作者:Spectrum 儀器公司技術(shù)總監(jiān)Oliver Rovini

電子測(cè)試測(cè)量正朝著多渠道和多功能設(shè)備方向發(fā)展。隨著電子設(shè)備測(cè)試的日益復(fù)雜,通過陣列和并行技術(shù)進(jìn)行測(cè)試就需要在時(shí)間一致的情況下以更快的速度進(jìn)行更多的測(cè)量。

Spectrum儀器是以PC為基礎(chǔ)的測(cè)試測(cè)量產(chǎn)品供應(yīng)商,目前擁有完整的PCIe卡產(chǎn)品線。圖1展示的M2p系列能夠創(chuàng)建更具經(jīng)濟(jì)效益的多通道測(cè)試系統(tǒng)。

圖1: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系列產(chǎn)品共39款,分為三大類。數(shù)字化儀用于信號(hào)采集,AWG用于模擬信號(hào)生成,數(shù)字I/O卡能夠采集或生成高速數(shù)字信號(hào)。

本文將深入探索如何將M2p系列產(chǎn)品融入多渠道或多功能測(cè)試系統(tǒng),并為多個(gè)測(cè)試應(yīng)用服務(wù)。

工業(yè)電機(jī)控制

電動(dòng)機(jī)就是現(xiàn)代電子產(chǎn)品演變的一個(gè)很好的例子。自20世紀(jì)90年代以來(lái),電機(jī)特別是工業(yè)電機(jī)已經(jīng)從電力線驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛陔娮拥碾姍C(jī)驅(qū)動(dòng)。750瓦以下的小型電機(jī),幾乎90%通過電子驅(qū)動(dòng)。圖2為一個(gè)典型的電機(jī)控制器。

圖2:典型的電機(jī)控制系統(tǒng)使用脈沖寬度調(diào)制控制三相電動(dòng)機(jī)。該控制系統(tǒng)是兼具模擬與數(shù)字信號(hào)的混合信號(hào)裝置

電機(jī)控制器的運(yùn)作類似于開關(guān)模式電源。它們通過整流和濾波將交流轉(zhuǎn)換成直流總線。便攜式電機(jī)設(shè)備通過電池為直流總線供電。該直流總線為開關(guān)逆變器供電,使用脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。直流電機(jī)的逆變器也被用于整流電機(jī)。速度與角位置傳感器使用電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩完成反饋控制回路?？刂破?a target="_blank">微處理器是一種模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的混合信號(hào)裝置。串行接口在微處理器和輔助設(shè)備(如控制器顯示器、EEPROM、VCO和DAC)之間進(jìn)行通信。

這種環(huán)境是M2p系列模塊化儀器的理想之選。數(shù)字化儀可以采集、顯示和分析模擬信號(hào)。數(shù)字I/O模塊也可以為數(shù)字信號(hào)做同樣的事情,譬如在地址和數(shù)據(jù)總線中的數(shù)字信號(hào)。AWG可通過采集的信號(hào)或數(shù)學(xué)生成的信號(hào)來(lái)模擬傳感器信號(hào)。

作為一個(gè)實(shí)際的案例,通過一個(gè)手持便攜式三相直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC)測(cè)量電壓和電流。通過一個(gè)16位,8通道且采樣率為125MS/s的M2p.5968-x4數(shù)字化儀獲取相電壓和電流。數(shù)字化儀由Spectrum儀器提供的SBench6軟件控制,該軟件也用于顯示和分析測(cè)量數(shù)據(jù),如圖3所示。

圖3:三項(xiàng)直流無(wú)刷電機(jī)的電壓和電流。電壓波形為最上行,電流為中間行,電壓波形的放大視圖顯示在最下行

采集時(shí)間為40 ms,采樣率為10MS/s,獲取電機(jī)旋轉(zhuǎn)的1.6個(gè)周期。模擬顯示器2(頂部中心)中的游標(biāo)測(cè)量25毫秒的旋轉(zhuǎn)周期。其轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為每分鐘40Hz或2400轉(zhuǎn)。電壓波形顯示了六步換向的特性,有時(shí)稱為梯形控制。這種交換也出現(xiàn)在當(dāng)前的電流波中,每次旋轉(zhuǎn)都有6個(gè)“脈沖”波形段。電壓波形顯示了PWM電壓波形的開關(guān)特性。底部的水平擴(kuò)展視圖顯示了單個(gè)脈沖波形。模擬顯示7(底部中心)中的游標(biāo)測(cè)量的開關(guān)頻率為20kHz。逆變器部分是浮動(dòng)的,不接地面(地表)參考,三相增量連接使用6個(gè)差分通道,這就意味著系統(tǒng)中的12個(gè)單端通道需要2個(gè)數(shù)字化儀卡。

電機(jī)控制器使用霍爾效應(yīng)傳感器的輸出來(lái)確定電機(jī)的速度和軸的角度位置。該傳感器由三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器組成,在電機(jī)外殼內(nèi)間隔120°。該傳感器有三個(gè)數(shù)字輸出,每個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器一個(gè)。

霍爾效應(yīng)傳感器的三個(gè)相位可以通過M2p.7515-x4數(shù)字I/O模塊獲取。如圖4所示。M2p7515-x4可以在高達(dá)125 MS/s的采樣率下獲取或?yàn)?2個(gè)數(shù)字通道提供來(lái)源。M2p系列還有一個(gè)選項(xiàng),即M2p-Star-Hub可同步(共享時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào))16張不同的卡片(數(shù)字化儀、AWG或數(shù)字I/O模塊),形成一個(gè)時(shí)間相關(guān)的測(cè)量系統(tǒng)。

圖4:霍爾效應(yīng)傳感器的三個(gè)階段可使控制器確定電機(jī)轉(zhuǎn)速和軸的角度位置

三個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器數(shù)字輸出將旋轉(zhuǎn)周期分成六個(gè)子周期,每個(gè)子周期對(duì)應(yīng)60°旋轉(zhuǎn)。在圖底部覆蓋的彩色框顯示了在電機(jī)電樞單次旋轉(zhuǎn)期間發(fā)生的六個(gè)傳感器輸出狀態(tài)。霍爾效應(yīng)傳感器可使電機(jī)控制器確定電機(jī)的速度和角度位置。為了保持旋轉(zhuǎn),它使用了六個(gè)傳感器來(lái)?yè)Q向電動(dòng)機(jī)繞組。

圖5所示,32位寬數(shù)字I/O模塊也可以深入調(diào)研并行數(shù)字總線。

圖5:在按位和總線視圖中顯示的16位并行數(shù)字總線

數(shù)字信號(hào)可以按位顯示,也可以按總線顯示?？偩€視圖注釋可以以十六進(jìn)制、八進(jìn)制、二進(jìn)制或有符號(hào)或無(wú)符號(hào)十進(jìn)制格式顯示。

源響應(yīng)測(cè)試

有些電子設(shè)備必須在外部激發(fā)才能進(jìn)行測(cè)試,諸如放大器、濾波器、接收器和數(shù)字接口。它們需要信號(hào)源和測(cè)量?jī)x器。模塊化數(shù)字化儀和模塊化任意波形發(fā)生器(AWG)具有多個(gè)源和測(cè)量通道,可以在帶寬、采樣率和內(nèi)存中配置。將兩種產(chǎn)品整合在一個(gè)系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法,并能滿足廣泛的測(cè)試需求。這個(gè)例子使用了刺激響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng),它是由一個(gè)Spectrum M2p.5968-x4 16位數(shù)字化儀和一個(gè)8通道、125MHz、16位的任意波形發(fā)生器組成。

相位裕度是衡量閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。它是電源開發(fā)和調(diào)試過程中最常見的設(shè)計(jì)驗(yàn)證措施之一。測(cè)量相位裕度是源響應(yīng)測(cè)量的一個(gè)例子,它需要數(shù)字化儀和信號(hào)源。

相位裕度是開路控制環(huán)的輸入和輸出在該環(huán)具有單位增益的頻率上的相位差。360°相移的單位增益是一種不穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)。雖然這種測(cè)量表征了反饋控制回路的開環(huán)特性,但它最常在閉環(huán)配置中測(cè)量。圖6中的框圖顯示了一種常用的測(cè)量開環(huán)特性的技術(shù),例如相位和增益裕度,同時(shí)保持閉環(huán)配置。

圖6:切換模式電源的功能框圖,顯示了引入一個(gè)小擾動(dòng)信號(hào)來(lái)測(cè)量電源控制回路的相位裕度

在這個(gè)例子中,一個(gè)20 Ohms的小擴(kuò)展電阻被插入控制回路上的一點(diǎn),它不會(huì)干擾電路的正常運(yùn)行。從AWG通過變壓器注入一個(gè)小的正弦信號(hào),隨著頻率的變化環(huán)路周圍的增益和相位差可以通過測(cè)量數(shù)字化儀的電壓來(lái)確定。環(huán)路增益是在通道2上測(cè)量的環(huán)路輸出與在通道1上測(cè)量的環(huán)路輸入的比值。還可以直接測(cè)量環(huán)路輸入和輸出之間的相位差。隨著正弦波頻率的不斷變化,直到輸入和輸出波形相等(單位增益,0dB)。這個(gè)頻率下的相位差就是環(huán)路的相位裕度。請(qǐng)注意,這種測(cè)量遇到的最大困難就是準(zhǔn)確測(cè)定在電源開關(guān)噪聲存在時(shí)遇到的小電壓。噪聲的影響可通過平均、與正弦波激勵(lì)同步或?yàn)V波信號(hào)來(lái)降低。在這個(gè)例子中,Spectrum儀器的 SBench6軟件在測(cè)量前對(duì)兩個(gè)信號(hào)都使用了20 kHz低通濾波器,如圖7所示。

圖7:使用擾動(dòng)正弦波測(cè)量電源的相位裕度。統(tǒng)一增益發(fā)生2.687kH的頻率。波形之間的時(shí)間差為-15.352?s (-14.85°)。

相位差計(jì)算為延遲乘以單位增益頻率乘以360°。

請(qǐng)注意,輸入和輸出波形的形狀提供了一個(gè)很好的指示,閉環(huán)并沒有因正弦超速轉(zhuǎn)動(dòng)。超速轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)表現(xiàn)為非正弦波形。

-14.85°是一個(gè)非常低的測(cè)量相位裕度。通過調(diào)整PWM控制器上的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)提升相位裕度。結(jié)果如圖8所示。相位裕度提高到了-40.6°,這也使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

圖8:由于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)值的改變,使相位裕度提升。延遲為-17.91?s,單位增益頻率為6.304 kHz,相位裕度-40.6°更為穩(wěn)定

模擬

一些開發(fā)情況需要當(dāng)前沒有的系統(tǒng)元素。與其停止工作等待缺失元素,不如通過AWG來(lái)模擬缺失的部分。AWG可以通過分析或從數(shù)字化儀或示波器導(dǎo)入波形來(lái)產(chǎn)生非常廣泛的波形。圖9所示的心電圖信號(hào)就是一個(gè)很好的例子。

圖9:數(shù)字化儀獲取的32秒心電圖波形;波形被轉(zhuǎn)移到SBench6函數(shù)跟蹤,它可以導(dǎo)入到AWG。

一旦獲得了波形,就可以通過修改振幅和偏移量改變它。其他波形可以與該波形進(jìn)行組合運(yùn)算。波形也可以過濾。完成修改后,輸出結(jié)果可以導(dǎo)入到AWG中。

AWG還具有實(shí)時(shí)改變輸出波形的能力?？梢粤⒓醇虞d測(cè)試過程所需的所有波形,然后使用AWG的序列模式根據(jù)需要進(jìn)行選擇。這極大提升了測(cè)試的速度,因?yàn)樗辉傩枰诙鄠€(gè)發(fā)電機(jī)之間切換,或加載新波形所需的時(shí)間。

波形段的實(shí)時(shí)控制使其易于提供自適應(yīng)響應(yīng)變化的測(cè)試需求。測(cè)試結(jié)果可以改變順序,無(wú)需中斷測(cè)試程序。這是一大優(yōu)勢(shì),因?yàn)樗С肿赃m應(yīng)測(cè)試,其中測(cè)試條件可以根據(jù)測(cè)量的性能更改。

考慮到輸出可能在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?？墒褂肁WG序列模式動(dòng)態(tài)更改消息內(nèi)容,如圖10所示。

本例中有四個(gè)含有不同數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包,波形的數(shù)量?jī)H受AWG中可用波形存儲(chǔ)器的限制。當(dāng)一個(gè)包被輸出時(shí),下一個(gè)要輸出的包由計(jì)算機(jī)控制選擇。選中的包將加入隊(duì)列,在當(dāng)前包完成后無(wú)縫輸出。因此在本例中,四個(gè)包中的任何一個(gè)都可以在測(cè)試期間按需輸出。

圖10:存儲(chǔ)在AWG波形存儲(chǔ)器中的四個(gè)曼徹斯特編碼串行數(shù)據(jù)包中的任何一個(gè),都可以在計(jì)算機(jī)控制下選擇輸出并無(wú)縫銜接

結(jié)論

多個(gè)M2p系列模塊化儀器、數(shù)字化器、AWG或數(shù)字I/O卡均可用于測(cè)試系統(tǒng),它們交互工作并提供混合模式信號(hào)采集和源。所有三個(gè)模塊設(shè)備均可通過Star-Hub模塊連接在一起,以實(shí)現(xiàn)相位穩(wěn)定同步。作為一半大小的PCI Express x4模塊,M2p卡可以直接安裝到PC系統(tǒng)。PCIe總線允許數(shù)據(jù)傳輸,從CPU和GPU的速率高達(dá)700Mbytes/秒。模塊化設(shè)計(jì)、快速數(shù)據(jù)傳輸和先進(jìn)處理技術(shù)的結(jié)合,使其易于創(chuàng)建非常強(qiáng)大的多通道、多功能測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)。M2p系列產(chǎn)品均可使用 SBench 6軟件,也可以使用多種第三方軟件包和編程語(yǔ)言進(jìn)行編程。

Authors:

作者:

獨(dú)立顧問Arthur Pini

編輯：fqj