【導(dǎo)讀】隨著測試設(shè)備的模塊化，圍繞傳統(tǒng)化儀器和模塊化展開了優(yōu)劣勢對比，由此也產(chǎn)生了諸多誤解。有些誤解真真假假，虛實難辨。本文將為你悉數(shù)解答模塊化儀器的五大誤解，闡述誤解原因以及真相。
隨著模塊化測試設(shè)備的日益普及，圍繞模塊化與傳統(tǒng)臺式儀器的優(yōu)劣對比產(chǎn)生了許多誤解。這些誤解雖然聽起來很有道理，但這些結(jié)論往往真假并存，讓人虛實難辨。為了通過熟悉的語言和容易理解的概念來理解復(fù)雜事務(wù)，人們口口相傳便形成了所謂的神話，就如近代科學(xué)昌明之前用于解釋星座組成的希臘神話。為應(yīng)用選擇最適合的測試與測量儀器同樣復(fù)雜，因此出現(xiàn)誤解并不足為奇。
是德科技擁有超過75年的臺式儀器開發(fā)經(jīng)驗和超過30年的模塊化儀器開發(fā)經(jīng)驗，能夠為用戶提供最尖端的產(chǎn)品。是德科技深知在兩類產(chǎn)品之間做出選擇的難度，但是，去偽存真并消除誤解，是德科技可以幫助客戶針對具體應(yīng)用選擇理想的產(chǎn)品。下面將討論部分普遍認(rèn)同的誤解并闡明其真相。
誤解1：模塊化儀器價格必然低于臺式產(chǎn)品
該誤解產(chǎn)生的原因在于臺式儀器普遍價格昂貴。顯然，功能完備的獨立儀器包含眾多按鈕并配有前面板顯示屏，非常適合某些研發(fā)環(huán)境，但其并非大多數(shù)自動測試環(huán)境的最佳選擇。模塊化儀器通常將貴重元件隱藏在內(nèi)部，因此給人以價格低廉的印象。例如，當(dāng)代PXI背板支持18個插槽和4GB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，但不可避免地增加了連接器、開關(guān)和背板材料的成本。充分裝載寬帶連接儀器的機箱能夠發(fā)揮高成本帶來的性能提升，但對于其他應(yīng)用來說這些開支可能并非必要。因此，實現(xiàn)單個儀器的PXI系統(tǒng)，其成本比相同的“臺式”儀器要高出10%～40%。
這個誤解包含哪些事實？作為獨立產(chǎn)品時,臺式儀器的價格可能相對較低，而在單機箱內(nèi)集成多臺儀器的模塊化解決方案往往可以攤薄成本。通常，單臺機箱整合2～4臺儀器可以獲得與臺式儀器相當(dāng)?shù)膬r格。
此外，儀器制造成本并不等同于客戶的購買價格。部分廠商希望借助模塊化儀器進(jìn)入測試與測量市場。為了提高市場份額，一些廠商不惜將產(chǎn)品價格降低到市場價格以下，以利潤換取市場。當(dāng)然，此類策略不可能長期持續(xù)。
誤解2：模塊化儀器天生能夠提供更高的吞吐量
該誤解可能源于模塊化系統(tǒng)通常配置的快速背板。實際上，在選擇臺式或模塊化儀器的背板時，需要綜合考慮預(yù)期應(yīng)用的預(yù)算和功能需要。換句話說，模塊化儀器不是必須要配備比臺式儀器速度更高的背板。背板選擇取決于儀器用途(圖1)。例如，使用臺式儀器時，通過寬帶背板連接儀器采集單元與計算單元更為方便，因為兩者之間只需點對點連接。與此同時，模塊化儀器的背板必須支持幾乎無限的連接組合。大多數(shù)當(dāng)代PXI機箱使用了第二代PCIe總線和接口標(biāo)準(zhǔn)，以支持背板實現(xiàn)高吞吐量。部分臺式儀器的內(nèi)部背板采用了相同的第二代PCIe標(biāo)準(zhǔn)，但臺式儀器的總線設(shè)計通常只需支持該儀器的特定要求。例如，第二代PCIe標(biāo)準(zhǔn)的性能要求超過了16位30MHz任意波形發(fā)生器的性能需要，因此此類設(shè)備通常采用速度和成本相對較低的總線(例如USB)。同時，160GSa/s采樣率的示波器的性能要求高于第二代PCIe標(biāo)準(zhǔn)，因此需要速度更高的專有總線。
圖1：臺式儀器與模塊化儀器架構(gòu)對比。
該誤解包括兩個方面的事實。首先，模塊化儀器的背板的確通常速度很快，因為它們被設(shè)計成支持廣泛的應(yīng)用和不同的數(shù)據(jù)速率。為了滿足儀器間快速通信的要求，模塊化解決方案通常需要使用通用或標(biāo)準(zhǔn)背板。模塊化儀器則通常選擇寬帶背板標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)最嚴(yán)苛的應(yīng)用場景。其次，模塊化儀器升級部件更方便，也就是說模塊化系統(tǒng)可以更靈活且更經(jīng)濟高效地升級任何限制性能的部件，相比之下，臺式儀器速度升級更加困難。例如，如果CPU成為模塊化系統(tǒng)的性能瓶頸，用戶可以在市場出現(xiàn)新款PC時輕松升級。同樣，如果模數(shù)轉(zhuǎn)換器影響系統(tǒng)性能，真正的模塊化體系結(jié)構(gòu)支持用戶僅升級數(shù)字化儀。因此，即使臺式儀器和模塊化儀器具有相同的初始速度，模塊化儀器可以通過逐步升級實現(xiàn)速度提升并超過臺式設(shè)備。
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誤解3：模塊化儀器具有較高吞吐量的原因在于其采用二進(jìn)制驅(qū)動程序接口(例如IVI)替代了文本接口(例如SCPI)
模塊化儀器不一定要使用二進(jìn)制接口，臺式儀器也不一定要使用SCPI接口。有些臺式儀器可以同時支持SCPI和IVI，部分模塊化產(chǎn)品同樣如此。最終選擇通常取決于儀器的用途。
在大多數(shù)應(yīng)用中，發(fā)送和接收驅(qū)動程序命令耗時僅占測量時間的極小部分。鑒于儀器廠商致力于幫助用戶簡化測量，這一點更為明顯。例如，是德科技“單鍵測試”(OBT)應(yīng)用程序可以讓用戶使用有限的命令完成整個通信標(biāo)準(zhǔn)(例如GSM、LTE等)的測試。這些OBT應(yīng)用程序可以使用SCPI(可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令)執(zhí)行自動測試(只需用戶啟動測試，并在測試結(jié)束后獲取結(jié)果)，也可以使用儀器內(nèi)部的高速二進(jìn)制通信來完成測試過程中的硬件控制。因此，客戶使用SCPI或者IVI啟動一鍵式測試的吞吐量差異可以忽略不計。
該誤解包括哪些事實？通過IVI等二進(jìn)制驅(qū)動程序接口發(fā)送命令的速度高于SCPI等解釋型命令接口。如果應(yīng)用需要大量且頻繁的PC與儀器之間的通信，驅(qū)動程序接口成為性能限制因素的可能性將增加。這與系統(tǒng)是否采用模塊化結(jié)構(gòu)無關(guān)。
誤解4：模塊化儀器的信號完整性不如臺式設(shè)備
大多數(shù)情況下，儀器采用模塊化外形尺寸并不會影響其信號完整性。事實上，在許多應(yīng)用中，多個儀器之間的相互依賴會直接影響系統(tǒng)級的指標(biāo)。對于這些應(yīng)用，模塊化系統(tǒng)通常可以提供更好的指標(biāo)。例如，有些應(yīng)用要求很嚴(yán)苛的儀器間偏差(例如MIMO應(yīng)用)，此時，使用通用背板更容易滿足要求。
該誤解包括哪些事實？空間受限的應(yīng)用更適合選擇模塊化解決方案，例如重視單位面積成本的某些制造環(huán)境。許多廠商在設(shè)計過程中做出的選擇驗證了這一點。在空間有限的應(yīng)用中，模塊化儀器廠商傾向于犧牲部分性能來縮減儀器尺寸。例如，他們可能選用體積較小、性能較低的振蕩器，或縮小PCB的走線間距，從而導(dǎo)致信號耦合。但是，這是儀器設(shè)計過程中的權(quán)衡，并非模塊化本身的缺點。
一些模塊化儀器應(yīng)用了分區(qū)，可以實現(xiàn)更方便的儀器部件升級。跨越模擬接口的分區(qū)可能需要增加連線，這可能會小幅影響性能。此外，支持部件升級的系統(tǒng)可能會增加儀器校準(zhǔn)的難度。
誤解5：模塊化儀器指模塊化硬件，而不是模塊化軟件
提及模塊化儀器，大多數(shù)工程師想到的是PXI、AXI、VXI或其他類型的機箱和插入式模塊。符合標(biāo)準(zhǔn)的機箱當(dāng)然屬于模塊化的重要內(nèi)容，但必須結(jié)合模塊化軟件和校準(zhǔn)才能發(fā)揮模塊化硬件的最大價值。例如，是德科技的M9391A和M9393A PXIe矢量信號分析儀(圖2)是包含4款PXI模塊的模塊化系統(tǒng)：時鐘源、頻率合成器、下變頻器和數(shù)字化儀。
圖2：是德科技“真正的模塊化”矢量信號分析儀—M9393A PXI VSA。
縮減硬件尺寸是模塊化的重要目標(biāo)，但硬件、軟件和校準(zhǔn)的全面模塊化才能實現(xiàn)模塊化的真正價值。例如，上述產(chǎn)品允許客戶獨立升級時鐘源，以獲得更出色的相位噪聲性能。驅(qū)動程序必須支持模塊化。同樣，傳統(tǒng)臺式儀器的校準(zhǔn)涵蓋全部4個部件，目的是應(yīng)用最簡便的方法確保最佳性能，但該方法不適合支持時鐘源模塊升級的系統(tǒng)。此時需要采用不同的模塊化校準(zhǔn)方法，以確保可升級的優(yōu)勢。通過此例可知，模塊化儀器中硬件和軟件同樣重要。
該誤解包含哪些事實？部分模塊化產(chǎn)品只是采用模塊化背板的傳統(tǒng)臺式儀器—這是事實。例如，有的PXI VSA只是占據(jù)多個PXI背板插槽的一個大型模塊，而非4個模塊組成的系統(tǒng)。此類產(chǎn)品的軟件和校準(zhǔn)與傳統(tǒng)儀器并無二致。盡管具有體積小、支持儀器間快速連接等模塊化硬件的優(yōu)勢，但此類產(chǎn)品在可升級性方面無法與支持模塊化硬件、軟件及校準(zhǔn)的產(chǎn)品(例如M9393A PXIe VSA)相提并論。
結(jié)語
模塊化儀器與臺式測試儀器相比較差異不顯著但是非常重要。模塊化更適合構(gòu)建多儀器系統(tǒng)。但當(dāng)需要從單臺儀器獲得最佳性能時，專用臺式儀器就很棒。在大多數(shù)系統(tǒng)中，可以綜合選擇臺式和模塊化儀器，在價格、性能和靈活性之間獲得最佳的組合。臺式儀器可能更適合產(chǎn)品開發(fā)流程的原型測試階段，而模塊化產(chǎn)品有可能在系統(tǒng)驗證等階段發(fā)揮更大效用。因此，確定一個可以實現(xiàn)臺式儀器與模塊化產(chǎn)品靈活轉(zhuǎn)換的方法，從而節(jié)省測試時間和費用才是上佳之選。希望讀者能夠借此文明白關(guān)于模塊化的誤解，原因以及真相，參透模塊化設(shè)計的精髓。
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