Sådan fremskynder du systemdesign, validering og produktionstest ved hjælp af modulære instrumenter og software

Der er brug for mange test- og måleinstrumenter (T&M), når man designer, validerer og produktionstester komponenter og systemer til biler, forbrugere, industri, medicin og andre applikationer. Disse suiter af T&M-instrumenter skal være kompakte og have høj ydeevne. De har brug for lav responsetid samt høj kanaltæthed og båndbredde. Desuden kan designbehovene ændre sig over tid, så modularitet er et stort plus for at fremtidssikre systemet. I mange tilfælde involverer disse T&M-aktiviteter gentagne test eller samarbejde mellem geografisk spredte teams, hvilket gør softwaredefineret test til en yderst ønskværdig funktion.

Brugen af en gruppe konventionelle instrumenter er en potentiel løsning. Problemer med systemintegration af enheder fra en række producenter, herunder information, der præsenteres på flere skærme, softwarekompatibilitet, masser af kabler og den mængde plads, der kræves til mange diskrete instrumenter, kan dog være udfordrende.

I stedet kan designere af T&M-systemer benytte sig af bundter af højtydende modulære instrumenter og andre I/O-moduler med specialiseret synkronisering og vigtige softwarefunktioner, lige fra enhedsvalidering til automatiseret produktionstest. Disse bundtede enheder er tilgængelig i et kompakt PXI Express-målesystem med fem slots, der styres med en bærbar eller stationær computer via en Thunderbolt USB-C-port.

Denne artikel begynder med en kort gennemgang af ydelsesmålingerne for modulære instrumentsystemer, herunder analoge instrumenteringskategorier. Derefter præsenteres en sammenligning af forskellige bussers ydeevne til modulære instrumentsystemer, og der ses på de udfordringer, der er forbundet med at øge opløsningen og mindske ventetiden. Afslutningsvis præsenteres PXI Programmable Power Supply (PPS) bundles fra NI, herunder moduler til digitale multimetre, LCR-målere, oscilloskoper, multifunktions-I/O, bølgeformsgeneratorer og kildemåleenheder, sammen med softwareværktøjer til automatisering af T&M-processen.

Hvilken slags måling er der brug for?

Processen med at bestemme, hvilken type T&M-instrument der er brug for, begynder med et par grundlæggende spørgsmål:

• Er det signal, der måles, et input, et output eller begge dele?
• Er signalfrekvensen jævnstrøm (DC) eller vekselstrøm (AC), og hvis det er AC, er den så i kilohertz (kHz), megahertz (MHz) eller gigahertz (GHz)?

Svarene på disse spørgsmål er med til at afgøre, om instrumentet skal bruges til DC og strøm, lavhastigheds analog, højhastigheds analog eller radiofrekvens (RF) og trådløse applikationer (Tabel 1).

Tabel 1: Der er flere grundlæggende kategorier af T&M-instrumenter baseret på input- og outputkarakteristika og ydelsesniveauer. (Kilde til tabel: NI)

Specifikationer for analoge instrumenter

Efter at have bestemt den generelle type instrument, der er nødvendig til en måleopgave, er det tid til at identificere de specifikke krav til ydeevne, herunder:

• Signalgrundlaget omfatter sikring af, at: Signalområdet er stort nok til at opfange de nødvendige signaler, impedansen understøtter belastningen af DUT'en og målingens frekvenskrav, og isolationen fra jord understøtter de krævede niveauer af støjimmunitet og sikkerhed.
• Båndbredden, i kHz, MHz eller GHz, skal være tilstrækkelig til at håndtere de signaler, der måles, og analog-til-digital-konverteren (ADC) skal være hurtig nok i form af samples pr. sekund, såsom kilosamples pr. sekund (kS/s), megasamples pr. sekund, (MS/s) eller gigasamples pr. sekund (GS/s) til at fange de nødvendige signalnuancer.
• Opløsning og nøjagtighed er også vigtige overvejelser. Er der brug for 8-bit, 24-bit eller et andet opløsningsniveau? Hvad er den maksimale fejlrate i procent eller parts per million, som kan tolereres? Og hvad er den nødvendige følsomhed i absolutte enheder som mikrovolt (µV) eller nanovolt (nV), der er behov for?

Forskellige typer T&M-instrumenter kræver forskellige input-isolations- og impedansområder, input-koblings- og filtreringsspecifikationer, forstærkerfølsomhed og måleopløsning og -nøjagtighed, som vist i eksemplet med måleinstrumentets analog-input-sti (tabel 2).

Tabel 2: Forskellige T&M-instrumenter, såsom en DMM og et oscilloskop, kan kræve vidt forskellige ydelsesegenskaber til en given måling. (Kilde til tabel: NI)

Busser, båndbredde og responsetid

T&M-instrumenterne skal forbindes til en controller for at danne et testsystem. Kravene til signalbåndbredde og responsetid for den tilsluttende bus er vigtige overvejelser. Båndbredde måler den hastighed, hvormed data transmitteres, typisk i megabyte pr. sekund, mens responsetid måler forsinkelsen i de data, der transmitteres. Almindeligt anvendte busser har vidt forskellige kombinationer af båndbredde og responsetid. En anden faktor er den transmissionsafstand, som bussen understøtter. For eksempel kan GPIB (General Purpose Interface Bus) og USB (Universal Serial Bus) understøtte lignende niveauer af responsetid, men USB tilbyder højere båndbredde. Gigabit Ethernet har på sin side medium båndbredde og højere responsetid, men kan transmittere over meget længere afstande.

Når man designer T&M-systemer, bruger man ofte PCI og PCI-Express. De er designet til kortdistanceforbindelser, op til ca. 1 meter (m), og giver høj båndbredde og lav responsetid (figur 1). En vigtig egenskab ved PCI-Express er, at den giver dedikeret båndbredde til hver enhed på bussen. Det gør PCI-Express til den foretrukne interconnect-bus til højtydende og dataintensive applikationer som T&M-systemer i realtid, hvor det er nødvendigt at integrere og synkronisere driften af flere instrumenter.

Figur 1: PCI-/PXI-Express tilbyder den bedste kombination af opløsning og responsetid. (Billedkilde: NI)

T&M-instrumentpakker

Designere kan bruge PXI PPS-pakkerne fra NI som grundlag for højtydende T&M-systemer. PXI PPS-modulerne dækker DUT'ens grundlæggende strømbehov og kan udvides med adskillige T&M-moduler for at understøtte en række applikationer til enhedskarakterisering, designvalidering og produktionstest. Kabinettet leverer op til 58 watt strøm og køling til ekstra instrumenter, højtydende PXIe-forbindelser og et integreret Thunderbolt-link til tilslutning til en ekstern stationær eller bærbar computer, der fungerer som systemcontroller (figur 2).

Figur 2: En grundlæggende PXI PPS-pakke indeholder en controller, et PPS-modul og pladser til yderligere fire PXI-instrumenter. (Billedkilde: NI)

PPS'erne kan bruges til at levere programmerbar strøm til en DUT, mens de kontrollerer og overvåger strøm- og spændingsniveauerne for at måle strømforbruget. De har to isolerede 60-watt kanaler med fjernmåling, der korrigerer for tab i ledningsnettet, og en typisk effektivitet på 78 %. Kanalerne har også udgangsafbrydere, der kan isolere DUT'en, når den ikke testes.

Eksempler på udvidelige PXI PPS-pakker med 120 watt effekt til DUT'en omfatter 867117-01 med en PXIe-4112 to-kanals PPS (som model 782857-01), der kan levere maksimalt 1 ampere (A) ved 60 volt DC pr. kanal, og 867118-01 med en PXI2-4113 to-kanals PPS (som model 782857-02), der kan levere op til 6 A ved 10 volt DC pr. kanal (figur 3).

Figur 3: PXI PPS-bundles er tilgængelig med et udvalg af strømforsyninger med udgange på 60 volt DC (venstre) eller 10 volt DC (højre). (Billedkilde: NI)

Start på udviklingen af T&M-systemer

NI tilbyder designere en række PXI-pakker til at sætte gang i deres udvikling af T&M-systemer. Eksemplerne omfatter:

PXI Waveform Generator Bundles, der kan bruges til at generere standardfunktioner og brugerdefinerede, vilkårlige bølgeformer. PXI-bølgeformgeneratorerne har op til to udgangskanaler med båndbredder på op til 80 MHz, et udgangsområde på ±12 volt og en maksimal samplingshastighed på 800 MS/s. For eksempel indeholder 867119-01 en 20 MHz vilkårlig funktionsgenerator.

PXI Oscilloscope Bundles har op til otte kanaler, der kan sample ved hastigheder på op til 5 GS/s med 1,5 GHz analog båndbredde. Bundle 867010-01 indeholder et 60 MHz oscilloskopmodul.

PXI Source Measure Unit (SMU) Bundles, som 867111-01, er designet til at automatisere DC-målinger og tests. SMU'erne har firekvadrantdrift, områder op til ±200 volt og ±3 A, og følsomhed så lav som 100 femtoampere (fA). PXI SMU-bundter kombinerer evnen til at udføre high-power sweeps og lavstrømsmålinger.

PXI LCR Bundles som 867113-01 kan bruges til at foretage DC- og impedansmålinger ved at kombinere en LCR-måler og en SMU i et enkelt instrument. Dette instrument giver fA-strøm- og femtofarad (fF)-kapacitansmålinger i en single-slot PXI-formfaktor.

PXI DMM Bundles understøtter håndprobed, switched og automatiserede DMM-målinger med høj nøjagtighed og opløsning på op til 7,5 cifre. En høj samplingshastighed giver brugerne mulighed for at karakterisere transienter uden brug af et oscilloskop. Brugere kan også konfigurere triggere til optagelse og/eller sekventering. For eksempel har 867115-01 et 6,5-cifret display.

PXI Nanovolt Meter Bundles er højopløselige analoge inputmoduler med op til 28-bit opløsning. De inkluderer en chopping-tilstand, der bruger et par kanaler til at give høje niveauer af støjundertrykkelse, hvilket muliggør nøjagtige og repeterbare nV-målinger og indbygget signalgennemsnit og filtrering samt automatisk nulstilling af målingen. Model 867125-01 har 32 kanaler, 28-bit opløsning og 2 MS/s sampling.

PXI Multifunction I/O Bundles, som 867124-01, giver en blanding af analog I/O, digital I/O, tæller/timer og triggerfunktioner. PXI-multifunktions-I/O-pakkerne har op til fire analoge udgangskanaler, 48 tovejs digitale kanaler, 80 analoge indgangskanaler og en samplingshastighed på 2 MS/s.

Software definerer systemet

Ud over omfattende hardwaremoduler tilbyder NI designere af T&M-systemer et udvalg af softwareudviklingsmiljøer, herunder InstrumentStudio og LabVIEW.

InstrumentStudio, der følger med NI PXI-instrumenter, giver testingeniører et enkelt softwaremiljø uden kode til overvågning og fejlfinding af automatiserede testsystemer. Derudover kan brugerne oprette skærme, der præsenterer data fra flere instrumenter samtidigt (figur 4). Værktøjer giver brugerne mulighed for at tage skærmbilleder og måleresultater og gemme konfigurationer på projektniveau for DUT'er, som kan genbruges eller deles med andre udviklere.

Figur 4: InstrumentStudio kan præsentere data fra flere instrumenter på én skærm. For eksempel fra et oscilloskop (stort panel til venstre), en DMM (øverste panel til højre) og en funktionsgenerator (nederste panel til højre). (Billedkilde: NI)

LabVIEW er NI's softwaredefinerede testudviklingsmiljø. Med den grafiske brugergrænseflade (GUI) kan testingeniører hurtigt udvikle automatiserede forsknings-, validerings- og produktionstestsystemer. På et grundlæggende niveau gør LabVIEWs grafiske tilgang det muligt for ikke-programmører at trække og slippe virtuelle repræsentationer af instrumenter for at bygge T&M-programmer, skabe interaktive brugergrænseflader og gemme data til .cvs, .tdms eller brugerdefinerede binære filer.

Mere avancerede programmører kan drage fordel af de tilgængelige drivere til Python, C, C++, C#, .NET og MATLAB. NI tilbyder også en række softwareværktøjer til udvikling af omfattende T&M-miljøer, herunder:

• TestStand til oprettelse af automatiserede testsekvenser
• G Webudviklingssoftware til opbygning af webapplikationer
• DIAdem til interaktiv dataanalyse
• FlexLogger til T&M-dataopsamling og -logning

Konklusion

Oprettelse af softwaredefinerede testmiljøer til design, validering og produktionstest af komponenter og systemer kræver brug af flere T&M-instrumenter. I stedet for at bruge instrumenter fra flere leverandører med tilhørende krav til tilslutningsmuligheder, omkostninger og plads, kan testingeniører vælge instrumentbundter fra NI, der kan bruges til at producere kompakte, fleksible og højtydende testsystemer. NI tilbyder også et udvalg af softwaremiljøer for at fremskynde udviklingsprocessen.

Anbefalet læsning

1. Sådan bygger du et kompakt dataindsamlingssystem
2. Anvend benchtop-strømforsyningers programmerbarhed, netværk og ledningsfri fjernmåling