【導讀】隨著測試設備的模塊化，圍繞傳統化儀器和模塊化展開了優劣勢對比，由此也產生了諸多誤解。有些誤解真真假假，虛實難辨。本文將為你悉數解答模塊化儀器的五大誤解，闡述誤解原因以及真相。
隨著模塊化測試設備的日益普及，圍繞模塊化與傳統臺式儀器的優劣對比產生了許多誤解。這些誤解雖然聽起來很有道理，但這些結論往往真假并存，讓人虛實難辨。為了通過熟悉的語言和容易理解的概念來理解復雜事務，人們口口相傳便形成了所謂的神話，就如近代科學昌明之前用于解釋星座組成的希臘神話。為應用選擇最適合的測試與測量儀器同樣復雜，因此出現誤解并不足為奇。
是德科技擁有超過75年的臺式儀器開發經驗和超過30年的模塊化儀器開發經驗，能夠為用戶提供最尖端的產品。是德科技深知在兩類產品之間做出選擇的難度，但是，去偽存真并消除誤解，是德科技可以幫助客戶針對具體應用選擇理想的產品。下面將討論部分普遍認同的誤解并闡明其真相。
誤解1：模塊化儀器價格必然低于臺式產品
該誤解產生的原因在于臺式儀器普遍價格昂貴。顯然，功能完備的獨立儀器包含眾多按鈕并配有前面板顯示屏，非常適合某些研發環境，但其并非大多數自動測試環境的最佳選擇。模塊化儀器通常將貴重元件隱藏在內部，因此給人以價格低廉的印象。例如，當代PXI背板支持18個插槽和4GB/s的數據傳輸速率，但不可避免地增加了連接器、開關和背板材料的成本。充分裝載寬帶連接儀器的機箱能夠發揮高成本帶來的性能提升，但對于其他應用來說這些開支可能并非必要。因此，實現單個儀器的PXI系統，其成本比相同的“臺式”儀器要高出10%～40%。
這個誤解包含哪些事實？作為獨立產品時,臺式儀器的價格可能相對較低，而在單機箱內集成多臺儀器的模塊化解決方案往往可以攤薄成本。通常，單臺機箱整合2～4臺儀器可以獲得與臺式儀器相當的價格。
此外，儀器制造成本并不等同于客戶的購買價格。部分廠商希望借助模塊化儀器進入測試與測量市場。為了提高市場份額，一些廠商不惜將產品價格降低到市場價格以下，以利潤換取市場。當然，此類策略不可能長期持續。
誤解2：模塊化儀器天生能夠提供更高的吞吐量
該誤解可能源于模塊化系統通常配置的快速背板。實際上，在選擇臺式或模塊化儀器的背板時，需要綜合考慮預期應用的預算和功能需要。換句話說，模塊化儀器不是必須要配備比臺式儀器速度更高的背板。背板選擇取決于儀器用途(圖1)。例如，使用臺式儀器時，通過寬帶背板連接儀器采集單元與計算單元更為方便，因為兩者之間只需點對點連接。與此同時，模塊化儀器的背板必須支持幾乎無限的連接組合。大多數當代PXI機箱使用了第二代PCIe總線和接口標準，以支持背板實現高吞吐量。部分臺式儀器的內部背板采用了相同的第二代PCIe標準，但臺式儀器的總線設計通常只需支持該儀器的特定要求。例如，第二代PCIe標準的性能要求超過了16位30MHz任意波形發生器的性能需要，因此此類設備通常采用速度和成本相對較低的總線(例如USB)。同時，160GSa/s采樣率的示波器的性能要求高于第二代PCIe標準，因此需要速度更高的專有總線。
圖1：臺式儀器與模塊化儀器架構對比。
該誤解包括兩個方面的事實。首先，模塊化儀器的背板的確通常速度很快，因為它們被設計成支持廣泛的應用和不同的數據速率。為了滿足儀器間快速通信的要求，模塊化解決方案通常需要使用通用或標準背板。模塊化儀器則通常選擇寬帶背板標準，以適應最嚴苛的應用場景。其次，模塊化儀器升級部件更方便，也就是說模塊化系統可以更靈活且更經濟高效地升級任何限制性能的部件，相比之下，臺式儀器速度升級更加困難。例如，如果CPU成為模塊化系統的性能瓶頸，用戶可以在市場出現新款PC時輕松升級。同樣，如果模數轉換器影響系統性能，真正的模塊化體系結構支持用戶僅升級數字化儀。因此，即使臺式儀器和模塊化儀器具有相同的初始速度，模塊化儀器可以通過逐步升級實現速度提升并超過臺式設備。
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誤解3：模塊化儀器具有較高吞吐量的原因在于其采用二進制驅動程序接口(例如IVI)替代了文本接口(例如SCPI)
模塊化儀器不一定要使用二進制接口，臺式儀器也不一定要使用SCPI接口。有些臺式儀器可以同時支持SCPI和IVI，部分模塊化產品同樣如此。最終選擇通常取決于儀器的用途。
在大多數應用中，發送和接收驅動程序命令耗時僅占測量時間的極小部分。鑒于儀器廠商致力于幫助用戶簡化測量，這一點更為明顯。例如，是德科技“單鍵測試”(OBT)應用程序可以讓用戶使用有限的命令完成整個通信標準(例如GSM、LTE等)的測試。這些OBT應用程序可以使用SCPI(可編程儀器的標準命令)執行自動測試(只需用戶啟動測試，并在測試結束后獲取結果)，也可以使用儀器內部的高速二進制通信來完成測試過程中的硬件控制。因此，客戶使用SCPI或者IVI啟動一鍵式測試的吞吐量差異可以忽略不計。
該誤解包括哪些事實？通過IVI等二進制驅動程序接口發送命令的速度高于SCPI等解釋型命令接口。如果應用需要大量且頻繁的PC與儀器之間的通信，驅動程序接口成為性能限制因素的可能性將增加。這與系統是否采用模塊化結構無關。
誤解4：模塊化儀器的信號完整性不如臺式設備
大多數情況下，儀器采用模塊化外形尺寸并不會影響其信號完整性。事實上，在許多應用中，多個儀器之間的相互依賴會直接影響系統級的指標。對于這些應用，模塊化系統通常可以提供更好的指標。例如，有些應用要求很嚴苛的儀器間偏差(例如MIMO應用)，此時，使用通用背板更容易滿足要求。
該誤解包括哪些事實？空間受限的應用更適合選擇模塊化解決方案，例如重視單位面積成本的某些制造環境。許多廠商在設計過程中做出的選擇驗證了這一點。在空間有限的應用中，模塊化儀器廠商傾向于犧牲部分性能來縮減儀器尺寸。例如，他們可能選用體積較小、性能較低的振蕩器，或縮小PCB的走線間距，從而導致信號耦合。但是，這是儀器設計過程中的權衡，并非模塊化本身的缺點。
一些模塊化儀器應用了分區，可以實現更方便的儀器部件升級。跨越模擬接口的分區可能需要增加連線，這可能會小幅影響性能。此外，支持部件升級的系統可能會增加儀器校準的難度。
誤解5：模塊化儀器指模塊化硬件，而不是模塊化軟件
提及模塊化儀器，大多數工程師想到的是PXI、AXI、VXI或其他類型的機箱和插入式模塊。符合標準的機箱當然屬于模塊化的重要內容，但必須結合模塊化軟件和校準才能發揮模塊化硬件的最大價值。例如，是德科技的M9391A和M9393A PXIe矢量信號分析儀(圖2)是包含4款PXI模塊的模塊化系統：時鐘源、頻率合成器、下變頻器和數字化儀。
圖2：是德科技“真正的模塊化”矢量信號分析儀—M9393A PXI VSA。
縮減硬件尺寸是模塊化的重要目標，但硬件、軟件和校準的全面模塊化才能實現模塊化的真正價值。例如，上述產品允許客戶獨立升級時鐘源，以獲得更出色的相位噪聲性能。驅動程序必須支持模塊化。同樣，傳統臺式儀器的校準涵蓋全部4個部件，目的是應用最簡便的方法確保最佳性能，但該方法不適合支持時鐘源模塊升級的系統。此時需要采用不同的模塊化校準方法，以確保可升級的優勢。通過此例可知，模塊化儀器中硬件和軟件同樣重要。
該誤解包含哪些事實？部分模塊化產品只是采用模塊化背板的傳統臺式儀器—這是事實。例如，有的PXI VSA只是占據多個PXI背板插槽的一個大型模塊，而非4個模塊組成的系統。此類產品的軟件和校準與傳統儀器并無二致。盡管具有體積小、支持儀器間快速連接等模塊化硬件的優勢，但此類產品在可升級性方面無法與支持模塊化硬件、軟件及校準的產品(例如M9393A PXIe VSA)相提并論。
結語
模塊化儀器與臺式測試儀器相比較差異不顯著但是非常重要。模塊化更適合構建多儀器系統。但當需要從單臺儀器獲得最佳性能時，專用臺式儀器就很棒。在大多數系統中，可以綜合選擇臺式和模塊化儀器，在價格、性能和靈活性之間獲得最佳的組合。臺式儀器可能更適合產品開發流程的原型測試階段，而模塊化產品有可能在系統驗證等階段發揮更大效用。因此，確定一個可以實現臺式儀器與模塊化產品靈活轉換的方法，從而節省測試時間和費用才是上佳之選。希望讀者能夠借此文明白關于模塊化的誤解，原因以及真相，參透模塊化設計的精髓。
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