混合信號激勵-響應測試的必備技術

混合信號的激勵-響應測試在當今的測試測量應用中變得越來越普遍，通常此類應用需要將特定的模擬或數(shù)字信號作為激勵信號輸入到被測設備，同時獲得被測設備的響應信號，通過分析響應信號或與期望的信號進行對比來刻畫被測設備的特性或者進行故障的判斷。由于當今的電子產品功能越來越集成化，其涉及的信號種類也很復雜，因此激勵-響應測試往往是一個涉及混合信號的較復雜的測試系統(tǒng)。

先來看兩個混合信號激勵-響應測試的案例，從中歸納出激勵-響應測試應用的典型需求，并進一步延伸到所需的必備技術，幫助讀者更好的去理解和* 估一個激勵-響應測試系統(tǒng)。

測試模數(shù)轉換器的非線性度

在對ADC精度的測試中，差分非線性(DNL)和積分非線性(INL)是描述ADC線性度的最常用的兩個參數(shù)。測試DNL和INL參數(shù)通常需要發(fā)生一個模擬的激勵信號，對ADC的整個輸入范圍進行掃描，同時將采集到的響應和每一個期望的輸出碼寬進行比較。比較完成后，需要分析最小和最大值的情況或進一步關心所有碼寬的測量值，繪制整個傳輸?shù)暮瘮?shù)曲線以直觀的跟蹤和了解。

這樣一個典型的激勵-響應測試就同時需要模擬的信號發(fā)生器和高速的數(shù)字分析儀，并要保證發(fā)生和采集設備之間的同步性，這樣才可以將采樣的點和發(fā)生的樣本點一一對應，這對于精確的獲取DNL和INL參數(shù)至關重要。如果是對一個高速的ADC進行測試的話，您不僅需要高速的信號發(fā)生模塊和數(shù)字信號采集模塊，還要有高帶寬的總線來實時傳輸發(fā)生和采集的原始數(shù)據。采集到數(shù)據后，您更需要一個專業(yè)的軟件平臺來在線比較激勵信號和響應信號，找出不匹配的數(shù)據位，并進一步獲取如DNL，INL，SINAD等參數(shù)。

超聲圖像相控陣

讓我們再來看一個更尖端的激勵-響應測試應用。通常超聲信號的頻率范圍為20kHz到25MHz甚至更高，對于超聲信號的測試最基本的方法就是通過一個初始脈沖激勵系統(tǒng)，然后捕獲其反射回來的脈沖，通過分析反射脈沖的時間延遲和幅度來描述超聲信號的特性。下圖就描述了這種通過激勵脈沖來分析反射信號的測試方法：

這樣的激勵-響應測試同樣需要一塊任意波形發(fā)生器對被測設備的多個部分產生激勵信號，同時用高速的數(shù)字化儀捕獲響應的反射脈沖。因為需要對反射信號的時間延遲進行測量，波形發(fā)生器和數(shù)字化儀之間的精確同步就顯得尤為的重要。通過將發(fā)生的單個脈沖和數(shù)字化儀的8個通道進行嚴格的同步，超聲圖像相控陣可以大大縮減非破壞性超聲測試的時間。

激勵-響應測試的必備技術

通過總結以上的兩個實際應用，我們不難歸納出激勵-響應測試的典型需求如下：

1. 要求實現(xiàn)混合信號的測試：模擬、數(shù)字甚至射頻信號等

2. 為了拿到原始數(shù)據進行后續(xù)的分析，需要高速的數(shù)據總線帶寬

3. 為了保證測量精度，需要激勵和響應信號之間的精確同步

4. 軟件平臺的支持，提供專業(yè)且易用的分析工具

圖1.：ADC特性測試的系統(tǒng)框圖。

圖2：超聲測試中通過脈沖來實現(xiàn)特性描述。

針對以上的需求，一個以軟件為中心、并集成高速數(shù)據總線和精確定時同步特性的模塊化的架構是解決此類應用的最佳平臺。在這里推薦使用模塊化架構的PXI(專門用于測試儀器的PCI eXtensions)平臺，它集成了多種行業(yè)標準的技術(如PCI/PCI Express總線，標準OS技術等)，并添加了工業(yè)級的堅固設計和集成的定時和同步功能，使得PXI成為當今測試測量應用最理想的模塊化工業(yè)平臺。

如今市場上有來自于70多家廠商超過1500種符合PXI規(guī)范的各種模塊化測試儀器，包括數(shù)字化儀、任意波形發(fā)生器、高速數(shù)字I/O、數(shù)字萬用表、射頻設備等等，能夠很好的滿足激勵-響應測試對混合信號的需求。而這些混合信號的測試模塊都是通過PXI的背板總線相連，將采集的原始數(shù)據通過高速的背板帶寬(132MB/s)傳輸?shù)娇刂破髯骱罄m(xù)的處理和分析。如果涉及更高頻(如中頻和射頻)的信號，基于PCI Express的PXI Express總線更能提供高達6GB/s的背板帶寬，滿足絕大多數(shù)高速激勵-響應測量的應用。

激勵-響應測試應用中另一個非常重要的技術就是信號之間的精確同步，因為激勵信號和響應信號之間的時間延遲會嚴重影響后期的分析和結果比對，同時對于并行多通道的激勵-響應測試，通道之間的嚴格同步也是重要的因素之一。PXI內建的定時和同步架構能夠保證多個模塊化I/O設備之間實現(xiàn)精確的同步。其包含了8根TTL的觸發(fā)總線，一個高穩(wěn)定的10MHz的共享時鐘，以及一組高精度的星型觸發(fā)總線。最新的PXI Express總線在現(xiàn)有PXI的定時和同步特性上還添加了附加的100MHz的差分系統(tǒng)時鐘、差分信號、以及差分星形觸發(fā)(見圖4)，進一步增強了對儀器時鐘的抗噪聲能力，并能傳輸更高頻率的時鐘信號，確保更高的同步精度。用于發(fā)生激勵和采集響應的PXI/PXI Express模塊可以通過背板總線共享和同步采樣時鐘，并通過觸發(fā)總線實時傳遞開始采集信號，以達到模塊間納秒甚至皮秒級的同步精度。

圖3.：超聲圖像相控陣的系統(tǒng)原理圖。

圖4.：PXI/PXI Express內建的定時和同步功能，能夠實現(xiàn)更高精度的測量。

最后也是最重要的是要有一個統(tǒng)一的軟件平臺，不僅能夠無縫的集成各種模塊化的測試硬件，而且能用符合行業(yè)標準的開發(fā)軟件來采集、分析和存儲數(shù)據。由于激勵-響應應用會涉及很多后期的結果比較和算法處理，例如采集到的大量數(shù)據需要做數(shù)據位的匹配和比較，以及進一步的信號分析如獲取ADC的 INL，DNL等參數(shù)。因此開發(fā)軟件需要提供專業(yè)且易用的信號處理工具，而且還要提供給客戶融合自定義算法的功能。LabVIEW作為一個專為測試測量設計的編程語言，使用了工程師們最熟悉的圖形化的編程方式，其內建了超過700種的信號處理的算法，能夠幫助用戶更快更高效的開發(fā)和應用這些專業(yè)的算法，同時LabVIEW開放的平臺能夠方便的融合用戶自定義的算法設計。針對激勵-響應測試，LabVIEW中提供了數(shù)字到模擬的轉換函數(shù)、數(shù)據位的比較函數(shù)等一些常用的功能外，還內建了諸如快速傅立葉變換、小波分析、聯(lián)合時頻域分析等高級的算法。此外，LabVIEW中還擁有快速數(shù)據存盤和報告生成的功能，供用戶做離線的分析和報告?？梢?，一個專業(yè)而且開放的平臺可以幫助客戶快速而高效的開發(fā)激勵-響應應用，且易于后期進一步的升級和維護。

總結

實現(xiàn)一個混合信號的激勵-響應測試應用對軟硬件的要求都相對較高，通過模塊化的硬件架構加上專業(yè)開放的軟件平臺能夠從根本上簡化這些技術難題，幫助用戶實現(xiàn)從簡單到復雜的各種激勵-響應的應用。通過本文的案例分析和對于必備技術的討論，希望能夠幫助讀者更好的理解這類應用并提供一些有益的幫助。