數字技術將推動未來儀器發展
日期：2025-10-19 17:39
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摘要：
電子測量儀器的演變
電子測量儀器的演化與發展從總體上看沿著兩條主線展開。一是從所采用的技術上看,經歷了模擬儀器、數字化儀器、智能儀器的發展過程;二是從儀器結構(可擴展性)和實現形式上看,經歷了單臺儀器、模塊化儀器和虛擬儀器的發展過程。這兩條發展主線的技術基礎都是微電子技術、數字信號處理技術、計算機技術,并隨這些技術的發展以及深層次的逐漸結合而發展。
但無論儀器*終如何發展,任何一臺儀器測量系統都可概括為以下三個功能組塊:信號采集(包括傳感器電路、信號調理電路)、信號分析與處理、結果表達與輸出。一個具體的儀器各部分或許有增有減，總的架構概莫能外。
不同儀器針對的測量對象不同,傳感器的形式也不同,但傳感器的作用相同,即把自然界的模擬量轉換成電信號(電壓或電流);信號變換和調理電路對來自傳感器的電信號進行放大、衰減、變換(包括變頻、檢波等)、濾波以及調整到適合于AD轉化的狀態。在可以預見的未來,各種傳感器、放大器、變換器還是模擬器件的領地。其中,傳感器是關鍵:傳感器決定了儀器的應用范圍;AD轉換器與信號變換調理電路共同決定儀器頻帶寬度和測量精度,當然AD的作用更為關鍵。
信號處理部分的數字化、軟件化是儀器發展的必然選擇,也是虛擬儀器的發展基礎。測量就是對信息的提取,而通過時域采樣獲得的數字信號中包含有大多數所需要的測量信息,從未來技術發展講,如何實時地將這些信息有效地提取出來是新一代測量儀器發展的瓶頸之一。
對測量對象進行數字信號處理,參數設置靈活,不引人額外的處理過程噪聲,可以擴大動態范圍和提高測量精度,同時增強了儀器的穩定性、可靠性、靈活性。數字信號處理技術的應用,大大拓展了儀器的功能,儀器功能大小更多地取決于儀器的數字信號處理能力。強大的處理能力對同一被測信號進行不同形式的表征,讓測試者從不同的角度觀測同一信號,迅速達到測試目的。信號處理技術的應用,也大大拓展了儀器的使用范圍,儀器的使用已涉及到日常生活、工農業生產、**、航天等領域的各個方面。信號處理部分是發展*快、技術水平也*高的領域,在相當大的程度上決定一個國家的儀器水平,是行業核心競爭力的集中體現。
另外高速ADC也是決定未來測試儀器、特別是電子測試儀器發展方向的重要因素,目前高速ADC的采集帶寬已開始進入微波波段,這對目前微波儀器的技術體制將會產生越來越大的影響。但高速ADC的技術對一個國家整體技術水平,特別對IC技術水平有著極大的依賴關系,目前這方面的技術幾乎全被美國壟斷,這一點對國內儀器發展的定位有著不可忽視的影響。
信號處理的技術路線
信號數字處理的實現途徑主要有兩種:一種是A/D十DSP(orFPGA)十D/A的形式;一種是A/D+CPU(含操作系統)十D/A的形式。兩種結構各有優點。在運算能力上,DSP和CPU是運行軟件完成運算;而FPGA則是直接以硬件方式執行算法,當對特定的運算進行分解、執行流水操作和并行運算后,其運算速度大大超過DSP和CPU。在靈活性上CPU*好,DSP次之,FPGA欠佳;在開發周期和可維護性上,CPU*好,FPGA次之,DSP欠佳。采用DSP(FPGA)或者是CPU結構要針對不同的測量對象而定。通常,DSP主要針對運算復雜,實時性要求高、但程序不太大,任務相對單一的場合:如頻譜分析儀,信號分析儀等。CPU主要針對運算復雜,需要大量的數據和程序存儲器,實時性要求適中,需要對測量數據進行復雜的分析和處理的場合上:如邏輯分析儀,網絡分析儀,生化分析儀等。
獨立儀器把上述信號采集、信號處理、結果輸出三部分放在一個獨立的機箱。有操作面板、信號輸入輸出端口、還有各種通信接口等。檢測結果輸出方式有數字、指針式表頭,圖形窗口等,可能還有打印輸出。這些功能塊全部以硬件或固化軟件的形式存在,這就決定了傳統儀器只能由廠家來定義、制造,而用戶無法改變。近幾年來,獨立儀器通常采用DSP(FPGA)結構。從信息處理技術的發展上看,以FPGA為基礎的軟件硬件化是其重要的發展方向。
虛擬儀器把信號的分析與處理、結果的表達與輸出放到計算機上來完成,或在計算機上插上數據采集卡,把儀器的三個部分全部放到計算機上來實現。用軟件在屏幕上生成儀器控制面板,用軟件來進行信號分析和處理,完成多種多樣的測試;通過計算機屏幕形象的各種形式表達輸出檢測結果。突破了傳統儀器在數據處理、表達、傳送、存儲等方面的限制,達到傳統儀器無法比擬的效果。虛擬儀器通常采用CPU結構。
電子技術的飛速發展使虛擬儀器與獨立儀器的界線已經變得越來越模糊,許多獨立儀器的設計也采用了虛擬儀器的概念,比如許多公司新推出的數字示波器,概括地說就是通用計算機+專用硬件,只不過數字示波器中的AD轉換部分是高度集中的,內部采用了通用計算機(PIII處理器,Windows操作系統)作為系統控制和測量信號處理器,有上網功能,具有遠程測試和分析能力。其他一些新產品如邏輯分析儀也采用了類似的結構。
在對實時性、復雜性要求都很高的場合,一般采用的是DSP+FPGA+CPU的混合結構,比如在無線機站測試儀中,FPGA用于碼片率處理部分,完成樣、相關、信道編解碼,而DSP則用于速度相對較低的符號率處理部分,CPU用于系統控制、測量分析和和數據通信。
關鍵技術
儀器在形式上不斷翻新,從獨立儀器、基于PC的卡式儀器、到基于VXI、CPCI、PXI模塊化的虛擬儀器,層出不窮,但其關鍵技術都是相通的。目前制約我國儀器發展行業發展的關鍵技術,主要是對高速、高精度A/D、D/A、DSP和CPLD技術開發能力不足。A/D、D/A、DSP和CPLD技術即是電子儀器的關鍵技術,也是通用技術,這幾項技術在電子儀器中的應用,必然帶動性能指標的突破。
A/D是模擬信號到數字信號的橋梁,目前A/D的發展水平是：高精度A/D16bits 5MSPS;高速度A/D8bits1.8GSPS;速度和精度兼顧A/D14bits105MSPS。在A/D技術的應用中,還會涉及到相關技術的突破，比如，開發數字示波器，按現有可購買到的A/D器件水平,可實現單次采樣1GSPS的示波器。但要對采集數據進行處理。還必須能達到1MSPS高速數據進行存儲(如波形RAM16Mbyts)。國外儀器廠家已將示波器單次采集率提高到了20GSPS,要實現高達20GSPS的采樣率并對20GSPS高速數據進行連續存儲,只有在芯片級應用線路集成技術可實現。在芯片級進行開發我們目前還做不到,但利用現有的器件對500MSPS或1GSPS的采樣數據進行連續存儲是完全可能的。
目前D/A的發展水平是:高精度D/A16bits 5MSPS,高速度D/A14bits 1GSPS,速度和精度兼顧D/A14bits300MSPS。D/A技術可用轉換器,還需要高速存儲器,現在集成電路技術的發展已有1ns的砷化嫁RAM商品,但將大量砷化嫁RAM用到任意波形發生器上顯然價格過高,而且也消耗大量功率,比較經濟的做法是用多路轉換的方案,允許波形存儲在相對低速的COMSRAM。
FPGA具有高的可重配置性、巨大的I/O帶寬、高速的運算能力,使其在儀器中的使用越來越廣泛,FPGA在儀器中的主要功能:完成系統控制邏輯,執行運算速度快的算法,比如數字濾波,正交分解、數字解調、數字解碼、FFT等。**FPGA的時鐘頻率已高達250MHz,可提供25G次MAC的性能,遠遠大于現今*快的DSP的運算能力。
相對于FPGA,DSP可做到低功耗和很強的靈活性。隨著微電子技術的發展,數字信號處理器件將在速度和性能上有很大的提高。然而,在DSP、FPGA以及CPU上實現用于測量的基本算法是相對穩定的,針對某種測量的數字算法是可以通過的,跨平臺應用僅僅改變代碼而已。因此,在儀器開發中,數字信號處理算法比數字信號處理器件更重要。
目前,國外各種形式的數字示波器、任意波形發生器、移動通信基站測試儀發展很快,我國由于上述關鍵技術正在研究和開發中,只有一些低檔次的數字示波卡、任意波形發生卡,而**數字示波器、任意波形發生器和移動通信基站測試儀仍處于空白。
提高A/D、D/A的精度和速度滿足少數要求很高的場合還是尚待解決的任務,這需要從器件和電路設計兩個方面去解決。
結論
高速數字化采樣技術和DSP技術的發展已經開始對傳統測試儀器,包括現有的數字化儀器發展產生著深刻的影響,這種影響已經不僅僅是停留在簡單的信號數字化方面。她孕育著對傳統儀器體系結構(包括傳統測量方法、傳統儀器的定義分類等等)的深刻變革。這對國內電子儀器的發展來講,更多的是一種機遇。如何盡早開展這方面的研究,特別是基礎理論和原創性技術的研究開發,使我們在某些電子儀器技術領域首先實現跨越式追趕,是目前國內電子儀器發展的重要課題。
電子測量儀器的演化與發展從總體上看沿著兩條主線展開。一是從所采用的技術上看,經歷了模擬儀器、數字化儀器、智能儀器的發展過程;二是從儀器結構(可擴展性)和實現形式上看,經歷了單臺儀器、模塊化儀器和虛擬儀器的發展過程。這兩條發展主線的技術基礎都是微電子技術、數字信號處理技術、計算機技術,并隨這些技術的發展以及深層次的逐漸結合而發展。
但無論儀器*終如何發展,任何一臺儀器測量系統都可概括為以下三個功能組塊:信號采集(包括傳感器電路、信號調理電路)、信號分析與處理、結果表達與輸出。一個具體的儀器各部分或許有增有減，總的架構概莫能外。
不同儀器針對的測量對象不同,傳感器的形式也不同,但傳感器的作用相同,即把自然界的模擬量轉換成電信號(電壓或電流);信號變換和調理電路對來自傳感器的電信號進行放大、衰減、變換(包括變頻、檢波等)、濾波以及調整到適合于AD轉化的狀態。在可以預見的未來,各種傳感器、放大器、變換器還是模擬器件的領地。其中,傳感器是關鍵:傳感器決定了儀器的應用范圍;AD轉換器與信號變換調理電路共同決定儀器頻帶寬度和測量精度,當然AD的作用更為關鍵。
信號處理部分的數字化、軟件化是儀器發展的必然選擇,也是虛擬儀器的發展基礎。測量就是對信息的提取,而通過時域采樣獲得的數字信號中包含有大多數所需要的測量信息,從未來技術發展講,如何實時地將這些信息有效地提取出來是新一代測量儀器發展的瓶頸之一。
對測量對象進行數字信號處理,參數設置靈活,不引人額外的處理過程噪聲,可以擴大動態范圍和提高測量精度,同時增強了儀器的穩定性、可靠性、靈活性。數字信號處理技術的應用,大大拓展了儀器的功能,儀器功能大小更多地取決于儀器的數字信號處理能力。強大的處理能力對同一被測信號進行不同形式的表征,讓測試者從不同的角度觀測同一信號,迅速達到測試目的。信號處理技術的應用,也大大拓展了儀器的使用范圍,儀器的使用已涉及到日常生活、工農業生產、**、航天等領域的各個方面。信號處理部分是發展*快、技術水平也*高的領域,在相當大的程度上決定一個國家的儀器水平,是行業核心競爭力的集中體現。
另外高速ADC也是決定未來測試儀器、特別是電子測試儀器發展方向的重要因素,目前高速ADC的采集帶寬已開始進入微波波段,這對目前微波儀器的技術體制將會產生越來越大的影響。但高速ADC的技術對一個國家整體技術水平,特別對IC技術水平有著極大的依賴關系,目前這方面的技術幾乎全被美國壟斷,這一點對國內儀器發展的定位有著不可忽視的影響。
信號處理的技術路線
信號數字處理的實現途徑主要有兩種:一種是A/D十DSP(orFPGA)十D/A的形式;一種是A/D+CPU(含操作系統)十D/A的形式。兩種結構各有優點。在運算能力上,DSP和CPU是運行軟件完成運算;而FPGA則是直接以硬件方式執行算法,當對特定的運算進行分解、執行流水操作和并行運算后,其運算速度大大超過DSP和CPU。在靈活性上CPU*好,DSP次之,FPGA欠佳;在開發周期和可維護性上,CPU*好,FPGA次之,DSP欠佳。采用DSP(FPGA)或者是CPU結構要針對不同的測量對象而定。通常,DSP主要針對運算復雜,實時性要求高、但程序不太大,任務相對單一的場合:如頻譜分析儀,信號分析儀等。CPU主要針對運算復雜,需要大量的數據和程序存儲器,實時性要求適中,需要對測量數據進行復雜的分析和處理的場合上:如邏輯分析儀,網絡分析儀,生化分析儀等。
獨立儀器把上述信號采集、信號處理、結果輸出三部分放在一個獨立的機箱。有操作面板、信號輸入輸出端口、還有各種通信接口等。檢測結果輸出方式有數字、指針式表頭,圖形窗口等,可能還有打印輸出。這些功能塊全部以硬件或固化軟件的形式存在,這就決定了傳統儀器只能由廠家來定義、制造,而用戶無法改變。近幾年來,獨立儀器通常采用DSP(FPGA)結構。從信息處理技術的發展上看,以FPGA為基礎的軟件硬件化是其重要的發展方向。
虛擬儀器把信號的分析與處理、結果的表達與輸出放到計算機上來完成,或在計算機上插上數據采集卡,把儀器的三個部分全部放到計算機上來實現。用軟件在屏幕上生成儀器控制面板,用軟件來進行信號分析和處理,完成多種多樣的測試;通過計算機屏幕形象的各種形式表達輸出檢測結果。突破了傳統儀器在數據處理、表達、傳送、存儲等方面的限制,達到傳統儀器無法比擬的效果。虛擬儀器通常采用CPU結構。
電子技術的飛速發展使虛擬儀器與獨立儀器的界線已經變得越來越模糊,許多獨立儀器的設計也采用了虛擬儀器的概念,比如許多公司新推出的數字示波器,概括地說就是通用計算機+專用硬件,只不過數字示波器中的AD轉換部分是高度集中的,內部采用了通用計算機(PIII處理器,Windows操作系統)作為系統控制和測量信號處理器,有上網功能,具有遠程測試和分析能力。其他一些新產品如邏輯分析儀也采用了類似的結構。
在對實時性、復雜性要求都很高的場合,一般采用的是DSP+FPGA+CPU的混合結構,比如在無線機站測試儀中,FPGA用于碼片率處理部分,完成樣、相關、信道編解碼,而DSP則用于速度相對較低的符號率處理部分,CPU用于系統控制、測量分析和和數據通信。
關鍵技術
儀器在形式上不斷翻新,從獨立儀器、基于PC的卡式儀器、到基于VXI、CPCI、PXI模塊化的虛擬儀器,層出不窮,但其關鍵技術都是相通的。目前制約我國儀器發展行業發展的關鍵技術,主要是對高速、高精度A/D、D/A、DSP和CPLD技術開發能力不足。A/D、D/A、DSP和CPLD技術即是電子儀器的關鍵技術,也是通用技術,這幾項技術在電子儀器中的應用,必然帶動性能指標的突破。
A/D是模擬信號到數字信號的橋梁,目前A/D的發展水平是：高精度A/D16bits 5MSPS;高速度A/D8bits1.8GSPS;速度和精度兼顧A/D14bits105MSPS。在A/D技術的應用中,還會涉及到相關技術的突破，比如，開發數字示波器，按現有可購買到的A/D器件水平,可實現單次采樣1GSPS的示波器。但要對采集數據進行處理。還必須能達到1MSPS高速數據進行存儲(如波形RAM16Mbyts)。國外儀器廠家已將示波器單次采集率提高到了20GSPS,要實現高達20GSPS的采樣率并對20GSPS高速數據進行連續存儲,只有在芯片級應用線路集成技術可實現。在芯片級進行開發我們目前還做不到,但利用現有的器件對500MSPS或1GSPS的采樣數據進行連續存儲是完全可能的。
目前D/A的發展水平是:高精度D/A16bits 5MSPS,高速度D/A14bits 1GSPS,速度和精度兼顧D/A14bits300MSPS。D/A技術可用轉換器,還需要高速存儲器,現在集成電路技術的發展已有1ns的砷化嫁RAM商品,但將大量砷化嫁RAM用到任意波形發生器上顯然價格過高,而且也消耗大量功率,比較經濟的做法是用多路轉換的方案,允許波形存儲在相對低速的COMSRAM。
FPGA具有高的可重配置性、巨大的I/O帶寬、高速的運算能力,使其在儀器中的使用越來越廣泛,FPGA在儀器中的主要功能:完成系統控制邏輯,執行運算速度快的算法,比如數字濾波,正交分解、數字解調、數字解碼、FFT等。**FPGA的時鐘頻率已高達250MHz,可提供25G次MAC的性能,遠遠大于現今*快的DSP的運算能力。
相對于FPGA,DSP可做到低功耗和很強的靈活性。隨著微電子技術的發展,數字信號處理器件將在速度和性能上有很大的提高。然而,在DSP、FPGA以及CPU上實現用于測量的基本算法是相對穩定的,針對某種測量的數字算法是可以通過的,跨平臺應用僅僅改變代碼而已。因此,在儀器開發中,數字信號處理算法比數字信號處理器件更重要。
目前,國外各種形式的數字示波器、任意波形發生器、移動通信基站測試儀發展很快,我國由于上述關鍵技術正在研究和開發中,只有一些低檔次的數字示波卡、任意波形發生卡,而**數字示波器、任意波形發生器和移動通信基站測試儀仍處于空白。
提高A/D、D/A的精度和速度滿足少數要求很高的場合還是尚待解決的任務,這需要從器件和電路設計兩個方面去解決。
結論
高速數字化采樣技術和DSP技術的發展已經開始對傳統測試儀器,包括現有的數字化儀器發展產生著深刻的影響,這種影響已經不僅僅是停留在簡單的信號數字化方面。她孕育著對傳統儀器體系結構(包括傳統測量方法、傳統儀器的定義分類等等)的深刻變革。這對國內電子儀器的發展來講,更多的是一種機遇。如何盡早開展這方面的研究,特別是基礎理論和原創性技術的研究開發,使我們在某些電子儀器技術領域首先實現跨越式追趕,是目前國內電子儀器發展的重要課題。
