虚拟仪器（Virtual Instrument）是目前测试技术界和仪器制造界十分关注的热门话题。虚拟仪器系统是一种基于计算机的自动化仪器系统，是现代计算机技术和仪器技术完美结合的产物。它利用加在计算机上的一组软件与仪器模块相联接，以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力提供对测量数据的分析和显示。

    图1是一个典型的虚拟仪器测试系统，它由混合总线测量仪器及数据采集模块、专用转接及信号调理模块、被测对象三大部分组成。信号调理模块是连接前端传感器和后端数据采集设备的中间环

图1：虚拟仪器测试系统组成

二. 信号调理模块的功能

    对于绝大多数数据采集和控制系统来说，信号调理是非常重要的。典型的系统一般都需要信号调理硬件，用于将原始信号以及传感器的输出接口到数据采集板或模块上。通过信号调理的各种功能，如信号的放大、隔离、滤波、多路转换以及直接变送器调理等，使得数据采集系统的可靠性及性能得到极大地改善。

    具体来说，信号调理模块主要具有以下几点功能：
    1. 传感器驱动：包括为无源传感器提供所需的电压源或电流源，为有源传感器提供其运转所需的特殊电路结构。下表列出了几种不同类型传感器对信号调理模块的要求：

    2. 信号放大：为了提高模拟信号转换成数字信号时的精度，我们希望输入的模拟信号的最大值刚好等于A/D转换设备输入范围。大多数传感器的输出范围在mV级，而A/D转换设备输入范围为Volt级。因此我们需要使用信号调理模块对传感器的信号放大。下表列出了信号调理模块对信号放大倍数与信噪比的关系

    3. 隔离 在测量高电压信号时，隔离电路可以保护你的后端设备被意外的高电压输入损坏。常用的有光隔离和磁隔离。隔离放大电路的缺点是有可能引入噪声。

    4. 信号滤波：模拟信号在数字化前必须进行低通滤波，以消除噪声和防止混叠现象。同时也可以使用信号调理模块滤除50-60Hz的工频噪声。
    5. 扩展通道数：有些信号调理模块具有多路转换器或矩阵变换电路的功能，可以把通道信号通道扩展至上千路。
    6. 其他功能：信号调理模块还可以实现信号衰减、采样同步、频率-电压的转换等功能。

三. 常用信号调理模块
    1. 目前最常使用的信号调理模块是NI公司的SCXI系列信号调理模块。 

图2：信号调理系统

    SCXI(Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation) 系统是一个多用途、高性能的信号调理平台。适用于通道超过一定数量，封装条件恶劣、并且对信号调理的要求很高的应用系统。SCXI可以用作插卡式数据采集板、VXI模块或PXI模块的调理前端，还可以将它做为完整的远程数据采集系统。通过SCXI系统强大的多路能力，SCXI系统可以将多达3072路信号接入到一块数据采集板上。对于多通道、缓变的数据采集系统，如温度监测系统，SCXI是一种高可靠性的选择。

    下表是SCXI信号调理模块可以实现的功能：

    SCXI多通道信号调理系统可以适用于以ISA、PCMCIA、PCI、PXI、VXI等为采集总线的计算机系统。您可以将SCXI做为数据采集前端，或通过并行接口与采集设备组成外挂式数据采集系统。一个SCXI系统最多可以接入十二个调理机箱，每个调理机箱中可以插入最多四个(SCXI-1000)或十二个(SCXI-1001)调理模块。各种传感器信号通过接线端子或前端接入到调理模块，经调理模块调理后的信号，则通过SCXI系统总线送入相应的数据采集设备。

    2. 另外一类较为常用的信号调理系统是SCC系统。
SCC是适用于低通道应用的便携式信号调理平台。不象SCXI一个模块同时处理一组信号，平台为每一个信号提供单独的模块。SCC平台还提供了切换开关、LED，以及BNC和LEMO等常用的连接端子。无论是SCXI，还是SCC平台都有用于测量、激励、隔离和过滤的模块。下图是SCC系统的展示图。

四. 一个信号调理系统实例

下面以一个应用实例来说明如何在测试系统中选用信号调理模块和搭建信号调理系统：

    1. 系统要求：对8路温度信号进行采集，利用温度测量软件转换分析后，在显示器上显示出来，并将测量结果存储到硬盘上，以备事后分析处理。
    2. 选用信号调理模块：采用SCXI-1102B。SCXI-1102B具有32个差分输入通道，可调理各种热电偶信号、毫伏、伏、4~20mA、0~20mA的输入信号，每个通道可独立设置（1或100倍）放大倍数200Hz低通滤波，333kSa/s扫描率。
    3. 选用数据采集模块：选用PXI-6070E。PXI-6070E为一个12位多功能数据采集卡，它具有16路单端或8路差分输入通道，最高采样率为1.25MSa/s。
    4. 计算机选用：选用PXI-1010 PXI机箱以及控制器，外接显示器。PXI-1010 PXI机箱为一混合式PXI机箱，可同时插入PXI零槽控制器、7个PXI仪器模块和4个SCXI信号调理模块。
    5. 功能实现：8路温度信号经信号调理模块SCXI-1102调理后通过SCXI背板模拟总线送至数据采集模块PXI-6070E进行A/D转换，数据再由系统数据总线送至分析软件。实现分析、显示和存储功能。

现代科技技术的进步以计算机技术的进步为代表。不断革新的计算机技术，从各个层面上影响着、引导着各行各业的技术更新。基于计算机技术的虚拟仪器系统技术正以不可逆转的力量推动着测控技术的革命。

虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也影响了以数据采集为主的测控系统的传统构造方法的进化。过去独立分散、互不相干的许多领域，在虚拟仪器系统的概念之下，正在逐渐靠拢、相互影响，并形成新的技术方法和技术规范。虚拟仪器系统的概念是测控系统的抽象。不管是传统的还是虚拟的仪器，它们的功能都是相同的：采集数据，对采集来的数据进行分析处理，然后显示处理的结果。它们之间的不同主要体现在灵活性方面。虚拟仪器由用户自己定义，这意味着您可以自由地组合计算机平台、硬件、软件、以及各种完成应用系统所需要的附件。而这种灵活性在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。您常用的数字万用表、示波器、信号发生器、数据记录仪，以及温度和压力监控器就是传统仪器的代表。从传统仪器向虚拟仪器的转变，为用户带来更多实际的利益。

虚拟仪器系统技术得益于现代计算机技术的进步。所有PC机主流技术的最新进展，不管是CPU的更新换代还是便携式计算机的进一步实用化，不管是操作系统平台的提升还是网络乃至Internet的应用拓展，都能够为虚拟仪器系统技术带来新的活力和好处。以PC技术为基础的虚拟仪器系统的普及，也进一步坚定了用户抛弃旧的传统仪器，向崭新的虚拟仪器系统进发的决心。现代计算机性能/价格比的不断提高也使得越来越多的用户认可并接受虚拟仪器系统。正是这些用户，过去由于传统仪器的不灵活，只能用价格不菲的单台仪器完成单一的工作或固定的项目。应用虚拟仪器系统技术，用户可以用较少的资金、较少的系统开发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统。

虚拟仪器系统并不是一种哲学，它是工业的一个基本的渐变方法，并具有明确的结果。由于虚拟仪器系统技术的强有力支持，科学家和工程师们可以建立适合自己需要的测控系统，再也不必将自己封闭在固定传统仪器的狭窄天地中。

不管是建立检测系统，还是建立工业自动化系统，充分利用最现代化的手段，运用最新技术是必不可少的。简洁、实用、可靠、完备而且高性能/价格比始终是我们的追求。软件和硬件的结合、GPIB与DAQ的搭配、传统与现代的协调，使您可以建立您自己独特且规范的系统。虚拟仪器系统技术将帮助您实现您自己的目标。

作者：冯莉 (lifeng@semi.org)

从沈阳、北京、上海到长沙、深圳，中国本土半导体设备公司正在中国的各大城市孕育发展。半导体制造产业向中国转移让产业链上的设备与材料公司看到了更大的市场，而国家对集成电路设备产业的重点支持也为本土设备公司的成长提供了肥沃的土壤。

SEMICON China2007期间，SEMI和《半导体制造》举办了“半导体设备及零部件本土化与本土化采购高层研讨会”，来自沈阳科仪、北方微电子、45所、中微和深圳格兰达的老总与关心设备本土化的科技部和信产部等部门的官员共同探讨了半导体设备本土化的成果、问题和挑战。我们看到北方微电子等本土公司正在赢得 fab厂的订单，中微等公司设备零部件本土化的比例正在提高，Verigy等跨国公司也开始在中国进行设备制造，Advanced Energy等关键零部件厂商已将大部分的生产制造转移到了中国。

信息产业部处长王勃华在半导体设备与零部件本土化与本土化采购高层研讨会上说，中国的半导体设备产业正蓄势待发，未来四五年将迎来大发展。

致力于300mm刻蚀和薄膜淀积设备的中微半导体设备（上海）有限公司是中国领先的半导体设备制造商，该公司全球客户服务及备件业务部长吴万俊（Robert Wu）在归纳其在中国的采购经验时提出：“对设备业的需求可能会有上下起伏，而备件业的需求永远都呈递增趋势。”谈起本土化的成果，中微在一年内，材料的本土化采购提升了10％，供应商数量提高到46％。但本土零部件厂商在管理理念、产品质量与稳定性方面仍存在一定的差距。



科技部副司长戴国强说，集成电路设备产业已经成为国家重点支持的16个重大专项之一，将成为国家发展的重点。

惠瑞捷半导体科技（上海）中国制造部总监Nancy Nardi-Gardner在谈到惠瑞捷的制造运营模式时，和大家分享了其在兼顾时间和成本条件下独创的供应链模式。惠瑞捷的核心制造由位于中国的伟创立来代工，从而节省了材料成本和组装成本。不仅如此，惠瑞捷还将其采购供应链移至亚洲，缩减了物流成本。

在电源供应子系统领域占据半壁江山的Advanced Energy（优仪半导体国际）销售副总裁Bruno W. Doetsch为大家解析Advanced Energy为什么向亚洲和中国转移。值得一提的是，降低成本并非驱使Advanced Energy来到中国的真正驱动力，而是中国市场的高品质、高产量，以及高度的灵活性吸引Advanced Energy将其90％的产品生产转移到中国。

中国科学院微电子研究所副所长叶甜春和大家分享了中国集成电路装备制造业发展战略思考。叶甜春从全球IC制造业面临的投资和风险问题出发，引出低成本解决方案是全球IC制造业的出路，而IC制造业向中国的转移必然带动装备业的转移，这将是中国IC装备业的机遇。当然机遇与挑战总是并行，中国目前产业化和市场意识还很弱，IC装备业本身是个国际性竞争行业，而国内目前还缺乏专业人才及符合行业特点的运作模式。此外，叶甜春还强调应尽快建立本土关键零、配部件的供应链。

研讨会的圆桌论坛由沈阳科仪PECVD总经理姜谦、北方微电子副总经理赵晋荣、中微吴万俊、CETC45所书记兼副所长田陆屏、格兰达总裁林宜龙出席。圆桌论坛上，姜谦强调客户和供应商双赢甚至多赢模式的建立至关重要。赵晋荣谈到公司的零部件有80％是国内制造，但80％的成本却在国外。吴万俊点出拥有IP就是拥有本土化。

研讨会的POSTER SESSION（海报时段）展示了20家本土和国际零部件公司的产品，其中包含机械加工、石英材料、机械手、真空部件、离子注入部件等，提供给与会的国际和本土备件供应商、半导体芯片制造厂、及设备备件供应商一个探讨与交流的机会。

1 I2C总线的工作原理及其特点
I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线，最早由Philips公司推出。它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件，不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。串行扩展总线有突出的优点，电路结构简单，程序编写方便，易于实现用户系统软硬件的模块化、标准化等。
采用I2C总线标准的单片机或IC器件，其内部不仅有I2C接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。I2C总线接口电路结构如图1所示。
当某个器件向总线上发送信息时，它就是发送器(也叫主器件)，而当其从总线上接收信息时，又成为接收器(也叫从器件)。主器件用于启动总线上传送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。I2C总线的控制完全由挂接在总线上的主器件送出的地址和数据决定。在总线上，既没有中心机，也没有优先机。
在I2C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL时钟线上的所有器件的逻辑“与”完成的。SCL线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件，一旦某个器件的时钟信号下跳为低电平，将使SCL线一直保持低电平，使SCL线上的所有器件开始低电平期。此时，低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不能影响SCL线的状态，于是这些器件将进入高电平等待的状态。
当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时，低电平期结束，SCL线被释放返回高电平，即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后，第一个结束高电平期的器件又将SCL线拉成低电平。这样就在SCL线上产生一个同步时钟。可见，时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。在I2C总线技术规范中，开始和结束信号的定义如图2所示。当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA由高电平跳变为低电平定义为“开始”信号；当SCL线为低电平时，SDA线发生低电平到高电平的跳变为“结束”信号。
I2C总线还具有广播呼叫地址用于寻址总线上所有器件的功能。若一个器件不需要广播呼叫寻址中所提供的任何数据，则可以忽略该地址不作响应。
I2C总线具有多主控能力，可以对发生在SDA线上的总线竞争进行仲裁，其仲裁原则是这样的：当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送电平与此时SDA总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。首先是地址位的比较，如果主器件寻址同一个从器件，则进入数据位的比较，从而确保了竞争仲裁的可靠性。
目前世界上采用的I2C总线有两个规范，它们分别是由荷兰PHILIPS公司和日本SONY公司提出的。现在广泛采用的是PHILIPS公司的I2C总线技术规范，它已成为被电子行业认可的总线标准。采用I2C技术的单片机以及外围器件已广泛应用于家用电器、通讯设备及各类电子产品中，而且应用范围将会越来越广。
2 I2C总线应用下的EEPROM的
测试方法
这里以常见的24LC02容量为2K的EEPROM芯片为例来详细介绍该总线方式下工作的EEPROM测试方法。
2.1 24LC02芯片特点
24LC02是台湾CERAMATE公司生产的容量为2Kbit的应用于I2C总线工作方式的EEPROM芯片，其芯片管脚定义如图3。
图中，A0、A1、A3为片选端，因为I2C总线最多可以挂接16Kbit的EEPROM，也就是说可以挂接8个24LC02芯片，其硬件地址就这三个片选端决定；WP是写保护端，在发送Word Address之前起作用。
24LC02在写入数据的时候有两种模式：Byte write 和 Page write，如图4。
由此可知，在Byte write模式下，一次可写入8bit数据，而在Page write模式下一次可写入8bytes的数据。
2.2 24LC02的测试
根据I2C总线工作方式，我们将其测试图连接如图5。
以TESTER作为Master对24LC02写入数据，然后读取其数据验证与写入的数据是否一致。
对于24LC02的命令格式等细节，这里不再赘述，下面我们来看看24LC02的BLOCK DIAGRAM图6。
芯片中的Start/stop Logic单元处理Start/Stop信号，控制芯片是否开始工作；Slave address register&comparator单元译码Master发送的Slave address，完成与片选信号的比较，并设定write/read模式；Word address counter单元管理要写入或读取的地址，地址由xdec和ydec单元译码成行地址和列地址，24LC02的EEprom Array分为64行×4列字节单元。
这里我们对于一些简单的电流测试不再讨论，主要讨论功能测试。
根据以上分析，我们提出如下测试方法：
对芯片写入各种不同的字节数据来验证读取到的数据是否和写入的一致：
（1）每个字节写入随机码数据，这里随机码我们选择00～FF，共256 bytes，读取看与写入的是否一致
如果该项测试通过，说明芯片基本上工作正常，但不能保证EEprom Array（2Kbit）所有bit位都能正常写入数据。
这里每个字节写入00～FF保证了写入每个word address的数据都不一样，其目的是验证Word address counter、xdec、ydec等单元是否能正常工作。
假设我们这里每个字节写入相同的数据（如00或FF等），那么在这种情况下，要是Word address counter无法正常工作，那么我们写入或读取的可能是部分地址所指向的EEprom Array中的bit位，而且无法保证xdec和ydec能正常解码行地址和列地址，譬如说我们对“10101010” word address所指向的字节写入00，如果读取“10101010”这个地址数据时，Word address counter、xdec、ydec任意单元发生了错误，那么最终我们读取到的数据就不是“10101010”这个地址所指向的字节数据，也就是说因为每个字节数据是一样的，所以即使写入和读取的地址发生了错位，我们也会认为测试是通过的。
由此可见，要保证Word address counter、xdec、ydec等单元正常工作，我们写入的数据必须满足下列三个条件：
① 写入EEprom Array的每一行数据不一样（验证xdec单元）；
② 写入EEprom Array的每一列数据不一样（验证ydec单元）；
③ 写入EEprom Array的每一个字节数据不一样（验证Word address counter单元）；
这就是我们选择写入00～FF的理由（当然也可以选择写入其他数据，只要符合上述最后一个条件即可）。
（2）每个字节写入数据00，读取看是否与写入的一致
通过上述第一项测试，其实已经可以基本保证芯片各单元能正常工作，接下来只需测试验证EEprom Array（2Kbit）中的每个bit位是否良好，这里写入数据00，可排除EEprom Array（2Kbit）中恒为“1”的bit位。
（3）每个字节写入数据FF，读取看是否与写入的一致
可排除EEprom Array（2Kbit）中恒为“0”的bit位。
（4）从00H地址开始写入4个字节55，接着写入4个字节AA，如此重复，直至写满256个字节，读取看是否与写入的一致。
EEprom Array中相邻bit位（包括行相邻、列相邻、对角线相邻）会互相影响。
而24LC02的EEprom Array分为4列×64行×8bit，所以我们写入上述的数据使得每个相邻bit位的数据都不一样，经过该项测试可排除相邻bit位的数据窜扰。最好是再测试一下写入4个字节AA，写入4个字节55……，看读取与写入的是否一致。
到此我们完成了全部的功能测试。24LC02读写时有page write、byte write、random read、sequential read等各种工作模式以及write protect 功能，这些测试都比较简单，这里就不再一一赘述了。
由此，我们概括出EEprom的一般测试方法：
（1）每个字节写入random code，读取验证是否与写入时一致，从而测试Word address counter、xdec、ydec等单元是否能正常工作；Random code需要满足下面这个条件：写入EEprom Array的每一个字节数据不一样。
（2）每个字节写入数据00或FF，读取验证是否与写入时一致，排除EEprom Array中恒“0”或恒“1”的bit位。
（3）对EEprom Array写入相邻bit位（包括行相邻、列相邻、对角线相邻）都不一样的数据，读取验证是否与写入时一致，排除相邻bit位的数据窜扰。

信号源发展到今天，它的涵盖范围已非常广。我们可以按照频率范围对它进行分类：超低频（0.1m～1kHz）、音频（20Hz～20kHz）、视频（20kHz～10MHz）、射频及高频（200k～3000MHz）、微波（≥3000MHz）、光波信号源等；按工作原理可以分为： LC 源、锁相源、合成源等。

经常会看到信号源型号前面有几个字母，你知道他们代表什么意思吗？这些字母是有说头的，我来解释解释。

音频信号源（AG）、函数信号源（FG）、功率函数发生器（PFG）、脉冲信号源（PG）、任意函数发生器（AFG）、任意波形发生器（AWG）、标准高频信号源（SG）、射频信号源（RG）、电视信号发生器（TVSG）、噪声信号源（Noise）、调制信号发生器（MSG）、数字信号源 (DG)。

 一般来说，任意波形发生器（AFG）可提供 12 种标准函数波形、脉冲波形、调制波形、扫频和突发信号等，同时可快速编辑任意波形，在中档信号源中极具代表性，是一种革命性的数字产品。它的基本技术指标与其他的信号源指标相同，但也有特殊的要求。下面就任意波形发生器（AFG）相关性能指标进行了说明：

　　带宽(Fw)：带宽是所有测量交流仪器必须考虑的技术指标，指仪器输出或能测量的信号幅度衰减 -3dB 处的最高频率。

　　输出幅度（Vpp）：信号源输出信号的电压范围，一般表示为峰 - 峰值。

　　输出通道（CH）：信号源对外界输出的通道数量。

　　垂直分辨率（DAC）：垂直分辨率与仪器数模转换的二进制字长度（单位：位）有关，位越多，分辨率越高。数模转换的垂直分辨率决定复现波形的幅度精度和失真。分辨率不足的数模转换会导致量化误差，导致波形生成不理想。

　　水平分辨率（HA）：水平分辨率表示创建波形可以使用的最小时间增量。一般来说，使用下面公式计算：
T=1/F（T是定时分辨率，单位为秒， F是采样率）。

　　存储深度（Wsiz）：存储深度与时钟频率一起使用，确定波形的点数。存储深度决定着可以存储的最大样点数量。每个波形的样点占用一个存储器位置。每个位置等于当前时钟频率下采样间隔的时间。大的存储深度，可以建立更多周期的希望波形，能创建更好的波形细节。

　　采样速率（fs）：采样速率通常用每秒兆样点或千兆样点表示，表明仪器可以运行的最大时钟或采样速率。采样速率影响主要输出信号的频率带宽和保真度，公式如下：

　　信号输出频率带宽=采样速率÷存储深度，即Fw=fs÷Wsize

　　当然，各种信号源的性能指标和选择参数都不会完全相同，但是在使用信号发生器时，以上的几个指标在选型时您必须尽量考虑，才能满足您的要求。