VXI 、PXI 的傳統(tǒng)做法，不再選用 PC 外設(shè)總線擴(kuò)充作為儀器總線，而選用性能不斷提高，預(yù)期具有更長(zhǎng)壽命的以太網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)，擴(kuò)展成為 LXI 儀器接口總線。安捷倫認(rèn)為 LXI 接口總線博采了 GPIB 、VXI、PXI  的長(zhǎng)處，避開(kāi)它們的短處，真正成為承先啟后、兼容并蓄,通過(guò)以太網(wǎng)可全球接入、使用方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的開(kāi)放式儀器接口。

圖5  USB總線的手持?jǐn)?shù)字示波器

從 LXI 標(biāo)準(zhǔn) 1.0可知，LXI 完全保留以太網(wǎng)的高速串行傳輸特點(diǎn)，電纜、連接器、集線器、網(wǎng)關(guān)的規(guī)格不變。在此基礎(chǔ)上增加儀器網(wǎng)頁(yè)和虛擬面板，構(gòu)成最簡(jiǎn)單的 LXI C類模塊儀器，亦即 LXI 兼容儀器。測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)往往需要時(shí)鐘定時(shí)和同步，LXI 標(biāo)準(zhǔn)在 A類模塊基礎(chǔ)上引入 IEEE1588 網(wǎng)絡(luò)定時(shí)同步協(xié)議，使入網(wǎng)模塊儀器獲得 1us 級(jí)的同步偏差，構(gòu)成 LXI B類模塊儀器。在 B類模塊基礎(chǔ)上增加硬件的定時(shí)同步總線，使入網(wǎng)模塊達(dá)到 10 ns 級(jí)的同步偏差，構(gòu)成最高級(jí)的 LXI A類模塊儀器。目前，LXI接口采用多芯銅纜的最高串行傳輸速率是每秒1000Mb。

從 LXI 標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)構(gòu)思可見(jiàn)，LXI 的 3類模塊從低到高將不同標(biāo)準(zhǔn)的儀器廣泛地納入 LXI 測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)。只要裝有以太網(wǎng)接口, 各種 GPIB 、VXI 和 PXI 儀器都可通過(guò)軟件升級(jí)成為 LXI C類或 B類儀器，對(duì)于小部分要求 10 ns 級(jí)同步偏差的數(shù)字儀器，才需要使用硬件觸發(fā)同步。與在 PC 外設(shè)總線基礎(chǔ)上擴(kuò)充的 VXI 和 PXI 總線不同，LXI 接口避免使用增加時(shí)鐘線、本地觸發(fā)線達(dá)到時(shí)間同步的單一辦法，分成 A、B、C、三類不同級(jí)別的模塊, 顯得更加合理。LXI充分利用以太網(wǎng)的高速串行傳輸資源，盡量使用軟件擴(kuò)展，少用硬件擴(kuò)展的辦法，使組網(wǎng)成本降低。

以安捷倫科技為首的 LXI 聯(lián)盟在2004年9月成立，一年后公布 LXI 標(biāo)準(zhǔn)1.0版本，2006年LXI的成員單位有 49個(gè)，產(chǎn)品達(dá)36種,型號(hào)171種。LXI得到大部分電子測(cè)量公司的支持，安捷倫并領(lǐng)先向美國(guó)海軍交付基于 LXI 的 RF 合成儀器自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。對(duì) LXI持有保留意見(jiàn)的同行,例如國(guó)家儀器公司至今還不是 LXI聯(lián)盟的成員單位，而且認(rèn)為“以太網(wǎng)好，但以太網(wǎng)擴(kuò)展并無(wú)必要”。國(guó)家儀器的這種意見(jiàn)反映出 PXI 與 LXI 是兩種競(jìng)爭(zhēng)性的總線標(biāo)準(zhǔn)，盡管多數(shù)同行業(yè)界都認(rèn)為，兩者各有特點(diǎn)，互補(bǔ)性大于競(jìng)爭(zhēng)性。 在今后幾年內(nèi)開(kāi)始 LXI取代 GPIB的過(guò)程，而且 LXI將成為測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)的主流接口。

GPIB 、VXI 、PXI 、LXI 都是測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)總線，對(duì)于獨(dú)立的測(cè)量?jī)x器，為了與 PC 建立通信鏈接，通常選用 PC 的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)接口，例如并口、串口、以太網(wǎng)、USB口等。從近年手持式和掌上式測(cè)量?jī)x器的外設(shè)接口配置來(lái)看，以 USB 最受歡迎。原因在于 USB使用串行傳輸方式，速率最高達(dá)每秒 480Mb，而且?guī)в兄绷鞴╇娋€，對(duì)于小型的單臺(tái)測(cè)量?jī)x器可謂一舉兩得。PC 一般安裝兩個(gè) USB接口，接口數(shù)目可通過(guò)器擴(kuò)展。當(dāng)前 USB不但是 PC的標(biāo)準(zhǔn)接口，還廣泛用于音頻、視頻消費(fèi)設(shè)備，使成本價(jià)格不斷降低。USB接口很受中小型測(cè)量?jī)x器公司的歡迎，已推出帶有 USB 接口的手持小型儀器，包括數(shù)字示波器、功率計(jì)、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。甚至臺(tái)式測(cè)量?jī)x器為了便于在單機(jī)情況下與 PC鏈接，或者與硬盤或 USB電子盤作數(shù)據(jù)交換，都配備 USB接口。由此可見(jiàn)，臺(tái)式至手持式測(cè)量?jī)x器針對(duì)不同用途都在使用 USB，今后如何在測(cè)量?jī)x器中充分發(fā)揮 USB接口的潛力，將是測(cè)量?jī)x器業(yè)界共同關(guān)心的課題，從而出現(xiàn)更多有價(jià)值的擴(kuò)展應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)照上文內(nèi)容可知，根據(jù)2000年開(kāi)始取得的技術(shù)進(jìn)步，預(yù)期電子測(cè)量?jī)x器業(yè)在今后幾年內(nèi),在合成儀器的強(qiáng)勢(shì)帶動(dòng)下，基于 SRD測(cè)量?jī)x器和多領(lǐng)域儀器互通擴(kuò)展作為熱點(diǎn)，在LXI和USB作為鏈接總線的空間內(nèi),將取得更多技術(shù)創(chuàng)新,并積極推動(dòng)電子器件、電子應(yīng)用的發(fā)展，形成良性互動(dòng)。