测量电子仪

9月25日，中国工程院信息与电子学部、中国信息与电子工程科技发展战略研究中心在北京、香港同步发布《中国电子信息工程科技发展十四大技术挑战（2023）》。据悉，中国工程院信息与电子工程学部自2014年启动相关研究工作，至今已连续9年发布“趋势”或“挑战”等系列成就。今年入选的这十四大技术挑战包括数字领域、信息化、微电子光电子、光学工程、测量计量与仪器、网络与通信、网络安全、电磁场与电磁环境效应、控制、认知、计算机系统与软件、计算机应用、海洋网络信息体系、应对重大突发事件等14个方面。其中，测量计量与仪器在2022年便入选“技术挑战”，2023年再次入选。据了解，新一代国家测量体系和仪器产业体系建设已启动，重要场景下的关键测量技术亟待突破，特别是支撑超精密光刻机、高端航空发动机和高端工业母机等为代表的高精尖装备研发制造中的超精密测量与仪器技术亟待率先突破，制造质量调控能力亟待提升；支撑数字化、网络化与智能化测量的新形态精密仪器及传感技术将面临重要挑战。“凡是科技强国，都是仪器强国；凡是制造强国，都是仪器强国；凡是科技强国，都是仪器强国；凡是仪器强国，都有一个强大的国家测量体系来支撑着高端制造的高质量发展。”谭久彬院士表示，“要想造得出，必先测得出，要想造得精，必先测得准。”构建新一代国家测量体系是实现产业高质量发展的必然选择，也是补齐我国工业短板，特别是高端装备制造质量短板的必由之路。“

导读：进入21世纪以来，科学技术的发展已难以用日新月异来描述。新工艺、新材料、新的制造技术催生了新的一代电子元器件，同时也促使电子测量技术和电子测量仪器产生了新概念和新发展趋势。本文拟从现代电子测量仪器发展的三个明显特点入手，进而介绍下一代自动测试系统的概念和基本技术，引入合成仪器的概念，以供读者参考。 　　现代电子测量仪器的发展趋势 　　仪器性能更加优异 　　仪器的性能更加优异，测量功能更加强大，仪器的测量精度，测试灵敏度，测量的动态范围等都达到了前所未有的高度。例如，Agilent公司的PSA频谱分析仪的测量灵敏度高达169dBm(接近物理界热噪声174dBm)，PNA网络分析仪的动态范围高达143dB，Agilent83453A高分辨率分光计分辨带宽=0.0001nm(亚皮米)(突破皮米分辨带宽的壁垒)，Agilent86107A精密时基参考模块，对小于100ns的时延，抖动为1.7psRMS(突破皮秒抖动瓶颈)，DSO80000系列的示波器，其单一A/D芯片具有20GSa/s实时高采样率，使之成为世界上采样率最快的示波器(40GSa/s实时采样率，13GHz带宽)。另外，更多强大的测量功能被赋予单台仪表中，如Agilent公司的8960系列无线综合测试仪(集移动手机和基站的射频测试与协议测试于一身) ESG/PSG矢量信号源可以灵活产生包括连续波/调幅/调频/调相/脉冲调制，全制式通信协议(GSM/EDGE/WCDMA/TD2SCDMA/CDMAOne/CDMA2000/CDMA20001X2EV/蓝牙/WLAN/PHS/PDC/NADC/DECT/TETRA等)，任意波形及用于今后的其他信号 MSO混合信号示波器(2/4个模拟测量通道16个逻辑分析通道)使单台仪器同时具备示波器和逻辑分析仪的功能 Infiniium示波器内装VSA矢量信号分析软件后也成为世界上测量分析带宽最宽的矢量信号分析仪。 　　仪器与计算机融为一体 　　仪器和计算机技术的前所未有的融合。首先，越来越多的仪器选用以Windows软件和Intel芯片为平台，采用WindowsGUI和基于军用标准的软件，用Windows软件代替仪器内部操作软件，并易于与MS办公室应用软件连接，充分发挥其效能，如Agilent公司的仪器可用Word语言捕获屏幕图像，用Excel语言绘制的波形数据，用Excel语言捕获测量数据，易于自由地从互联网下载和升级最新的软件版本，利用WindowsHelp提高了仪器操作学习的方便性 同时，触摸屏被广泛利用，话音控制可解决双手同时被占用时操作仪器的问题，通过网络控制仪器操作，并用基于MSWindows和MSVisualStudio实现测试自动化 另外，仪器内部的VBA软件可有效地帮助实现生产过程中的测试自动化。 　　其次，由于计算机技术被大量应用到仪器之中，使得仪器具备了更加先进的连通性，如Agilent公司的仪器大都具备采用了USB接口，LAN接口，GPIB接口。同时，也安装了标准光标指示器(鼠标、跟踪球、触摸键、操纵杆等)和其他部件(键盘、CDRW驱动器、直接连结打印机的并行接口，用于外部监视器的VGA输出，内部硬盘驱动器等)。特别值得一提的是，在军工等特殊行业，测试数据的安全性和保密性要求格外重要，为此，Agilent公司在仪器上设计了可卸出的硬盘(如PNA矢量网络分析仪和Infiniium示波器)，使工作人员在实验室完成测试任务后，卸出硬盘，单独运输仪器至测试现场(如战地)，再由操作人员取出随身携带的硬盘装入仪器，再进行现场测量，从而保证了数据的安全性和保密性。 　　测试及仿真软件在仪器中广泛应用 　　随着计算机的运算速度和处理数据能力的不断增加，及计算机仿真技术的广泛应用，仪器的硬件和测试软件及仿真软件的结合越来越紧密。首先，硬件的模块化设计，使得通过不同的硬件模块组合配以不同的软件，从而形成不同功能的仪器和不同的测试解决方案，如Agilent公司的DAC-J宽带示波器86100C，通过插入不同的模块并配以不同软件，该仪器可成为抖动分析仪，宽带示波器，数字通信分析仪，时域反射分析仪 此外，VXI结构的测试仪器更加充分地解释了模块化结构仪器的灵活配置和应用。 　　其次，软件无线电的概念已有了全新的解释和现实的应用，Agilent公司的89601A矢量分析软件是实现这一理念的最好例证，它利用计算机强大的数学运算和数据处理能力将大量的数字信号处理功能和数据分析功能充分展现在计算机软件之中，通过与不同的数据采集前端(如VXI结构的矢量信号分析仪，频谱分析仪，Infiniium数字示波器)相结合，组合出不同功能的矢量信号分析仪。 　　同时，其捕获的信号和数据分析的结果可以作为EDA仿真软件(如Agilent公司的ADS高级设计仿真软件)的数据输入来源，用于驱动ADS高级设计仿真软件进行部件及系统级仿真 并且，ADS高级设计仿真软件的仿真结果可送入Agilent公司的ESG/PSG矢量信号源产生出信号通过VSA矢量信号分析仪的捕获和分析，反过来可进行产品设计与真实产品之间的数据验证，即实现设计、仿真、测量和验证的有机结合。以AgilentADS高级设计仿真软件为代表的EDA软件，通过与Agilent公司测试仪器(包括:频谱分析仪，网络分析仪，信号源，示波器，逻辑分析仪等)的动态链接，从而实现了测量域与仿真域的有机结合，在设计、仿真和验证之间架起了桥梁，从而加速设计，提高设计质量，完善系统及部件的半实物仿真手段，达到迅速拓展满足需要的测量解决方案的目的。 　　自动测试系统的发展历史和现状 　　随着测量仪器功能的不断提高和完善，与其相关的自动测试系统(特别是军用ATS测试系统)的组建与发展也经历了从台式仪器ATS系统到卡式仪器ATS系统，从卡式仪器ATS系统到卡式仪器与台式仪器混合的ATS系统的发展过程。到目前为止，VXI结构的仪器(主要对于大通道数的数字信号测量)与GPIB标准的台式仪器(主要对于性能要求严格的射频/微波信号测量)相结合组建ATS测试系统已成为军用ATS测试系统普遍遵从的主流原则和典范。这与以美国为代表的军工用户在90年代提倡的采用COTS(CommercialOff-the-Shelf)流行商用仪器来构建军用ATS测试系统有很大关系，它可以极大地降低整个测试系统的组建、开发、维护、替换和升级的成本。 　　但是，由于军工行业系统研制周期和认证周期相对较长，系统维护和需要支持的周期通常在10年至20年，而民用科技的发展日新月异，流行商用仪器的更新速度越来越快，一些COTS产品在军工行业被大规模全面使用之前就已废型和停产，对于已定型的测试系统的维护和支持成为军工客户面临的最大问题，特别是那些基于特定硬件而开发的测试软件(TPS)的维护、支持和更新更是面临巨大的挑战。这一点在中国的客户群中也遇到了同样的问题。如何实现硬件的可互换性和软件的可互操作性成为保证整个系统生命力和生命周期的关键。与此同时，军用ATS测试系统还要满足其可靠性、机动性和灵活性的要求，并尽可能地降低开发、维护的成本，节省人力资源，改进硬件的现场替换效率和维修中心替换效率，改进武器系统快速应对地区乃至全球支持的战略要求。 　　下一代的自动测试系统 　　下一代测试技术及测试系统的标准 　　以美国为首的用户和仪器厂商近一年以来提出了一种新的测试仪器理念和技术以解决COTS仪器带来的问题，并同时满足未来测试系统的发展要求。该技术称之为NxTest，它就是基于LAN的模块化合成仪器(SyntheticInstrument)。安捷伦科技公司和VXITechnology公司于2004年9月为自动测试系统推出基于LAN的下一代模块化平台标准化-LXI。 　　LXI(仪器的LAN扩展)不仅提供了机架和堆叠式仪器的嵌入式测量技术和PC标准I/O连接能力，还实现了基于插卡式仪器的系统的模块化特点并减小了体积。对于为航空/国防、汽车、工业、医疗和消费电子市场开发电子产品的研发和制造工程师来说，LXI紧凑灵活的封装、高速输入/输出和可靠的测量功能有效地满足了他们的需求。VXI总线为所有高密度高速度应用提供了理想的标准，LXI则同时融合了VXI和以太网的优势，为用户提供了一个良好的高性能仪器平台，满足VXI通常没有满足的应用需求。LXI基于LAN的结构为例，为在航空和国防行业中长寿命仪器的实现奠定了基础。LXI没有带宽、软件或计算机底板结构限制。它可以利用日益提高的以太网吞吐量，为面临下一代自动测试系统挑战的工程师提供理想的解决方案。 　　LXI标准将由LXI协会负责管理。LXI协会是一家由主要测试测量公司组成的非营利机构。该集团的目标是开发、支持和推广LXI标准。安捷伦科技公司和VXITechnology公司利用其拥有悠久历史的模块化仪器设计，推出LXI平台，这是测试系统使用的开放式标准仪器发展中必然的可行一步。由于几乎每台电脑中都内置了以太网(LAN)，以太网已经成为业界广泛认同的通信接口。互联网硬件价格正不断下降，速度正不断提高，局域网提供了其它点到点接口标准中没有提供的对等通信。测试和测量工程师日益认识到使用高速局域网替代专有测试测量接口(如GPIB)的好处，业内需要更低成本、更高带宽和更快的数据传送速率，这给专有测试测量接口提出了挑战。 　　LXI测试测量模块是为用于设计检验或制造测试系统而优化的。连接局域网的能力使得各模块可以装在世界上任何地方，并从世界上任何地方访问模块。与采用昂贵电源、底板、控制器和MXI卡和电缆的模块化组件不同，LXI模块自带处理器、局域网连接、电源和触发输入。LXI模块可以采用全宽或半宽，高度为一个机架单位或两个机架单位，实现了非常简便的混配功能。信号输入和输出位于正面，局域网和输入交流电源则位于每个LXI模块的背面。LXI模块由计算机控制，不要求传统机架和堆叠式仪器配备的显示器、按钮和拨号装置。LXI模块采用标准网络浏览器诊断问题，使用IVI-COM驱动程序进行通信，简化了系统集成。 　　LXI仪器的特点 　　LXI仪器具备了以下五大特点： 　　(1)开放式工业标准 　　LAN和AC电源是业界最稳定和生命周期最长的开放式工业标准，也由于其开发成本低廉，使得各厂商很容易将现有的仪器产品移植到该LAN-Based仪器平台上来。 　　(2)向后兼容性 　　因为LAN-Based模块只占1/2的标准机柜宽度，体积上比可扩展式(VXI/PXI)仪器更小。同时，升级现有的ATS不需重新配置，并允许扩展为大型卡式仪器(VXI/PXI)系统。 　　(3)成本低廉 　　在满足军用和民用客户要求的同时，保有现存台式仪器的核心技术，结合最新科技，保证新的LAN-based模块的成本低于相应的台式仪器和VXI/PXI仪器。 　　(4)互操作性 　　作为合成仪器(SyntheticInstruments)模块，只需30～40种左右的通用模块即可解决军用客户的主要测试需求。如此相对较少的模块种类，可以高效且灵活地组合成面向目标服务的各种测试单元，从而彻底降低ATS系统的体积，提高系统的机动性和灵活性。 　　(5)新技术及时方便的引入 　　由于这些模块具备完备的I/O定义文档(由军标定义)，所以，模块和系统的升级仅需核实新技术是否涵盖其替代产品的全部功能。如此看来，合成仪器(SyntheticSystems)将实现下述五大目标:①非常长的产品和系统支持周期，应用软件将不再依赖于特定的硬件。②很小的系统体积，仪器不包含多余的显示、输入和其它美学设计部分。③应用清晰明确，仪器界面一致，升级快捷方便。④系统生命周期与产品生命周期保持一致。⑤供应商独立，测量硬件与测量技术没有直接联系。 　　展望未来 　　综上所述，21世纪的电子测量仪器随着芯片技术和DSP技术的发展将达到前所未有的高性能，随着计算机技术与仪器的进一步融合，仪器的易操作性，易升级性，测量能力，数据处理和分析能力，都得到了大幅度提高。与此同时，软件无线电正越来越多地被应用到各个领域，仿真技术将为用户的设计和验证提供了更加强大和方便的工具。自动测试系统经历了从GPIB系统到VXI系统，从VXI系统到VXI与GPIB混合系统的发展历程，越来越多的军工用户希望拥有一种长寿命且高性能的系统标准体系来承担日益复杂的测试压力和维护成本的压力，面对未来的挑战，LXI仪器将在继承现有测试技术的基础之上，为下一代测试技术和测试仪器，特别是ATS测试系统的革新带来新的希望。

电子测量仪器产业是知识经济的一个重要分支，也是信息社会的一个重要组成部分。电子测量技术与仪器的发展，以现代测量原理为基础，融合了最先进的电子测量技术、射频微波设计技术、数字信号处理技术、微电子技术、计算机技术、软件技术、通信技术等技术，使电子测量技术与仪器在现代工业与社会发展中获得了更广泛的应用。电子测量仪器的产品种类繁多，一般可将其分为专用仪器和通用仪器两大类：专用仪器是为某一个或几个专门目的而设计的，如电视彩色信号发生器；通用仪器是为了测量某一个或几个电参数而设计的，它能用于多种电子测量。 其中，通用电子测量仪器是电子测量仪器行业的重要组成部分，是现代科学技术发展的基础设备，主要包括数字示波器、波形和信号发生器、频谱分析仪、矢量网络分析仪及其他电子仪器（如万用表、功率计、逻辑分析仪、频率计和电池分析仪等），下游应用领域具体涵盖通讯、半导体、汽车电子、医疗电子、消费电子、航空航天、教育科研等行业。通用电子测试测量仪器销售市场特征1）欧美市场使用者相对成熟在通用电子测试测量仪器领域，欧美有是德科技、泰克、力科和罗德与施瓦茨等行业优势企业，培育了更为成熟的使用者，其能够熟练理解和使用功能日趋复杂的通用电子测试测量仪器，在选择相关仪器时能够更好的鉴别产品的性能，选择一些性价比高的品牌。2）经销渠道是行业主要的销售渠道通用电子测试测量仪器使用者主要包括电子相关产业的企业、教育院校和科研院所、个人爱好者等，数量众多且分散。因此，经销渠道是行业主要的销售渠道。经销商一般为电子类产品配套销售商，拥有一定的客户资源，为客户提供各类电子产品，其经营时间较长，通用电子测试测量仪器在其销售体系中占比较小，在产业链中处于较为强势的地位，通用电子测试测量仪器企业对经销商的控制力较弱。3）各档次产品并存发展通用电子测试测量仪器广泛应用于国民经济的各个领域，下游领域的应用场景不同，对仪器的性能指标要求不同，中低端应用场景是主流，高带宽和高频率产品主要应用于一些信号频率高的产品测量。因此，不同档次产品满足不同需求的应用场景，各档次产品并存发展。通用电子测试测量仪器行业市场情况1）持续稳定增长随着全球信息技术的发展、电子测量仪器应用领域的不断扩大以及5G、半导体、人工智能、新能源、航空航天等行业驱动，全球通用电子测试测量仪器市场将持续稳定增长。根据Technavio的数据显示，2019年全球通用电子测试测量行业的市场规模为61.18亿美元，预计在2024年市场规模达到77.68亿美元，期间年均复合增长率将保持在4.89%。数据来源：Technavio《Global General Purpose Test Equipment Market 2020-2024》华经产业研究院整理资料显示，我国电子测量仪器行业规模以上企业数量保持稳定增长态势，从2014年的150家发展到2019年的204家；电子测量仪器中国市场约占全球市场的三分之一，是全球竞争中最为重要的市场。2）各细分产品均衡、稳定发展从具体产品来看，数字示波器和频谱分析仪是细分产品中最重要的两类产品，在通用电子测试测量仪器中的比重达到20%以上。根据Technavio的统计数据，细分产品2019年的市场规模和市场占用率情况如下：3）全球各区域市场发展状况各异从区域来看，欧美等发达国家和地区具有良好的上下游产业基础，通用电子测试测量仪器产业起步时间早，市场需求以产品升级换代为主，市场规模大，需求稳定；亚太地区由于中国、印度为代表的新兴市场电子产业的迅速发展，已发展成为全球最重要的电子产品制造中心，对通用电子测试测量仪器的需求潜力大，产品普及需求与升级换代需求并存，需求将增长较快。根据Technavio的预测，各区域市场规模及占有率和年均复合增长率如下：各主要产品中不同档次产品的市场规模比较目前市场上尚无关于通用电子测试测量仪器各主要产品中不同档次产品的市场规模的统计数据，结合各主要产品中不同档次产品的主要应用场景以及发展情况等因素，可知各主要产品中不同档次产品的市场规模比较情况呈现的特点一致，具体为：低端产品的主要应用场景相较于中高端产品较多，下游应用领域对其数量的需求较大，但其销售单价较低；中高端产品的市场需求数量相对较少，但其销售价格较高，特别是高端产品，其销售价格高昂。如根据是德科技的官方网站，其低端数字示波器EDUX1002A（带宽为50MHz）的参考起价为531美元，而中端数字示波器DSOS204A（带宽为2GHz）的参考起价为2.9万美元， 高端示波器DSOZ634A Infiniium（带宽为63GHz）参考起价达到56.99万美元。行业内主要企业情况1）是德科技是德科技于2014年11月从安捷伦科技分拆而来，位于美国加州圣罗莎，是全球领先的测量仪器公司，为电子设计、电动汽车、网络监控、5G、 LTE、物联网、智能互联汽车等提供测试解决方案。公司在美国、欧洲和亚太地区设有工厂和研发中心，客户遍布全球100多个国家和地区。公司在纽约证券交易所上市，股票代码KEYS，2021上半财政年（2020年11月至2021年4月）营收24.01亿美元。主要产品：示波器和分析仪类、万用表等仪表类、发生器、信号源与电源类、无线网络仿真器类、模块化仪器类和网络测试仪器类等。2）泰克泰克成立于1964年，2016年并入福迪威集团（美国纽交所上市代码FTV），位于美国俄勒冈州比弗顿，是一家全球领先的测试、测量和监测解决方案提供商。泰克是世界第一台触发式示波器的发明者。当今泰克已成为全球主要的电子测试测量供应商之一，其市场遍布全球各洲，办事处遍布21个国家和地区。泰克的客户遍及全球的通信、计算机、半导体、军事/航空、消费电子、教育、广播和其他领域。主要产品：示波器、信号发生器、电源、逻辑分析仪、频谱分析仪和误码率分析仪以及各种视频测试产品等。3）罗德与施瓦茨罗德与施瓦茨成立于1933年，总部位于德国慕尼黑，是测试与测量、广播电视、网络安全、无线电通信和安全通信领域中质量、精准和创新的代名词，是移动和无线通信领域的市场领先供应商，提供全面的测试与测量仪器和系统，以用于组件和消费类设备的开发、生产与验收测试，以及移动网络的建立和监测。此外，公司还瞄准其他重要的测试与测量市场，包括汽车电子、航空航天、所有的工业电子以及研发和教育领域。在全球超过70个国家、地区设有销售和服务网络。2020财政年（2019年7月至2020年6月），公司的净收入为25.8亿欧元。主要产品：无线通信测试仪和系统、信号与频谱分析仪、信号发生器、示波器、音频分析仪以及广播电视测试与测量产品等。4）力科力科成立于1964年，总部位于美国纽约，是全球唯一一家专业专注于数字示波器的厂商，持续为工程师们创造“最能解决问题”的示波器，当今数字示波器中的一些耳熟能详的“术语”都是力科最先发明或引入到示波器领域的。在亚洲和欧洲设有分支机构。主要产品：示波器、任意波形发生器、高速互联分析仪、逻辑分析仪等。5）美国国家仪器公司美国国家仪器公司成立于1976年，总部位于美国特拉华州，是一家以测量计算仪器为主导的供应商，主要业务范围包括测试和测量及工业自动化，主要业务区域为美洲、欧洲、中东、非洲、印度以及亚太地区。公司为美国上市公司，股票代码为NATI.O，2021年1-6月营业收入为6.82亿美元。主要提供：设备状态监测、动态测试、嵌入式控制、硬件在环测试、多媒体测试、射频与通信测试、声音与振动测试、台架测试与控制等产品及方案，具体包括相关的工程软件以及硬件设备，硬件设备主要包括数据采集与控制设备（多功能I/O等）、电子测试和仪器（示波器等）、无线设计和测试（信号发生器等）以及相关配件。6）固纬电子固纬电子成立于1975年，总部位于中国台湾，是台湾创立最早且最具规模的专业电子测试仪器厂商，在亚洲和美国设有分支机构。公司在台湾证券交易所上市，股票代码2423，2021年1-6月营业收入为2.78亿元。主要产品：数字示波器、信号发生器、 电源、频谱分析仪、电子负载等。7）普源精电普源精电成立于1998 年，总部位于苏州，是全球测试测量行业的创新者，全球电子测试测量行业的优秀品牌之一，是目前测试测量行业唯一拥有自主芯片研发能力的国内公司。在美国、德国、日本和台湾等地设有分支机构，产品销往全球80多个国家和地区，2020年度营业收入为3.54亿元。主要产品：数字示波器、波形发生器、频谱分析仪、射频信号源、数字万用表及电源等。8）创远仪器创远仪器成立于2005年，总部位于中国上海，在北京、南京、广州、深圳、成都、西安、长沙、武汉等地设有分公司或办事处，是一家自主研发射频通信测试仪器和提供整体测试解决方案的专业仪器仪表公司。该公司为新三板精选层公司，股票代码为831961，2021年1-6月的营业收入为1.89亿元。主要产品：信号分析与频谱分析系列、信号模拟与信号发生系列、无线电监测与北斗导航测试系列、矢量网络分析系列、无线网络测试与信道模拟系列。9）鼎阳科技鼎阳科技成立于2007年，多年来一直专注于通用电子测试测量仪器及相关解决方案，是全球极少数能够同时研发、生产、销售数字示波器、信号发生器、频谱分析仪和矢量网络分析仪四大通用电子测试测量仪器主力产品的厂家之一，是国家级重点“小巨人”企业。公司总部位于深圳，在美国克利夫兰和德国奥格斯堡成立了子公司，在成都成立了分公司，在北京、上海、西安、武汉、南京设立了办事处。该公司于2021年12月成功登录上海证券交易所科创板，股票代码688112。2021年1-9月营业收入2.08亿元。主要产品：数字示波器、函数/任意波形发生器、频谱分析仪、矢量网络分析仪、射频/微波信号发生器、直流电源、数字万用表、手持示波表等。