NI示波器的优势

1. 概览

传统台式示波器进行了优化以满足设计工程师的需求，这些工程师主要使用交互式仪器，优先考虑第一次测量时间、波形可视化以及与各种探针的连接等功能。虽然新型台式示波器通过诸如提高带宽和添加用于分析总线协议的交钥匙软件以及特性优化了这些用户体验，但往往还是不能满足工程师构建自动化测试系统或高通道数高速测量系统的需求。这些工程师需要以自动化的方式采集和分析大量的数据，在该过程中，优先考虑的特性通常包括与其他仪器的集成、尺寸和编程体验以及数据吞吐量或执行时间。基于这些独特的需求，许多用户开始寻求模块化平台，该平台应既可提供台式示波器的测量特性，而且其外形结构也针对用户应用进行了优化。

NI在PXI平台中提供了种类最多的模块化示波器，这样您就可以优化系统成本、密度、测量分辨率或采样率。图1列出了各种NI示波器的采样率和分辨率。蓝色的I / O点代表的是使用 NI-SCOPE仪器驱动程序编程的软件定义示波器，而黄色的I / O点则代表基于FPGA的数字化仪，使用的是NI可重配置I/ O（RIO）架构。 

图1. NI示波器具有具有各种分辨率和高速采样率

图2列出了图1中蓝色I/O点的一些具体示波器规格。这些示波器提供了用户所希望的与传统台式示波器一样的测量功能，如可选的输入范围、输入耦合和阻抗、滤波器和可溯源校准。同时，它们还支持软件前面板，并通过仪器驱动程序进行编程，这些仪器驱动程序包含预先创建的函数来执行标准示波器测量，如测量上升时间、频率和脉冲宽度或通过软件定义功能。

图2. 从丰富的示波器产品组合中选择适合您的产品

图1中黄色I/O点代表 基于FPGA的数字化仪 ,它将高速采样率与用户可访问的FPGA相结合，成为板载信号处理、实时分析或自定义触发实现的理想选择。

图3. 通过更换适配器模块定义应用程序的所需I / O. 

NI提供一系列丰富的PXI示波器和基于FPGA的数字化仪，专为高通道数或混合信号自动化测试系统而开发。尽管这些仪器的规格从高分辨率到高速不尽相同，但是NI示波器具有以下几个共同的关键属性，可针对这些应用优化示波器，这些属性包括：
 

• 与其他仪器紧密的集成和同步
• 可存储和传输大量数据
• 高通道密度
• 自定义触发和板载信号处理
• 快速进行测量、编程和调试的全面软件体验

2. 混合信号或高通道数系统的同步和集成

混合信号测试系统是由信号源、测量设备和开关等各种类型的仪器组成的。NI PXI示波器通过将PXI平台的优势与NI专利技术相结合，实现了与其他仪器的紧密集成和同步。借助PXI系统和NI模块化仪器，您不仅可以在一个独立、紧凑的PXI机箱中构建一个完整的测试系统，同时由于机箱中的模块能够以皮秒级的精度进行同步，因而也可保证测量质量和可重复性。

图4. PXI平台提供了种类丰富的模块化仪器

通过同步，您可以将多个相同类型仪器的时基和触发进行匹配以实现通道扩展的目的，或者将不同仪器的输入和输出紧密关联。同步的基本方法包括共享触发和采样时钟，而更先进的同步则涉及将多个不同速率的采样时钟对齐以及调整时钟和触发之间的相位延迟。 PXI架构通过PXI机箱背板均匀地分布多个触发和采样时钟，从而解决其中存在的一些挑战，如图5所示。

图5. PXI Express背板简化了定时和同步

此外，NI示波器与信号发生器和高速数字I / O等其他仪器共享 同步和存储核心（SMC） 技术。这项专利技术使用独立的时钟域信号来实现不同仪器之间的触发的驱动和接收，继而实现了皮秒级的同步。该触发称为 Trigger Clock (TClk), 相比仅将采样时钟锁定相至10 MHz参考时钟的方法来说，显著提高了性能。

3. 高数据吞吐量

公司在高效、准确地测试产品上需要花费很多成本。除了初始的测试设备支出外，测试时间等因素也会大大影响测试的成本。虽然每个应用都是独一无二的，有其特定的需求，但是自动测试系统总是有一些共性。带宽和延迟是自动化测试系统两个最重要的因素，因为两者的组合决定了测量系统的整体速度。

图6. 常用仪器总线的带宽和延迟

延迟描述的是仪器响应远程命令（如测量查询）所需的时间量。带宽主要指的是将测量仪器与上位机或控制器相连接的数据总线的数据吞吐容量。高带宽总线可缩短测试时间，无论应用是一次性传输大量数据记录还是连续多次传输少量数据记录。 PXI平台——内置有NI高速示波器——通过PCI和PCI Express总线为各种应用提供了高带宽、低延迟和高速率。 PXI Express是一种使用高速PCI Express总线的PXI，其系统吞吐量可达到几个GB/ s，这取决于机箱和控制器。 PXI和PXI Express的数据吞吐量远远高于GPIB、USB和LAN等其他自动测试仪器常用的总线（表1）。

表1. PXI和以太网的数据吞吐量比较

4. 密度

NI PXI示波器比传统台式仪器更为紧凑，这意味着您能够以比机架堆叠式测试仪小得多的体积构建混合信号自动化测试系统。占地面积小的测试系统可节省生产车间宝贵和表征实验室的宝贵空间，同时还可通过减小重量和体积提高便携性，此外，由于配电和冷却需求减少，往往也会降低设备的成本和、减少测试基础设施。 

图7. NI示波器与其他仪器相结合，可创建紧凑的自动化测试系统

由于大多数传统台式示波器的最大通道数为四个，因此如果要同时采集超过四个通道的数据，示波器的通道密度就尤其重要。台式示波器针对低通道数台式应用进行优化，其上面有许多物理旋钮和大型显示器可用于采集和显示数据。这些仪器的前面板占用的物理空间使得将它们堆叠在一起来实现高通道数系统变得不切实际。

PXI示波器去除了许多与传统工具相关的冗余组件，比如个人显示器、物理旋钮、电源和风扇。 PXI机箱和控制器负责数据处理、数据传输、冷却和为仪器供电，而用户可通过软件控制仪器，并且只需在一个显示器上显示数据。使用PXI平台和NI示波器，您就可以在一个4U 19英寸PXI机箱内构建多达136个通道的高通道数系统。

图8. 在单个PXI机箱（19英寸4U机架）中组合多达68个或136个示波器通道，实现高速采集系统

5. 软件定义的仪器

如今大多数测试仪器将FPGA与固定的固件结合来实现仪器的各种功能。NI软件设计的示波器配备了开放式FPGA，使用户能够在仪器上执行复杂算法，显著减少了需要传输到主机的数据量。该示例显示了如何在仪器上的FPGA中构建可执行常见计算（即SFDR、SNR和SINAD）的应用程序。

图9. 这一开放式FPGA的程序框图展示了在FPGA上计算SFDR、SNR和SINAD的架构

在上一节中，高数据吞吐量指的是增加带宽和减少延迟。软件设计的示波器采用所定义的开放式FPGA架构大大增强了这些优势。用于PXI Express的 NI FlexRIO FPGA模块模块的一个独特功能是，它们能够以3 GB / s的速率在模块之间传输数据，而无需使数据经过主机的芯片集。该模块可支持多达16个这样的数据流，简化了复杂的多FPGA通信方案，而且不耗费主机CPU资源。有关该技术的更多信息，请参阅白皮书 《点对点数据流介绍》。

图10. 在测试仪器中，开放式FPGA可用于添加触发和后处理等功能

6. 仪器编程

示波器中最经常被忽视的其中一个功能是用来控制和编程设备以进行自动化测试和测量的软件。但是忽视该软件可能会导致严重的后果，因为软件会显著影响应用程序的开发时间。 NI示波器提供各种软件工具，使您能够快速采集数据、调试应用程序、自动化数据采集以及与其他仪器同步，从而帮助您提高生产力。

借助NI-SCOPE软件前面板开始测量

这一交互式程序类似于传统示波器的专用显示器，提供了一个易于使用的界面。除了可让用户访问所有NI示波器的基本功能外，它还提供了实时测量以及将数据保存到文件进行后期处理和分析的功能。这个界面使得使用NI示波器的用户在几秒钟内就可轻松地开始测量。

图11. 使用NI-SCOPE软件前面板快速进行测量

使用NI-SCOPE驱动和范例程序进行编程

为了利用基于PC的测量设备的全部功能，通过编程来定义并控制其行为是至关重要的。所有NI示波器均可使用NI-SCOPE仪器驱动程序来进行编程控制，该驱动程序提供了快速入门的高层功能以及用于访问示波器所有功能的底层控制。此外，该驱动器包含了50多个预先编写的示例程序，演示了如何访问任意一种NI示波器的全部功能。NI-SCOPE仪器驱动程序可以通过多种编程语言来访问，如LabVIEW中的图形化语言、C + +和Visual Basic。每一种语言都有相应的编程范例。

图12. 使用NI-SCOPE驱动程序进行编程，创建自定义程序

7. 使用NI-TClk实现同步

多台设备的同步是许多应用的关键要求，这往往会增加软件开发时间。但是基于SMC架构的NI示波器可以利用NI-TClk帮助工程师以最少的精力实现精确的同步。 NI-TClk提供了一个高层接口，用于编程多个NI示波器、任意波形发生器、高速数字I/ O设备的同步。此外，各种预先写好的范例也可以执行此类同步，这使得实现和维持同步变得更加容易。下面显示的是在LabVIEW环境实现多个PXI示波器均相同步所需要的三个函数。

图13. 在LabVIEW或LabWindows™/CVI中使用三个函数同步多个NI示波器

8. 借助示波器提高工作效率

NI示波器提供了传统台式示波器的测量性能，同时其外形结构针对自动化测试和高通道数应用进行了优化。借助一系列基于PXI的示波器和基于FPGA的数字化仪，您可以优化系统的密度、分辨率、带宽和采样率。此外，软件设计的仪器可让您使用LabVIEW FPGA模块自定义仪器的功能，从而提供了无可比拟的灵活性。从提供开箱即用的软件工具以快速进行测量和调试应用程序到构建完整的自动化测试程序以及在硬件上实现自定义算法，NI示波器均可为您提供最好的硬件和软件组合，使您更高效地构建自动化测试和高通道数系统。