浅谈USB 模块化仪器在教学方案上的应用

　　引言

　　研究人员一直在寻找能够应对科技发展挑战的测试仪器，以满足包括教育界在内的各行各业的需要。这里要考虑的不仅仅是教育界当前的基本需要，商业界的未来可持续发展也至关重要。虽然传统台式仪器引领了过去的几十年，但更多的教育界客户已开始接受兼具灵活性和可扩展性的模块化仪器，这些仪器能适应基础教学实验室，以及从事先进电气、电子、物理和机械工程研究实验室的需要。

　　满足教学实验室基本需要的USB 模块化仪器

　　电子和电信行业在过去几年间发生了巨大的变化。持续的技术创新更加速了这样的变化，工程师们的研究成果不断挑战并突破技术壁垒。为实现性能，所有电子及通讯设备在设计和制造过程中都必须经过严格的性能验证和测试。

　　安捷伦科技为全世界的高等院校积极开发教学解决方案。安捷伦为年轻的工程师们提供电子仪器和测量及测试的相关技能，帮助他们踏上工程师生涯。USB 模块化仪器在教育部门的推广，能在从基础仪器到全面产品特性研究的教学中帮助学生掌握重要的基本概念。

　　模块化仪器结合了紧凑的高性能硬件、灵活的开发软件以及集成式的定时和同步功能。模块化仪器采用的商业科技，诸如ADC，DAC，FPGA和PC总线，能为测量工作提供7位DC到2.7GHz的高分辨率和高数据吞吐量。模块化仪器开发软件，如NI LabVIEW，内置有基于软件的测量函数和复杂的分析功能。负责测试和设计工作的工程师们可以采用模块化仪器创建完全自定义的测量系统：通过选择合适的硬件模块并在工业标准的软件环境中定制测量应用程序，即可满足各种独特的应用要求。使用模块化仪器建立的系统比传统的仪器具有更高的灵活性、测量、数据吞吐量和同步特性。

　　对基本电气实验的经验涉及对仪器的熟悉程度。理解有源滤波器工作原理就是一个这样的例子。有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。 滤波是重要的信号处理方法之一。模拟滤波器用于连续信号，通常认为这属于分立元件。另一方面，有源滤波器使用着一个或多个有源器件，如晶体管或运算放大器。与无源滤波器相比，有源滤波器可以有高输入阻抗、低输出阻抗和几乎任意的增益。有源滤波器的设计比无源滤波器更容易。在设计一阶、二阶，甚至五阶滤波器时，示波器与函数发生器一起成为设计验证的良好工具。例如把 Agilent U2761A 20MHz模块化函数∕任意波形发生器设置为扫描时间 100ms，100Hz 至 100kHz（正弦波）扫描，触发源设置为内部。用 Agilent U2702A模块化200MHz数字示波器检查三阶有源滤波器的波形。通过已知电容和电阻值，就可根据相应的传递函数，把所测截止频率（fc）与 fc 的计算值相比较。

　　虽然基本测量要求相同，但模块化仪器的能力已超出电气工程实验室的范围。通用实验室中的仪器可用于进行科学研究和监测材料化学。大学教师建立起互动的仪器系统，系统内部的反应会变得很复杂。这反过来又会阻碍测量和信号详细分析的任务。例如通常用示波器来了解系统中的低频噪音（通常为 100Hz或更低）状况。对于这项研究，重要的是监视信号的频域性能。Agilent U2701和U2702A 100MHz/200MHz示波器有两个通道，可提供高达1GSa/sec采样率，32Mpts 的深存储器能完成实时数据分析和毛刺检测。示波器 20种快的自动测量使其适合这些一般性的应用。此外，捆绑的安捷伦测量管理器（AMM）软件提供直观和类似台式仪器的图形用户界面，使学生和研究人员能控制示波器和运行更便捷的自动测试。该软件旨在帮助他们快速完成设备配置，数据记录和采集，而不需要开发软件程序。

　　示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

　　图 1，Agilent U2701A 100MHz 示波器以用户友好和类似台式仪器的界面执行 FFT 分析 。这是 Agilent USB 模块化示波器的标志性屏幕 —— 提供无需编程的配置控制。

　　在物理学和微电子学实验室中，要向学生讲授各种分立元件，如 BJT 晶体管、BJT是双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT）的缩写，又常称为双载子晶体管。它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件，有PNP和NPN两种组合结构。二极管、小信号 JFET 和MOSFET晶体管，以及齐纳二极管的功能。学生通过这些基本元件测量所获得的基础知识，将使学生能进而学会如何设计、装配和使用基本电子电路。Agilent U2941A参数测试夹具是U2722A USB模块化源∕测量单元的补充，能使学生更多测试和掌握这些元件的特性。

　　图 2，Agilent U2941A 参数测试夹具与 U2722A USB 模块化源∕测量单元一起测试基本分立元件

　　在控制实验室中，Agilent USB DAQ和VEE软件可用于实现组合的前馈和反馈控制。这种控制通常用于改善可测干扰存在时的控制系统性能。反馈控制的目的是跟踪参考，前馈控制的目的是在干扰能够影响过程变化前抑制干扰。前馈控制的长处在于它的预测特性，在干扰进入系统前先改变至系统的系统控制信号，从而抑制对系统的干扰。这是基于对干扰性质和系统本身的认识，从而通过采取行动消除逼近的不利影响。因此必须有实现前馈控制的干扰和系统模型。模型越，前馈控制对干扰的抑制就越有效。在工业界，实现前馈控制的好处在于干扰刚刚产生时，就能避免部分批次产品的经济损失，因为此时尚未有常规的反馈控制。

　　高年级学生就可为他们的系统测量项目组合使用各种适宜的基础测量仪器。虽然传统台式仪器能进行的测量，但当学生要确保项目按计划进行时，却只能被禁锢在实验室中。这是对传统台式测试仪器的挑战。Agilent USB模块化仪器的便携性已引起教育工作者的极大兴趣，因为它能让学生方便地携带仪器离开实验室，在项目完成所需的任何地点工作。Agilent 是模块化仪器的主要制造商，它有 USB 形式模块化基础测量仪器的完整产品线。其它品种的模块化仪器包括数字万用表、函数发生器、源∕测量单元和开关矩阵。函数发生器是一种多波形的信号源。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。

　　图 3，您能从 Agilent USB 模块化仪器“库”容易地选择符合项目要求的仪器

　　适合商业化的 USB 模块化仪器

　　高校教师也强调产品的商业化价值。由于可扩展性和灵活性带来的各种好处，PC基仪器的重要性为商界所公认。它的可持续性成为行将就业大学生获得工业领域实际经验的很好平台。例如在替代能源和减少对化石燃料依赖这些人们关注的领域，许多研究实验室正在寻找更高能效的引擎和使用替代能源的引擎。电动汽车就是这类研究成果的例子。在引擎和燃油技术开发中，引擎性能测试是非常重要的。有许多影响引擎性能的因素：基本引擎设计、燃油、润滑、压缩比、阀门定时、点火定时和温度。其中关键的因素是引擎功率控制、油耗和排放，这是相对消耗空气量的摄入燃油量。它以空气∕燃油比表示，也就是使用的空气量除以燃烧的燃油量。安捷伦的USB数据采集（DAQ）模块为引擎测试提供低价和灵活的解决方案。

　　为了在实验室测试引擎性能，通常把引擎耦合到拉力计，这可以是引擎拉力计（直接接到引擎输出轴）或底盘拉力计（接到驱动轮）。拉力计提供引擎负荷，能通过容易的控制测试宽范围的扭矩和速度。这对于表征给定负荷下的马达扭矩是非常重要的。常见的工业方法是测量作为输入电压函数的马达转速。马达带动“分度盘”旋转，并由反射型红外发射器 － 探测器检测。通过调整红外传感器位置得到与马达速度相关的方波输出。马达的电压和速度信号被读入数据采集装置。通过实践这一采集技术，使授课内容覆盖各种类型的测量、信号和测量技术，实验内容也使学生获得丰富的测量经验。这样保证了测量理论和实验经验，是所学知识和技术实际应用的完美结合。带 VEE 软件的Agilent U2350系列USB数据采集单元就是很好的例子，它使人们把注意力集中到基本电路与测量系统的连接，而由熟悉的程序实现自动化测量，通过容易的分析了解马达额定值，加速和减速曲线及其它相关测量。U2350系列USB数据采集装置提供每通道高达16bit 和500K的采样率，使其成为测量，甚至产生预定义波形的理想解决方案。 VEE 软件是功能强大的补充工具，它可以读取整个迹线或波形，而不限于单个数据点，并能通过编程执行实例分析。

　　典型产品生命期包括设计和表征，量产，升级，或被更新一代产品替代。无论处于产品生命期哪一阶段，测试方法都保有如图4所示的一致性。随着半导体趋向于更小的集成芯片或具有更多功能和特性的 IC 封装，仪器管理变得至关重要，更低的功耗和敏感的测试要求呼唤更紧凑和能力更强的测试仪器。例如在大学研究实验室的硅纳米线晶体管表征中，测量包括保持两个电压恒定，然后通过扫描第三个电压得到性能特性集。这用于测试和验证晶体管的不同配置和实现。选择测试仪器时必须考虑功耗要求。由于硅纳米线晶体管在低功耗区工作，Agilent U2722A是能够满足电流、电压、测量分辨率和测量速度要求的理想解决方案。也必须注意U2722A的三通道输出能有效地提供表征能力。带有 AMM 的U2722A操作方便，Agilent 模块化仪器推动着开放体系结构，以及支持简化测试自动化的VEE、MATLAB、LabVIEW 和Visual Studio。尤为重要的是通过 AMM 中的命令记录器和代码转换器特性，能容易地记录和转换所使用VEE、VB、C++ 和C＃的代码片段。

　　MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。　 　　MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连  matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

　　Visual Studio 是微软公司推出的开发环境，Visual Studio 可以用来创建 Windows 平台下的 Windows 应用程序和网络应用程序，也可以用来创建网络服务、智能设备应用程序和 Office 插件。

　　LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显着区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。

　　图 4，参数测试方法 —— 强调仪器管理，选择适合的设备，按被测器件确定要测试的参数，通过分析测试数据进行设计验证

　　图 5，Agilent U2722A USB模块化源∕测量单元测试纳米线晶体管。这里示出器件的断面

　　半导体行业保括 各种可用器件，包括分立元件（MOSFET，二极管，晶体管），逻辑电路（FPGA），存储器器件（EEPROM存储器，微处理器，DRAM），存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存），也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。电源控制器（PWM控制器，直流到直流变换器），信号处理器（ADC，DAC，电压 - 频率变换器），定时处理器（振荡器，定时器，波形发生器）和信号调整器（放大器和比较器）。U2722A及其增强版 U2723A是适用于半导体参数测试的强大高价值工具，U2941A则是为高校教师提供故障分析补充的有效解决方案。测试夹具提供固定元件，从而便于进行分析和验证的模块。它的参数测量管理器（PMM）软件提供MOSFET、二极管、电阻器和 BJT 晶体管分析程序。

　　结论

　　随着 Agilent 符合灵活配置、快速设置、物美价廉要求的 USB 基模块化仪器的推出，这些仪器迅速引起电子工业和高校师生的浓厚兴趣，他们要在富有挑战性的世界中通过具有附加价值的仪器赢得成本优势。USB 基模块化仪器家族能按变化的测量需要进行灵活的配置 —— 容易、快速、经济。它可配备基本教学实验室和研究实验室，承担从一般性应用到先进和深入的材料分析和物理分析的各种项目。Agilent USB模块化仪器家族包括示波器，函数发生器，数字万用表 （DMM），源∕测量单元，开关矩阵和数据采集器，它们有便于携带的外形结构，又有台式精密仪器般的测量能力。在研究实验室中，USB模块化仪器可自动执行各种表征。