NI 示波器的優勢

傳統的桌上型示波器經過最佳化處理,可滿足設計工程師的需求,這些工程師主要以互動方式使用儀器,並優先考量首次量測的時間、波形視覺效果,以及與多種探針連接等功能。雖然較新的箱型示波器新增頻寬更高的現成軟體來分析匯流排通訊協定,因此有助於改善這方面的體驗,但這類示波器往往無法滿足工程師建立自動化測試系統或高通道數的高速量測系統的需求。這些工程師需要以自動化方式來取得與分析大量資料,且通常會優先考量其他儀器的整合、尺寸、程式設計經驗,以及資料傳輸率或執行時間等事項。基於這些獨特的需求,許多使用者正著手採用模組化平台,其規格經過最佳化處理,能發揮傳統箱型示波器的量測效能。

NI 在 PXI 平台中提供最豐富的模組化示波器,讓您針對成本、密度、量測解析度或取樣率最佳化系統。下方圖 1 顯示不同的 NI 示波器的取樣率與解析度。藍色 I/O 點代表使用 NI-SCOPE 儀器驅動程式所設計的軟體定義示波器,而黃色 I/O 點則代表使用 NI 可重設 I/O (RIO) 架構的 FPGA 架構示波器。 

^{圖 1：NI 示波器提供多種解析度與高速取樣功能。}

表 1 詳細說明上述藍色 I/O 點所列的示波器規格。這些示波器可提供傳統儀器所需的量測功能,例如可選擇的輸入範圍、輸入偶合與阻抗、濾波器,以及可追蹤的校準。這些儀器還支援軟體人機介面,並且透過 Instrument Drivers 進行程式設計,其中包含預建的函式,可執行標準示波器量測,例如上升時間、頻率與脈寬,或透過軟體定義功能。

^{表 1：您可以選擇豐富的示波器系列。}

圖 1 中的黃色 I/O 點詳列的 FPGA 架構示波器搭配高速取樣與使用者可存取的 FPGA,相當適合內建訊號處理、即時分析或自訂觸發執行。

^{圖 2：變更前端模組以定義應用所需的 I/O。}

NI 提供豐富的 PXI 示波器與 FPGA 架構示波器,專為高通道數或混合訊號自動化測試系統所設計。儘管規格因高解析度或高速而異,NI 示波器仍有幾項主要屬性可針對這類用途進行最佳化處理,包括:

• 與其他儀器緊密整合與同步化
• 能儲存與串流大量資料
• 高通道密度
• 客制化觸發與內建訊號處理功能
• 完整的軟體體驗,可快速進行量測、程式設計與除錯

混合訊號測試系統一般均由多款儀器所構成,包含訊號源、量測裝置與切換器。NI PXI 示波器可搭配 PXI 平台與 NI 專利技術,以緊密整合與同步化其他儀器。透過 PXI 系統與 NI 模組化儀控功能,不僅可於單一機箱中建立完整的測試系統,機箱模組亦可透過 Picosecond 精確度的同步化作業,確保量測品質並可重複進行作業。

^{圖 3：PXI 平台提供多款模組化儀器。}

透過同步化功能,即可針對相同類型的多組儀器,匹配其時基 (Timebase) 與觸發以擴充通道;或可整合不同儀器的輸出與輸入。基本的同步化方法包含共用觸發器與取樣時脈,而更進階的同步化方式則包含對齊不同速度的多個取樣時脈,以及調整時脈與觸發器之間的相位延遲。PXI 架構可透過 PXI 機箱背板,均勻分配觸發器與取樣時脈,以因應上述部分挑戰,如圖 4 所示。

^{圖 4：PXI Express 背板可簡化時序與同步化作業。}

此外,NI 示波器與訊號產生器與高速數位 I/O 等其他儀器,共用同步化與記憶體核心 (SMC) 技術。這項專利技術使用獨立的時脈域訊號,支援在不同儀器之間驅動與接收觸發,並可在 10 秒的短時間內進行同步化。這個觸發器稱為「觸發時脈 (TClk)」,其效能遠高於只鎖定 10 MHz 參考時脈的取樣時脈。

若要進行高效率且高精確度的產品測試作業，勢必產生多項費用。除了剛開始測試設備的成本之外，如測試時間等因素亦將大幅影響測試成本。如同各種應用均有其專屬且特殊的需求,自動化測試系統亦不例外。自動化測試系統最重要的 2 項考量要點，即為頻寬與潛時 – 此 2 個指標將影響量測系統的整體速度。

^{圖 5：常見儀控匯流排的頻寬與潛時。}

潛時 (Latency) 即為儀器對遠端指令產生反應的總時間，如同量測查詢作業。而用於連接量測儀器與主機電腦/控制器的資料匯流排，其傳輸量即所謂的頻寬 (Bandwidth)。不論是要傳輸並單次記錄大量資料，或是傳輸並多次記錄少量資料，高頻寬匯流排均可縮短測試時間。PXI 平台為 NI 高速示波器的架構,可透過 PCI 與 PCI Express 匯流排,為多種高速應用滿足高頻寬且低潛時的需求。PXI Express 亦屬於 PXI 規格，根據機箱與控制器的不同，透過 PCI Express 高速匯流排達到數個 GB/s 的系統傳輸率。與 GPIB、USB、LAN,還有其他自動化測試的資料傳輸率均高出甚多 (表 2)。

^{表 2：比較 PXI 與乙太網路的資料傳輸率。}

相較於傳統的桌上型儀器,NI PXI 示波器的體積較精巧,因此,您只需使用機架堆疊式測試機的數量,即可建立混合訊號自動化測試系統。小型測試系統可節省生產廠房與特性分析實驗室的寶貴空間、透過減輕重量與尺寸來提升可攜性,而且通常會因為減少配電與冷卻需求而降低設施成本與測試基礎設施。 

^{圖 6：結合 NI 示波器與其他儀器,打造精巧的自動化測試系統。}

當從 4 個以上的通道進行資料同步化時,示波器通道密度會格外重要,因為大多數傳統箱型示波器最多可達 4 個通道。由於箱型示波器經過最佳化處理,適用於低通道數的桌上型應用,因此具備多個實體旋鈕與大型顯示器,適用於用於取得與顯示資料。這些儀器的人機介面所佔用的實體空間,使得高通道數系統無法整合這些儀器。

PXI 示波器可排除傳統儀器相關的多種備援功能,例如個別顯示器、實體旋鈕、電源供應器與風扇。PXI 機箱與控制器可處理儀器的處理、資料傳輸、冷卻與供電作業,使用者可透過軟體控制儀器,並在單一螢幕上顯示資料。使用 PXI 平台與 NI 示波器,即可在單一 4U 內建高達 136 個通道的高通道數系統 (19 吋)。PXI 機箱。

^{圖 7：單一 PXI 機箱 (19 吋、4U 機架) 可結合多達 68 個或 136 個示波器通道,適用於高速的系統。}

現在大多數的測試儀器整合 FPGA 與固定式 Firmware,以執行儀器的功能。NI 軟體設計示波器採用開放式 FPGA,能支援使用者在儀器上執行複雜的演算法,大幅減少需要將資料串流至主機的資料量。此範例說明如何建構可在儀器 FPGA 上執行常見計算的應用,例如 SFDR、SNR 與 SINAD。

^{圖 8：這張開放式 FPGA 程式方塊圖說明 FPGA SFDR、SNR 與 SINAD 計算架構。}

上一節所提到的高資料傳輸率主題,分別是增加頻寬與降低潛時。透過軟體設計示波器所定義的開放式 FPGA 架構,進而大幅提升這些優勢。適用於 PXI Express 的 NI FlexRIO FPGA 模組的一項獨特功能,就是能以 3 GB/s 的速率在不同模組之間串流資料,而不會透過主機晶片組路由資料。NI 最多支援 16 個這樣的串流,不需負擔主機 CPU 資源,即可簡化複雜的多重 FPGA 通訊方案。如需此技術的詳細資訊,請參閱名為「點對點資料串流簡介」的技術文章。

^{圖 9：在測試儀器中,開放式 FPGA 可以新增觸發與後處理等功能。}

示波器最常被忽略的一項功能,就是用於控制及程式設計裝置,以進行自動化測試與量測。可惜的是,由於軟體會大幅影響應用程式開發時間,因此,這一點可能相當重要。NI 示波器提供各式各樣的軟體工具,可協助您迅速取得資料、除錯應用程式、自動化資料採集作業,以及與其他儀器同步化,進而提升生產力。

開始使用 NI-SCOPE 軟體人機介面

此互動程式可針對傳統示波器的專屬顯示功能，提供簡單易用的介面。再搭配所有 NI 示波器的基本功能,除了可進行即時量測作業之外,並可儲存資料以進行後處理與分析作業。此介面可讓使用者迅速透過 NI 示波器進行量測。

^{圖 10：使用 NI-SCOPE 軟體人機介面快速進行量測。}

以 NI-SCOPE 驅動程式與範例程式進行程式設計

為了能利用電腦架構量測裝置的完整功能，應以程式設計的方式定義並控制裝置行為。所有 NI 示波器均可透過 NI-SCOPE 儀器驅動程式,以程式設計的方式進行控制,並提供高階函式以迅速上手,亦有初階控制功能以使用示波器的所有功能。此外,另有超過 50 筆預先撰寫範例程式可搭配此驅動程式,並將說明完整利用 NI 示波器功能的方法。NI-SCOPE 儀器驅動程式可透過多種程式設計語言存取,例如 LabVIEW 中的 G、C++ 與 Visual Basic。每種語言都有程式設計範例。

^{圖 11：使用 NI-SCOPE 驅動程式進行程式設計,以建立客制化程式。}

多裝置的同步化是許多應用的關鍵需求，通常可能會因此延長軟體的開發時間。不過,利用同步化與記憶體核心 (SMC) 架構建置而成的 NI 示波器,則能利用 NI-TClk,以最少的開發作業實現精確同步化。NI-TClk 提供高階介面,可針對多個 NI 示波器、任意波形產生器與高速數位 I/O 介面卡的同步化進行程式設計。此外,還有多種預先撰寫的範例可執行這類同步化作業,讓操作更易上手。下方所示為透過 LabVIEW 環境所設定的 3 個函式,可在多個 PXI 示波器上執行同步作業。

^{圖 12：使用 LabVIEW 或 LabWindowsTM/CVI 中的 3 個函式來同步 NI 示波器。}

一般而言,NI PXI 示波器的量測效能與傳統箱型示波器無異,但其規格卻更適合自動化測試與高通道數應用。透過一系列的 PXI 架構示波器與 FPGA 架構示波器,您可將系統的密度、解析度、頻寬與取樣率最佳化。此外,軟體設計儀器能支援您使用 LabVIEW FPGA Module 客制化儀器,因此能發揮無可比擬的靈活性。從提供立即可用的軟體工具,以便快速進行量測與除錯應用、建立全自動化測試程式,以及在硬體上實作客制化演算法,NI 示波器可提供最佳的軟硬體組合,讓您在建立自動化測試與高通道數系統時更具生產力。

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