數(shù)字技術(shù)對(duì)未來儀器發(fā)展的推動(dòng)
來源：深圳市富蘭克電子有限公司
2009年01月19日 13:35
電子測(cè)量儀器的演變
電子測(cè)量儀器的演化與發(fā)展從總體上看沿著兩條主線展開。一是從所采用的技術(shù)上看,經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器的發(fā)展過程;二是從儀器結(jié)構(gòu)(可擴(kuò)展性)和實(shí)現(xiàn)形式上看,經(jīng)歷了單臺(tái)儀器、模塊化儀器和虛擬儀器的發(fā)展過程。這兩條發(fā)展主線的技術(shù)基礎(chǔ)都是微電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù),并隨這些技術(shù)的發(fā)展以及深層次的逐漸結(jié)合而發(fā)展。
但無論儀器zui終如何發(fā)展,任何一臺(tái)儀器測(cè)量系統(tǒng)都可概括為以下三個(gè)功能組塊:信號(hào)采集(包括傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路)、信號(hào)分析與處理、結(jié)果表達(dá)與輸出。一個(gè)具體的儀器各部分或許有增有減，總的架構(gòu)概莫能外。
不同儀器針對(duì)的測(cè)量對(duì)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(zhuǎn)換成電信號(hào)(電壓或電流)；信號(hào)變換和調(diào)理電路對(duì)來自傳感器的電信號(hào)進(jìn)行放大、衰減、變換(包括變頻、檢波等)、濾波以及調(diào)整到適合于AD轉(zhuǎn)化的狀態(tài)。在可以預(yù)見的未來,各種傳感器、放大器、變換器還是模擬器件的領(lǐng)地。其中,傳感器是關(guān)鍵:傳感器決定了儀器的應(yīng)用范圍；AD轉(zhuǎn)換器與信號(hào)變換調(diào)理電路共同決定儀器頻帶寬度和測(cè)量精度,當(dāng)然AD的作用更為關(guān)鍵。
信號(hào)處理部分的數(shù)字化、軟件化是儀器發(fā)展的必然選擇,也是虛擬儀器的發(fā)展基礎(chǔ)。測(cè)量就是對(duì)信息的提取,而通過時(shí)域采樣獲得的數(shù)字信號(hào)中包含有大多數(shù)所需要的測(cè)量信息,從未來技術(shù)發(fā)展講,如何實(shí)時(shí)地將這些信息有效地提取出來是新一代測(cè)量儀器發(fā)展的瓶頸之一。
對(duì)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理,參數(shù)設(shè)置靈活,不引入額外的處理過程噪聲,可以擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍和提高測(cè)量精度,同時(shí)增強(qiáng)了儀器的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)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(shù)字信號(hào)處理能力。強(qiáng)大的處理能力對(duì)同一被測(cè)信號(hào)進(jìn)行不同形式的表征,讓測(cè)試者從不同的角度觀測(cè)同一信號(hào),迅速達(dá)到測(cè)試目的。信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、航天等領(lǐng)域的各個(gè)方面。信號(hào)處理部分是發(fā)展zui快、技術(shù)水平也zui高的領(lǐng)域,在相當(dāng)大的程度上決定一個(gè)國家的儀器水平,是行業(yè)核心競爭力的集中體現(xiàn)。
另外高速ADC也是決定未來測(cè)試儀器、特別是電子測(cè)試儀器發(fā)展方向的重要因素,目前高速ADC的采集帶寬已開始進(jìn)入微波波段,這對(duì)目前微波儀器的技術(shù)體制將會(huì)產(chǎn)生越來越大的影響。但高速ADC的技術(shù)對(duì)一個(gè)國家整體技術(shù)水平,特別對(duì)IC技術(shù)水平有著極大的依賴關(guān)系,目前這方面的技術(shù)幾乎全被美國壟斷,這一點(diǎn)對(duì)國內(nèi)儀器發(fā)展的定位有著不可忽視的影響。
信號(hào)處理的技術(shù)路線
信號(hào)數(shù)字處理的實(shí)現(xiàn)途徑主要有兩種:一種是A/D十DSP(or FPGA)十D/A的形式；一種是A/D+CPU(含操作系統(tǒng))十D/A的形式。兩種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)點(diǎn)。在運(yùn)算能力上,DSP和CPU是運(yùn)行軟件完成運(yùn)算;而FPGA則是直接以硬件方式執(zhí)行算法,當(dāng)對(duì)特定的運(yùn)算進(jìn)行分解、執(zhí)行流水操作和并行運(yùn)算后,其運(yùn)算速度大大超過DSP和CPU。在靈活性上CPU,DSP次之,FPGA欠佳;在開發(fā)周期和可維護(hù)性上,CPU,FPGA次之,DSP欠佳。采用DSP(FPGA)或者是CPU結(jié)構(gòu)要針對(duì)不同的測(cè)量對(duì)象而定。通常,DSP主要針對(duì)運(yùn)算復(fù)雜,實(shí)時(shí)性要求高、但程序不太大,任務(wù)相對(duì)單一的場(chǎng)合:如頻譜分析儀,信號(hào)分析儀等。CPU主要針對(duì)運(yùn)算復(fù)雜,需要大量的數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器,實(shí)時(shí)性要求適中,需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的分析和處理的場(chǎng)合上:如邏輯分析儀,網(wǎng)絡(luò)分析儀,生化分析儀等。
獨(dú)立儀器把上述信號(hào)采集、信號(hào)處理、結(jié)果輸出三部分放在一個(gè)獨(dú)立的機(jī)箱。有操作面板、信號(hào)輸入輸出端口、還有各種通信接口等。檢測(cè)結(jié)果輸出方式有數(shù)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(tǒng)儀器只能由廠家來定義、制造,而用戶無法改變。近幾年來,獨(dú)立儀器通常采用DSP(FPGA)結(jié)構(gòu)。從信息處理技術(shù)的發(fā)展上看,以FPGA為基礎(chǔ)的軟件硬件化是其重要的發(fā)展方向。
虛擬儀器把信號(hào)的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出放到計(jì)算機(jī)上來完成,或在計(jì)算機(jī)上插上數(shù)據(jù)采集卡,把儀器的三個(gè)部分全部放到計(jì)算機(jī)上來實(shí)現(xiàn)。用軟件在屏幕上生成儀器控制面板,用軟件來進(jìn)行信號(hào)分析和處理,完成多種多樣的測(cè)試;通過計(jì)算機(jī)屏幕形象的各種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果。突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)等方面的限制,達(dá)到傳統(tǒng)儀器*的效果。虛擬儀器通常采用CPU結(jié)構(gòu)。
電子技術(shù)的飛速發(fā)展使虛擬儀器與獨(dú)立儀器的界線已經(jīng)變得越來越模糊,許多獨(dú)立儀器的設(shè)計(jì)也采用了虛擬儀器的概念,比如許多公司新推出的數(shù)字示波器,概括地說就是通用計(jì)算機(jī)+硬件,只不過數(shù)字示波器中的AD轉(zhuǎn)換部分是高度集中的,內(nèi)部采用了通用計(jì)算機(jī)(PIII處理器,Windows操作系統(tǒng))作為系統(tǒng)控制和測(cè)量信號(hào)處理器,有上網(wǎng)功能,具有遠(yuǎn)程測(cè)試和分析能力。其他一些新產(chǎn)品如邏輯分析儀也采用了類似的結(jié)構(gòu)。
在對(duì)實(shí)時(shí)性、復(fù)雜性要求都很高的場(chǎng)合,一般采用的是DSP+FPGA+CPU的混合結(jié)構(gòu),比如在無線機(jī)站測(cè)試儀中,FPGA用于碼片率處理部分,完成樣、相關(guān)、信道編解碼,而DSP則用于速度相對(duì)較低的符號(hào)率處理部分,CPU用于系統(tǒng)控制、測(cè)量分析和和數(shù)據(jù)通信。
關(guān)鍵技術(shù)
儀器在形式上不斷翻新,從獨(dú)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(guān)鍵技術(shù)都是相通的。目前制約我國儀器發(fā)展行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),主要是對(duì)高速、高精度A/D、D/A、DSP和CPLD技術(shù)開發(fā)能力不足。A/D、D/A、DSP和CPLD技術(shù)即是電子儀器的關(guān)鍵技術(shù),也是通用技術(shù),這幾項(xiàng)技術(shù)在電子儀器中的應(yīng)用,必然帶動(dòng)性能指標(biāo)的突破。
A/D是模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的橋梁,目前A/D的發(fā)展水平是：高精度A/D16bits 5MSPS;高速度A/D8bits 1.8GSPS;速度和精度兼顧A/D14bits 105MSPS。在A/D技術(shù)的應(yīng)用中,還會(huì)涉及到相關(guān)技術(shù)的突破，比如，開發(fā)數(shù)字示波器，按現(xiàn)有可購買到的A/D器件水平,可實(shí)現(xiàn)單次采樣1GSPS的示波器。但要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。還必須能達(dá)到1MSPS高速數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)(如波形RAM 16Mbyts)。國外儀器廠家已將示波器單次采集率提高到了20GSPS,要實(shí)現(xiàn)高達(dá)20GSPS的采樣率并對(duì)20GSPS高速數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)存儲(chǔ),只有在芯片級(jí)應(yīng)用線路集成技術(shù)可實(shí)現(xiàn)。在芯片級(jí)進(jìn)行開發(fā)我們目前還做不到,但利用現(xiàn)有的器件對(duì)500MSPS或1GSPS的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)存儲(chǔ)是*可能的。
目前D/A的發(fā)展水平是:高精度D/A16bits 5MSPS,高速度D/A14bits 1GSPS,速度和精度兼顧D/A 14bits 300MSPS。D/A技術(shù)可用轉(zhuǎn)換器,還需要高速存儲(chǔ)器,現(xiàn)在集成電路技術(shù)的發(fā)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(fā)生器上顯然價(jià)格過高,而且也消耗大量功率,比較經(jīng)濟(jì)的做法是用多路轉(zhuǎn)換的方案,允許波形存儲(chǔ)在相對(duì)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(yùn)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(tǒng)控制邏輯,執(zhí)行運(yùn)算速度快的算法,比如數(shù)字濾波,正交分解、數(shù)字解調(diào)、數(shù)字解碼、FFT等。FPGA的時(shí)鐘頻率已高達(dá)250MHz,可提供25G次MAC的性能,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)今zui快的DSP的運(yùn)算能力。
相對(duì)于FPGA,DSP可做到低功耗和很強(qiáng)的靈活性。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)用于測(cè)量的基本算法是相對(duì)穩(wěn)定的,針對(duì)某種測(cè)量的數(shù)字算法是可以通過的,跨平臺(tái)應(yīng)用僅僅改變代碼而已。因此,在儀器開發(fā)中,數(shù)字信號(hào)處理算法比數(shù)字信號(hào)處理器件更重要。
目前,國外各種形式的數(shù)字示波器、任意波形發(fā)生器、移動(dòng)通信基站測(cè)試儀發(fā)展很快,我國由于上述關(guān)鍵技術(shù)正在研究和開發(fā)中,只有一些低檔次的數(shù)字示波卡、任意波形發(fā)生卡,而數(shù)字示波器、任意波形發(fā)生器和移動(dòng)通信基站測(cè)試儀仍處于空白。
提高A/D、D/A的精度和速度滿足少數(shù)要求很高的場(chǎng)合還是尚待解決的任務(wù),這需要從器件和電路設(shè)計(jì)兩個(gè)方面去解決。
結(jié)論
高速數(shù)字化采樣技術(shù)和DSP技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)開始對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試儀器,包括現(xiàn)有的數(shù)字化儀器發(fā)展產(chǎn)生著深刻的影響,這種影響已經(jīng)不僅僅是停留在簡單的信號(hào)數(shù)字化方面。她孕育著對(duì)傳統(tǒng)儀器體系結(jié)構(gòu)(包括傳統(tǒng)測(cè)量方法、傳統(tǒng)儀器的定義分類等等)的深刻變革。這對(duì)國內(nèi)電子儀器的發(fā)展來講,更多的是一種機(jī)遇。如何盡早開展這方面的研究,特別是基礎(chǔ)理論和原創(chuàng)性技術(shù)的研究開發(fā),使我們?cè)谀承╇娮觾x器技術(shù)領(lǐng)域首先實(shí)現(xiàn)跨越式追趕,是目前國內(nèi)電子儀器發(fā)展的重要課題。
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