如何使用模組化儀器和軟體，更快完成系統設計、驗證和生產測試

為汽車、消費性、工業、醫療及其他應用，進行元件和系統的設計、驗證與生產測試時，需要使用大量的測試與量測 (T&M) 儀器。這一系列測試與量測儀器必須緊湊並展現高效能。這些產品需兼具低延遲性、高通道密度與高頻寬。此外，設計需求可能隨時間出現變化，因此模組化大大幫助系統因應日後的需要。許多情況下，這些測試與量測活動需要一再地測試，或分散於世界各處的團隊互相協作，這使得軟體定義式測試成為一個非常理想的特點。

使用一組常規性儀器可能是個解決辦法，但許多製造商旗下裝置的系統整合問題，可能很難處理，包括將資訊呈現在多部顯示器上、軟體的相容性、大量的佈線，以及需要龐大的空間容納許多離散的儀器。

從裝置驗證到自動化生產測試，測試與量測系統設計人員可改用高效能模組化儀器套件，並搭配其他具有專業同步和關鍵軟體特點的 I/O 模組。這些搭配元件裝於一個小型的 PXI Express 量測系統中，該系統有五個插槽，並透過 Thunderbolt USB-C 連接埠、以筆記型或桌上型電腦進行控制。

本文會先簡單介紹模組化儀器系統的效能指標，包括類比儀器類別。接著針對模組化儀器系統比較各種匯流排的效能表現，並探討有關提高解析度和降低延遲性的難題。最後會介紹 NI 的 PXI 可編程電源供應器 (PPS) 套件，包括數位三用電表的模組、LCR 電表、示波器、多功能 I/O、波形產生器和電源量測單元，以及有助於自動執行測試與量測流程的軟體工具。

需進行何種量測？

要判定需使用何種測試與量測儀器，首先要瞭解幾個基本層面：

• 測量的訊號是輸入還是輸出，或兩者皆有？
• 訊號頻率是直流 (DC) 還是交流 (AC)？如果是 AC，頻率是 kHz、MHz 還是 GHz？

這能幫助您判斷所需儀器是用於 DC 和功率、低速類比、高速類比，還是無線射頻 (RF) 與無線應用 (表 1)。

表 1：以輸入和輸出特性及效能等級為基礎的測試與量測儀器，有幾個基本的類別。(表格來源：NI)

類比儀器規格

在確定量測任務所需的常規儀器類型後，就應確認具體的效能要求，包括：

• 訊號基礎包括確保：訊號範圍大到能擷取所需的訊號；阻抗能支援載入受測元件和量測作業的頻率要求；地面隔離效能支援所需的雜訊耐受性和安全度。
• 必須有足夠的頻寬 (kHz、MHz 或 GHz) 處理測量的訊號，類比數位轉換器 (ADC) 的每秒取樣率 (例如 kS/s、MS/s、GS/s)，也必須快到能捕捉所需之細微訊號差異。
• 解析度和準確度也是重要考量因素。需要 8 位元、24 位元還是其他解析度？最多能允許多大的誤差率 (百分比或 ppm)？此外，需要多高的靈敏度 (以 µV 或 nV 等絕對單位表示)？

不同的測試與量測儀器需要不同的輸入隔離與阻抗範圍、輸入耦合與濾波規格、放大器靈敏度，及不同的測量解析度和準確度，如測量儀器類比-輸入路徑範例所示 (表 2)。

表 2：不同的測試與量測儀器 (例如 DMM 和示波器)，對某特定量測作業可能需展現十分不同的效能特性。(表格來源：NI)

匯流排、頻寬和延遲

測試與量測儀器需連接至控制器才能形成一個測試系統。連接性匯流排的訊號頻寬與延遲需求，是很重要的考量因素。頻寬測量資料的傳輸速度 (通常以 MB/s 為單位)，延遲性則是測量所傳資料的延遲情況。一般常用匯流排的頻寬和延遲組合，有很大的差異。另一個因素是匯流排支援的傳輸距離。例如，通用介面匯流排 (GPIB) 和通用序列匯流排 (USB) 雖能支援類似的延遲度，但 USB 提供更大的頻寬。Gigabit 乙太網路的頻寬適中、延遲時間較長，但傳輸距離能更遠得多。

設計測試與量測系統時，通常會使用 PCI 和 PCI Express。這些專為短距鏈路所設計，最長可達 1 m，並提供高頻寬和低延遲性 (圖 1)。PCI Express 的一個重要特性是為匯流排上的每個裝置提供專用的頻寬。因此，對即時性測試與量測系統等高效能和資料密集的應用而言，當必須整合和同步多台儀器的運作時，PCI Express 是首選的互連匯流排。

圖 1：PCI/PXI Express 解析度和延遲性組合的效能無與倫比。(圖片來源：NI)

測試與量測儀器套件

設計人員可改用 NI 的 PXI PPS 套件，作為高效能測試與量測系統的基礎。PXI PPS 模組能滿足受測元件的基本電源需求，並能加以擴充，增添許多測試與量測模組，以支援一系列裝置特性化、設計驗證與製造測試應用。機殼提供高達 58 W 功率與冷卻能力以支援其他儀器，並提供高效能 PXIe 互連，以及整合式 Thunderbolt 鏈路，以連接外部桌上型或筆記型電腦作為系統控制器 (圖 2)。

圖 2：基本 PXI PPS 套件包含控制器與 PPS 模組，插槽還能多連接四部 PXI 儀器。(圖片來源：NI)

PPS 能用來為受測元件提供可編程電源，同時控制和監測電流與電壓位準，以測量功耗。此產品有兩個隔離式 60 W 通道，並搭配遠端感測能力以修正系統接線損耗，典型效率值為 78%。通道亦隨附輸出斷開裝置，能在受測元件未接受測試時予以隔離。

能為受測元件提供 120 W 功率的可擴充式 PXI PPS 套件包括 867117-01，其具備 PXIe-4112 雙通道 PPS (如型號 782857-01)，最多能在 60 V DC 下提供 1 A 電流；以及 867118-01，其具備 PXI2-4113 雙通道 PPS (如型號 782857-02)，最多能在 10 V DC 下提供 6 A 電流 (圖 3)。

圖 3：PXI PPS 套件附有一系列輸出為 60 V DC (左) 或 10 V DC (右) 的電源供應器。(圖片來源：NI)

快速投入測試與量測系統的開發

NI 為設計人員提供一系列 PXI 套件，能快速投入測試與量測系統的開發工作。範例包括：

PXI 波形產生器套件，可用來產生標準函數和使用者定義的任意波形。PXI 波形產生器套件具有多達兩個輸出通道，頻寬高達 80 MHz，輸出範圍為 ±12 V，最大取樣率為 800 MS/s。例如，867119-01 中有 20 MHz 任意函數產生器。

PXI 示波器套件具有多達八個通道，可在 1.5 GHz 的類比頻寬下，以高達 5 GS/s 的速度進行取樣。867010-01 套件中有 60 MHz 示波器模組。

PXI 電源量測單元 (SMU) 套件 (如 867111-01)，用於自動執行 DC 量測與測試。SMU 具有四象限操作範圍，高達 ±200 V 和 ±3 A，靈敏度低至 100 fA。PXI SMU 套件能執行高功率掃描，還能進行低電流量測。

PXI LCR 套件 (如 867113-01 套件) 能用來進行 DC 與阻抗量測，此套件將 LCR 電表和 SMU 結合在同一部儀器裡。此儀器為單槽 PXI 尺寸，fA 電流和 fF 電容量都能測量。

PXI DMM 套件支援手動探測式、切換式和自動化 DMM 量測，準確度高，解析度多達 7.5 位數。取樣速度高，使用者無需示波器，即可將暫態特性化。使用者還可以設定用於採集和／或定序的觸發器。例如，867115-01 具備 6.5 位數的顯示器。

PXI Nanovolt 儀表套件是一種高解析度類比輸入模組，解析度高達 28 位元。該產品的截波模式使用一對通道提供高雜訊拒斥性，因此能達到準確和可重複的 nV 測量以及板載訊號平均和濾波，與自動歸零量測切換。867125-01 型號具有 32 個通道、28 位元解析度，與 2 MS/s 取樣能力。

PXI 多功能 I/O 套件 (如 867124-01)，提供類比 I/O、數位 I/O、計數器／計時器和觸發功能的組合。PXI 多功能 I/O 套件具有多達四個類比輸出通道、48 個雙向數位通道及 80 個類比輸入通道，取樣率為 2 MS/s。

由軟體定義系統

除了全面的硬體模組之外，NI 也為測試與量測系統的設計人員提供許多軟體開發環境，包括 InstrumentStudio 和 LabVIEW。

NI PXI 儀器隨附的 InstrumentStudio，讓測試工程師以一個無程式碼軟體環境就能監測和偵錯自動化測試系統。此外，使用者能產生顯示畫面，同時呈現多部儀器的資料 (圖 4)。工具能讓使用者擷取螢幕截圖和量測結果，並為受測元件儲存專案層級配置，以便重複使用或與其他開發人員共用。

圖 4：InstrumentStudio 能在同一畫面呈現多部儀器的資料，例如示波器 (大型左側面板)、DMM (右上方面板)，以及函數產生器 (右下方面板)。(圖片來源：NI)

LabVIEW 是 NI 的軟體定義式測試開發環境。藉助圖形使用者介面 (GUI)，測試工程師能快速開發自動化的研究、驗證與生產測試系統。基本上，LabVIEW 的圖形化方法使非程式設計師能拖放儀器的虛擬顯示，以建構測試與量測程式、建立互動式使用者介面，並將資料儲存至 .cvs、.tdms 或自行定義的二進位檔。

更高階的程式設計師，還能從 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB 的驅動程式獲益。NI 亦提供一套軟體工具，用於開發完善的測試與量測環境，包括：

• TestStand，用於建立自動化測試順序
• G Web 開發軟體，用於建構網路應用程式
• DIAdem，用於互動式資料分析
• FlexLogger，用於測試與量測的數據採集與記錄

結論

要建立軟體定義的測試環境，以對元件和系統進行設計、驗證與生產測試，必須使用幾部測試與量測儀器才行得通。測試工程師可改用 NI 的儀器套件產生緊湊、靈活、高效能的測試系統，無需混用多家供應商的儀器，及面對相關的連接性、成本與空間需求。NI 也提供許多軟體環境幫助加速開發。

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