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精密測量
因此閥門座的精密測量成了判斷其是否合格的主要依據(jù)。傳統(tǒng)的測量方法多為檢具和三軸CMM測量。檢具測量雖然簡單，但其價格昂貴，并且純粹依靠人工作業(yè)，一旦產(chǎn)品規(guī)格換型，整套量具將無法使用;普通的三軸CMM解決了產(chǎn)品換型帶來的問題，但其編程復(fù)雜，且測量效率低下，很難達(dá)到節(jié)拍……
自雷尼紹REVO®五軸測頭搭載MODUS™軟件Valve Seat閥座檢測模塊的橫空出世，閥門座的檢測難題從此變得So easy !
導(dǎo)管孔掃描
進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)的導(dǎo)管通常是評價座圈閥座孔位置、跳動、深度的基準(zhǔn)，它的測量準(zhǔn)性直接影響閥座孔的尺寸;
為了更真實(shí)的反映導(dǎo)管形狀和位置，REVO通常通過螺旋掃描獲得更多的數(shù)據(jù);
在MODUS軟件里，用戶可根據(jù)需求設(shè)置掃描速度、掃描間距、掃描圈數(shù)等等;
對于不同加工精度的產(chǎn)品，用戶還可自行設(shè)置掃描過濾波段和等。
ValveSeat 模塊
Valve Seat是雷尼紹MODUS測量軟件為檢測閥門座而量身定做的模塊，它在編程、評價以及分析上有著超乎想象的簡單!
一個完整的閥門座通常是由1-3個不同錐度的圓錐組成，傳統(tǒng)的測量軟件在編程時，通常是將它分解成1-3個圓錐來分別測量，再將這些圓錐進(jìn)行一系列的構(gòu)建、計(jì)算、提取等，終才能得到可以評價尺寸的特征。
僅需簡單幾步，一個閥座的測量程序就會自動生成，值得一提的是，REVO測頭可以一次性的將整個閥門座掃描完成，無需多余的計(jì)算。
為了達(dá)到這種效果并且保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)性，Valve Seat模塊有效的處理了圓錐的過渡和過掃描等問題，帶給用戶一種接近的體驗(yàn)感。
掃描分析及評價
REVO每掃描一個閥座概會生成6000~7000個測量點(diǎn)，后臺會將這些點(diǎn)云的X,Y,Z,I,J,K值存入TXT文檔，用戶可以通過第三方軟件分析座圈的實(shí)際形貌，3D輪廓比對以及逆向分析在MODUS軟件中，所有座圈截圓的2D圖形都可輕松查看，截圓的圓度形狀一目了然;
通過實(shí)際測量數(shù)據(jù)，可直接評價其座圈圓度、角度、位置度、跳動、帶寬、輪廓度、直徑或深度;
測量效率
對于汽車發(fā)動機(jī)缸蓋，閥門座的測量一直是一個重點(diǎn)和難點(diǎn)，REVO通過革命性的全形面掃描，數(shù)據(jù)分析處理，有效的解決了這個難題，并被業(yè)界*為閥門座的檢測神器!本文將介紹測量低噪聲放器(LNA)的另外一個至關(guān)重要的參數(shù)——噪聲系數(shù)，盡管測量噪聲系數(shù)的方法有多種，但常用的兩種方法是冷源法(也稱為增益法)以及Y因子法。
噪聲系數(shù)基礎(chǔ)知識一覽
定量表示噪聲系數(shù)和噪聲因子有很多方法。早的定義之一由Harold Friis在20 世紀(jì)40年代所提出。在Friis的定義中，噪聲因子(噪聲系數(shù)的線性等效物理量)是特定信號通過特定組件時的信號比(SNR)的降低量。噪聲因子和噪聲系數(shù)均是無單位物理量，噪聲因子以線性方式表示，而噪聲系數(shù)則以對數(shù)形式表示。
等式1. 噪聲因子作為SNR的函數(shù)
如等式1所示，如果LNA輸入的信號的SNR為100dB，噪聲系數(shù)為5dB，那么輸出的SNR為100-5dB = 95dB。如圖10所示，噪聲系數(shù)為XdB的“黑箱”組件將使SNR降低XdB
熱噪聲之外的固有噪聲功率
圖10. 噪聲系數(shù)等于組件的固有噪聲功率與熱噪聲功率之和。
噪聲系數(shù)的另一個定義是在-174dBm/Hz的常溫?zé)嵩肼暪β氏?，特定有源器件和無源器件額外引入的噪聲功率，以dB為單位。該定義與IEEE對噪聲因子的定義相吻合，后者已被廣泛接受，用等式2來表示。
其中 k 表示耳茲曼常量
T0表示常溫
B 表示帶寬
G 表示DUT的增益
等式2. 噪聲因子的正式定義
在等式2中，kTo簡化為常溫下的熱噪聲，即-174dBm/Hz。因此，噪聲因子等于信號功率加上組件引入的噪聲功率。
例如，在天線連接至LNA的情況下，LNA輸入的噪聲功率為-174dBm/Hz。在LNA的輸出，噪聲功率等于-174dBm/Hz加上LNA的噪聲系數(shù)。在這種情況下，5dB的噪聲系數(shù)將產(chǎn)生-169dBm/Hz的輸出噪聲功率。請注意，在這種情況下，由于噪聲系數(shù)以對數(shù)的方式來表示，所以噪聲功率直接等于5dB加-174 dBm/Hz。
噪聲單位換算
在詳細(xì)介紹噪聲系數(shù)測量之前，先要明噪聲測量常用的的一些單位及術(shù)語的定義。常見的衡量參數(shù)包括噪聲系數(shù)、噪聲因子和噪聲溫度功率放器(PA)是現(xiàn)代無線電中*的射頻集成電路(RFIC)之一。無論是作為分立元件還是集成前模塊(FEM)的一部分，PA會顯著地影響無線發(fā)射機(jī)的性能。例如，無線PA的附加功率效率(PAE)在很程度上會影響移動設(shè)備的電池壽命，其線性度會影響接收機(jī)解調(diào)傳輸信號的能力。
分立元件與集成前模塊在GSM和UMTS等技術(shù)發(fā)展的早期，移動設(shè)備通常會為每個GSM和UMTS無線電配備獨(dú)立的放器。然而，LTE和WLAN技術(shù)的出現(xiàn)以及更多無線電頻段的使用推動了對集成化程度更高的射頻前技術(shù)的需求。
如今供應(yīng)商正在嘗試將更多設(shè)備封裝到單個組件中，包括PA、低噪放器(LNA)，雙工器和天線開關(guān)。因此，現(xiàn)在射頻測試工程師的任務(wù)通常是測試高度集成的前模塊(如圖1所示)，而非一個獨(dú)立的PA。盡管前模塊測試所需的測量與分立組件的測量基本相同，但是測試集成前模塊通常還需要額外的步驟來配置待測設(shè)備(DUT)。
WLAN前模塊
圖1. FEM通常將PA和LAN集成到同一個組件中
在分析射頻PA的性能特性時，工程師會采用各種測量和測試技術(shù)來了解設(shè)備的增益、線性度和效率。在實(shí)際操作中，分析設(shè)備特性所需的具體測量取決于放器的預(yù)期用途。例如，盡管增益和效率等參數(shù)對于所有PA來說都很重要，但是用于無線通信傳輸?shù)脑O(shè)備仍需要針對特定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量。誤差向量幅度(EVM)作為PA重要的度量標(biāo)準(zhǔn)之一，就是用來衡量調(diào)制信號的質(zhì)量，而相鄰信道泄漏比(ACLR)是UMTS或LTE 射頻重要的測量參數(shù)之一。
增益和輸出功率
射頻PA的兩個重要特性是增益和輸出功率。增益用來表示設(shè)備輸入功率與輸出功率之間的關(guān)系。通常當(dāng)PA的增益在較寬的輸入功率電平范圍內(nèi)維持相對恒定，但是當(dāng)輸出功率趨近于設(shè)備飽和區(qū)時，增益開始下降。這一效應(yīng)稱為增益壓縮。
圖2. 典型PA中輸入與輸出功率的關(guān)系曲線
分析PA可用輸出功率的常用方法之一是測量1dB壓縮點(diǎn)。如圖2所示，1dB壓縮點(diǎn)是指PA提供的增益比其在線性工作區(qū)域提供的增益小1dB 的工作點(diǎn)。例如，如果PA在其線性工作區(qū)域的增益是18dB，則1dB壓縮點(diǎn)是指PA正好提供17dB增益時的輸出功率。
測試1dB壓縮點(diǎn)時，可以使用經(jīng)過功率校準(zhǔn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)或射頻信號發(fā)生器和射頻信號分析儀的組合。使用射頻信號發(fā)生器和信號分析儀的組合是測量1dB壓縮點(diǎn)的快方法，可以使用連續(xù)波(CW)信號發(fā)生器或矢量信號發(fā)生器(VSG)進(jìn)行此測量。
增益可作為輸入功率的函數(shù)進(jìn)行測量，這時可使用射頻信號分析儀來測量信號發(fā)生器的功率電平并測量PA的輸出功率。如圖3所示，生產(chǎn)測試可用的一種優(yōu)化技術(shù)是將VSG配置為生成斜坡波形，而非具有不同功率電平的一系列連續(xù)波(CW)。
通過使用矢量信號收發(fā)儀(VSA)采集斜坡信號，即可輕松地將輸入功率與輸出功率相關(guān)聯(lián)，以定增益與輸入功率的關(guān)系曲線。這種斜坡信號方法比針對不同的步驟對信號發(fā)生器進(jìn)行不同的配置要快得多，并且可以節(jié)省寶貴的測試時間。
圖3. 利用斜坡信號模擬PA來測量1dB壓縮點(diǎn)
使用NI矢量信號收發(fā)儀實(shí)現(xiàn)快速功率伺服控制
NI PA測試解決方案采用的*技術(shù)是使用NI矢量信號收發(fā)儀(VST)實(shí)現(xiàn)基于FPGA 的功率伺服。傳統(tǒng)的功率伺服控制是一個非常耗時的過程。然而，通過*在儀器FPGA上執(zhí)行控制回路，即可實(shí)現(xiàn)快的功率收斂。如果將功率伺服算法從嵌入式控制器中分離出來并在FPGA上執(zhí)行，測試軟件就可以利用并行測量機(jī)制進(jìn)行并行測量，從而顯著降低測試時間和測試成本。有關(guān)使用NI VST進(jìn)行快速功耗測量的更多信息，請?jiān)L問PA測試的FPGA 伺服控制提高增益和功率測量精度的一個重要技術(shù)是在儀器和待測PA之間使用小型衰減器。在PA輸入和輸出功率上使用在線式固定衰減器，可以顯著減少由于失配引起的功率不定性，如圖4所示。
圖4. 儀器和PA之間的衰減器有助于優(yōu)化失配不定性。
利用功率計(jì)校準(zhǔn)功率測量
使用功率計(jì)或VSA可以測量PA的輸出功率。過去，功率計(jì)通過測量功率成為準(zhǔn)的功率測量方法，準(zhǔn)度在±以內(nèi)。但是現(xiàn)在，矢量信號分析儀(VSA)配備了板載校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)等工具，可提高測量功率的準(zhǔn)度。VSA，如NI PXIe-5668R，僅僅使用板載校準(zhǔn)功能就可以實(shí)現(xiàn)±的功率測量準(zhǔn)度，如果使用參考校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)(如功率計(jì))，就可以達(dá)到更高的功率準(zhǔn)度。
總體說來，盡管功率計(jì)可以比VSA更加精地測量射頻功率，但VSA在測量待測設(shè)備的輸出功率和增益方面有如下優(yōu)勢。先，VSA可以使用單個儀器進(jìn)行多種測量，具有便捷性。此外，與功率計(jì)相比，VSA可以更快地測量功率，正因如此，在自動化射頻測試應(yīng)用中，許多工程師往往使用VSA，結(jié)合 1dB壓縮點(diǎn)來測量功率。
測量功率和增益的一個重要步驟就是使用功率計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)置。完成該校正步驟先需將功率計(jì)連接至待測設(shè)備輸入的參考平面，如圖5所示。使用功率計(jì)，我們可以在各種頻率下測量信號發(fā)生器以及衰減器和線纜的總輸出功率。設(shè)置好此步驟以后，我們就獲得了信號發(fā)生器在功率計(jì)的功率精度范圍內(nèi)的特性。
系統(tǒng)校準(zhǔn)圖5. 系統(tǒng)校準(zhǔn)通過兩個步驟完成，即使用功率計(jì)校準(zhǔn)信號發(fā)生器和信號分析儀。
校準(zhǔn)信號發(fā)生器設(shè)置完成后，可直接將信號分析儀裝置連接至信號發(fā)生器裝置，信號分析儀裝置包括儀器、電纜和衰減器等。利用信號發(fā)生器生成的校準(zhǔn)響應(yīng)，并假設(shè)使用功率計(jì)進(jìn)行的測量結(jié)果正無誤，就可以定信號分析儀裝置的測量偏移。執(zhí)行完以上校準(zhǔn)步驟后，即可參考功率計(jì)的結(jié)果，更準(zhǔn)地測量輸出功率和增益。
使用VNA測量增益
盡管在自動化測試應(yīng)用中，測量PA增益常見且快速的方法是使用VSG和VSA，但是也可以使用VNA來測量PA的增益。使用二口VNA測量PA的增益時，將VNA的口1連接至PA輸入，將VNA的口2連接至PA輸出，然后測量S21系數(shù)，S21即PA的增益。
使用VNA測量PA增益的一個關(guān)鍵問題是保PA的輸出功率不會達(dá)到飽和或是損壞VNA接收器。在這種情況下，外部衰減的量會顯著影響S21測量的準(zhǔn)性。雖然許多VNA具有的安全輸入功率電平通常在1W(+ 30dBm)量，但是當(dāng)儀器在接近功率電平下工作時，測量準(zhǔn)性通常會降低，因?yàn)榕cVSA相比，VNA的可編程衰減器范圍通常更窄。
使用VNA對PA進(jìn)行精測量需要注意口2輸入的功率電平。一般說來要保PA的源功率和VNA口2的輸入功率基本相等。因此，如果希望PA產(chǎn)生20dB的增益，則應(yīng)在PA的輸出和VNA口2之間連接一個20dB的衰減器，如圖6所示在PA的輸出使用衰減器和在VNA口2使用衰減器的一個重要差別是對校準(zhǔn)參考平面的影響。無論是使用短路-開路-負(fù)載-直通(SOLT)的方法還是使用自動校準(zhǔn)套件來校準(zhǔn)VNA，參考平面都應(yīng)盡可能靠近待測設(shè)備。
使用外部衰減器時，測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)應(yīng)考慮到衰減器和所有相關(guān)電纜以及路徑中的所有連接件，如圖7所示。對于使用信號路徑中的衰減器來校準(zhǔn)測量系統(tǒng)的情況，測量得到的VNA S21即為增益。有關(guān)VNA校準(zhǔn)的更多信息，請?jiān)L問，查看網(wǎng)絡(luò)分析儀測量介紹。
理解參考平面
圖7. VNA校準(zhǔn)參考平面必須擴(kuò)展到外部衰減器之外
回波損耗和反向隔離
雖然增益等參數(shù)的測量在技術(shù)上不需要使用VNA，但是回波損耗和隔離的測量實(shí)需要完整的網(wǎng)絡(luò)分析。針對回波損耗和反向隔離的儀器設(shè)置取決于要分析的是PA的小信號行為還是信號行為。小信號是指在線性工作區(qū)域內(nèi)的信號，信號是指在非線性工作區(qū)域的信號。測量小信號行為時，可以使用VNA精測量S11(輸入回波損耗)和S22(輸出回波損耗)。
在某些情況下，測量輸出回波損耗可能需要對測試配置進(jìn)行微調(diào)，如圖8所示。PA輸出和VNA口2之間所需的衰減可能相對較高，尤其是對于高增益PA。在這種情況下，高PA增益和相對較低的回波損耗會產(chǎn)生功率極低的反射信號，并由VNA的口2進(jìn)行測量。因此，對高增益PA進(jìn)行精的S22參數(shù)測量通常需要使用衰減器來生成比放器增益更低的損耗。在這些情況下，通常針對S11、S12和S21測量使用一個衰減值，針對S22測量使用另一個衰減值。
在生產(chǎn)測試中使用STS快速測量S參數(shù)
NI半導(dǎo)體測試系統(tǒng)(STS)是一款全自動化生產(chǎn)測試系統(tǒng)，采用全新的方法來測量生產(chǎn)測試中的S參數(shù)。該系統(tǒng)結(jié)合了口模塊(port Module)與NI矢量信號收發(fā)器(VST)。除了開關(guān)和預(yù)選功能之外，口模塊包含的定向耦合器可以有效地將VST轉(zhuǎn)換成VNA。因此，可以在生產(chǎn)測試環(huán)境下快速測量S參數(shù)，而不需要使用其他儀器。S參數(shù)測量使用多口校準(zhǔn)模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，該模塊可以自動校準(zhǔn)多達(dá)48個RF口。有關(guān)NI STS的更多信息，請?jiān)L問/semiconductor-test-system。
測量S參數(shù)
圖8. VNA可用于測量反向隔離和回波損耗
在信號條件下測試PA時，測試配置要復(fù)雜得多。在信號條件下，很一部分輸出能量被轉(zhuǎn)換為諧波，而無法被傳統(tǒng)VNA捕捉到。因此，完整分析PA的信號性能特征的需要使用信號網(wǎng)絡(luò)分析儀(LSNA)或負(fù)載牽引測試臺，如圖9所示。由于在信號條件下測量S12和S21系數(shù)更加困難，一種解決方法是將S21系數(shù)性能作為輸入和/或輸出阻抗的函數(shù)進(jìn)行測量。在這種情況下，可編程調(diào)諧器放置在待測設(shè)備的輸入或輸出。
基本負(fù)載-牽引測試配置
圖9. 基本負(fù)載-牽引測試配置的原理圖
盡管這種方法不能直接測量輸入阻抗(S11)或輸出阻抗(S22)，但是可以通過反復(fù)試驗(yàn)來估算使PA達(dá)到高性能或效率的輸入/輸出阻抗。需要注意的是，典型的配置是將CW信號發(fā)生器來供電并使用功率計(jì)進(jìn)行測量。現(xiàn)在可以使用VSG來生成調(diào)制信號，并使用VSA來分析調(diào)制信號，進(jìn)而測量PA的信號性能近不論我們身處何方，關(guān)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)的討論都會不于耳。而且，對于不同的行業(yè)，這一趨勢表現(xiàn)在不同的方面。例如，工業(yè)4.0是為生產(chǎn)設(shè)備發(fā)展出來概念。在電網(wǎng)域，IIoT表現(xiàn)為智能電網(wǎng);石油和天然氣行業(yè)的IIoT則體現(xiàn)在井場數(shù)字化。雖然IIoT的不同形式有其特定表述和流程，但是IIoT所提供的技術(shù)和優(yōu)勢卻是致相同。雖然行業(yè)先者都渴望利用IIoT，但很難想象到2020年500億臺設(shè)備連接起來是何種場景1。家估計(jì)，在2015年至2025年間部署的這些新網(wǎng)聯(lián)設(shè)備中，有半數(shù)將來自工業(yè)域2。這意味著工程師和科學(xué)家將是工廠、測試實(shí)驗(yàn)室、電網(wǎng)、煉油廠和基礎(chǔ)設(shè)施域?qū)崿F(xiàn)IIoT的驅(qū)動者。
對于IIoT，工程師可以期望獲得三個主要好處
● 通過預(yù)測性維護(hù)增加正常運(yùn)行時間
● 通過邊緣控制提升性能
● 通過真實(shí)的網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造