介紹

模組化儀器減小了傳統儀器的尺寸，因此它們可以安裝在電路卡上。 多個卡可以插入到具有通用電腦介面、電源和互連的框架中。 模組化儀器框架包括使用標準PCIe介面的計算機、PXI測試框架或基於LXI的盒子。 通常，工程師使用多張卡並將其配置到一個測試系統中。 該系統可能包含多個儀器、具有多個通道的單一儀器類型，或兩者的組合。

基於PXI的模組化系統不那麼自主，但在單個板條箱中提供更多的模組化儀器。 他們需要外接顯示器和鍵盤。 Spectrum的digitizerNETBOX等基於LXI的系統非常適合實驗室安裝和移動使用，通過LAN提供大量通道和連接，可直接連接筆記型電腦或遠端控制室監控。

車載電子

這些微處理器與標準微處理器的不同之處在於具有更高的環境和可靠性標準，以及增加了專用車輛總線和介面，例如CAN、LIN和PSI5。 這些介面允許微處理器與其他處理器、感測器和執行器進行通信。

控制器局域網或CANbus是此處顯示的最複雜的數據總線，是許多汽車數據鏈路的主幹。 在其基本形式中，它使用帶有8位元組數據包的差分信號通過兩線總線以20kb/s到1Mb/s的速度交換數據。 更新的版本CAN靈活數據速率（CAN FD）將數據內容擴展為64位元組數據包，以高達12Mb/S的速度交換。

本地互連網路或LIN總線是一種成本較低的總線，用於説明降低非關鍵應用的成本。 它使用兩個、四個或八個字節的數據幀通過單根線以高達20kb/s的速度運行。

PSI5介面用於將多個感測器連接到電子控制單元，並已用作安全氣囊和相關約束系統的主要感測器通信總線。 它是使用曼徹斯特編碼以高達189kb/S的速度運行的兩線總線。

數位化儀的應用

最常用的模組化儀器是數位化儀。 數位化儀是一種電子採集設備，它採集類比波形，通過模數轉換器（ADC）對其進行採樣和數位化，並將數位化的樣本發送到緩衝區，以便在計算機處理之前將其保存。 Spectrum等模組化儀器供應商提供的數位化儀具有8到16位的ADC解析度，類比頻寬高達1.5GHz，採樣率高達每秒5Giga採樣（GS/s），每張卡有1到16個通道。 為同步多張卡做準備，每個系統最多允許16個卡（或最多256個完全同步的通道）。 這些儀器系統可無限重新配置，以在車載嵌入式系統中採集、存儲和測量信號。

可以選擇Spectrum數位化儀以匹配每個介面的數據速率和頻寬要求，以及更常見的處理器和相關操作。

考慮監控CANbus介面的任務。 用於此測量的數位化儀具有可遠端配置的輸入，允許每個通道的單端或差分輸入。 在這種情況下，使用了差分輸入。 結果如圖3所示。 該採集使用虹科Spectrum的SBench6軟體顯示，該軟體允許分析介面的物理層。 可以驗證信號的幅度和時序，以確保符合CANbus標準。

信號幅度的基本測量，包括峰峰值、最大值和最小值，可以表徵數據包。 對上升和下降時間進行額外的計時測量，以確保總線信號的完整性。

除了物理層之外，Spectrum數位化儀還可以與第三方程式（如LabVIEW和MATLAB）連接 ，在這些程式中可以解碼波形數據並探索協定層。 經驗豐富的程式師可以使用Windows和Linux驅動程式以C、C+、Python或類似語言創建自定義程式，以開發自定義解碼操作。

信號源模擬

在許多工程專案中，測試可能會因為缺少關鍵元件或進行物理測試太昂貴而被擱置。 任意函數發生器（AWG）可用於創建幾乎任何波形並類比丟失的元件。 任意波形發生器是數位信號源，其操作非常類似於反向數字化儀。 在數位化儀對類比波形進行採樣、數位化然後將其存儲在其採集記憶體中的情況下，AWG具有存儲在波形記憶體中的波形的數位描述。 選定的波形樣本被發送到數模轉換器（DAC），然後通過適當的濾波和信號調理，作為類比波形輸出。

對於模擬，如果您可以訪問由數位化儀獲取的缺失部分的回應波形，或者可以通過分析創建，您可以使用AWG作為替代。 一個常見問題是能夠輸出一系列波形，每個波形代表被測系統的不同狀態。 雖然這可以通過多個生成器和某種切換來完成，但有一種更有效的方法。

具有全功能序列模式的AWG，例如Spectrum M4i.66xx-x8系列（如上圖），能夠在波形之間即時切換，甚至無需重新載入不同波形的時間 。 AWG的波形記憶體是分段的，可以存儲測試所需的每個波形，每個波形都在自己的段中。 AWG在計算機控制下，根據存儲在單獨的序列記憶體中的指令逐步遍歷波形。 可以更新或更改序列記憶體的內容，而不會影響AWG的輸出狀態。 這種序列模式操作允許基於測試結果自適應地改變測試序列。 這種能力大大減少了測試時間並提高了測試的徹底性。

例如，AWG可用於替代PSI5感測器，產生一系列可程式設計輸出代碼。 PSI5使用曼徹斯特編碼。 曼徹斯特碼總是在每個位週期的中間放置一個轉換。 它也可能（取決於要傳輸的資訊）在周期開始時有一個過渡。 中間位轉換的方向指示數據。 週期邊界的轉換不攜帶資訊。 它們的存在只是為了將信號置於正確的狀態以允許中間位轉換。 保證轉換允許信號自計時。 要生成PSI5數據包，需要三個波形段，如圖2所示。 邏輯“1”（段1）由高到低的轉換指示。 邏輯“0”（段0）由低到高的轉換指示。

通過使用這些元件定義三個波形段，可以合成任何數據模式組合。 這意味著通過重新排列這三個段的順序，可以更改數據包的內容。 圖3顯示了PSI5數據包的四個示例，每個數據包由三個段組成，但每個段具有不同的數據內容。

在此示例中，段設置為512個樣本的長度，時鐘速率為50MS/s，因此每個元件的持續時間（TBIT）將為10.24μs。 數據包由持續超過兩個位時鐘週期的基線信號分隔。 AWG是使用MATLAB腳本控制的，該腳本從三個段組裝了四種不同的數據模式，用於本次測試。 數據包之間的切換無縫進行，沒有間斷。

電源排序

另一個需要關注的領域是上電或斷電時電源軌的正確排序。 嵌入式計算系統通常需要多個電源電壓來為微處理器、記憶體和其他板載設備供電。 大多數微控制器都有一個規定的順序，其中必須施加電壓以防止出現鎖定等問題。 電源管理IC（PMC）或電源定序器執行許多定序任務。 由於大多數處理器使用多個電壓，因此具有多達8個輸入的數位化儀是此類測量的理想儀器。 此外，由於上電/斷電序列需要毫秒級，因此還需要大型採集記憶體。

圖4是一個簡單的電源序列測量示例。 監控三個電源軌（5、3.3和1.8伏）。 所期望的是電壓電平應該以期望的順序單調上升。 在此示例中，5伏電源先於其他電源打開，然後是3.3伏和1.8伏線路。

可以使用游標測量時間延遲，如圖所示，其中5伏和3.3伏總線之間的時間延遲測量為35.5μs。

這種類型的功率測量可以擴展到測量紋波、調節和瞬態回應。

機械測量

模組化儀器還可以使用合適的感測器進行機械測量。 圖5顯示了對風扇進行的一系列機械測量。

此SBench6螢幕圖像顯示了最左側網格中的轉速計輸出。 該波形由風扇每轉一圈一個脈衝組成。 通過測量此信號的頻率來讀取風扇速度。 該圖左側中心資訊窗格中的頻率讀數將此頻率讀取為27.8Hz（每秒轉數）。 將此頻率讀數乘以60可得出風扇的轉速為1668轉每分鐘（RPM）。 顯示頻率最小值、最大值和偏差的統計讀數顯示在頻率讀數下方。

加速度計輸出顯示在標有「加速度計輸出」的上部中心網格中。 已使用類比通道設置設置自定義垂直刻度以直接讀取g『s。 信號峰峰值和有效（rmS）幅度的測量值顯示在資訊窗格中。 該信號的時域視圖有點難以解釋，因此計算該信號的快速傅里葉變換（FFT）並顯示在右上角的顯示網格中。

FFT顯示了構成加速度信號的頻率分量。 FFT的頻域或頻譜視圖提供了更容易的物理解釋，因為它將各種頻率分量分開。 最左邊的峰值出現在27.8Hz，即風扇電機的旋轉頻率。 其他光譜分量對應於風扇的物理屬性。

麥克風輸出顯示在中心底部網格中，按比例顯示聲壓。 該數據也已重新調整，以便以壓力單位讀取，即帕斯卡。 資訊窗格中的測量顯示該信號的峰峰值和有效幅度。 與振動信號的情況一樣，聲學的FFT提供了大量的物理洞察力。

結論

數位化儀非常適合車輛測試和測量應用，可以提供了大量解析度從8位到16位的通道。 高達5GS/s的數位化速率允許選擇與應用相匹配的快速或慢速採樣。 任意波形發生器支持模擬場景。 即使缺少元件，它們也允許進行測試。 PCle、PXI或LXI配置的選擇符合攜帶型或實驗室測試的需求。