【虹科案例】虹科數(shù)字化儀在多通道、多功能測試和測量系統(tǒng)中的應(yīng)用

電子測試測量在需求的驅(qū)動下，繼續(xù)朝著多通道、多功能儀器的方向發(fā)展。使用并行和陣列拓撲的被測電子設(shè)備的復雜性不斷增加，這些拓撲需要以更高的速度進行更多的測量，同時保持時間一致性。

虹科Spectrum是基于 PC 的測試和測量產(chǎn)品的引領(lǐng)者，現(xiàn)在擁有完整的 PCIe 卡陣容，如圖 1 所示的 M2p 系列，可以創(chuàng)建經(jīng)濟的多通道測試系統(tǒng)。

圖 1：虹科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 系列提供 39 種不同的產(chǎn)品，分為三個不同的儀器類別：用于模擬信號采集的數(shù)字化儀、用于模擬信號生成的任意波形發(fā)生器 (AWG)，以及可以采集或生成高速數(shù)字信號的數(shù)字 I/O 卡。本文將研究這些產(chǎn)品如何在多通道/多功能測試系統(tǒng)中用于多種測試應(yīng)用。

02

工業(yè)電機控制

圖 2：典型的電機控制系統(tǒng)使用脈沖寬度調(diào)制來控制三相電機。控制系統(tǒng)是使用模擬和數(shù)字信號的混合信號設(shè)備。

電動機是現(xiàn)代電子產(chǎn)品發(fā)生變化的一個很好的例子。自 1990 年代以來，電機，尤其是工業(yè)電機，已經(jīng)從電力線驅(qū)動過渡到基于電子的電機驅(qū)動。即使是小型電機，例如占使用電機 90% 的 750 瓦以下的電機，現(xiàn)在也使用電子電機驅(qū)動器。讓我們看一個典型的電機控制器（圖 2）。

電機控制器像開關(guān)電源一樣工作。它們對電源進行整流和濾波，以將電源 AC 轉(zhuǎn)換為 DC 總線。便攜式設(shè)備電機使用電池為直流總線供電。該直流總線為使用脈寬調(diào)制 (PWM) 信號驅(qū)動電機的開關(guān)逆變器供電。在直流電機的情況下，逆變器也用于對電機進行換向。然后速度和角位置傳感器反饋電機速度和扭矩以完成反饋控制回路?？刂破?a target="_blank">微處理器是具有模擬和數(shù)字信號的混合信號設(shè)備。串行接口在微處理器和輔助設(shè)備（例如控制器顯示器、EEPROM、VCO 和 DAC）之間進行通信。

這種環(huán)境非常適合虹科 M2p 系列模塊化儀器。數(shù)字化儀可以采集、顯示和分析模擬信號。而數(shù)字 I/O 模塊可以對數(shù)字信號執(zhí)行相同的操作，例如地址和數(shù)據(jù)總線中使用的數(shù)字信號。AWG 可以基于采集的信號或數(shù)學創(chuàng)建的信號來模擬傳感器信號。

圖 3：來自 BLDC 電機的三相電壓和電流。電壓波形顯示在頂行，電流顯示在中間，而電壓波形的縮放視圖顯示在底行。

作為一個實際示例，請考慮測量便攜式手持工具中使用的三相無刷直流 (BLDC) 電機的電壓和電流。相電壓和電流是使用 16 位、八通道虹科M2p.5968-x4數(shù)字化儀獲得的，該數(shù)字化儀以高達 125 MS/s 的速度進行采樣。數(shù)字化儀由虹科 Spectrum SBench6 軟件控制，該軟件還用于顯示和分析測量數(shù)據(jù)，如圖 3 所示。

以 10 毫秒/秒的采樣率采集 40 毫秒的持續(xù)時間，捕獲大約 1.6 個電機旋轉(zhuǎn)周期。模擬顯示器 2（頂部中心）中的光標測量 25 ms 的旋轉(zhuǎn)周期，作為左側(cè)信息面板中的讀數(shù)。這轉(zhuǎn)化為每分鐘 40 Hz 或 2400 轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)頻率。電壓波形顯示了 6 步換向的特性，有時也稱為梯形控制。在電流波形中也觀察到換向，每轉(zhuǎn)六個“脈沖狀”波形段。電壓波形顯示了 PWM 電壓波形的切換特性。底部行中的水平擴展視圖顯示了各個脈沖波形。模擬顯示器 7（底部中心）中的光標測量開關(guān)頻率為 20 kHz。

圖 4：霍爾效應(yīng)傳感器的三相允許控制器確定電機轉(zhuǎn)速以及軸的角位置。

電機控制器使用霍爾效應(yīng)傳感器的輸出來確定電機速度和軸角位置。該傳感器由三個霍爾效應(yīng)傳感器組成，在電機外殼內(nèi)以 120° 的間隔間隔開。該傳感器具有三個數(shù)字輸出，每個霍爾效應(yīng)傳感器各有一個。

霍爾效應(yīng)傳感器的三個相位可以通過使用虹科M2p.7515-x4數(shù)字 I/O 卡來獲取，如圖 4 所示。虹科M2p.7515-x4 可以以高達125 毫秒/秒。M2p 系列還有一個選項，即 M2p-Star-Hub，它允許多達 16 個不同的卡（數(shù)字化儀、AWG和數(shù)字 I/O模塊）混合和同步（共享公共時鐘和觸發(fā)信號），形成時間相關(guān)測量系統(tǒng)。

圖 5：按位和總線視圖顯示的 16 位并行數(shù)字總線。

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° 的旋轉(zhuǎn)。圖底部的彩色方框顯示了電機電樞單次旋轉(zhuǎn)期間出現(xiàn)的六個傳感器輸出狀態(tài)。霍爾效應(yīng)傳感器允許電機控制器確定電機速度和角位置。它使用六個傳感器狀態(tài)來換向電機繞組以保持旋轉(zhuǎn)。32 位寬的數(shù)字 I/O 模塊還可以研究并行數(shù)字總線，如圖 5 所示。

數(shù)字信號可以按位或總線視圖顯示?？偩€視圖注釋可以十六進制、八進制、二進制或有符號或無符號十進制格式顯示。

03

科學與技術(shù)

一些電子設(shè)備，如放大器、濾波器、接收器和數(shù)字接口，必須外部激勵才能進行測試，它們需要信號源和測量儀器。虹科模塊化數(shù)字化儀和模塊化任意波形發(fā)生器 (AWG) 提供多個源和測量通道，可在帶寬、采樣率和內(nèi)存中進行配置。將這兩種產(chǎn)品組合在一個系統(tǒng)中提供了一種非常經(jīng)濟高效的方式來滿足廣泛的測試要求。此示例使用由虹科 M2p.5968-x4 16 位數(shù)字化儀和 M2p.6568-x4、8 通道 125 MHz、16 位任意波形發(fā)生器組成的激勵響應(yīng)測試系統(tǒng)。

圖 6：開關(guān)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環(huán)路的相位裕度。

相位裕度是一個關(guān)鍵的品質(zhì)因數(shù)，用于指示閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它是開發(fā)和調(diào)試期間在電源中進行的最常見的設(shè)計驗證測量之一。測量相位裕度是源響應(yīng)測量的一個例子，它需要一個數(shù)字化儀和一個信號源。

相位裕度是在環(huán)路具有單位增益的頻率下，開路控制環(huán)路的輸入和輸出之間的相位差。具有 360° 相移的單位增益是一種不穩(wěn)定的振蕩條件。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)配置中進行測量。圖 6 中的框圖顯示了一種在保持閉環(huán)配置的同時測量開環(huán)特性（例如相位和增益裕度）的常用技術(shù)。

圖 7：使用小的擾動正弦波測量電源的相位裕度。單位增益發(fā)生在 2.687 kHz 的頻率上。波形之間的時間差為 -15.352 μs (-14.85°)。

一個小的擴展電阻，在本例中為 20 歐姆，被插入控制回路中不會干擾電路正常運行的位置。來自 AWG 的小正弦信號通過變壓器注入，隨著頻率的變化，可以通過使用數(shù)字化儀測量電壓來確定環(huán)路周圍的增益和相位差。環(huán)路增益是在通道 2 上測得的環(huán)路輸出除以在通道 1 上測得的環(huán)路輸入的比率。還可以直接測量環(huán)路輸入和輸出之間的相位差。改變正弦波的頻率，直到輸入和輸出波形相等（單位增益，0dB）。這個頻率的相位差就是環(huán)路的相位裕度。請注意，此測量遇到的最大困難是準確確定在電源開關(guān)噪聲存在時遇到的小電壓。通過對信號進行平均、與正弦波激勵同步或?qū)π盘栠M行濾波，可以顯著降低噪聲的影響。在此示例中，虹科 Spectrum SBench6 軟件在測量前對兩個信號應(yīng)用 20 kHz 低通濾波器，如圖 7 所示。

圖 8：由于補償網(wǎng)絡(luò)值的變化，相位裕度的改善。延遲為 -17.91 μs，單位增益頻率已轉(zhuǎn)移至 6.304 kHz，相位裕度現(xiàn)在更穩(wěn)定為 -40.6°。

相位差計算為延遲乘以單位增益頻率乘以 360°。

另請注意，輸入和輸出波形的形狀很好地表明了環(huán)路沒有被正弦激勵過度驅(qū)動。過載將顯示為非正弦波形。

測得的相位裕度 -14.85° 非常低。通過調(diào)整 PWM 控制器上的補償網(wǎng)絡(luò)來增加相位裕度。結(jié)果如圖 8 所示。相位裕度已增加到 –40.6°。這在系統(tǒng)中提供了更大的穩(wěn)定性。

04

模擬

圖 9：由虹科數(shù)字化儀捕獲的 30 秒長的 ECG 波形；波形被傳輸?shù)?SBench6 函數(shù)跡線，在此可以將其導入 AWG。較低的縮放軌跡顯示更熟悉的竇性心律

某些開發(fā)情況需要當前不可用的系統(tǒng)元素。與其在缺少的部件可用之前停止工作，不如使用 AWG 模擬缺少的元素。AWG 可以通過分析或從數(shù)字化儀或示波器導入波形來產(chǎn)生極其廣泛的波形。一個例子是圖 9 所示的心電圖 (ECG) 信號。

采集波形后，可以通過更改其幅度和偏移量來對其進行修改。其他波形可以與波形進行算術(shù)組合。波形也可以被過濾。在進行任何這些修改后，可以將生成的輸出導入 AWG。

AWG 還可以在輸出的波形中產(chǎn)生實時變化?？梢粤⒓醇虞d測試程序所需的所有波形，然后使用 AWG 的序列模式根據(jù)需要進行選擇。這大大提高了測試速度，因為它無需在多個發(fā)生器之間切換，也無需加載新波形所需的時間。

圖 10：存儲在 AWG 波形存儲器中的這四種不同曼徹斯特編碼串行數(shù)據(jù)包中的任何一種都可以在計算機控制下選擇輸出，同時輸出前一個數(shù)據(jù)包。選擇數(shù)據(jù)包在 curr 后立即輸出

波形段的實時控制可以很容易地為不同的測試需求提供自適應(yīng)響應(yīng)。測量的測試結(jié)果可以改變序列順序，這可以在不停止測試過程的情況下發(fā)生。這是最強大的優(yōu)勢，因為它支持自適應(yīng)測試，其中測試條件可以根據(jù)測量的性能進行更改。

考慮輸出可能在 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。可以使用 AWG 序列模式即時更改消息內(nèi)容，如圖 10 所示。

本例中有四個數(shù)據(jù)內(nèi)容不同的數(shù)據(jù)包，波形數(shù)量僅受 AWG 中可用波形存儲器的限制。當一個包被輸出時，下一個要輸出的包由計算機控制選擇。選擇的數(shù)據(jù)包排隊，在當前數(shù)據(jù)包完成后無縫輸出。因此，在此示例中，四個數(shù)據(jù)包中的任何一個都可以在測試期間按需輸出。

結(jié)論

虹科M2p 系列模塊化儀器、數(shù)字化儀、AWG 或數(shù)字 I/O 卡可用于測試系統(tǒng)，它們以交互方式工作來提供混合模式信號采集和信號源。所有三個模塊化儀器類都可以使用 Star-Hub 模塊鏈接在一起，以實現(xiàn)相位穩(wěn)定同步。作為半尺寸 PCI Express x4 模塊，M2p 卡可以直接安裝到 PC 系統(tǒng)中。PCIe 總線允許以高達每秒 700 MB 的速率與 CPU 和 GPU 進行數(shù)據(jù)傳輸。模塊化設(shè)計、快速數(shù)據(jù)傳輸和先進處理技術(shù)的結(jié)合使得創(chuàng)建功能強大的多通道、多功能測試和測量系統(tǒng)變得容易。