电子测量仪器的演变
电子测量仪器的演化与发展从总体上看沿着两条主线展开。一是从所采用的技术上看,经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器的发展过程;二是从仪器结构(可扩展性)和实现形式上看,经历了单台仪器、模块化仪器和虚拟仪器的发展过程。这两条发展主线的技术基础都是微电子技术、数字信号处理技术、计算机技术,并随这些技术的发展以及深层次的逐渐结合而发展。
但无论仪器终如何发展,任何一台仪器测量系统都可概括为以下三个功能组块:信号采集(包括传感器电路、信号调理电路)、信号分析与处理、结果表达与输出。一个具体的仪器各部分或许有增有减，总的架构概莫能外。
不同仪器针对的测量对象不同,传感器的形式也不同,但传感器的作用相同,即把自然界的模拟量转换成电信号(电压或电流);信号变换和调理电路对来自传感器的电信号进行放大、衰减、变换(包括变频、检波等)、滤波以及调整到适合于AD转化的状态。在可以预见的未来,各种传感器、放大器、变换器还是模拟器件的领地。其中,传感器是关键:传感器决定了仪器的应用范围;AD转换器与信号变换调理电路共同决定仪器频带宽度和测量精度,当然AD的作用更为关键。
信号处理部分的数字化、软件化是仪器发展的必然选择,也是虚拟仪器的发展基础。测量就是对信息的提取,而通过时域采样获得的数字信号中包含有大多数所需要的测量信息,从未来技术发展讲,如何实时地将这些信息有效地提取出来是新一代测量仪器发展的瓶颈之一。
对测量对象进行数字信号处理,参数设置灵活,不引人额外的处理过程噪声,可以扩大动态范围和提高测量精度,同时增强了仪器的稳定性、可靠性、灵活性。数字信号处理技术的应用,大大拓展了仪器的功能,仪器功能大小更多地取决于仪器的数字信号处理能力。强大的处理能力对同一被测信号进行不同形式的表征,让测试者从不同的角度观测同一信号,迅速达到测试目的。信号处理技术的应用,也大大拓展了仪器的使用范围,仪器的使用已涉及到日常生活、工农业生产、**、航天等领域的各个方面。信号处理部分是发展快、技术水平也的领域,在相当大的程度上决定一个国家的仪器水平,是行业核心竞争力的集中体现。
另外高速ADC也是决定未来测试仪器、特别是电子测试仪器发展方向的重要因素,目前高速ADC的采集带宽已开始进入微波波段,这对目前微波仪器的技术体制将会产生越来越大的影响。但高速ADC的技术对一个国家整体技术水平,特别对IC技术水平有着极大的依赖关系,目前这方面的技术几乎全被美国垄断,这一点对国内仪器发展的定位有着不可忽视的影响。
信号处理的技术路线
信号数字处理的实现途径主要有两种:一种是A/D十DSP(or FPGA)十D/A的形式;一种是A/D+CPU(含操作系统)十D/A的形式。两种结构各有优点。在运算能力上,DSP和CPU是运行软件完成运算;而FPGA则是直接以硬件方式执行算法,当对特定的运算进行分解、执行流水操作和并行运算后,其运算速度大大超过DSP和CPU。在灵活性上CPU,DSP次之,FPGA欠佳;在开发周期和可维护性上,CPU,FPGA次之,DSP欠佳。采用DSP(FPGA)或者是CPU结构要针对不同的测量对象而定。通常,DSP主要针对运算复杂,实时性要求高、但程序不太大,任务相对单一的场合:如频谱分析仪,信号分析仪等。CPU主要针对运算复杂,需要大量的数据和程序存储器,实时性要求适中,需要对测量数据进行复杂的分析和处理的场合上:如逻辑分析仪,网络分析仪,生化分析仪等。
独立仪器把上述信号采集、信号处理、结果输出三部分放在一个独立的机箱。有操作面板、信号输入输出端口、还有各种通信接口等。检测结果输出方式有数字、指针式表头,图形窗口等,可能还有打印输出。这些功能块全部以硬件或固化软件的形式存在,这就决定了传统仪器只能由厂家来定义、制造,而用户无法改变。近几年来,独立仪器通常采用DSP(FPGA)结构。从信息处理技术的发展上看,以FPGA为基础的软件硬件化是其重要的发展方向。
虚拟仪器把信号的分析与处理、结果的表达与输出放到计算机上来完成,或在计算机上插上数据采集卡,把仪器的三个部分全部放到计算机上来实现。用软件在屏幕上生成仪器控制面板,用软件来进行信号分析和处理,完成多种多样的测试;通过计算机屏幕形象的各种形式表达输出检测结果。突破了传统仪器在数据处理、表达、传送、存储等方面的限制,达到传统仪器无法比拟的效果。虚拟仪器通常采用CPU结构。
电子技术的飞速发展使虚拟仪器与独立仪器的界线已经变得越来越模糊,许多独立仪器的设计也采用了虚拟仪器的概念,比如许多公司新推出的数字示波器,概括地说就是通用计算机+专用硬件,只不过数字示波器中的AD转换部分是高度集中的,内部采用了通用计算机(PIII处理器,Windows操作系统)作为系统控制和测量信号处理器,有上网功能,具有远程测试和分析能力。其他一些新产品如逻辑分析仪也采用了类似的结构。
在对实时性、复杂性要求都很高的场合,一般采用的是DSP+FPGA+CPU的混合结构,比如在无线机站测试仪中,FPGA用于码片率处理部分,完成样、相关、信道编解码,而DSP则用于速度相对较低的符号率处理部分,CPU用于系统控制、测量分析和和数据通信。
关键技术
仪器在形式上不断翻新,从独立仪器、基于PC的卡式仪器、到基于VXI、CPCI、PXI模块化的虚拟仪器,层出不穷,但其关键技术都是相通的。目前制约我国仪器发展行业发展的关键技术,主要是对高速、高精度A/D、D/A、DSP和CPLD技术开发能力不足。A/D、D/A、DSP和CPLD技术即是电子仪器的关键技术,也是通用技术,这几项技术在电子仪器中的应用,必然带动性能指标的突破。
A/D是模拟信号到数字信号的桥梁,目前A/D的发展水平是：高精度A/D16bits 5MSPS;高速度A/D8bits 1.8GSPS;速度和精度兼顾A/D14bits 105MSPS。在A/D技术的应用中,还会涉及到相关技术的突破，比如，开发数字示波器，按现有可购买到的A/D器件水平,可实现单次采样1GSPS的示波器。但要对采集数据进行处理。还必须能达到1MSPS高速数据进行存储(如波形RAM16Mbyts)。国外仪器厂家已将示波器单次采集率提高到了20GSPS,要实现高达20GSPS的采样率并对20GSPS高速数据进行连续存储,只有在芯片级应用线路集成技术可实现。在芯片级进行开发我们目前还做不到,但利用现有的器件对500MSPS或1GSPS的采样数据进行连续存储是完全可能的。
目前D/A的发展水平是:高精度D/A16bits 5MSPS,高速度D/A14bits 1GSPS,速度和精度兼顾D/A 14bits 300MSPS。D/A技术可用转换器,还需要高速存储器,现在集成电路技术的发展已有1ns的砷化嫁RAM商品,但将大量砷化嫁RAM用到任意波形发生器上显然价格过高,而且也消耗大量功率,比较经济的做法是用多路转换的方案,允许波形存储在相对低速的COMSRAM。
FPGA具有高的可重配置性、巨大的I/O带宽、高速的运算能力,使其在仪器中的使用越来越广泛,FPGA在仪器中的主要功能:完成系统控制逻辑,执行运算速度快的算法,比如数字滤波,正交分解、数字解调、数字解码、FFT等。**FPGA的时钟频率已高达250MHz,可提供25G次MAC的性能,远远大于现今快的DSP的运算能力。
相对于FPGA,DSP可做到低功耗和很强的灵活性。随着微电子技术的发展,数字信号处理器件将在速度和性能上有很大的提高。然而,在DSP、FPGA以及CPU上实现用于测量的基本算法是相对稳定的,针对某种测量的数字算法是可以通过的,跨平台应用仅仅改变代码而已。因此,在仪器开发中,数字信号处理算法比数字信号处理器件更重要。
目前,国外各种形式的数字示波器、任意波形发生器、移动通信基站测试仪发展很快,我国由于上述关键技术正在研究和开发中,只有一些低档次的数字示波卡、任意波形发生卡,而**数字示波器、任意波形发生器和移动通信基站测试仪仍处于空白。
提高A/D、D/A的精度和速度满足少数要求很高的场合还是尚待解决的任务,这需要从器件和电路设计两个方面去解决。
结论
高速数字化采样技术和DSP技术的发展已经开始对传统测试仪器,包括现有的数字化仪器发展产生着深刻的影响,这种影响已经不仅仅是停留在简单的信号数字化方面。她孕育着对传统仪器体系结构(包括传统测量方法、传统仪器的定义分类等等)的深刻变革。这对国内电子仪器的发展来讲,更多的是一种机遇。如何尽早开展这方面的研究,特别是基础理论和原创性技术的研究开发,使我们在某些电子仪器技术领域首先实现跨越式追赶,是目前国内电子仪器发展的重要课题。