Spectrum仪器推出定制化多通道、多功能测试与测量系统

作者:Spectrum 仪器公司技术总监Oliver Rovini

电子测试测量正朝着多渠道和多功能设备方向发展。随着电子设备测试的日益复杂,通过阵列和并行技术进行测试就需要在时间一致的情况下以更快的速度进行更多的测量。

Spectrum仪器是以PC为基础的测试测量产品供应商,目前拥有完整的PCIe卡产品线。图1展示的M2p系列能够创建更具经济效益的多通道测试系统。

图1:M2p系列模块化仪器包括数字化仪、任意波形发生器和数字I/O卡

M2p系列产品共39款,分为三大类。数字化仪用于信号采集,AWG用于模拟信号生成,数字I/O卡能够采集或生成高速数字信号。

本文将深入探索如何将M2p系列产品融入多渠道或多功能测试系统,并为多个测试应用服务。

工业电机控制

电动机就是现代电子产品演变的一个很好的例子。自20世纪90年代以来,电机特别是工业电机已经从电力线驱动转变为基于电子的电机驱动。750瓦以下的小型电机,几乎90%通过电子驱动。图2为一个典型的电机控制器。

图2:典型的电机控制系统使用脉冲宽度调制控制三相电动机。该控制系统是兼具模拟与数字信号的混合信号装置

电机控制器的运作类似于开关模式电源。它们通过整流和滤波将交流转换成直流总线。便携式电机设备通过电池为直流总线供电。该直流总线为开关逆变器供电,使用脉宽调制(PWM)信号驱动电机。直流电机的逆变器也被用于整流电机。速度与角位置传感器使用电机的速度和转矩完成反馈控制回路。控制器微处理器是一种模拟信号和数字信号的混合信号装置。串行接口在微处理器和辅助设备(如控制器显示器、EEPROM、VCO和DAC)之间进行通信。

这种环境是M2p系列模块化仪器的理想之选。数字化仪可以采集、显示和分析模拟信号。数字I/O模块也可以为数字信号做同样的事情,譬如在地址和数据总线中的数字信号。AWG可通过采集的信号或数学生成的信号来模拟传感器信号。

作为一个实际的案例,通过一个手持便携式三相直流无刷电机(BLDC)测量电压和电流。通过一个16位,8通道且采样率为125MS/s的M2p.5968-x4数字化仪获取相电压和电流。数字化仪由Spectrum仪器提供的SBench6软件控制,该软件也用于显示和分析测量数据,如图3所示。

图3:三项直流无刷电机的电压和电流。电压波形为最上行,电流为中间行,电压波形的放大视图显示在最下行

采集时间为40 ms,采样率为10MS/s,获取电机旋转的1.6个周期。模拟显示器2(顶部中心)中的游标测量25毫秒的旋转周期。其转动频率为每分钟40Hz或2400转。电压波形显示了六步换向的特性,有时称为梯形控制。这种交换也出现在当前的电流波中,每次旋转都有6个“脉冲”波形段。电压波形显示了PWM电压波形的开关特性。底部的水平扩展视图显示了单个脉冲波形。模拟显示7(底部中心)中的游标测量的开关频率为20kHz。逆变器部分是浮动的,不接地面(地表)参考,三相增量连接使用6个差分通道,这就意味着系统中的12个单端通道需要2个数字化仪卡。

电机控制器使用霍尔效应传感器的输出来确定电机的速度和轴的角度位置。该传感器由三个霍尔效应传感器组成,在电机外壳内间隔120°。该传感器有三个数字输出,每个霍尔效应传感器一个。

霍尔效应传感器的三个相位可以通过M2p.7515-x4数字I/O模块获取。如图4所示。M2p7515-x4可以在高达125 MS/s的采样率下获取或为32个数字通道提供来源。M2p系列还有一个选项,即M2p-Star-Hub可同步(共享时钟和触发信号)16张不同的卡片(数字化仪、AWG或数字I/O模块),形成一个时间相关的测量系统。

图4:霍尔效应传感器的三个阶段可使控制器确定电机转速和轴的角度位置

三个霍尔效应传感器数字输出将旋转周期分成六个子周期,每个子周期对应60°旋转。在图底部覆盖的彩色框显示了在电机电枢单次旋转期间发生的六个传感器输出状态。霍尔效应传感器可使电机控制器确定电机的速度和角度位置。为了保持旋转,它使用了六个传感器来换向电动机绕组。

图5所示,32位宽数字I/O模块也可以深入调研并行数字总线。

图5:在按位和总线视图中显示的16位并行数字总线

数字信号可以按位显示,也可以按总线显示。总线视图注释可以以十六进制、八进制、二进制或有符号或无符号十进制格式显示。

源响应测试

有些电子设备必须在外部激发才能进行测试,诸如放大器、滤波器、接收器和数字接口。它们需要信号源和测量仪器。模块化数字化仪和模块化任意波形发生器(AWG)具有多个源和测量通道,可以在带宽、采样率和内存中配置。将两种产品整合在一个系统是一种经济有效的方法,并能满足广泛的测试需求。这个例子使用了刺激响应测试系统,它是由一个Spectrum M2p.5968-x4 16位数字化仪和一个8通道、125MHz、16位的任意波形发生器组成。

相位裕度是衡量闭环控制系统稳定性的一个重要指标。它是电源开发和调试过程中最常见的设计验证措施之一。测量相位裕度是源响应测量的一个例子,它需要数字化仪和信号源。

相位裕度是开路控制环的输入和输出在该环具有单位增益的频率上的相位差。360°相移的单位增益是一种不稳定的振荡状态。虽然这种测量表征了反馈控制回路的开环特性,但它最常在闭环配置中测量。图6中的框图显示了一种常用的测量开环特性的技术,例如相位和增益裕度,同时保持闭环配置。

图6:切换模式电源的功能框图,显示了引入一个小扰动信号来测量电源控制回路的相位裕度

在这个例子中,一个20 Ohms的小扩展电阻被插入控制回路上的一点,它不会干扰电路的正常运行。从AWG通过变压器注入一个小的正弦信号,随着频率的变化环路周围的增益和相位差可以通过测量数字化仪的电压来确定。环路增益是在通道2上测量的环路输出与在通道1上测量的环路输入的比值。还可以直接测量环路输入和输出之间的相位差。随着正弦波频率的不断变化,直到输入和输出波形相等(单位增益,0dB)。这个频率下的相位差就是环路的相位裕度。请注意,这种测量遇到的最大困难就是准确测定在电源开关噪声存在时遇到的小电压。噪声的影响可通过平均、与正弦波激励同步或滤波信号来降低。在这个例子中,Spectrum仪器的 SBench6软件在测量前对两个信号都使用了20 kHz低通滤波器,如图7所示。

图7:使用扰动正弦波测量电源的相位裕度。统一增益发生2.687kH的频率。波形之间的时间差为-15.352s (-14.85°)。

相位差计算为延迟乘以单位增益频率乘以360°。

请注意,输入和输出波形的形状提供了一个很好的指示,闭环并没有因正弦超速转动。超速转动会表现为非正弦波形。

-14.85°是一个非常低的测量相位裕度。通过调整PWM控制器上的补偿网络提升相位裕度。结果如图8所示。相位裕度提高到了-40.6°,这也使系统更加稳定。

图8:由于补偿网络值的改变,使相位裕度提升。延迟为-17.91s,单位增益频率为6.304 kHz,相位裕度-40.6°更为稳定

模拟

一些开发情况需要当前没有的系统元素。与其停止工作等待缺失元素,不如通过AWG来模拟缺失的部分。AWG可以通过分析或从数字化仪或示波器导入波形来产生非常广泛的波形。图9所示的心电图信号就是一个很好的例子。

图9:数字化仪获取的32秒心电图波形;波形被转移到SBench6函数跟踪,它可以导入到AWG。

一旦获得了波形,就可以通过修改振幅和偏移量改变它。其他波形可以与该波形进行组合运算。波形也可以过滤。完成修改后,输出结果可以导入到AWG中。

AWG还具有实时改变输出波形的能力。可以立即加载测试过程所需的所有波形,然后使用AWG的序列模式根据需要进行选择。这极大提升了测试的速度,因为它不再需要在多个发电机之间切换,或加载新波形所需的时间。

波形段的实时控制使其易于提供自适应响应变化的测试需求。测试结果可以改变顺序,无需中断测试程序。这是一大优势,因为它支持自适应测试,其中测试条件可以根据测量的性能更改。

考虑到输出可能在RFID、以太网或汽车类型应用中遇到的曼彻斯特编码串行数据流。可使用AWG序列模式动态更改消息内容,如图10所示。

本例中有四个含有不同数据的数据包,波形的数量仅受AWG中可用波形存储器的限制。当一个包被输出时,下一个要输出的包由计算机控制选择。选中的包将加入队列,在当前包完成后无缝输出。因此在本例中,四个包中的任何一个都可以在测试期间按需输出。

图10:存储在AWG波形存储器中的四个曼彻斯特编码串行数据包中的任何一个,都可以在计算机控制下选择输出并无缝衔接

结论

多个M2p系列模块化仪器、数字化器、AWG或数字I/O卡均可用于测试系统,它们交互工作并提供混合模式信号采集和源。所有三个模块设备均可通过Star-Hub模块连接在一起,以实现相位稳定同步。作为一半大小的PCI Express x4模块,M2p卡可以直接安装到PC系统。PCIe总线允许数据传输,从CPU和GPU的速率高达700Mbytes/秒。模块化设计、快速数据传输和先进处理技术的结合,使其易于创建非常强大的多通道、多功能测试和测量系统。M2p系列产品均可使用 SBench 6软件,也可以使用多种第三方软件包和编程语言进行编程。

Authors:

作者:

独立顾问Arthur Pini

编辑：fqj