前言

電子測量儀器業是既傳統又比較保守的工業，不少公司都擁有五十年以上的歷史，造就了一批優秀的專家和工程師。測量儀器在發展過程中與半導體器件共同成長，它們像母雞與雞蛋那樣密不可分，有時器件領先，有時儀器在前，有時齊頭并進，共譜新章。電子測量儀器與電子信息技術、消費電子產品不同，它屬于耐用性設備，使用壽命可達10年以上，還要保持準確可靠，所以更新換代的周期較長。

電子測量儀器的市場不大，相對半導體器件的每年2500億美元市場來說，近年全球測量儀器的市場每年只有50億美元左右。在測量儀器公司中，年銷售額10億美元以上的巨頭只有安捷倫科技一家，5億美元以上的大戶有泰克、羅德施瓦茨茲等四家，1億美元以上的中等公司有力科等十家，其余中小型公司都在1億美元以下。電子測量儀器的生產數量有限，中高檔儀器是1千臺左右的小批量，因而庫存量不大，相對個人電腦、手機、視聽、家電等數以10萬件以上的大批量發貨，在數量上有很大區別。

圖1 合成儀器的基本模塊框圖

電子測量儀器在傳統上屬于高回報率工業，高檔儀器如數字存儲示波器、頻譜分析器、網絡分析儀等每臺價格4-5萬美元，主要成本是研發產品時的費用，特別是專用 ASIC 芯片和編程開銷。多年來測量儀器實際上是賣方市場，表現為大公司對代理、分銷商沒有銷售金額的折扣，只有銷售數量折扣。近年來儀器變成買方市場，儀器公司只好主動向用戶提供優惠折扣。電子器件、電子電路和電子設備的特性由電子測量儀器的測量結果表達，因此每年都更新相當數量的測量儀器，使測量儀器業每年獲得50億美元的營收。測量儀器業平均每年將利閨的百分之十投入研發和再生產，保持每年均有新技術、新工藝、新產品出現。展望最近幾年，測量儀器業界的技術創新走向己經明晰，本文試圖描述大體輪廓，供業內外人仕和讀者參考。

新一代的合成測量儀器系統

經歷海灣戰爭后，美國國防部門大力加強部隊的機動性和戰斗協同能力，特別在電子通信和電子對抗方面，對各軍兵種的電子裝備不兼容，供應來源多途，資源浪費的現象加以整頓。過去美國陸海空三軍和海軍陸戰隊所用的電子測量儀器全部是專門訂貨，各自擁有不同的自動測量系統(ATE)，形成不同的供應鏈。新的構思要求ATE從軍事專用采購改為從民用產品選購，實施“下一代自動測試系統計劃(NxTest)”的統一標準，采用快捷全球戰斗支援(ARGCS)方案。ARGCS的核心是使用合成儀器(SI)構建ATE，具體規范和進度由軍方和儀器公司的代表組成的合成儀器工作組(SIWG)實施。

SIWG對SI－的定義是：由一系列基礎硬件和軟件單元以及標準化接口構建的、采用數字處理技術的、用于產生信號或測量信號的、可重配置的自動測量系統。SIWG 要求 SI 能夠達到6項預定目標，它們是：降低自動測量系統的總成本；減小自動測量系統的開發和現場升級時間；提高自動測量系統的互換性；降低自動測量系統的后勤支援和庫存量；縮小自動測量系統的物理尺寸；改善自動測量系統的測試質量。目前，SIWG己對合成儀器提出實施設想，但是為測量儀器供應商留出很大發展空間。

合成儀器采用可互換的標準模塊、標準電路、標準接口，從單元電路至系統的積木化結構。例如剖析 RF 基本測量儀器，包括信號發生器、頻譜分析儀、矢量網絡分折儀、數字存儲示波器的系統構成時，可以歸納成幾種基本模塊：模/數轉換器(ADC)、數/模轉換器(DAC)、上變頻器、下變頻器、模擬信號調理器、數字信號處理器等基本硬件模塊。根據測量要求，它們能夠搭接成不同的功能子系統，獲取被測信號的幅度、相位、頻率、調制度等基本電氣參數后，由處理器模件和固件、軟件進行數字變換，即可獲得正弦波形、脈沖波形、頻率譜、功率譜、調制信息參數。

在2006年底第一批合成儀器 RF 射頻測量系統，已由安捷倫科技交付美國海軍，用于 NxTest 計劃中的統一自動支援系統(CASS)。美國海軍使用 CASS 作為航空母艦和其它艦艇的飛機電子設備測試和維護。安捷倫從1988年成為 CASS 供應商，主要供應基于 GPIB 總線的臺式儀器測量系統，2006年底采用基于LXI接口標準的模塊儀器，由6種模塊構建符合 SI 儀器要求的自動測量系統。安捷倫成功交付第一批 SI 自動測量系統之后，測量儀器業將有更多公司投入人力物力，開發更多應用目標不同的合成儀器。由于美國國防部門是全球電子測量儀器的最大采購商，合成儀器將推動美國、歐洲、日本投入更多人力物力,開發從器件、模塊、子系統至完整的自動測量系統，成為電子測量儀器業技求創新的動力。 　　

基于軟件定義無線電的測量儀器

圖2 軟件定義的RF信號發生器和分析器

無線通信和消費電子的快速發展和更新換代，傳統的先開發硬件再編寫應用軟件的解決方案跟不上快速換代的要求。在相當長的時間內，無線通信系統以模擬電路為主導，基本部件是低噪聲放大器、本地振蕩器、變頻器、中頻放大器、檢波器、音頻放大器等模擬電路。自從10年前無線接收系統從超外差變頻結構，轉變成無外差變頻的零中頻結構之后，無線電發射接收系統簡化成為數字變頻、基帶放大器、基帶濾波器、數模轉換器、模數轉換器、數字信號處理器等數字部件,使軟件定義無線電(SDR)得以實現。SDR的簡明定義是,采用軟件對無線電信號進行調制和解調制的無線通信系統。顯然，SDR借助通用的硬件子系統,根據軟件定義的無線通信標準,靈活快速地構成不同通信標準的發射和接收系統。SDR 為推動無線通信系統從模擬設計進入數字設計作出重要貢獻。

圖3 四種測量儀器總線

如上所述，電子測量儀器是比較保守的，產品更新較慢的工業。雖然儀器的數字化取得相當進展，但是直接引用SDR原理構建RF測量儀器系統則是近5年才出現。具有代表性的SDR測量儀器是吉時利公司的2910 RF矢量信號發生器和2810 RF矢量信號分析器。它們直接引用SDR原理，根據測量儀器的特點，將兩種儀器設計成采用相同的硬件結構，借助不同的軟件定義成為兩種測量用途不同的儀器。這種基于SDR原理構建的數字化RF測量儀器，構思新穎，系統簡單，代表RF測量儀器結構的創新。其他RF測量儀器公司亦參考SDR的原理，構建可軟件定義或升級的測量儀器。可以預期，開發基于 SDR原理的RF測量儀器將是今后幾年的熱點。

時域-頻域-阻抗域儀器的互通應用

電子測量儀器按信號處理領域劃分有時域、頻域、數域、調制域、阻抗域等多種，它們除測量基本電氣參數之外，更多的是測量電子器件、電路的電氣特性。激勵源類儀器有正弦、脈沖、任意波形發生器等。檢測類儀器有數字示波器等時域儀器,頻譜分析儀等頻域儀器,矢量網絡分析器等阻抗儀器。近年來，大部分測量儀器使用直觀顯示方式,非時域儀器變得更像時域儀器那樣利用大型屏幕顯示測量結果。時域儀器在不同應用領域測量儀器的互通擴展中占有重要位置，例如調制域儀器可由時域和頻域儀器綜合而成，網絡分析儀的也可從數字示波器導出。

早期各類測量領域儀器是獨立發展的，自從著名數學家傅里葉利用數學表達式解決了時-頻變換難題之后,出現多種傅立葉變換的數字求解,特別是離散數字變換(DDF)和快速傅里葉變換(FFT)可使時-頻變換的計算數字化。借助數字信號處理器快速實時求解出時-頻變換和反變換結果，使時域-頻域-阻抗域的儀器的應用互通成為現實。

2006年泰克公司在 TDS8200 數字取樣示波器的基礎上成功推出 DSA8200數字串行分析儀，作為多用途測量儀器的 DSA8200既是 80GHz 等效帶寬的數字取樣示波器，又可擴展成 50 GHz 等效帶寬的時域反射計以及串行數字網絡分析儀。將數字示波器變成時域反射計，它們屬于在相同時域-時域的應用擴充，主要增加一個 10ns 級的快速階躍發生器，難度并不大。將時域反射計進一步擴展成為矢量網絡分析儀，屬于時域-阻抗域的應用擴展，難度更大。DSA8200根據同軸線對不同阻抗終端的反射波形,從反射波形導出計算網絡電特性所需的 S 參數。DSA8200的成本不到矢量網絡分析儀的一半，測量時間只要幾分鐘而不是一小時。DSA8200數字串行分析儀的成功推出，表明不同領域測量儀器的應用擴展還有廣闊的可挖掘潛力。

LXI接口和USB總線

電子測量儀器業自1966-2006年的40年間，前后有4種開放式儀器總線或接口得到認同，它們是  GPIB(IEEE488)、VXI(IEEE1515)、PXI 和 LXI ，前兩種是獲得 IEEE 認證的國際級標準，后兩種是業界的事實上標準。 GPIB 由惠普公司單獨開發，當時集成電路只有小規模芯片，PC 電腦還未問世，測量儀器大部分是臺式和機架式產品，GPIB 作為程控儀器總線實在是非常前衛的構思。即使 GPIB 總線推出至今40年，大部分臺式儀器己經變成內嵌有微處理器智能儀器，GPIB仍然繼續發揮它的作用。

圖4 LXI接口的合成儀器自動測量系統

VXI和 PCI分別是在1980年代和1990年代出現了PC 電腦、虛擬儀器之后，將 PC 電腦的外設總線擴充成為模塊儀器總線的成功產品，VXI總線構建在 VME外設總線基礎上，PXI構建在 PCI 外設總線基礎上。VXI 采用籠式機箱、3種模塊尺寸、即插即用驅動器、快速時鐘總線、虛擬儀器接口、虛擬面板、標準語句等都是不錯的擴展。可惜 VXI 主要針對國防軍事用戶，成本較高，適合高檔儀器而不易普及到更廣泛的民用儀器。國家儀器公司吸收了GPIB和VXI的優點，采用傳輸速率更高的PCI總線、簡化結構、降低成本、擴大應用。除 RF 頻段以外，當前 PXI 模塊儀器開始取代 VXI 而成為模塊儀器的業界事實上標準。

安捷倫科技一直是 GPIB 和 VXI 兩種開放總線儀器的最主要供應商，進入2000年代安捷倫開始從VXI總線模件儀器市場淡出，并出售VXI儀器產品線，轉而開發一種可替代 GPIB程控儀器總線，但性價比更高，壽命超過25年的下一代軍民兩用開放式儀器總線。安捷倫放棄 VXI 、PXI 的傳統做法，不再選用 PC 外設總線擴充作為儀器總線，而選用性能不斷提高，預期具有更長壽命的以太網絡作為基礎，擴展成為 LXI 儀器接口總線。安捷倫認為 LXI 接口總線博采了 GPIB 、VXI、PXI  的長處，避開它們的短處，真正成為承先啟后、兼容并蓄,通過以太網可全球接入、使用方便、經濟實用的開放式儀器接口。

圖5  USB總線的手持數字示波器

從 LXI 標準 1.0可知，LXI 完全保留以太網的高速串行傳輸特點，電纜、連接器、集線器、網關的規格不變。在此基礎上增加儀器網頁和虛擬面板，構成最簡單的 LXI C類模塊儀器，亦即 LXI 兼容儀器。測量儀器系統往往需要時鐘定時和同步，LXI 標準在 A類模塊基礎上引入 IEEE1588 網絡定時同步協議，使入網模塊儀器獲得 1us 級的同步偏差，構成 LXI B類模塊儀器。在 B類模塊基礎上增加硬件的定時同步總線，使入網模塊達到 10 ns 級的同步偏差，構成最高級的 LXI A類模塊儀器。目前，LXI接口采用多芯銅纜的最高串行傳輸速率是每秒1000Mb。

從 LXI 標準的設計構思可見，LXI 的 3類模塊從低到高將不同標準的儀器廣泛地納入 LXI 測量系統內。只要裝有以太網接口, 各種 GPIB 、VXI 和 PXI 儀器都可通過軟件升級成為 LXI C類或 B類儀器，對于小部分要求 10 ns 級同步偏差的數字儀器，才需要使用硬件觸發同步。與在 PC 外設總線基礎上擴充的 VXI 和 PXI 總線不同，LXI 接口避免使用增加時鐘線、本地觸發線達到時間同步的單一辦法，分成 A、B、C、三類不同級別的模塊, 顯得更加合理。LXI充分利用以太網的高速串行傳輸資源，盡量使用軟件擴展，少用硬件擴展的辦法，使組網成本降低。

以安捷倫科技為首的 LXI 聯盟在2004年9月成立，一年后公布 LXI 標準1.0版本，2006年LXI的成員單位有 49個，產品達36種,型號171種。LXI得到大部分電子測量公司的支持，安捷倫并領先向美國海軍交付基于 LXI 的 RF 合成儀器自動測量系統。對 LXI持有保留意見的同行,例如國家儀器公司至今還不是 LXI聯盟的成員單位，而且認為“以太網好，但以太網擴展并無必要”。國家儀器的這種意見反映出 PXI 與 LXI 是兩種競爭性的總線標準，盡管多數同行業界都認為，兩者各有特點，互補性大于競爭性。 在今后幾年內開始 LXI取代 GPIB的過程，而且 LXI將成為測量儀器系統的主流接口。

GPIB 、VXI 、PXI 、LXI 都是測量儀器系統總線，對于獨立的測量儀器，為了與 PC 建立通信鏈接，通常選用 PC 的標準外設接口，例如并口、串口、以太網、USB口等。從近年手持式和掌上式測量儀器的外設接口配置來看，以 USB 最受歡迎。原因在于 USB使用串行傳輸方式，速率最高達每秒 480Mb，而且帶有直流供電線，對于小型的單臺測量儀器可謂一舉兩得。PC 一般安裝兩個 USB接口，接口數目可通過器擴展。當前 USB不但是 PC的標準接口，還廣泛用于音頻、視頻消費設備，使成本價格不斷降低。USB接口很受中小型測量儀器公司的歡迎，已推出帶有 USB 接口的手持小型儀器，包括數字示波器、功率計、信號發生器、數據采集系統等。甚至臺式測量儀器為了便于在單機情況下與 PC鏈接，或者與硬盤或 USB電子盤作數據交換，都配備 USB接口。由此可見，臺式至手持式測量儀器針對不同用途都在使用 USB，今后如何在測量儀器中充分發揮 USB接口的潛力，將是測量儀器業界共同關心的課題，從而出現更多有價值的擴展應用。

結語

對照上文內容可知，根據2000年開始取得的技術進步，預期電子測量儀器業在今后幾年內,在合成儀器的強勢帶動下，基于 SRD測量儀器和多領域儀器互通擴展作為熱點，在LXI和USB作為鏈接總線的空間內,將取得更多技術創新,并積極推動電子器件、電子應用的發展，形成良性互動。