2008-5-12 -- 枫雪小屋

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如何选择合适的采样率

发表于 2008-5-12 22:28:22

如何选择合适的采样率

作者：Dave Stewart博士执行副总裁兼技术总监

在具体数据采集应用中，试错测试可能使用得最为普遍，但它既不是最快的也不是最好的确定抽样率的方法。采用系统工程分析并通过一系列预先设计好的试验，可以帮助快速找到适合的采样率。本文以弹球开关为例，介绍选择采样率时应考虑的一些因素。

最近我问一个工程师他系统所使用的采样率是多少，他回答说：“5毫秒”。我接着问他为什么，“因为它合适，”他说道。“我们花了很多天来测试不同的采样率，只有这个最合适。”

他的系统是一个按钮开关，要求去除掉一些反弹效应。他和他的试验小组最后选择5ms作为间隔是因为在测试过程中，采用这样的采样率既不会将一个信号错误地认为是两个信号，且由于速度快，也不会将有用的双击误认为是反弹。

5毫秒也许是一个可以接受的数值，但由于没有考虑系统其它因素，尤其是实时反应时间，我们确实无法知道这是不是最好的答案。

假设处理器过载，例如5ms采样时间造成40%过载，情况会怎样呢？可以将采样时间间隔增加到10ms而把代码占用的CPU资源降低到20%，另外一种方法是保持采样率不变，而将控制码执行的速度降低一半。那么从系统的角度来看哪一种方法更好呢？在采样资源和处理器利用率以及其它实时因素(如调度与优先级调换)间有没有一种好的折衷方法呢？下面让我们具体来看一看。

选择标准

在选择采样率时，有几个对立的因素要考虑，这些因素包括：

采样应尽可能快，这样精度才高
采样应尽可能慢，以节约处理器的时间
采样应快到能提供足够的响应时间
采样应慢到输入信号不受噪声的影响
采样率应为控制算法频率的倍数，以减少抖动

由于没有一个答案能满足所有的要求，所以在考虑具体应用特性时只能找到一种比其它都更好的采样率，本文介绍的技术将有助于确定这个采样率，包括下面几个步骤：

测量传感器的特性。
如果输入有噪声，应选择合适的算法将其滤掉。
只在满足功能的基础上计算采样率的最高和最低界限。
在最高和最低界限之间确定均衡点。
按均衡点优先次序在最高和最低界限间确定采样率。

这种方法适用于所有传感器，下面我们以实例集中讨论数字开关的情形。

数字开关

数字输入最简单的形式是开关，当开关合上时，开关的值是1，打开时值为0，如果是负逻辑，结果刚好相反。很多嵌入式系统都有一个或多个开关，如果开关很少，少于纯数字输入/输出(DIO)端口数量时，它们通常直接接到DIO端口上；开关数量多的时候则由一个开关矩阵来控制，这个以后另文再述。

一个理想的开关在合上时的信号为1，打开时信号是0，从一种状态到另一种状态的转换是瞬时完成的。但实际上，还有上升和下降时间需要考虑，由于这些时间和电路电容成正比，所以通常只有几个纳秒。在我们的分析中，只要传感器数据读取速度慢过每秒10万次，就可以将上升和下降时间忽略不计，因为读取速度慢，有些开关如光开关和结构紧固的瞬态开关其特性还是非常理想的。

然而大多数机械开关都有反弹效应。当开关合上时，从0到1的转换不是在瞬间完成或者说不是连续上升的。图1a显示了从示波器上看到的一个机械开关输出转换过程的波形，图1b是开关输出的数字信号波形。主脉冲前后多余的脉冲就是所谓的反弹，它产生于开关内部机械弹片发生接触的时候。如果反弹会造成不良的影响，就必须对其进行滤波，这个过程通常称为去反弹。

测量关闭时间

要决定采样率，就需要知道最小开关关闭时间，我们用σ_min表示，它也是确保采样软件探测到开关状态的最短时间。有时候系统会具体规定，在没有规定的情况下，就需要通过实验，在具体系统需求和硬件特性的基础上确定。

最小开关时间一般用来作为数据噪声的阈值使用，而不是实际开关打开或关闭的时间。如果在输入端检测到脉冲的持续时间小于最小关闭时间，软件就可能把它漏过，我们不把这个看作是故障。另一方面，如果脉冲时间等于或大于σ_min，软件将保证检测到开关的状态。

下面是我和一些工程技术人员对弹球机的研究经验分析，弹球机是一种很好的实验工具，因为它具备好几种类似于数字输入开关的机构，每种都有不同的特性，图2显示了其中的一些。

图2a中的开关必须经常监测，因为弹球运行速度很快，对于这类开关，我们测量得到它的σ_min大概是10ms。(实际测量值带有小数位，我们分析时也是使用带小数的实际测量值，但为讨论方便起见本文中我们都四舍五入取为整数。)这个值根据环境不同而有所不同，改变环境特性可能会得到不同的最快开关关闭时间。也可以通过测量和分析来确定弹球通过开关的最快速度，如果这样的话，σ_min可通过数学方法推导出来，它是最大球速和开关尺寸的函数。

图2b是一个中速开关。由于弹球方向改变，球通过开关时的速度值范围比最高速度要慢很多。在这个实验中，我们测得这些开关的最短开关关闭时间是50ms。

慢速开关是指在软件检测到之前它总是关闭的，直到发出重新打开的命令，图2c就是这样一种开关。在上面一个图中，球落在装有开关的洞里，当软件检测到有球存在以后，再触发电磁阀将球弹出去；在下面图中，球打在挡片上使弹簧将挡片拉下来，然后电磁阀再启动将挡片重新推上去。

对于慢速开关，最短开关闭合时间是触发电磁阀的控制软件的函数，在我们实验中电磁阀触发频率是10Hz。

一般我们假定开关闭合后没有被锁住，采用锁住的方法通常不现实，有时候根本不可能，如像开关矩阵。如果把开关锁住，结果就如图2c中的开关一样，其速度是发出解除锁存信号任务的函数。

如果开关不是理想的，还必须测量它的稳定时间，我们用τ来表示，它指达到正确反映开关状态的稳定值之前，开关可能弹起的时间。

我们发现图2a中左边的滚轮开关并不理想，但右边的光电开关却非常理想，它没有任何反弹。出于分析的目的，我们对最坏情况稳定时间τ_max特别感兴趣。

通过实验我们可得到σ_min和τ_max。测量时我们把开关放在Vcc和GND之间，并通过一个限流下拉电阻，Vout接在逻辑分析仪上，然后将逻辑分析仪设定为上升沿触发(图3)。

用最快的速度将开关闭合后再打开。如果是一个理想的或接近理想的开关，你可以看到开关很平滑地从0变为1，再从1变为0；如果是一个有反弹的开关，输出的波形跟图4就有点类似。将这个实验反复几十次，记录下每次的σ_min和τ_max。

在进行这些实验的时候，必须要考虑最终应用中开关的工作情况。在弹球机上，球通过开关的速度比人按下再放开的速度要快，也比人用手将球滚过开关的速度要快，正因为此，在测试过程中我们采用电磁阀来触动推杆将球推过开关，而不是用手指来触动开关或用手将球滚过开关。

设计为手工操作的开关要经历各种按压，因此应针对不同情况重复进行实验。例如轻轻按下时开关稳定时间快，但闭合时间也短；而使劲按下开关闭合时间长，但也许由于反弹其稳定时间也长，实验时要记录下最小、平均及最大σ_min和τ_max。为了使采样数据真实，可以在工休场所进行实验，要求进来休息的每一个人很快地按几下开关，再慢慢地按几下，再几次连着按两下，其目的是为了能得到尽可能接近使用者的数据。如果是小孩用的东西，就叫小孩来按开关；如果使用者是18至80岁的人，就让这个年龄段的人来试。多收集数据或许可以防止灾难性的结果，不会使生产出来的产品有些人根本就不能正常使用。

理想开关

理想开关的稳定时间永远是0，采样率要保证所有开关的闭合都检测到，因此比最小闭合时间短。虽然看起来简单，但也有一个取舍的问题，如果σ_min是10μs，我们是否要每10μs就检测一次？这样做肯定会耗尽CPU所有的可用资源。

克服这种问题的最好方法是考虑实际应用状况然后再做取舍。假如10μs的闭合时间确实是有可能的，但在每一千次闭合中才会出现一次(0.1%)，由于99.9%的时间里σ_min都大于10μs，那么5ms最小闭合时间更加切合实际，而且比10μs最小闭合时间使用的CPU资源要少很多。但漏掉一个10μs开关闭合对于一个具体的应用来说是不是可以接受呢？

答案取决于实际的应用。如果开关闭合是由人来操纵，我们可以假设按开关时太轻了，使用者只要按重一点就可以了；如果闭合是弹球机中的一个开关，我们可以认为开关没有真正闭合，结果也就是玩的人得不到分；但是如果开关的闭合与有毒气体的释放有关，那么我们就要把它测出来，在这种情形下，我们要将开关锁住，或者由一个专门的小处理器每隔10μs读取一次数据。

我们假设只有检测到σ_min大于5ms的开关闭合是可以接受的，这时精度也有99.9%，但如果此时CPU过载了又怎么办？可不可以用10ms来代替5ms从而进一步使CPU负载减半呢？根据实验，这样精度会降到99.0%。如果在实际应用中没有问题，那么这种取舍还是值得的。但是如果采样率改为10ms后精度降到了85%，这种取舍就有点危险了。记录下所有σ_min的实验结果能有助于你正确评估如何在精度和CPU的利用率间找到平衡。

到现在为止所提到的开关都是理想状态下的开关，开关反弹对选择合适采样率又增加了一些影响。非理想开关

我们来看一下图2a中的滚球开关。该开关的输出如图4a，过滤后的波形如图4b。输出通过去反弹算法过滤，以给应用处理代码提供一个纯净的信号，表示开关的闭合状态。已有很多文献介绍了多种硬件和软件去反弹算法。下面分析中所用到的算法如图5所示，它是一个同步状态机，需要对同一数值进行两次连续采样，以记录开关的状态改变。对不同的算法，采样率分析和结果会有所不同。

在嵌入式处理器中可以直接用布尔代数执行这种算法，该方法的另一个优点是可对多个开关同时去反弹。例如表1中的代码显示了图5去反弹算法执行情况，这里同时对8个独立的输入进行处理，假设每个输入都用输入变量x的一位来表示。

如果硬件设计可以灵活改变，也可采用FPGA在硬件中执行状态机逻辑。在这种情形下，不需要再用软件对开关进行去反弹，可以认为开关是理想的，硬件状态机的时序和我们下面的分析没有太大区别。

如果开关关闭后在最小关闭时间内采样少于两次，开关的动作就会被过滤掉，这也就决定了采样周期的上限是σ_min/2。

现在我们来看看采样周期的下限，我们将去反弹算法的最低要求看作是不能将两次连续的开关动作搞错。例如我们得到两个为1的样本，后面是两个0，然后又是两个1。假定只有最后两个1是稳定状态，此时过滤后的输出在稳定时间内至少有4个样本。为防止出现误判断，在开关关闭瞬间我们必须最多取三次样，所以采样周期要大于τ_max/3。

将上限和下限合在一起，对于图5所示的状态机数字输入去反弹输入驱动器我们可得采样周期T_s(采样率f_s=1/T_s)的条件：

有可能出现的值表明了采样率可接受取舍范围。假设τ_max是3ms，σ_min是10ms，那么由等式1可得1mss<5ms。为了尽量减少采样占用的CPU时间资源，我们把采样时间定在5ms附近。

采取快速采样(如1ms)的另一个理由是试验获得的关闭时间也许不是最小值。如果希望采集到99.0%的开关闭合，快一些的采样率也许能将这个数值提高一点。但为了避免系统将反弹误认为是开关闭合，采样率绝不要小于1ms。

当然，也可能采样率范围都不可接受。我们以一个特殊的反弹开关作为例子，它的稳定时间是6ms，最小关闭时间是4ms。此时，式1得到一个空集，没有一个采样率可以保证捕获到开关的闭合且确保反弹不会误认为是好几次开关闭合。

要解决这个问题，设计人员就必须考虑其它的方法。有一种办法是采用不同的去反弹算法，如在三个1而不是两个连续的1中找出两个1；另一种办法是考虑开关闭合时的内部到达时间；第三种办法是要么提高σ_min，偶尔错过开关的闭合，要么减少τ_max，偶尔将一次开关闭合当作两个事件。不管选择哪一种，这些方法都要容易记录下来，如果选择被证明不好，更变设计仅仅只需改变采样率就可以了，或者改变有限状态机定义的算法。

本文结论

归纳起来，我们用试验和分析得到输入的采样率有效范围，当范围确定以后，再考虑实际应用的其它因素，在可接受范围内选择一个最佳采样率。采用这种方法可以相对较快地得到合适采样率，因其它应用和系统问题进行调节也只要几分钟就可以了，不需要用几天或几个星期的时间进行试错测试和微调。

虽然本文中提到的数字开关代表了很多嵌入式系统器件，但是它们还很不全面，不过我的目的是证明组合式分析实验方法的有效性，而不是提供对所有可能存在的传感器都适用的解决办法。该方法依具体使用的传感器、使用场合以及通过简单试验获得合理数据的能力的不同而需要作不同程度的修正。

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三代示波器的比较

发表于 2008-5-12 22:22:06

三代示波器的比较

本文原作者系深圳市金凯博电子有限公司市场部专业人士

1946年霍华.卫林Howard Vollum先生等， Tektronix公司的创始人们制造了第一台商用示波器。从此示波器成为了电子工程师们的眼睛，透过它可以探索电子科技领域的无限未来……

在这里，我们来谈谈传统模拟示波器（ ART），数字存储示波器 DSO以及最新的，以数字荧光技术为核心的数字荧光示波器（ DPO）。

传统模拟示波器ART是第一代示波器产品，拥有极佳的“波形更新率”（约每秒超过二十万次），它仅仅在扫描的回扫时间及闭锁Hold off时间内不采样信号，因此又称为模拟实时示波器（Analog Real Time Oscilloscope）。在显示方面，CRT显示是靠电子束激发荧光屏上的荧光物质，因此模拟示波器除显示时间与振幅的关系外，尚可显示信号能量的变化，即振幅跟随时间的分布，这样，模拟示波器就能够清楚地辨别信号主体与噪声间的分别，尤其是在观察复杂动态的信号时，模拟示波器一度成为工程师的最爱。

但是，模拟示波器有许多致命的缺点：由于CRT的萤光物质Phosphor会随时间逐渐消失，在观测低频信号时模拟示波器受仅能显示一个移动的亮点，而不能再现信号的轨迹；对于单次信号，如上电、复位信号，因为模拟示波器没有存储功能，所以不能让信号暂时停下来，工程师们只能走马观花地观察信号，如果信号再快些，将看不到信号；在触发方面，模拟示波器只有电平触发，而没有预触发和其它高级触发方式，这对于系统中多种异常信号是捕获不到的，并且不能看见事件发生前的信号情况；在测量方面，模拟示波器必须依赖屏幕上的刻度尺采用人工方式进行，会引进较大的人为误差；最最致命的是：随着电子科技的日新月异，“速度”便成为核心竞争力的来源，信号速度越快示波器所需的频宽也越高，而高频的模拟示波器的制作难度集中到“CRT”上，100M带宽以上的CRT其成本急剧提高，曾经有1GHz频宽的模拟示波器但它一半以上的成本来自CRT，其价格比目前3GHz频宽的数字示波器。还贵基于上述种种本质上的不足，工程师们不得不另结新欢，从而成就了数字存储示波器Digital Storage Oscilloscope的诞生。

在1978年出现了数字储存示波器简称DSO，它是公认的第二代示波器产品。从结构上来看，如图一和图二，与模拟示波器相比，DSO增加了数字环节，数字环节加强了触发能力，增加了自动测量功能，并且能够存储捕获的信号，能轻松地制作文本档案。在显示方面，采用液晶显示器，解决了带宽对CRT的限制，并在显示器的寿命方面有很大提高。因此，DSO从根本上解决了模拟示波器的缺陷，为工程师提供了新的、高效率的测量工具。

        然而，我们在很多的工作台上仍然看到模拟示波器，甚至看到模拟示波器和数字模拟示波器同台表演的现象。为什么呢？

        从结构来讲，模拟示波器从信号采集一直到在CRT上显示出波形都是纯粹的模拟通道，仅仅在扫描的回扫时间及闭锁Hold off时间内不采样信号，因此，可以有很好的波形刷新率，一般在200,000次/秒左右；而数字存储示波器在采集信号后，要进行A/D转换、数据计算数据存储等一系列数据处理，即花费了毫秒级的时间后才进行波形再现，而且在数据处理时，仪器是不进行信号采集的，也就是说DSO有几个毫秒级的盲区，在这个盲区内出现的异常信号将被漏失。另外，在显示效果上，数字存储示波器只能两维（幅度、时间）地显示捕获的信号，而不能表达幅度随时间的变化频率，即没有灰度级变化的显示。

        所以，在波形捕获率和显示效果上，数字存储示波器相对模拟示波器有很大的差距，这个差距是本质的，是数字存储示波器自身不能解决的，因此，模拟示波器和数字存储示波器理所当然要同台竞技了。

在以上的背景下，美国Tektronix公司推出了以数字荧光技术为核心的第三代示波器，数字荧光示波器（DPO）。

数字荧光示波器是以三维数组的形式，即以幅度、时间以及振幅随时间变化的分布情况的三维信息进行数据采集、处理、存储以及显示，仪器在本质上有了明显的突破。它是一款纯数字的示波器，具有数字存储示波器DSO结构上的所有传统优点，如强大的触发、自动测量、波形存储、文档处理等功能。

从结构上来说，如下图四，数字荧光示波器（DPO）将显示单元和数据处理单元形成并行的结构，中心处理器只作数据的数学处理，显示方面的处理由数字荧光单元完成。这样，示波器在处理器进行数据处理的同时，数字荧光单元也不停地工作，不断地刷新屏幕显示。也就是说，处理器从显示管理任务中解放出来，可以更专心的进行数据处理，从而提高了仪器对波形数据的处理能力；而在波形显示方面，有了以数字荧光单元为核心的专门通道。配合液晶显示器，波形的捕获率有了质的提高，目前最高已经达到400,000次/秒，终于又在波形刷新率方面超越了模拟实时示波器的极限；并且，数字荧光示波器的三维数组结构还能实现彩色亮度层次的荧光显示效果，即不仅能实现灰度级显示还能做到彩色显示。

综上所述，数字荧光示波器在技术上已经把前两代示波器产品，数字模拟示波器和数字存储示波器的优点集中到一起，是名副其实的第三代示波器产品，并且数字荧光技术已经在中档产品中得到应用，例如Tektronix公司推出的TDS3000B系列示波器我们希望也相信会有越来越多的示波器产品运用到这样的技术，作为仪器仪表的供应商，我们由衷地祝愿每一名电子工程师都能使用上适合自己的测试工具！

注：本文原作者系深圳市金凯博电子有限公司市场部专业人士。

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示波器探秘之信号篇

发表于 2008-5-12 22:17:13

示波器探秘之信号篇

作者：EEFOCUS 文章来源：EEFOCUS

示波器本质上是一种图形显示设备，它描绘电信号的图形曲线。在大多数应用中，呈现的图形能够表明信号随时间的变化过程：垂直（Y）轴表示电压，水平（X）轴表示时间。有时称亮度为Z 轴。（参看图2。）这一简单的图形能够说明信号的许多特性，例如：

信号的时间和电压值
振荡信号的频率
信号所代表电路的“变化部分”
信号的特定部分相对于其他部分的发生频率
是否存在故障部件使信号产生失真
信号的直流值 (DC) 和交流值 (AC)
信号的噪声值和噪声是否随时间变化

理解波形和波形的测量

通常把随时间重复的模式称为波，声波、脑电波、海浪、电压波形都具有重复的特点。示波器测量的是电压波形。波的周期是波动重复的部分。波形是波的图形表现形式。电压波形描述水平方向的时间和垂直方向的电压。

波形能够揭示信号的许多特性。当看到波形的高度变化，则表示电压值在变化。当看到的是平坦的水平线，则表示在一段时间内，信号没有变化。平直斜线表示线性变化，电压以恒定的斜率上升或下降。波形中的尖角指示的是突然的变更。图3提供出普通波形图，而图4展示出这些普通波形的来源。

波的类型

大多数波都属于如下类型：

正弦波
方波和矩形波
三角波和锯齿波
阶跃波和脉冲波
周期和非周期信号
同步和异步信号
复杂波
正弦波

有几个原因说明正弦波是基本波形。它具有和谐的数学特性，这与您高中在三角学课程中学习到的正弦函数曲线的形状一样。房间墙角的电源出口输出的电压值也如同正弦波那样变化。信号发生器振荡电路产生的测试信号通常就是正弦波。大多数AC电源产生的是正弦波。（AC表示的是交流，实际上电压值也在改变。DC表示的是直流，同时意味着稳定的电流和电压，电池产生的就是DC。）衰减的正弦波是振荡电路产生的特殊实例，它随时间而衰减。图5是正
弦波和衰减的正弦波的示例。

方波和矩形波

        方波是另一种常见的波形。从本质上看，方波是以相同的时间间隔，不停开关的电压（或者不断为高低值）。它是测试放大器的标准波形，好的放大器在增加方波幅值的同时有最小的失真。电视、广播和计算机电路中经常使用方波作为定时信号。

        矩形波与方波类似，不同之处在于高低电压值的间隔时间并不等长。在分析数字电路时，矩形波非常有用。图6 是方波和矩形波的示例。

锯齿波和三角波

        锯齿波和三角波来源于线性控制电压的电路。例如，模拟示波器的水平扫描，或者电视的光栅扫描。这类波形以恒定速率对电压电平值进行转换。这些渐增过程称为斜坡信号。图7 是锯齿波和三角波的示例。

同步信号和异步信号

如果二信号之间具备定时关系，则称它们是同步的。举例来说，计算机中的时钟、数据和地址信号就是同步信号。异步用来说明信号之间没有定时关系。比如说，接触计算机键盘的行为和计算机内部的时钟之间没有时间的关联，两者可被认为是异步的。

复杂波

一些波形组合正弦波、方波、阶跃波和脉冲的特性，形成新的波形，对于许多示波器来说是一种考验。信号的信息可以置入幅值、相位中，可能还置入频率变量当中。例如，图9表示的是平常的复合视频信号，但是在低频包络里也置入了许多高频波形周期。对于这个例子，理解各处的相对电平和定时关系是非常重要的。为了观察这样的信号，需要用示波器来捕获低频包络，并以一定的亮度级表示复杂高频波形。如此一来，就可以观察到整个混合图象，方便直观地进行解释说明。对于如图9所示的视频信号，模拟和数字的荧光示波器非常适合观察这样的复杂波形。显示器提供必要的发生频率的信息，或者亮度等级，这些对理解波形的实际特性颇为重要。

波形测量

使用示波器时有许多测量参数。本小节将对一些常见的测量参数进行说明。

频率和周期

不断重复的信号具有频率特性。频率的单位是赫兹（Hz），表示一秒时间内信号重复的次数。成为周期每秒。重复信号也具有周期特性，即信号完成一个循环所需要的时间量。周期和频率互为倒数关系，即1/ 周期等于频率，同理1/ 频率等于周期。例如，如图10 所示，该正弦信号的频率是3Hz，而周期是1/3 秒。

电压

电压是电路两点间的电势能或信号强度。有时把地线或零电压作为参考点。如果测量的是波形从最高峰值到最低峰值的电压值，则称为电压的峰值- 峰值。

幅度

幅度是指电路两点间电压量。幅度通常指被测信号以地或零电压为参考时的最大电压。图11 所示的波形的幅度为1V，而电压的峰值- 峰值为2V。

相位

参照正弦波很容易理解相位。正弦波的电压值是基于圆形运动的。参照图11，一个圆的度数是360°，而正弦波的一个周期也是360°。为描述经过的周期数，可以参照正弦波的相位的角度。相移用来描述两个不同相似信号在时间上的差值。图12中，标号为“电流”的波形比标号为“电压”的波形超前90°，因为两者到达同一点刚好相差1/4 周（360o/4 = 90°）。在电子学中，相移比较普遍。

利用数字示波器对波形进行测量

现代的数字示波器使波形测量变得更为容易。通过前面板按钮，以及基于屏幕的菜单，方便选择全自动的测量参数。包括幅值、周期、上升/下降时间，等等。许多数字仪器也能提供均值和均方值的计算、占空比和其他数学运算。自动化测量通过屏幕读取数值。一般来说，读取的数值可能比直接利用有刻度的工具更为准确。

一些数字荧光示波器用到的全自动波形测量参数有：

周期
频率
宽度＋
宽度－
上升时间
下降时间
幅度
消光率
平均光功率
占空比＋
占空比－
延迟
相位
突发宽度
峰值-峰值
均值
周期均值
周期区
高
低
最小值
最大值
过冲＋
过冲－
均方值
周期均方值

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功能测试：基本概念与技术

发表于 2008-5-12 22:00:56

功能测试：基本概念与技术

作者：VIHOME 文章来源：虚拟仪器家园

尽管各种新技术层出不穷，如光学与X射线检查、基于飞针或针床的电性测试等，但功能测试依然是保证产品到最终应用环境立刻就能工作必不可少的手段。

现代电子产品中内置自测(BIST)应用越来越多，这应该大力提倡，因为它可降低功能测试的成本，但也不能完全消除功能测试。如果应用的场合非常重要(如军事、航空、汽车、交通、医疗等领域)，或者最终产品的成本及复杂程度(如电信网络、发电站等)非常高，那么更需要保证产品自身以及与其它系统合在一起时工作正常，这时功能测试将是必须的。

什么是功能测试

功能测试涉及模拟、数字、存储器、RF和电源电路，通常要用不同的测试策略。测试包括大量实际重要功能通路及结构验证(确定没有硬件错误)，以弥补前面测试过程遗漏的部分。这需要将大量模拟/数字激励不断加到被测单元(UUT)上，同时监测同样多数量的模拟/数字响应，并完全控制其执行过程。

功能测试可在产品制造生命周期不同阶段实施，首先是工程开发阶段，在系统生产验证前确认新产品功能；然后在生产中也是必须的，作为整个流程的一部分，通过昂贵的系统测试降低缺陷发现成本(遗漏成本)；最后，在发货付运阶段也是不可缺少的，它可以减少在应用现场维修的费用，保证功能正常而不会被送回来。如果你经常坐飞机，而且也知道现代飞机里装有多少电子设备，那么你一定会感谢这最后工作所作的一切。

如上所述，功能测试是在最终系统测试或集成测试之前，可用于线路板或模块。如今高集成电子设备已将这些概念混淆，线路板和模块又都放在一个可更换模组中。虽然很多测试仪结构类似，但测试程序以及线路板和模块的运送过程却大不相同，而且测试地点也有很大影响，是在应用现场测试维修(前向测试)，还是在维修中心，或送回工厂是完全不同的。

功能测试有多种形式，这些形式在成本、时间、效果和维护性方面各有优缺点，我们将其分为下面四种基本类型，分别分析其特性。

1．模型测试系统

2．测试台

3．专用测试设备(STE)

4．自动测试设备(ATE)

模型测试系统

从理论上说检验一个设备(线路板或模块)功能最简单的方法就是把它放在和真的环境一样的模型系统或子系统中，然后看它工作是否正常。如果正常，我们可以有很大把握认为它是好的，如果不正常，技术人员将进行检测希望找出失效的原因以指导维修。但实际上，这种插入上电方式有很多缺点而且很少有效，虽然它有时可作为其它测试方案的补充。

首先，子系统的成本通常比传统测试平台要高，尤其是后者是通用设备可用于多种场合的时候。此外，模型环境下的子系统维护非常复杂、耗时且成本高。集中式维修中心很快就会被不断出现的模型子系统填满，而每个都需要特定的文件和培训、操作指导与维护。同时，仅仅将被测设备插在系统中还不够，还必须执行一系列正确的操作步骤以保证其工作正常，或检查它为什么不能正常工作。这些专门的测试步骤成本和复杂性都非常高，而且很耗时，在操作中还需要熟练的技术人员来执行。最后，即使进行了专门的改造，在系统上进行单元调试也很麻烦且不实际，操作流程控制上的局限性以及缺乏诊断工具很快使这种方法在经济上变得不可接受。

测试台

测试台是一个常规测试环境，包括与被测设备之间的激励/响应接口、专门测试规程规定的测试序列与控制。激励与响应通常由标准电源及实验仪器、专用开关、负载以及终端自定义电子设备(如数字激励)提供。在这里夹具是非常重要的一个部分，可提供到被测设备正确的信号路径和连通。在很多情况下，夹具基本上是针对每个应用而定制的，需要结合手工操作进行设置。测试过程和控制通常手动进行，有时靠PC协助，通过书面的协议或规程进行规定。测试台连接到具体的产品，优点是成本相对较低，设备比较简单，但在应对多种产品时灵活性较差，即使针对某一个产品当需要多个激励/响应时它也不够。测试台通常见于工程部门，因为那里有很多仪器可以很快组合起来，且手头也有相关资料，不用正规步骤。基本来讲，高性能产品测试台并不足以应对生产测试或发货阶段的测试。

专用测试设备(STE)

从理论上专用测试设备就是使测试台操作自动化的系统，系统的心脏通常是一台电脑，通过专用总线(采用IEEE、VXI、PXI或PCI标准)和一些可编程仪器进行控制。速度、性能、适用情况、成本及其它因素影响着仪器总线和结构的选择。各种仪器和通用设备堆叠在一个或多个垂直机箱里(基本型STE通常称为"机架系统")，然后再连到被测设备上。连线与接通一般完全自动进行并由软件控制，不过这会使接收器的内部连接非常复杂，数字资源(信道)通常在一个专用机架上，然后由另外一个单独机架包含开关阵列对模拟仪器进行连接及分配。如果需要模拟/数字信道，夹具可以提供跳线，为使成本、空间和灵活性达到最优，通常还要专门针对具体的项目或程序进行设置，因此新的项目要设计新的STE。幸好有了自动化处理，设置时间、测试时间以及整体操作都比手工测试台更加快速而容易。生成测试程序虽然不会太简单，但所需文件将大大减少，STE可以扩展为满足多种性能需要，通常用于生产或维修中心。

STE也有缺点，最明显的是总体成本：设备投资成本、操作成本以及程序开发成本。设备投资成本包括平台的开发、材料、制造、测试、文件系统以及折旧，操作成本包括夹具成本、维护与备件成本、工具、间接材料与易耗品、人工以及管理开销，最后对每类设备测试程序开发与调试费用也要算在一起。

除非要重复制作大量STE，否则系统开发与文件制作的非经常性工程(NRE)费用将是成本主要部分。硬件结构必须适应产品标准，而这样对灵活性、体积、信号连通与接口都有不利的影响。打开STE的前盖你就会对系统信号源及接收器之间的线路数量与复杂性感到惊奇，夹具也非常复杂，如果是包括数十个模块用于整个项目的夹具其成本会迅速占到主要部分。有些STE需要的测试源可能很难在市面上找到，一方面可能很少另外也可能太贵，例如在需要大量数字激励/响应信道时就会出现这种情况。在可接受成本范围内(每通道10到100欧元)性能和灵活性方面的选择可能非常少，性能也有能达到要求的但成本要1,000欧元每通道。如果在硬件上进行折衷，成本将转向软件开发，测试工程师必须面对STE在性能上的局限。测试开发成本不仅因为STE性能不够而增加，由于缺乏用于测试的语言(在测试仪上用C编程可不是一件有趣的事)、用户接口以及调试工具受限等等，简单软件结构对测试开发时间和成本都有不利的影响。

不过STE很常见，尤其是对特定程序如模块测试，但也应该仔细研究ATE带来的其它方案，尤其是那些具有开放架构优点可能改变这一趋势的系统，内部测试资源更应该专用于生成测试方案，和设计专门测试平台相比这些资源具有更为独特的技能与知识。

自动测试设备(ATE)

通用自动测试设备(GPATE，或简称为ATE)是一种非常先进灵活的方案，可以满足多种产品与程序测试要求，从最初出现迄今已有三十多年历史。当微型计算机控制的仪器出现以后，ATE的结构设计为直接针对测试需要，系统集成、信号连通灵活性、增值软硬件、面向测试的语言、图形用户界面等是ATE，比如SEICA(www.seica.com)的VALID S40功能测试平台，和STE之间的主要区别。

泰瑞达公司创始人Alex d'Arbeloff在2002年10月国际测试大会的主题演讲中，对广泛采用开放架构趋势提出批评，认为它只是简单将不同模块加在一起然后用于所有测试提供商的标准机架上。他说："这种方法对ATE业界没有什么好处，测试设备用户所得到的只是来自于ATE供应商提供的系统集成，否则用户就得自己做或者要另外付费。"实际上，基于专用技术硬软件架构同时也通过向第三方仪器供应商与标准开放，这种满足开放架构的优点将很可能成为厂商最佳选择。

让我们仔细看一看现代ATE的架构并探讨其优点。

功能测试ATE是一种商用系统，有很多公司都提供这类设备，虽然它和普通设备如在线测试仪或MDA不一样。功能测试更为复杂，需要有实力的供应商的经验和认真投入。可以在市场上购买(有时又称为COTS)有很多优点，它使ATE能充分利用供应商多年的经验以及NRE投资，这对于ATE供应商提供创新新技术同时又保持现有特性特别有意义。它对军事/航空产品非常重要，因为这类产品具有较长生命周期，且有很多新旧产品并存同时都要不断进行测试，比如ATE经过改进可以为低电平器件进行可重复测试，但同时旧的CMOS电平测试仍然需要提供。另一个例子与用于诊断的指引探测技术有关，该技术几乎不能用于某些新封装技术，但你是否会买一个不带这种功能的测试仪呢？

用于并行测试的数字通道是ATE主要部分之一，通常使用专用结构，因为它专门设计用于满足各种测试要求，速度、控制性能、数据深度、整个时序范围灵活性、宽电压幅值等等都是需要了解的特性，以便知道它如何方便地使系统满足每个人的测试需求。串行数字测试带有大量协议，通常由集成到系统内部的专门仪器提供，IEEE 1194.2或JTAG/边界扫描测试技术也是同样情况，可以完整集成到综合测试环境中。

与STE结构类似，ATE系统结构中集成了很多商用仪器以提供模拟测试功能。这里需要澄清什么叫"集成"。驱动仪器最简单的方法是通过在计算机与仪器之间建立一个双向通信很容易地实现，使用户可以与其进行交流，但这并不是"集成"，只是一个简单的接口。这种方式下通过交换字符串或调用C程序对仪器编程，使得任务冗长而复杂，同时程序文件编制、程序改变或调试操作都需要技巧与耐心，此外如果仪器已经陈旧需要更换，那么所有程序都需要纠正，通常STE上用户使用仪器就是采用这种方式。

仪器集成还包括仪器层之间的通信，但用更高层指令保护编程与调试，以避免上面的所有问题，例如对任意DMM编程进行电压测量可用如下简单语句：

MEASURE V at PIN ACK1

TEST (4.9V MIN, 5.1V MAX);

软件驱动器可以给ATE提供仪器与附加接口层，语言则保证仪器集成的有效性，系统控制管理DMM和UUT上ACK1引脚之间的连接。

如果因为仪器陈旧改变DMM，只需要一个新的驱动软件和协议层，所有测试程序均保持不变。

除了仪器全面集成带来的优点之外，ATE还能为信号路由和连接提供更好方案。ATE专用背板大多数情况下包括一个模拟总线，可以让仪器直接连到任何引脚，而不会使内外引线变得复杂。这种灵活性通常可扩展到将模拟和数字通道合在一起(混合通道)，使用户在任何时候连接数字或模拟激励，并测量接收器任意引脚。其结果是不仅使成本大大简化降低，同时测试程序也更易于实现。

ATE的模块化设计可使其通用特性在不同项目间完全得到表现，即相同的系统、相同的软件、相同的培训与文件系统，以及相同的操作。

不管是开发、生产还是运送测试，ATE都可以作为整个流程的一部分，其本身也有一个结构化流程以便达到最佳使用效果。测试程序编制还包括链接到CAE数据库，程序编制不管是人工还是用模拟驱动，通常都有很好的结构可连接到外部程序资源、并行测试生成部分、图形编程、无缝修正、文件自生成以及和调试等的全面链接。调试与运行功能包括失效停止、循环、条件分支、实时改变、模拟与数字内部探测，及所有可以简化程序员与操作员工作的功能。

简而言之，ATE和所有其它系统一样，并不仅仅是部件的简单相加。

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电子测量仪器的分类及应用

发表于 2008-5-12 21:57:04

电子测量仪器的分类及应用

作者：VIHOME 文章来源：虚拟仪器家园

电子测量仪器按其工作原理与用途,大致划为以下几类。
1.多用电表
　　模拟式电压表、模拟多用表(即指针式万用表VOM)、数字电压表、数字多用表(即数字万用表DMM)都属此类。这是经常使用仪表。它可以用来测量交流/直流电压、交流/直流电流、电阻阻值、电容器容量、电感量、音频电平、频率、晶体管NPN或PNP电流放大倍数β值等。
2.示波器
　　示波器是一种测量电压波形的电子仪器,它可以把被测电压信号随时间变化的规律,用图形显示出来。使用示波器不仅可以直观而形象地观察被测物理量的变化全貌,而且可以通过它显示的波形,测量电压和电流,进行频率和相位的比较,以及描绘特性曲线等。
3.信号发生器
　　信号发生器(包括函数发生器)为检修、调试电子设备和仪器时提供信号源。它是一种能够产生一定波形、频率和幅度的振荡器。例如:产生正弦波、方波、三角波、斜波和矩形脉冲波等。
4.晶体管特性图示仪
　　晶体管特性图示仪是一种专用示波器,它能直接观察各种晶体管特性曲线及曲性簇。例如:晶体管共射、共基和共集三种接法的输入、输出特性及反馈特性;二极管的正向、反向特性;稳压管的稳压或齐纳特性;它可以测量晶体管的击穿电压、饱和电流、自或a参数等。
5.兆欧表
　　兆欧表(俗称摇表)是一种检查电气设备、测量高电阻的简便直读式仪表,通常用来测量电路、电机绕组、电缆等绝缘电阻。兆欧表大多采用手摇发电机供电,故称摇表。由于它的刻度是以兆欧(MΩ)为单位,故称兆欧表。
6.红外测试仪
　　红外测试仪是一种非接触式测温仪器,它包括光学系统、电子线路,在将信息进行调制、线性化处理后达到指示、显示及控制的目的。目前已应用的红外测温仪有光子测温和热测温仪两种,主要用于电热炉、农作物、铁路钢轨、深埋地下超高压电缆接头、消防、气体分析、激光接收等温度测量及控制场合。
7.集成电路测试仪
　　该类仪器可对TI1、PM0S、CM0S数字集成电路功能和参数测试,还可判断抹去字的芯片型号及对集成电路在线功能测试、在线状态测试。
8.LCR参数测试仪
　　电感、电容、电阻参数测量仪,不仅能自动判断元件性质,而且能将符号图形显示出来,并显示出其值。其还能测量Ｑ、D、Z、Lp、Ls、Cp、Cs、Kp、Ks等参数,且显示出等效电路图形。
9.频谱分析仪
　　频谱分析仪在频域信号分析、测试、研究、维修中有着广泛的应用。它能同时测量信号的幅度及频率,测试比较多路信号及分析信号的组成。还可测试手机逻辑和射频电路的信号。例如:逻辑电路的控制信号、基带信号,射频电路的本振信号、中频信号、发射信号等。
　　除以上常用的电子测量仪器外,还有时间测量仪、电桥、相位计、动态分析器、光学测量仪、应变仪、流量仪等。

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巧用万用表测量接地电阻

发表于 2008-5-12 17:34:18

巧用万用表测量接地电阻

作者：VIHOME 文章来源：虚拟仪器家园

在许多情况下，需要埋设接地体、引出接地级，以便将仪器设备可靠接地。为确保接地电阻符合要求，通常需要专用的接地电阻测试仪（如：日本共立4105A）进行测量。

但实际工作中，专用的接地电阻测试仪价高，难于找到，能否用万用表测量接地电阻呢？笔者用万用表在不同土质的土壤对接地电阻进行了实验，并将万用表所测数据和专用接地电阻测试仪所测数据进行了比较，两者十分接近。具体测量方法如下：

找两根8mm、1m长的圆钢，将其一端磨尖作为辅助测试棒，分别插入待测接地体A两侧5m远的地下，深度应在0.6m以上，并使三者保持一条直线。

在这里，A为待测接地体，B、C为辅助测试棒

。然后用万用表（R*1挡）测量A与B；A与C之间的电阻值，分别记作RAB、RAC、RBC，再经计算就可求出接地体A的接地电阻值。

由于接地电阻指的是接地体与土壤间的接触电阻。设A、B、C三者的接地电阻分别为RA、RB、RC。再设A与B之间土壤的电阻为RX，因为AC、AB距离相等，可以为A与C之间的土壤电阻也为RX；又因为BC=2AB，所以B与C间的土壤电阻近似为2RX，则：

RAB=RA+RB+RX。。。。。。

①RAC=RA+RC+RX。。。。。。

②RBC=RB+RC+2RX。。。。。。

③将①+②—③即得：RA=（RAB+RAC—RBC）/2。。。。。。④

④式即为接地电阻的计算公式。

实测例子：今测得某接地体的数据如下：RAB=8.4∩，RAC=9.3∩，RBC=10.5∩。则：

RA=（8.4+9.3—10.5）/2=3.6（∩）

所以，被测接地体A的接地电阻值为3.6∩。

值得注意的是：测量前需要将A、B、C三个接地体用砂纸打磨发亮，尽量减少表笔与接地体之间的接触电阻，以减少误差。

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LabVIEW与MATLAB混合编程在数字天线阵列测试中的应用

发表于 2008-5-12 17:32:00

LabVIEW与MATLAB混合编程在数字天线阵列测试中的应用

作者：虚拟小强文章来源：eefocus

引言

数字天线阵列是天线和数字信号处理技术结合的产物，它具有工作方式灵活、抗干扰性能卓越和超角分辨等众多优点，因此在军事和民用领域都得到了广泛的应用。阵列系统的多天线单元和多收发通道必然带来阵列系统的误差，这些误差会引起系统性能的下降，甚至会使各种先进的信号处理算法完全失效。因此，必须对数字天线阵列系统进行校正。一般阵列天线校正和波瓣测量需要采集大量的数据，进行多次循环计算，工作效率低且动用的仪器设备众多。而LabVIEW作为软件化仪表在数据采集及控制、数据分析和显示等方面具有强大的功能，其支持的信号接口卡丰富，用户能够快捷方便地对各个输入数据参数进行即时设置和调试，程序运行结果也十分直观。因此在阵列天线测试中，LabVIEW的优势十分明显，它可以实现对大量通道信号同时采集和实时监控、分析等工作，这样既节省了资源，也简化了测试过程，提高了工作效率。

但是，LabVIEW在数值处理分析和算法工具等方面效率低、功能简单，不能满足工程上多方面的需求。而MATLAB因其强大的数学处理功能，特别是矩阵运算功能而广泛应用于工程分析。MATLAB的缺点是不方便实现实时操作和控制。因此在某接收数字天线阵列系统测试过程中，将LabVIEW和 MATLAB结合运用，实现优势互补，完成了测试过程中数据采集、通道监视和最后验证等工作，为系统测试带来极大便利。

1 系统简介

在系统接收端，接收天线各单元通道将接收到的信号通过接收前端放大后，直接送到数字接收机和采集计算机。由数据采集卡对接收机输出的I/Q信号和天线方位等机械参数、触发信号进行采集和控制，并最终在终端控制处理讣算机上计算出天线波瓣图。系统工作过程如图1所示。

在测试过程中，采用LabVIEW设计用户图形界面，负责数据采集，并调用由MATLAB牛成的COM组件对象或者在后台直接调用MATLAB。LabVIEW中数据采集系统由采集硬件、硬件驱动程序和数据采集函数等组成。安装的硬件驱动程序包含了硬件可以接收的操作命令，在使用这些硬件之前，根据需要进行硬件和软件设置，以满足采样频率等方面的要求。水系统中采用NI公司的PCI-6534采集卡，LabVIEW通过控制数据采集卡对接收机输出的I／Q信号以及其他机械参数等进行采集。在完成采集卡的设置后，就可以进行采集和监控等工作。

2 系统软件的实现

下面将结合实例来介绍LabVIEW与MATLAB混合编程在天线测试过程中的具体应用。

2.1 LabVIEW与MATLAB的接口实现

LabVIEW已提供了MATLAB Script节点来调用MATLAB语言开发的算法，这实际上就是通过Activex控件与MATLAB Server进行通信，用该方法实现它们的混合编程简单实用，但是不能脱离MATLAB的环境，而只是将它在后台执行，因此十分不利于独立应用程序的开发。相对于此，有3种所谓无缝集成的方法即COM组件法、中间文件传递法以及VC++参数类型转化法。在本系统中，基于MATLAB平台，根据使用要求的不同，在通道监视中采用COM组什法，在测量验证中利用了 MATLAB Script节点。MATLABScript节点的调用十分简单，不再赘述，这里只简要介绍COM组件法。使用MATLAB的MATLAB Builderfor COM创建COM组件非常简单，只要创建工程、管理M文件和MEX文件、编译生成组件、打包和发布组件4个步骤。在MATLAB Builder for COM中创建对象(object)后，加入编写好的M文件，编译后生成一个dll文件(如test_1_0.dll)。然后在LabVIEW 中选择自动化引用(Automation Refnum)控制量，再从对象列表中选择自己生成的test 1.0 Type Library Version 1.0，这样该dll文件就添加到LabVIEW程序中。为简化访问自动化服务器的过程，LabVIEW提供了一组与组件操作相关的子VI(虚拟仪器)，其中Automation Open打开一个与COM对象相连的Refnum，然后Refnum能够传递给其他节点。值得注意的是，LabVIEW程序员必须清楚COM对象所返回的数据类型，如果选择了错误的数据类型，LabVIEW将反馈错误的信息。下面分别对测试过程中几个设计实例进行介绍。

2.2 通道监视

由于整个系统由多个通道构成，为了保证在校正过程中各个通道处于正常工作状态，在校正开始前需要对通道进行检查。同时，由于本系统工作频带位于民用通信频带内，为了避免其对校正过程的影响，也需要对外界电磁信号进行临视。因此，通道监视是确保校正顺利进行的重要一步。

图2是通道监视VI的前面板界面。图中使用了Dialog Tab Control控件，从而可以在多通道同时监控与单通道观测间切换。在该VI中，除了可以直观监视各个通道是否正常工作外，还可以测量、比较各个通道功率增益的差异，并完成对通道时域信号幅度、I／Q信号正交度等信息的监控。

图3是通道监视Ⅵ的框图。图中调用了COM组件对象，它完成的主要任务是将采集卡输出的多个通道串行数据流按通道进行分组，并根据需要进行数制转换和数据分析等工作，这些功能提高了程序运行速度，并大大简化甚至完成了一些LabVIEW很难完成的任务。与调用MATLAB Script节点相比，COM组件法具有运行速度更快、内存管理更好和运行稳定等优点。

2.3 数据采集和测量验证

数据采集是测试过程中最基本、最重要的环节，其前面板见图4。

在数据采集VI中不但可以控制采集的起止，还可通过在前面板修改参数控制采集数据的长度，从几十kHz到几十MHz都可以实现连续采集。

由于天线测试尤其是远场测试必须到合适的环境中才能完成，所以在完成天线阵列的校正后，除了仔细分析结果外还希望能够验证一下测试的结果。因此，在用校正系数进行补偿后采用DBF(数字波束合成)技术在空间实时形成同时多波束，以远场辐射源为目标，用比幅法进行了波瓣实时测试和测角性能验证，其结果令人满意。前面板见图5。

在该VI采用了MATLAB Script节点，这是因为，虽然采用MATLAB Script节点不能脱离MATLAB环境，要在后台肩动MATLAB，不利于独立应用程序的开发，但是根据实际情况的不同，MATLAB Script节点有时显得更为方便和实用。在本例中，一方面，实时性已不是我们考虑的最重要因素，另一方面，在调试过程中可以在MATLAB Script节点中方便地修改MATLAB程序，而不必像调用COM组件那样反复进行编译，而且在测试过程中不仅需要测量的最终结果，一些中间变量也是我们感兴趣的。这时通过查看在后台运行的MATLAB上作空间就可以方便地看到这些数据，而这在调用COM组件法中是无法或者不方便实现的。

3 结束语

通过以上几个主要程序和其他一些辅助程序，完成了在天线测试过程巾从通道监视、数据采集到最后验证的完整过程。本系统充分利用了LabVIEW在软件化测量编程、数据采集和MATLAB在数据处理方面的优势，通过混合编程将两者有效、合理地结合，并经过了实践的验证。

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1

什么是labview

发表于 2008-5-12 17:25:06

什么是labview

出处AVR与虚拟仪器

虚拟仪器（virtual instrumention）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。

虚拟仪器的主要特点有：

尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。
可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。
用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。

虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。

虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前，NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。

普通的PC有一些不可避免的弱点。用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。

虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。目前使用较多的是IEEE 488或GPIB协议。未来的仪器也应当是网络化的。

LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

图形化的程序语言，又称为“Ｇ”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。

利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的３２位编译器。像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。

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