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什么时候可以将数字化仪用作示波器,示波器数字化仪和非示波器数字化仪有什么区别?

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2019-10-21 16:29:00

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Spectrum PCIeLXI数字化仪

这是一个有趣的问题,回答它的最好方法是查阅示波器的定义:“用于测量电压变化的电子仪器。它在屏幕上显示电振荡的波形。”

数字转换器和适当的软件可以完成相同的操作。它获取电压波形并显示在屏幕上。最大的区别是示波器通常是一个独立的仪器,带有独立的显示器。数字化仪是系统组件,它获取并存储电压波形,并使用辅助软件在屏幕上显示该数据。所以答案是:数字化仪可以像示波器一样使用。这就引发了另外两个问题:为什么要用数字转换器代替示波器?数字化仪的哪些特性使它可以替代示波器?

为什么要使用数字化仪而不是示波器?

这个问题的第一个答案是数字化仪可以支持更多的输入通道。频谱数字化仪可为单个数字化仪卡提供多达16个通道,通过Star-Hub链接多达16个卡时,则可提供多达256个通道。与示波器相比,这是一个主要优势,示波器通常仅限于每个仪器少于8个通道。Spectrum8通道数字化仪与8通道示波器相比较,会很容易看到区别。数字转换器卡非常小,可以直接插入大多数电脑的PCIe插槽中。数字化仪还有一个非常大的优势,它们在相同数量的通道上具有更低的功耗。下一个考虑因素是垂直分辨率。示波器最大可提供8到12位的分辨率,而快速数字化仪可提供8到16位的分辨率。请记住,分辨率取决于带宽,因此必须比较相同带宽的仪器。

如果你需要将具有高吞吐量的数据移至PC进行处理,那么数字化仪是最佳选择。Spectrum M4i数字化仪可以通过PCIe总线以高达3.4GB/s的速度传输数据,而独立示波器通常使用USB或LAN等比较慢的接口。这使来自数字化仪的数据比示波器的数据快几个数量级。因此,当需要定制的信号处理和数据分析时,数字化仪都是首选的工具。

另一个问题是,是否需要远程进行测量。基于网络的数字化仪(如Spectrum digitizerNETBOX)提供LXI控制和数据传输,因此数字化仪可位于距测量位置很远的地方。如果需要从安全控制室,办公室甚至公司局域网上的其他位置查看数据并控制仪器,这是一个理想的选择。

数字化仪是一个可扩展的系统组件。增加通道数和数字转换器系统的配置很容易。更改或添加卡后,可以修改可用带宽,采样率和记录长度。相比之下,示波器是一种结构相对固定的仪器。

表1比较了数字转换器和示波器的优点:

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数字化仪的哪些特性使其可以替代示波器?

有数百种数字化仪型号和配置可供选择。一旦你解决了通道数量和带宽的基本问题后,在选择数字转换器来替代示波器时还需要考虑其他几件事。

首先是看采样率。它是固定的还是提供可选择的采样率?示波器提供可选的采样率,能让你看到不同的频率信号。取代示波器的数字化仪也应该这样做。通常,采样率应是带宽的4到5倍,以准确数字化具有快速边沿的波形。频谱数字化仪提供了基于锁相环的可编程时基(PLL)。此外,如果你想驱动采样率或与其他信号源同步,甚至可以使用外部时钟或外部参考时钟。

采集内存确定了在不会降低采样率的情况下能够采集的最长时间记录,而Spectrum M4i数字化仪提供高达4GSamples的标准存储容量,大约是高端示波器最大存储容量的四倍。这意味着数字化仪可以记录更长的波形,而无需降低采样率(因此可以降低宝贵的时间分辨率)。

用作示波器的数字化仪还需要有一个灵活的前端配置。Spectrum的M4i.44xx系列14位和16位数字转换器在其缓冲输入和50Ω高频输入路径中提供50Ω和1MΩ输入,并具有非常高的信号完整性。两个输入路径想示波器一样都提供了多个输入范围。

示波器提供实时和分段采集模式。顺序模式允许对采集存储器进行分段,对于要采集多个事件的应用程序,它可以减少采集死区时间(每个事件之间的重新准备时间)。数字化仪通常提供多种不同的采集模式。Spectrum M4i数字化仪提供环形缓冲区模式(类似于示波器的实时采集),FIFO或流模式,多重记录(分段模式),门控采样以及多重时基(ABA模式),结合了慢速连续记录和对触发事件的快速采集。这些多种采集模式具有快速的重新准备时间。以Spectrum M4i.22xx8位数字化仪为例,它只有80个采样周期(即16ns,5GS/s)。这比大多数示波器的1μs重新准备时间短得多。这些不同的采集模式允许用户配置数字转换器,以针对不同的应用充分利用采集内存。 

触发将数据采集与外部事件同步。有效使用数字转换器要求设备触发具有极大的灵活性。基于斜率和信号电平的简单边沿触发是大多数数字化仪设备的标准配置,许多还提供窗口触发。触发源包括采集通道和多个外部触发输入。为了最大程度地提高触发灵活性,可以将这些输入与重新设置功能逻辑地结合起来以产生高级触发状态。

数字化仪的主要优势之一是能够快速地将数据传输到计算机以进行进一步的分析和归档。Spectrum数字化仪采用FIFO模式(流模式),用于在数字化仪缓冲存储器和PC存储器之间连续数据传输。使用PCI Expressx8Gen2接口的流传输速度高达3.4GB/s。大多数使用LXI或USB接口的示波器将数据移至计算机的能力要慢得多。数字化仪的流传输功能与快速数据存储系统(如基于RAID的磁盘驱动器单元)相结合,使数字化仪非常适合需要存储长时间无缝波形的应用,系统可以轻松实现数小时甚至数天的连续记录。

SBench6,用于从模块化数字化仪获取,查看,测量和分析数据的软件

数字化仪是“盲目”仪器,通常没有一个完整的的显示器来查看,测量或分析其收集的数据。相反,这些功能通常由PC执行。 Spectrum提供了一个名为SBench6的功能齐全的程序。该程序可以控制数字转换器并查看所采集的波形。它可以执行简单和复杂的测量,并提供多种分析工具。 SBench6支持包括digitizerNETBOX在内的所有Spectrum数字化仪系列,并且是一个功能强大的应用程序,可立即验证数字化仪的操作。它还允许用户在开发自己的定制软件时确认数字转换器的操作,并作为离线站点进行数据的查看和分析。

SBench6提供显示、控制、测量和分析功能,使数字化仪可以像示波器一样操作。图1显示了SBench 6软件在使用Spectrum M4i数字化仪控制、获取、查看、测量和分析数据方面的多功能性。

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图1


SBench6示波器软件在图1中,已获取了两个数据通道,并显示在右下方的网格中。下部中心网格中显示了该迹线的水平扩展。左上角的网格包含这两个信号的X-Y图。左下角的栅格包含组成通道1的信号的14位数字显示。右上角显示来自通道1的信号的快速傅立叶变换(FFT),而上方的中部显示屏则包含相同信号的直方图。可以看出,将数字转换器与SBench6结合使用可提供示波器的所有显示和分析功能。

SBench6还提供了光标(每个显示网格两个)和测量参数。在FFT显示屏上显示光标,其中测量了5和15MHz处的频谱线的幅度和频率。光标读数出现在与FFT显示屏相关联的图左侧的Info窗格中。与通道AI-Ch0关联的信息窗格中还显示了21个测量参数中的三个。包括峰峰值,有效(均方根)幅度和频率。SBench6中的分析工具包括求平均值,波形算术,快速傅立叶变换,直方图,滤波以及模拟域和数字域之间的转换。

利用数字化仪代替示波器进行实际测量

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图2

在图2中,显示了WYE连接的相电压(Va,Vb和Bc),相电流(Ia,Ib和Ic)和相功耗(Pa,Pb和Pc)负载(我们可以访问相电压和线电压)。将各个相电压乘以其相关相电流,结果就是各相的瞬时功率。瞬时功率的平均值是有功功率。所有三相功率读数的总和就是负载的总有功功率。此测量称为三瓦特表功率测量。为了使用外部差分探头电压测量,需要6个通道。如果使用单端探头,则通道数将增加到9个。在这种类型的测量中,能够在一个数字转换器卡中指定最多16个通道的灵活性是其主要优势。

相电压显示在图2的第一行所示。相电流显示在中间行。每个波形都用模拟计算相乘。合成的相位功率出现在底行。所有三相功率波形的总和,又是模拟总和,出现在最左侧的标有“总功率”的网格中。注意,总功率是相对恒定的。左侧信息窗格中显示的参数读取各个相功率波形的平均值以及总功率。三相功率测量的平均值之和等于平均总功率。测量的总功率为850.9瓦

 

结论

这些例子显示了将频谱数字化仪与SBench6软件结合起来进行测量,就像一个示波器。请记住数字化仪的主要优点,你下次购买“示波器”实际上可能是数字化仪的优势。

  •  更大的最大频道数。

  •  降低每通道的成本和功耗。

  •  在相称带宽下具有更高的幅度分辨率。

  •  更高的数据吞吐量,实现更快的自动化测量。

  •  对于相同数量的通道,体积更小。

  •  简单的远程控制。

  •  定制软件和访问现成的分析工具。

  •  模块化和可扩展性。





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