一、引言

在新能源電池、功率半導(dǎo)體、柔性電子等前沿應(yīng)用場(chǎng)景中，材料常被置于快速脈沖、電壓尖峰或大電流沖擊的復(fù)雜工況下，其導(dǎo)電路徑、發(fā)熱行為乃至失效機(jī)理都會(huì)隨瞬態(tài)電氣條件而劇烈變化。如果只依賴(lài)穩(wěn)態(tài)直流或低頻測(cè)試，很容易低估材料在真實(shí)工作環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)和性能極限。通過(guò)系統(tǒng)地研究電壓-電流動(dòng)態(tài)特性，研發(fā)人員能夠捕捉材料在微秒到秒級(jí)時(shí)域內(nèi)的響應(yīng)曲線，進(jìn)而量化其導(dǎo)電性衰減和熱穩(wěn)定性等相關(guān)特性，為配方迭代、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可靠性評(píng)估提供精準(zhǔn)依據(jù)。

本方案旨在為材料提供電壓-電流動(dòng)態(tài)特性測(cè)試解決方案。通過(guò)激勵(lì)源對(duì)材料施加特定波形的電壓或電流激勵(lì)，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集經(jīng)過(guò)材料后的電壓、電流等信號(hào)變化，以此分析材料的動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)對(duì)電壓和電流信號(hào)的精準(zhǔn)采集，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料在不同電氣條件下的反應(yīng)，幫助用戶深入了解材料在實(shí)際工作狀態(tài)下的性能表現(xiàn)。這一過(guò)程對(duì)于評(píng)估材料的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性和抗壓能力等特性至關(guān)重要，為材料的優(yōu)化與設(shè)計(jì)提供科學(xué)數(shù)據(jù)支持。測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如下：

二、具體測(cè)試方案

1 測(cè)試系統(tǒng)原理

系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括激勵(lì)源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。激勵(lì)源提供可編程波形輸出，波形類(lèi)型、信號(hào)頻率、幅值及直流偏置均可按客戶需求自由編輯。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)電壓采集模塊并聯(lián)在被測(cè)材料兩端，實(shí)時(shí)采集材料上的電壓信號(hào)，同時(shí)通過(guò)電流采集模塊串聯(lián)在回路中，監(jiān)測(cè)電流變化。

通過(guò)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，用戶可獲取精確的電壓、電流數(shù)據(jù)，并可實(shí)時(shí)時(shí)域波形查看和頻譜分析。數(shù)據(jù)通過(guò)高速存儲(chǔ)方式保存，確保數(shù)據(jù)完整與安全。軟件部分提供一體化的數(shù)據(jù)采集與分析平臺(tái)，支持對(duì)采集的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看、存儲(chǔ)和導(dǎo)出。內(nèi)置的時(shí)域波形顯示和頻譜分析功能，幫助用戶即時(shí)識(shí)別信號(hào)中的異?；蝾l譜特性。此外，系統(tǒng)可按需導(dǎo)出測(cè)試結(jié)果，便于后續(xù)離線分析或報(bào)告制作。

通過(guò)硬件與軟件的協(xié)同，本系統(tǒng)可對(duì)材料的電壓-電流動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行同步測(cè)量與分析。測(cè)試時(shí)，任意波形發(fā)生器首先將設(shè)定的激勵(lì)信號(hào)(頻率、幅值、偏置均可編程)注入被測(cè)材料輸入端;電壓采集通道以并聯(lián)方式接在材料兩端，實(shí)時(shí)記錄其端電壓變化;電流測(cè)量通道則在回路中串聯(lián)電流采集模塊(或精密分流電阻)，同步捕獲流經(jīng)材料的電流。

所有通道數(shù)據(jù)經(jīng)PXIe機(jī)框匯總并由ASMC軟件統(tǒng)一時(shí)序，對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形和頻譜分析可即時(shí)顯示并高速存儲(chǔ)。這樣，用戶即可獲得材料在不同電氣激勵(lì)下的完整電壓-電流響應(yīng)曲線，準(zhǔn)確評(píng)估其導(dǎo)電特性、動(dòng)態(tài)阻抗及能耗表現(xiàn)，為材料優(yōu)化與設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。測(cè)試流程圖如下：

2 數(shù)據(jù)測(cè)試分析軟件ASMC介紹

數(shù)據(jù)采集與測(cè)試分析軟件ASMC具備多項(xiàng)強(qiáng)大功能，能夠?yàn)椴牧系碾妷?電流動(dòng)態(tài)特性測(cè)試提供全方位的支持。軟件支持電壓和電流的高精度采集，能夠連續(xù)測(cè)量被測(cè)材料兩端電壓及回路電流，并確保全通道同步，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與一致性。軟件還提供實(shí)時(shí)波形顯示功能，能夠在采集過(guò)程中即時(shí)呈現(xiàn)時(shí)域波形，幫助測(cè)試人員隨時(shí)觀察材料的響應(yīng)情況，提升測(cè)試的實(shí)時(shí)性和操作便捷性。

此外，ASMC軟件具備數(shù)據(jù)自動(dòng)保存功能，能夠?qū)⒉蓸訑?shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫(xiě)入本地高速存儲(chǔ)，確保長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試過(guò)程中數(shù)據(jù)的完整性，避免漏幀現(xiàn)象的發(fā)生。在試驗(yàn)結(jié)束后，軟件支持將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為多種常用文件格式(如CSV、XLSX等)，簡(jiǎn)化離線分析與報(bào)告制作過(guò)程。

軟件界面提供靈活的參數(shù)調(diào)整功能，允許用戶實(shí)時(shí)設(shè)定各通道的采樣率與量程，并支持信號(hào)采集類(lèi)型的動(dòng)態(tài)更改，以滿足不同測(cè)試需求。同時(shí)，ASMC軟件內(nèi)置頻譜分析與功率計(jì)算模塊，利用FFT和功率算法對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行頻域分析，并輸出平均功率、峰值等統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為后續(xù)的深度數(shù)據(jù)分析和決策提供有力支持。

通過(guò)這些功能，ASMC軟件能夠全面滿足材料電氣性能測(cè)試中的各種需求，確保測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集、分析及報(bào)告制作的高效性與準(zhǔn)確性。軟件示意圖如下：

3 測(cè)試系統(tǒng)核心參數(shù)

本測(cè)試系統(tǒng)具備多項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，確保其在各種測(cè)試場(chǎng)景中高效、精準(zhǔn)地運(yùn)行。系統(tǒng)提供8路可配置輸入通道，支持電壓、IEPE、電流、應(yīng)變橋、RTD等信號(hào)類(lèi)型，能夠靈活應(yīng)對(duì)不同的測(cè)量需求。信號(hào)類(lèi)型包括電壓(±2mV~±100V)、IEPE(±100mV~±10V)、電橋(±1mV~±1000mV)、電阻(10Ω~30kΩ)、電流(±30mA)、MSI計(jì)數(shù)/熱電偶/LVDT等。系統(tǒng)的最大采樣率為每通道0S/s~5MS/s，確保對(duì)高頻率信號(hào)的采集。采樣分辨率在0~2 MS/s范圍內(nèi)為24位，而在大于2~5MS/s時(shí)為18位，以適應(yīng)不同精度要求。

系統(tǒng)的模擬帶寬為2MHz，能夠滿足常見(jiàn)測(cè)試信號(hào)頻段的需求，并且提供了通道與機(jī)箱之間的隔離等級(jí)為±350V DC，保證了在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性。額定輸入耐壓(對(duì)地)為33V RMS/46.7V PEAK/70V DC，具備較強(qiáng)的抗干擾能力。參考校準(zhǔn)端口采用SMB接口(LEMO版本專(zhuān)用)，方便進(jìn)行系統(tǒng)的校準(zhǔn)與參考。系統(tǒng)還配備了512MB的板載數(shù)據(jù)緩沖，確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高效性和連續(xù)性。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步或外部總線采集，系統(tǒng)提供了一個(gè)高速CAN 2.0接口。用戶可選配AOUT-8版本，提供隔離的模擬輸出，支持±5V、±10V或±30mA的輸出范圍，以滿足不同的測(cè)試需求。輸入接插件方面，系統(tǒng)提供8通道0B-LEMO接口(或4通道D-SUB/BNC，視版本而定)，確保多樣化的接入方式。工作環(huán)境方面，系統(tǒng)的工作溫度范圍為0℃~+45℃，存儲(chǔ)溫度為-20℃~+70℃，并且支持10%~80%(非冷凝)的工作濕度，以及5%~95%的存儲(chǔ)濕度，適應(yīng)多種環(huán)境條件。

在可靠性方面，系統(tǒng)的MTBF(平均故障間隔時(shí)間)為2M采樣率版為196,187小時(shí)，5M采樣率版為93,843小時(shí)，體現(xiàn)了其高穩(wěn)定性。功耗方面，系統(tǒng)在不同模式下的典型功耗為：電壓模式≤15W;IEPE模式15W/19W;橋式模式18W/21W。該測(cè)試系統(tǒng)為PXIe 3U單槽模塊，占用空間小，適合緊湊的測(cè)試環(huán)境。

這些核心參數(shù)確保了系統(tǒng)在高精度和高效率的測(cè)試過(guò)程中能夠穩(wěn)定運(yùn)行，滿足多種測(cè)試需求，提供可靠的數(shù)據(jù)采集與分析支持。

三、方案優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

同步電壓/電流測(cè)量：?jiǎn)螐圥XIe采集卡提供8路可配置電壓或電流通道。

高精度/采樣模式隨時(shí)切換：采樣率在0–2MS/s時(shí)維持24bit分辨率，提升至2–5MS/s時(shí)自動(dòng)切換為16bit，既保證穩(wěn)態(tài)測(cè)試的高精度，又滿足瞬態(tài)沖擊測(cè)量的高速需求。

多量程輸入一體化：同一模塊即可混采±2mV~±100V電壓、±30mA電流、IEPE、橋式應(yīng)變、RTD等多種信號(hào)，省去切換采集模塊的時(shí)間。

2MHz帶寬+通道隔離：高模擬帶寬配合全通道/通道-機(jī)箱隔離，有效抑制共模噪聲，保障高頻與大共模場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)完整性。

任意波形激勵(lì)與自由編輯：激勵(lì)波的類(lèi)型、頻率、幅值、直流偏置均可腳本設(shè)定;波形確定后可一鍵發(fā)出，縮短用例準(zhǔn)備與重復(fù)迭代時(shí)間。

硬件時(shí)鐘級(jí)同步：采集模塊共用PXIe時(shí)基，毫秒級(jí)對(duì)齊電壓并聯(lián)和電流串聯(lián)通道，為功率計(jì)算和頻譜分析提供高精度時(shí)間基準(zhǔn)。

高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保障：采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫(xiě)入機(jī)框內(nèi)高速存儲(chǔ)卡，滿足長(zhǎng)時(shí)高頻測(cè)試，確保原始波形完整留存。

一鍵數(shù)據(jù)導(dǎo)出與報(bào)告生成：采集完成后，ASMC軟件可將電壓、電流原始數(shù)據(jù)及頻譜分析結(jié)果一鍵導(dǎo)出為常用文件格式，并自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告，便于后續(xù)歸檔與共享。

四、核心硬件產(chǎn)品介紹

多功能采集卡

ASMC-PXIe-4054多功能采集卡專(zhuān)為電壓-電流動(dòng)態(tài)特性測(cè)試而設(shè)計(jì)，單槽 3U PXIe形態(tài)集成8路可編程輸入，可按需切換為高精度電壓(±2mV-±100 V)、電流(±30mA)、IEPE、橋式應(yīng)變或RTD熱電阻測(cè)量，同卡即可同步接入熱電偶與LVDT等輔助信號(hào)。

每通道采樣率最高5MS/s，其中0-2MS/s 保持24bit 分辨率，2-5MS/s 為18bit，配合2MHz 模擬帶寬和512MB 板載緩沖，可無(wú)丟幀記錄瞬態(tài)沖擊與穩(wěn)態(tài)漂移。通道-通道及通道-機(jī)箱隔離等級(jí)達(dá)±350 V DC，額定耐壓33 V RMS，確保在高共模噪聲場(chǎng)景下依舊獲得干凈波形。

板上預(yù)留1個(gè)高速CAN 2.0口用于同步采集外部總線數(shù)據(jù);AOUT-8版本還提供隔離±5 V/±10 V或±30 mA模擬輸出，方便閉環(huán)控制或校準(zhǔn)。卡片工作溫度0°C-45°C，存儲(chǔ)溫度?20°C-70°C，典型功耗≤15W(電壓模式)，是PXIe機(jī)框中實(shí)現(xiàn)多物理量同步采樣、功耗計(jì)算與頻譜分析的核心組件。采集卡核心參下：

輸入通道：4-8路(可配置為：電壓、IEPE、電流、橋式應(yīng)變、RTD 等)

信號(hào)量程：電壓 ±2mV~±100V;電流±30mA;電阻10Ω~30kΩ

最大采樣率：5MS/s(每通道)

分辨率：0~2MS/s 時(shí) 24bit;>2~5MS/s時(shí)18bit

模擬帶寬：2MHz

隔離等級(jí)：通道-通道/通道-機(jī)箱±350V DC

板載緩沖：512MB

高速接口：PXIe 3U單槽，集成1×CAN 2.0 同步端口

輸出選件：AOUT-8 版本提供隔離 ±5V/±10V/±30mA 模擬輸出

工作溫度范圍：0℃~+45℃;存儲(chǔ)?20℃~+70℃

任意波形發(fā)生器

激勵(lì)源選用 SDG7052A 任意波形發(fā)生器，雙通道差分/單端輸出，模擬帶寬 500MHz，14-bit DAC。儀器可在 0.01Sa/s–2.5GSa/s 采樣率范圍內(nèi)生成逐點(diǎn)任意波，單通道波形深度至512 Mpts，支持段式編輯與無(wú)縫播放。

最小1ns脈寬、500ps 上/下降沿脈沖輸出，內(nèi)置AM/ FM/PM/FSK/ASK 等多種模擬與數(shù)字調(diào)制、掃頻和脈沖串功能，并可產(chǎn)生PRBS、Gaussian Noise 及16-bit 高速數(shù)字總線信號(hào)。

單通道最大24 Vpp幅值疊加±12 V直流偏置，滿足寬幅激勵(lì)需求;通道間可耦合、跟蹤或互為調(diào)制源，便于構(gòu)造復(fù)雜雙通道波形。前面板 5″ 觸控屏配合USB/LAN/外觸發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程(SCPI)雙模式控制，是材料電壓-電流特性測(cè)試中靈活可編程的高性能激勵(lì)核心。任意波形發(fā)生器核心參數(shù)如下：

輸出通道：雙通道差分/單端輸出，14-bit垂直分辨率

模擬輸出帶寬：500MHz(SDG7052A 型號(hào)規(guī)格)

數(shù)-模采樣率：5GS/s;任意波采樣率0.01Sa/s–2.5GS/s，波形深度至512Mpt/通道

最大輸出幅度：24Vpp，可疊加±12V DC偏置，滿足寬幅激勵(lì)需求

最小脈沖性能：1ns脈寬、500ps上/下降沿，適合高速瞬態(tài)測(cè)試

內(nèi)置調(diào)制與掃頻：支持AM/FM/PM/FSK/ASK 等模擬、數(shù)字調(diào)制及掃頻、脈沖串功能

數(shù)字/總線輸出(選件)：16-bit LVTTL / LVDS，速率最高1Gbps?

接口配置：USB Host ×3、USB Device、LAN(VXI-11/Telnet/Socket)、外觸發(fā) /參考時(shí)鐘 In/Out 等

人機(jī)交互：5英寸800×480觸摸屏，支持WebServer遠(yuǎn)程控制與SCPI自動(dòng)化

環(huán)境與尺寸：工作0°C~50°C;整機(jī)338mm×113mm×369mm