虚拟仪器技术已成为测试测量行业的主流技术

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摘 要：本文结合各种实际测试介绍了罗德与施瓦茨公司的手持式频谱仪R&S FSH在发射机与天馈线测试、无线电干扰查处以及电磁兼容诊断测试中的应用。



关键词：发射机与天馈线测试；无线电干扰定位；电磁场强监测；电磁兼容（EMC）诊断测试



自20世纪80年代中期以来，虚拟仪器技术已结合了模块化硬件、开发软件和PC技术，从而使用户可通过软件来建立自定义的仪器。软件定义比厂商定义台式仪器功能的方式有更大的灵活性，并且由于基于PC技术，所以能以更快的速度实现高级功能。
---虚拟仪器已经成为目前测试应用中的主流技术，大多数测试行业已接受虚拟仪器技术的概念，或者倾向于采用虚拟仪器技术。综合性仪器和虚拟仪器技术具有商业化硬件和软件处理特性，把这两者结合起来，便能建立用户自定义的仪器。



传统仪器和革新者的难题



---新的具有突破性的技术会改变市场的前景并最终推翻市场领导者的地位，换言之，传统技术会遭遇“革新者的难题”。在测试和测量领域中，传统仪器通过使用已有的架构来提高测量性能并沿着这样方向不断进行革新。而在虚拟仪器技术出现的早期，由于其测量性能比较低，并没有对传统仪器厂商带来多大威胁，所以传统厂商很大程度上忽视了虚拟仪器技术的存在。然而到了20世纪80年代的晚期和90年代的早期，虚拟仪器技术开始应用于需要灵活性的测量中，而这些应用通过传统的方式是无法实现的。到了90年代末和21世纪，随着PC处理器和商用半导体芯片的性能和精度的进一步提高，虚拟仪器技术的测量性能已比原来提高了许多。现在，虚拟仪器技术可以和传统仪器的测量性能相当，甚至超过它们，而且还具有更高的数据传输率、灵活性、可扩展性以及更低的系统成本。
---在测试测量市场，行业领导者安捷伦已同样开始采用虚拟仪器技术的概念。例如，安捷伦最近推出的产品包括一套基于以太网的“综合性仪器”以及能兼容PXI的任意波形发生器，而PXI是工业标准的虚拟仪器技术平台。转向使用基于软件配置的模块化仪器，能让用户轻松地进行重复配置和重复使用，这将是测试和测量未来的发展方向。



虚拟仪器技术成功的关键



---虚拟仪器技术为建立测试系统提供了新的方式，从而影响了传统仪器市场。虚拟仪器技术成功的关键在于利用了快速发展的PC架构，提高了工程师的技术能力，降低了成本，采用了高性能的半导体数据转换器，以及引入了系统设计软件，而系统设计软件能使广大用户建立虚拟仪器技术系统。



PC性能不断革新并降低了成本



---在过去20年里，PC的性能已提高了10 000倍，其他任何商业化技术都不曾有过这样高的性能增长。由于虚拟仪器技术采用PC处理器来进行测量分析，每次随着新一代PC处理器的出现，使用虚拟仪器技术就可以实现新的应用。例如，目前的3GHz PC可用来进行复杂的频域和调制分析。1990年采用386处理器的PC，进行65 000个点的FFT(快速傅里叶变换，用于频谱分析的基本测量)需要1100秒。而现在使用3.4GHz的P4计算机实现相同的FFT只需要约0.8s。
---与此同时，硬盘、显示和总线带宽也有类似的性能提高。新一代的高速PC总线PCI Express能提供的带宽高达3.2GB/s，从而可以利用PC架构来实现超高带宽的测量。某些厂商声称高速内部总线将会让位给以太网和USB这样的外部总线。尽管这些外部总线适合某些特定的应用需求(如以太网适用于分布系统，而USB易于进行桌面连接)，但是同样也有高速的数据传输速率需求。例如，一个100MSPS的14位IF数字化仪能生成200MB/s的数据，这将高于千兆以太网的80MB/s带宽。基于这样的原因，用户不会在市场看到有任何以太网的视频卡，甚至千兆的网络也比PCI Express慢30倍。实际上千兆以太网接口和其他外设是通过PCI Express和CPU相连。虚拟仪器技术的基于软件的方式可以在应用软件中对总线进行抽象，从而利用所有这些总线，包括PCI、PCI Express、USB和以太网。
---许多传统仪器厂商采用在仪器中嵌入PC的方式来解决这一问题。这些仪器通常有一个嵌入式仪器处理器和一个通过内部总线和仪器盒相连的标准PC主板。然而，这种方式就损失了PC技术的两个关键优势，一是像Dell这种桌面PC厂商的规模经济优势，二是能轻松地升级PC从而对测量性能进行大幅度的提高。大多数示波器的使用寿命为5～20年，而一台用了20年的PC早已没有了使用价值。此外，如图1所示，这些设备的功能还基本上是由厂商定义的，用户无法利用设备中的固件来自定义测量的功能。



使用户获得更多的技术才能



---技术才能已成为个人立足于社会的基本能力。和传统的桌面仪器相比，基于计算机的仪器更友好和更易于使用。在过去10年里用户获得了更多的技术才能，采用基于计算机的虚拟仪器技术能使他们得到更多的技术知识和编程技巧。



性能不断提高的A/D和D/A转换器



---虚拟仪器技术发展的另一个动力是出现了高性能、低成本的A/D和D/A转换器，移动电话和数字音频等应用不断地推动这些技术的发展。虚拟仪器技术硬件可以利用大量生产的芯片作为测量的前端组件。这些商业化技术按照摩尔定律发展，而专用的转换器技术则发展得非常慢，它们的性能提高如图2所示。



图形化的系统设计软件



---最后，由于能提供直观的界面来设计定制的仪器系统，系统设计软件也推动了虚拟仪器技术的发展，新的突破性革新可以使开发设备的过程不再需要“专家”。在传统的构架中，需要专家来开发封闭的仪器功能和算法；而对于虚拟仪器技术，算法对于用户是公开的，用户可以自己定义他们的仪器。
---LabVIEW就是这样的软件。LabVIEW采用图形化的数据流语言，能为工程师和科研人员提供非常熟悉的界面，LabVIEW的工作就像用电子数据表进行财务分析一样。LabVIEW提供的环境可以让所有工程师和科研人员成为测量系统设计专家。



用虚拟仪器技术进行系统设计的前景



---虚拟仪器技术不断地扩展其功能及应用范围。现在LabVIEW不仅能在PC上开发测试程序，而且可以在嵌入式处理器和FPGA上设计硬件。这一技术也将最终提供这样的一个独立环境，使用户可以从设计测试系统到定义硬件的功能，如图3所示。测试工程师将能使用合适的功能来进行系统级的设计。当他们需要定义专门的测量功能时，他们也将可以用同样的软件工具来“细化”到合适的级别以定义测量的功能。例如，工程师可以开发LabVIEW程序来使用模块化仪器进行某些测量，如DC电压和上升时间。当工程师需要开发专门的测量时，他们也可以使用LabVIEW对原始的测量数据进行分析，从而开发出专门的测量，比如峰值检测。如果在某些情况下他们需要使用一些新的硬件功能来实现测量，如定制的触发，那么他们可以用LabVIEW定义一个触发和滤波方案，并嵌入到仪器卡上的FPGA中。



虚拟仪器技术已成为主流



---虚拟仪器技术的功能和性能已被不断地提高，如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。随着PC、半导体和软件功能的进一步更新，未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个极佳的模式，并且使工程师们在测量和控制方面得到强大功能和灵活性。