今天，測試行業(yè)中有進取心的公司正努力迎接挑戰(zhàn)，合成儀器已成為許多公司的選擇方案。通過將軟件算法和基于核心儀器電路組成模塊的硬件相結(jié)合，合成儀器“合成”了傳統(tǒng)儀器中的激勵和測量功能。合成儀器的概念來源于當(dāng)前設(shè)計和使用的軟件無線電、移動電話和其它通信系統(tǒng)背后的一些廣為接受的技術(shù)與技巧。為了更好地描述和定義合成儀器的概念，對軟件無線電（SDR）作一個概略的介紹將會有所幫助。

　　如圖2所示，軟件無線電僅僅由一個數(shù)字信號處理（DSP）引擎、一個通用發(fā)射機和接收機前端以及某種形式的發(fā)射天線組成。通用發(fā)射機和接收機前端在數(shù)字數(shù)據(jù)與調(diào)制無線電波之間進行轉(zhuǎn)換，以便進行無線通信。這些部件之后是一個高速數(shù)字信號處理（DSP）單元，它提供無線電的大部分功能。在本質(zhì)上，這種組合提供了一個“通用”的無線電。設(shè)計人員通過軟件將無線電功能編程到DSP之中，他們編寫軟件算法和在DSP輸入輸出端產(chǎn)生或處理數(shù)字表示信號的控制模塊。如果通信協(xié)議或處理算法需要修改，或無線電必須作為一種不同的類型來進行通信，設(shè)計人員只需修改軟件并將其下載到無線電即可。軟件無線電方法消除了傳統(tǒng)專用無線電設(shè)計方法所需的重新設(shè)計和加工新硬件的必要性。今天，在小型封裝中所能提供的處理速度和能力使軟件無線電的實現(xiàn)變得更加容易。

　　圖3所示的合成儀器方框圖與軟件無線電的方框圖看起來非常相似。主要區(qū)別是將天線換成了對被測產(chǎn)品的接口，增加了多級電路以支持更靈活的信號調(diào)理，還增加了允許對電路元件進行重新配置或根據(jù)需要進行旁路的信號路徑。這些簡單的修改使合成儀器所蘊藏的真正潛力能夠發(fā)揮出來。

　　本文將略過合成儀器的基礎(chǔ)知識，只介紹一下圖4中的激勵路徑。如果測試系統(tǒng)以許多信號產(chǎn)生儀器中常見的 “功能組成塊”電路為中心進行模塊化，人們通常會發(fā)現(xiàn)某種用來創(chuàng)建信號波形的數(shù)字信號處理引擎，它后面緊跟著一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在射頻信號產(chǎn)生電路中，可以發(fā)現(xiàn)一個上行轉(zhuǎn)換功能塊，它的主要用途是將基帶信號轉(zhuǎn)換為射頻信號。在集成系統(tǒng)中，射頻輸出將通過電纜和開關(guān)矩陣連接到被測單元。在一臺傳統(tǒng)儀器中，這些電路元件位于機箱內(nèi)部，并且是固定的，如果不破壞這個緊固儀器的完整性，根本無法訪問中間的電路功能。在一臺合成儀器中，這些功能塊代表能訪問輸入和輸出的獨立模塊。

　　這種“功能劃分”允許用戶在功能塊之間放置信號開關(guān)，并且可以利用各個電路塊的基本功能。例如，如果依次順序連接所有的功能電路塊，就得到了一臺射頻與微波信號發(fā)生器。如果引出模數(shù)轉(zhuǎn)換器和上行轉(zhuǎn)換模塊之間的信號，就得到了一臺模擬信號發(fā)生器或函數(shù)發(fā)生器。如果直接從DSP進行輸出，可以得到一個數(shù)字樣式發(fā)生器。通過組合不同的信號發(fā)生、捕獲和信號調(diào)理功能電路塊，合成測試系統(tǒng)可以對數(shù)字、模擬、功率、射頻、微波和許多其它信號類型進行合成。

　　需要注意的是，合成儀器可能也會包含冗余或并行路徑，如圖5所示。例如，系統(tǒng)中可能有一個高分辨率的窄帶D/A轉(zhuǎn)換器功能塊，另外還有一個低分辨率高帶寬功能塊。合成儀器架構(gòu)主要是按照構(gòu)建所需激勵信號和測量分析的必要基本電路組成功能塊來劃分系統(tǒng)。設(shè)計中可能包含需要的多種多樣的不同信號調(diào)理模塊。在需要多個同步信號的場合，同樣可以有多個數(shù)字處理功能塊，從而系統(tǒng)設(shè)計人員能夠提供所需的多個并行激勵或測量路徑。盡管如此，由于這一架構(gòu)支持高層次的復(fù)用，冗余部件仍然被降到了最低。

　　通過最大程度地利用各個功能模塊并降低冗余度，合成儀器提供商可以推出性能更高的單元，滿足更嚴格的需求。由于用戶無須在許多不必要重復(fù)的功能單元上花費，這使得在提高系統(tǒng)性能的同時降低整個系統(tǒng)的成本成為可能。例如，如果三臺不同的儀器都含有一個DSP、D/A轉(zhuǎn)換器、濾波器和衰減器電路功能塊，就可以將節(jié)省下來的部分經(jīng)費用來采購一組更高性能的部件。這些特點突出體現(xiàn)在圖6中。在測試設(shè)備中，這類精簡除減少了支持測試系統(tǒng)所需的硬件數(shù)量之外，還起著縮小測試系統(tǒng)體積的作用。

　　訪問低層電路組成功能塊對于校準過程有著極大的幫助。圖7是一個增加了校準和系統(tǒng)功能測試（STF）環(huán)路的基本合成儀器的方框圖。這個電路可以包含簡單的回環(huán)切換路徑，以及標定的傳感器和其它相關(guān)硬件。對于傳統(tǒng)儀器，用戶是不可能訪問到其中間電路環(huán)節(jié)的，這使其校準更為困難。更重要的是，這使得傳統(tǒng)儀器難以在運行時進行有效的校準，如果不是不可能的話。合成系統(tǒng)方法提供了對每個功能單元進行校準的能力，并允許調(diào)整校準程序以適應(yīng)不同的測量類型。在大多數(shù)情況下，這會使系統(tǒng)的性能大大提高。

　　合成架構(gòu)也增強了系統(tǒng)地處理老化過時問題和和升級測試系統(tǒng)的能力。當(dāng)需要升級或出現(xiàn)老化過時情況時，只需添置或替換直接受影響的功能模塊而不是整套儀器。這降低了處理老化過時儀器的成本，同時也減少了相關(guān)的技術(shù)風(fēng)險。

　　合成儀器概念看待硬件的方式與面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)看待軟件“模塊”的方式相同。因此，面向?qū)ο蟮能浖c合成儀器方法完全吻合。先進的合成實現(xiàn)方法采用了與功能硬件模塊一一關(guān)聯(lián)的軟件對象，與實現(xiàn)軟件對象一樣實現(xiàn)激勵和測量算法。對功能硬件模塊全部所需信息的這種封裝，使得智能軟件很容易將模塊組合為不同的配置形式，并確定最終的激勵和測量能力。舉個簡單的例子，如果已知每個模塊的傳遞函數(shù)，就可以對它們進行組合，以建立復(fù)雜的激勵和測量功能。由于模塊與對象一樣看待，也可以將一組或多組校準系數(shù)駐留在對象之內(nèi)。這使集成商能以多種不同方式對模塊進行組合，同時對于直到與被測部件接口的電路都能維持高精度的系統(tǒng)級校準。

　　這種面向?qū)ο蠓椒◣淼囊粋€附加好處是能為測試系統(tǒng)和被測單元提供集成的診斷和故障預(yù)測能力。在采用順序編程技術(shù)的傳統(tǒng)測試系統(tǒng)中，很難執(zhí)行集成診斷。在面向?qū)ο蟮暮铣上到y(tǒng)方法中，智能軟件可以很容易地監(jiān)控工作狀態(tài)和硬件及軟件對象的狀況，以便提供實時診斷。系統(tǒng)性的增強也可以提供故障預(yù)測能力。

　　在合成環(huán)境中，接口的選擇沒有什么影響。方案提供商可以混合采用PXI、VXI、GPIB、Ethernet、USB、PCI、PCI-X或包括交換結(jié)構(gòu)在內(nèi)的任何其它通信總線，因為硬件和軟件模塊之間的接口也與插件對象一樣看待。硬件配置是從軟件部件和模塊中抽象出來的，這提供了一個非常強大的系統(tǒng)架構(gòu)。

　　合成儀器的最大好處之一是它的測試能力不是受到測試儀器特性的約束，而是代表被測單元的工作特性。這方面的一個簡單例子是測試衰減器組的特性。常規(guī)的方法可能是先用一個功率計進行輸出幅度測試，然后再用一個頻譜分析儀來進行頻率響應(yīng)測試，測試在工作參考設(shè)置條件下進行。

　　每臺儀器所做的單次掃描結(jié)果如圖8（增益）和圖9（頻率響應(yīng)）所示。圖8中的特性曲線看來是線性的，沒有什么明顯問題。圖9中的特性曲線似乎線性度也不錯。不過，由于測試過程中使用了兩臺儀器，不容易研究所有的工作區(qū)域。任何試圖覆蓋整個工作范圍的努力都需要在不同的功率水平、頻率和衰減設(shè)置上進行多次測試，同時還不可避免地要無數(shù)次地重復(fù)測試許多數(shù)據(jù)點。單域測試常常會隱藏一些工作區(qū)域中不良的非線性特性，而且雖然傳統(tǒng)儀器可被配置和用來涵蓋整個測試范圍，但并不十分有效。采用傳統(tǒng)儀器時所牽涉的大量設(shè)計和測試時間開銷也是必須考慮的。

　　相比之下，一臺合成儀器就能執(zhí)行更為復(fù)雜的測試，象三維表面一樣刻劃出衰減器組的幅度和頻率響應(yīng)。測試結(jié)果如圖10所示。圖中曲線顯示，衰減器組在某些工作區(qū)域有一些不好的非線性特性，很可能涉及衰減器組中某些特定的衰減器。經(jīng)過校正，很容易就可以僅僅針對有關(guān)的區(qū)域進行重復(fù)測試，如果需要，還可以定義附加的通過/失敗準則作為響應(yīng)表面的坡度。測試維數(shù)也可以增加到包括相位響應(yīng)或其它因素。合成測試方法可以輕松地對這些復(fù)雜的測試腳本進行控制，在減少測試次數(shù)和增加被測單元涵蓋范圍方面，合成測試所帶來的好處只受到測試設(shè)計人員創(chuàng)造力的限制。