测试系统构建基础知识-模拟和射频仪器选择

工程师通常对 “为工作选择正确的工具" 这一名言的重要性不置可否。使用错误的工具可能会浪费时间并影响质量，而正确的工具则可在短时间内提供正确的结果。在构建自动化测试系统时，使用的主要工具是测量仪器。这些仪器包括数字万用表（DMM）、示波器和波形发生器等大家耳熟能详的仪器，以及各种新的和不断变化的产品类别，如矢量信号收发器和多功能一体式示波器。如果要选择正确仪器，资深的测试工程师必须对以下方面有深入的了解：

1、被测设备的技术测量要求(DUT)

2、会影响应用的重要仪器规格

3、可用的各种类型的仪器，以及功能、尺寸、价格等方面的权衡

4、特定仪器类别中产品型号之间的细微差异

为工作选择正确的工具说起来容易，做起来难，特别是当涉及到评估许多权衡时。本文绍了可用仪器的主要类别，以及常见的选择标准，可帮助您缩小应用的范围。

模拟和射频测试仪器的市场非常广泛，数以百计的产品类别包含数千个型号。而且，这些仪器同样可根据物理定律来选择，具体来说，噪声和带宽的基本原理体现在放大器技术和用于创建仪器的模数转换器(ADC)上。这些基本的物理限制使得工程师经常需要在测量精度和数据采集速度之间进行取舍。下图显示的是随着传统和模块化仪器的技术进步，速度与分辨率之间的关系如何随着时间的推移而变化。

一、模拟和射频仪器类别

图1中的曲线代表了各种不同仪器类别的示例。图表左上角的DMM在低速下提供高精度，图表右下角的示波器在较低分辨率下提供高频采集，而左下角的DAQ产品则提供更高的通道密度和更低的成本。

如果要确定从哪个类型的仪器开始研究，首先要考虑几个关于您测量任务的关键问题：

• 信号的方向是什么？（输入、输出或两者皆有）

• 信号的频率是多少？（DC、kHz、MHz或GHz）

在确定上面关于方向性和速度这两个关键问题的答案后，便可根据表1来确定从哪种类型的仪器开始着手

这个图表虽然有用，但包含的仪器类型非常少，特别是缺少垂直或特定用途的仪器。该表未提及的一些值得注意的领域包括：

• 专用直流仪表，如静电计、微欧姆计、纳伏表等

• 音频频带分析和生成（也称为动态信号分析仪）

• 专业模拟产品，包括脉冲发生器、脉冲源/接收器等

二、需考虑的关键规格

在将测量任务缩小到特定仪器类别之后，下一步是对该类别的产品进行比较和权衡，需考虑的规格包括：

• 信号范围、隔离和阻抗 - 首先，确保仪器的输入信号范围足够大，可捕获感兴趣的信号。此外需考虑仪器的输入阻抗（影响测量装置的负载和频率性能）以及仪器与地面的隔离（影响抗噪声性和安全性）。

• 模拟带宽和采样率 - 接下来，确保仪器的模拟带宽（以kHz、MHz或GHz为单位）能够传递感兴趣的信号，并且ADC具有足够快的采样率来捕获感兴趣的信号（以每秒样本数单位，例如每秒千个样本、每秒百万个样本或每秒十亿个样本）。

• 测量分辨率和精度 - 最后，评估仪器垂直规格中影响测量质量的多个参数，如ADC分辨率（模拟信号的数字量化，通常在8位至24位之间）、测量精度（最大测量误差随时间和温度的变化，一般以百万或百万分之一表示）和测量灵敏度（最小可检测变化，通常以绝对单位表示，例如mV）

在量程、精度和速度等功能维度具有出色性能的仪器将可能需要在价格、尺寸、功耗和通道密度方面进行取舍，所有这些都会影响仪器的实用性。

图2显示了通用测量仪器的模拟输入路径简图，包含四级主要输入、每一级影响的仪器规格，以及典型DMM和典型示波器的仪器规格受每一级影响的示例。

上面的表格概括了筛选仪器规格时的一些思路，通常使用各种仪器类别和仪器供应商的各种不同命名法来表示。这些级在影响关键规范时通常是相互依赖的。例如，输入放大器还可以影响仪器的输入带宽和有效分辨率。类似地，仪器的输入阻抗可能对带宽具有显著影响。

三、模拟和射频仪器类别

在比较DUT的测量要求以及仪器测试DUT的能力时，请记住以下关键比率。

测试准确度比= 4:1

当测试组件（例如电压参考）时，请确保测量设备的准确度远远大于被测组件的准确度。如果不满足该标准，则测量误差可能同时来源于DUT和测试设备，这样便不可能知道真实的误差源。因此，测试准确度比(TAR)这一概念可用于描述测量设备和被测组件的相对准确度。

TAR的可接受值为4及以上，取决于所执行的测试和所需的测试确定度。

宽带比 = 5:1

上升时间和带宽直接相关，可以通过一个值算出另一个值。上升时间定义信号从满量程值的10％上升到90％所需的时间。可根据上升时间使用以下公式计算出信号的带宽：

理想情况下，数字化仪的带宽应该是信号带宽的三到五倍，如上式所计算。换句话说，数字化仪的上升时间应该是信号上升时间的1/5到1/3，才能以最小的误差采集信号。根据以下公式可随时逆推来确定信号的实际带宽：

时域采样比 = 10:1

尽管带宽描述了可以以最小衰减进行数字化的最高频率正弦波，但采样率仅仅是数字化仪或示波器中的ADC提供时钟以对输入信号进行数字化的速率。采样率和带宽不直接相关; 然而，这两个重要参数之间存在一个我们希望的关系：

数字化仪实时采样率=输入信号带宽的10倍

奈奎斯特定理指出，为了避免混叠，数字化仪的采样率需要至少是被测信号中最高频率分量的两倍。然而，仅仅是最高频率分量的两倍并不足以精确地再现时域信号。为了准确地数字化输入信号，数字化仪的实时采样率应至少为数字化仪带宽的三到四倍。具体原因请看下图，想想你希望在示波器上看到的数字化信号。

尽管在两种情况下通过前端模拟电路的实际信号都是相同的，但是左侧的图像属于欠采样，会使数字化信号失真。相反，右侧的图像具有足够的采样点来精确地重建信号，这可实现更精确的测量。因为信号的清晰表示对于上升时间、过冲或其它脉冲测量的时域应用非常重要，所以具有更高采样的数字化仪有益于这些应用。