使用 PXI 示波器套件迅速建構緊湊型自動測試系統並開始運作

利用獨立儀器設計多通道的自動化測試系統效率極低，原因在於需再次設計諸如顯示器、前面板、電源供應器和電源線等基本功能。與機架堆疊式儀器進行通訊的效率也很低，因為這些儀器絕大多數可能都採用乙太網路式 LAN Extensions for Instruments (LXI)，其運作速度較慢，且相較於 Thunderbolt 3 等一些速度較快的序列介面，在程式設計上的負擔較大。

更理想的做法是，採用模組化儀器提供必要功能，並達到緊湊的外型尺寸。在此類架設下，就可在常見的機殼中並排安裝多個儀器，例如示波器、三用電表和訊號產生器。這些儀器可透過共用的匯流排結構達到內部通訊，以確保所有儀器同步運作。此外，也可透過電腦執行整合軟體來進行控制，就可在共用畫面上控制所有儀器。

NI 在自動化測試與測量系統的開發與商業化領域擁有多年經驗，接下來就讓我們看看如何使用其推出的設備來實現上述目標。其提供採用 PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) 的一系列示波器套件來簡化測試系統的設計。PXI 是一種以 PCI 為基礎並搭配平行介面的平台，最適合用來打造具有多部儀器與高通道數量的測試系統。

PXI 套件

除了基本的 PCI 電腦匯流排外，PXI 還添加了時脈、同步化和觸發匯流排，以及軟體可設定能力，可建置高度靈活的測試系統。PXI 底盤可為所有模組供電，並提供內部模組對模組的通訊能力，以及高速模組對電腦通訊鏈路。

NI 的套件含有一個 PXI 底盤搭配五個模組化儀器插槽、多種示波器模組、必備的纜線或探針，以及用於控制的 InstrumentStudio 軟體 (圖 1)。

圖 1：NI PXI 示波器套件包含 PXI 底盤、PXI 示波器模組、InstrumentStudio 多儀器軟體和纜線。(圖片來源：NI)

NI 的 PXI 示波器套件提供六種示波器模組選擇，可搭配 2、4 或 8 個通道數，頻寬介於 60 MHz 至 1.5 GHz，取樣率介於 60 至 5000 MS/s (表 1)。PXIe 指出底盤可支援更快速的 PCIe 序列介面。

表 1：NI PXI 示波器套件的模組化示波器規格摘要。所有套件產品皆採用相同的 PXIe 底盤。(表格來源：Art Pini，基於 NI 的資料)

例如，867011-01 採用 PXIe-5110 雙通道示波器模組，搭配 100 MHz 頻寬與 1000 MS/s 取樣率 (圖 2)。

圖 2：PXIe-5100 屬於雙通道示波器 PXIe 模組，隨附 867011-01 PXI 示波器套件與兩個示波器探針。(圖片來源：NI)

PXI 示波器會佔用底盤上的一個模組插槽，另外四個插槽則可供其他儀器使用。例如，若要取得 16 個通道，您可使用兩個 PXIe-5105 或 PXIe-5172 模組。您也可納入其他 PXI 儀器與支援選項，例如三用電表、波形產生器、計數器或電源供應器，此外還有其他眾多設備選項可使用。

有效使用 PXI 套件

關於數位示波器，有些經驗法則可供參考。例如，取樣率必須大於頻寬的兩倍，以免發生頻疊。在表 1 中，PXIe-5105 的類比頻寬為 60 MHz，最大取樣率為 60 MS/s。PXIe-5105 可透過以下方式避免頻疊問題：加入具有快速衰減特性的內部 24 MHz 抗頻疊濾波器、將頻寬限制為低於 60 MS/s 最大取樣率的一半。

記憶體長度可控制在最大取樣率下可達到的最長時間擷取。擷取時間越長，就需要降低取樣率。在處理長波形事件時，記憶體長度最為重要，例如車輛的超音波測距應用可能就需要以毫秒為單位的持續時間。在此應用中，867010-01 PXI 示波器能在 60 MS/s 的最大取樣率下運作，將 2.1 s 的資料擷取至其 128 MB 記憶體中。

示波器的解析度會決定儀器的理論動態範圍。理想情況下，8 位元示波器可在滿量程振幅 (FSA) 與 FSA/256 (亦即 2^位元數) 之間執行訊號數位化。因此，位元數越大，代表電壓解析度越精細。對於示波器需在具有大振幅訊號時測量極小振幅的應用來說，這一點十分重要。我們再以超音波測距應用為例說明。發射脈衝會趨近 FSA，但反射回波可能是 1000 或是小上數倍，且需要 60 dB 的動態範圍。根據概略的經驗法則，每個解析度位元可提供 6 dB 的動態範圍，因此 1000:1 動態範圍可能會需要比 10 位元更優異的解析度。

如同所有真實儀器一樣，可達成的電壓解析度通常會低於理想值，原因在於其會產生雜訊和失真。用來測量示波器真實解析度的效能指數為有效位元數 (ENOB) 與無雜散動態範圍 (SFDR) (圖 3)。

圖 3：ENOB 與 SFDR 是示波器解析度的測量標準，會將諸如諧波等雜訊與失真產物納入考量。(圖片來源：NI)

SFDR (單位為 dB) 負責測量解析度，即滿量程與已擷取波形的頻譜中最高頻譜峰值之間的差異。ENOB 可決定理想數化器的解析度 (單位為位元)，其動態範圍介於滿量程與均方根 (RMS) 雜訊量化程度之間。ENOB 永遠低於示波器的理論解析度，且與頻率和振幅無關，會隨著輸入訊號的頻率而改變。

軟體

若要同時互動控制多部儀器，您可搭配使用 NI 的 InstrumentStudio 與 PXI 示波器套件 (圖 4)。每部儀器皆配備使用者指派的控制視窗，可讓您監測測試系統作業並進行除錯。

圖 4：InstrumentStudio 的使用者介面支援互動式控制多部 PXI 儀器；每部儀器皆配備使用者指派的控制視窗，可讓您監測測試系統的運作並進行除錯。(圖片來源：Art Pini)

InstrumentStudio 可對自動測試元件進行即時監測與除錯，包括電源供應器、訊號來源、三用電表以及其他 PXI 儀器。此外，還可將儀器組態直接匯出至更進階的 NI 測試軟體，例如 LabView。

InstrumentStudio 含有適用於 PXI 示波器的量測與分析功能。其具備 35 種常用的量測參數，例如峰間振幅、頻率、工作週期，以及時間與振幅游標。有提供採用快速傅立葉轉換 (FFT) 函式搭配平均功能的頻域分析，能提供類似頻譜分析器的顯示畫面。FFT 顯示器最多可包含 12 個由使用者放置的標記，就可在頻譜顯示畫面上讀取特定峰值的振幅與頻率。

數據鏈路

PXI 底盤可透過電腦用 Thunderbolt 3 鏈路進行控制，此鏈路的每個方向可同時傳輸高達 40 Gbits/s。PXI 底盤的控制器插槽前面板配備兩個 Thunderbolt 3 連接器。這兩個 Thunderbolt 3 連接器能以菊鏈方式將多個 Thunderbolt 3 相容裝置連接在一起，例如外部監視器。

測試系統

將上述所有個別部位結合在一起後，就可形成超緊湊的測試系統。PXI 底盤搭配三個模組 (示波器、數位三用電表 (DMM) 和電源供應器)，會比單一機架堆疊式示波器更小巧 (圖 5)。

圖 5：典型 PXI 示波器套件系統包括底盤、示波器、電源供應器、DMM 和 InstrumentStudio 軟體，如同並列的同類型機架堆疊式儀器。(圖片來源：NI)

圖 5 中的受測裝置 (DUT) 屬於 Arduino 板件，可用來產生脈寬調變 (PWM) 訊號。電源供應器可產生 5 V 啟動電力，DMM 可在裝置上讀取 3.3 V 穩壓電力，而示波器可顯示 PWM 波形。運用傳統示波器探針 (與 PXI 示波器及 BNC 輸入連接器一併隨附) 與測試引線，即可與 DUT 互連。右側顯示的同等機架堆疊式儀器尺寸明顯較大。

結論

NI PXI 示波器套件提供堅實的精巧型自動測試系統基礎，並支援多通道組態，最多可搭配五個獨立模組化儀器。InstrumentStudio 軟體可讓您透過完整的量測工具組合 (包括參數、游標和標記)，以互動方式測量 DUT 的時域與頻域。