Systeemontwerp, validatie en productietest versnellen met behulp van modulaire instrumenten en software

Talrijke test- en meetinstrumenten (T&M) zijn nodig bij het ontwerpen, valideren en productietesten van componenten en systemen voor auto's, consumenten, industriële, medische en andere toepassingen. Deze sets van T&M-instrumenten moeten compact zijn en hoge prestaties leveren. Zij hebben een lage latentie en een hoge kanaaldichtheid en bandbreedte nodig. Bovendien kunnen de ontwerpbehoeften in de loop der tijd veranderen, zodat modulariteit een groot pluspunt is om het systeem toekomstbestendig te maken. In veel gevallen omvatten deze T&M-activiteiten repetitieve tests of samenwerking tussen geografisch verspreide teams.

Het gebruik van een groep conventionele instrumenten is een mogelijke oplossing. Problemen met de systeemintegratie van apparaten van verschillende fabrikanten, zoals de presentatie van informatie op meerdere schermen, softwarecompatibiliteit, massa's bekabeling en de hoeveelheid ruimte die nodig is voor talrijke afzonderlijke instrumenten, kunnen echter een uitdaging vormen.

In plaats daarvan kunnen T&M-systeemontwerpers zich wenden tot bundels hoogwaardige modulaire instrumenten en andere I/O-modules met gespecialiseerde synchronisatie en belangrijke softwarefuncties, variërend van apparaatvalidatie tot geautomatiseerde productietests. Deze gebundelde eenheden zijn beschikbaar in een compact PXI Express-meetsysteem met vijf sleuven dat via een Thunderbolt USB-C-poort wordt bestuurd met een laptop of desktopcomputer.

Dit artikel begint met een kort overzicht van de prestatiecijfers van modulaire instrumentsystemen, met inbegrip van categorieën analoge instrumenten. Vervolgens worden de prestaties van verschillende bussen voor modulaire instrumentsystemen vergeleken en wordt gekeken naar de uitdagingen in verband met het verhogen van de resolutie en het verlagen van de latentie. Tot slot worden PXI Programmable Power Supply (PPS) bundels van NI gepresenteerd, waaronder modules voor digitale multimeters, LCR-meters, oscilloscopen, multifunctionele I/O, golfvormgenerators en bronmeeteenheden, samen met softwarehulpmiddelen voor het automatiseren van het T&M-proces.

Wat voor soort meting is nodig?

Het proces om te bepalen welk type T&M-instrument nodig is, begint met een paar basisvragen:

• Is het gemeten signaal een ingang, een uitgang of beide?
• Is de signaalfrequentie gelijkstroom (DC) of wisselstroom (AC), en als het AC is, is het dan in kilohertz (kHz), megahertz (MHz) of gigahertz (GHz)?

De antwoorden op deze vragen helpen te bepalen of het benodigde instrument bestemd is voor DC en vermogen, lage-snelheid analoog, hoge-snelheid analoog, of radiofrequentie (RF) en draadloze toepassingen (Tabel 1).

Tabel 1: Er zijn verschillende basiscategorieën T&M-instrumenten, gebaseerd op input- en outputkenmerken en prestatieniveaus. (Bron tabel: NI)

Specificaties analoge instrumenten

Na het bepalen van het algemene type instrument dat nodig is voor een meettaak, is het tijd om de specifieke prestatie-eisen vast te stellen:

• De basisprincipes van het signaal zijn: het signaalbereik is groot genoeg om de vereiste signalen op te vangen, de impedantie ondersteunt de belasting van de DUT en de frequentievereisten van de meting, en de isolatie van de aarde ondersteunt de vereiste niveaus van geluidsimmuniteit en veiligheid.
• De bandbreedte, in kHz, MHz of GHz, moet toereikend zijn voor de te meten signalen, en de analoog-digitaalomzetter (ADC) moet snel genoeg zijn in termen van monsters per seconde, zoals kilosamples per seconde (kS/s), megasamples per seconde (MS/s) of gigasamples per seconde (GS/s) om de vereiste signaalnuances vast te leggen.
• Ook resolutie en nauwkeurigheid zijn belangrijke overwegingen. Is 8-bit, 24-bit of een ander resolutieniveau nodig? Wat is het maximale foutenpercentage in termen van percentage of deeltjes per miljoen dat kan worden getolereerd? Bovendien, wat is de vereiste gevoeligheid in absolute eenheden zoals microvolt (µV) of nanovolt (nV)?

Verschillende typen T&M-instrumenten vereisen verschillende ingangsisolatie- en impedantiebereiken, ingangskoppeling en filterspecificaties, versterkergevoeligheden, en meetresolutie en -nauwkeurigheid, zoals blijkt uit het voorbeeld van het analoge ingangstraject van het meetinstrument (Tabel 2).

Tabel 2: Verschillende T&M-instrumenten, zoals een DMM en een oscilloscoop, kunnen voor een bepaalde meting sterk uiteenlopende prestatiekenmerken vereisen. (Bron tabel: NI)

Bussen, bandbreedte en latentie

De T&M-instrumenten moeten op een regelaar worden aangesloten om een testsysteem te vormen. De eisen inzake signaalbandbreedte en latentie van de verbindingsbus zijn belangrijke overwegingen. De bandbreedte meet de snelheid waarmee gegevens worden verzonden, meestal in megabytes per seconde, terwijl de latentie de vertraging meet waarmee de gegevens worden verzonden. Algemeen gebruikte bussen hebben sterk uiteenlopende combinaties van bandbreedte en latentie. Een andere factor is de transmissieafstand die de bus ondersteunt. Zo kunnen de algemene interfacebus (GPIB) en de universele seriële bus (USB) vergelijkbare latentieniveaus ondersteunen, maar biedt USB een hogere bandbreedte. Gigabit Ethernet van zijn kant heeft een gemiddelde bandbreedte en een hogere latentie, maar kan over veel langere afstanden verzenden.

Bij het ontwerpen van T&M-systemen worden vaak PCI en PCI Express gebruikt. Zij zijn ontworpen voor verbindingen op korte afstand, tot ongeveer 1 meter (m), en bieden een hoge bandbreedte en een lage latentie (Afbeelding 1). Een belangrijk kenmerk van PCI Express is dat het elk apparaat op de bus specifieke bandbreedte biedt. Dit maakt PCI Express tot de interconnectiebus bij uitstek voor krachtige en data-intensieve toepassingen zoals real-time T&M-systemen waarbij de werking van meerdere instrumenten moet worden geïntegreerd en gesynchroniseerd.

Afbeelding 1: PCI/PXI Express biedt de beste combinatie van resolutie en latentie. (Bron afbeelding: NI)

T&M-instrumentenbundels

Ontwerpers kunnen zich wenden tot de PXI PPS-bundels van NI als basis voor krachtige T&M-systemen. De PXI PPS-modules voorzien in de basisbehoeften van de DUT en kunnen worden uitgebreid met talrijke T&M-modules ter ondersteuning van een groot aantal toepassingen voor apparaatkarakterisering, ontwerpvalidatie en productietests. Het chassis levert tot 58 watt vermogen en koeling voor extra instrumenten, krachtige PXIe-interconnecties en een geïntegreerde Thunderbolt-verbinding voor aansluiting op een externe desktop- of laptopcomputer, die als systeemcontroller fungeert (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een basis PXI PPS-bundel omvat een controller, een PPS-module en slots voor nog eens vier PXI-instrumenten. (Bron afbeelding: NI)

De PPS'en kunnen worden gebruikt om een DUT van programmeerbaar vermogen te voorzien terwijl de stroom- en spanningsniveaus worden gecontroleerd en bewaakt om het stroomverbruik te meten. Ze hebben twee geïsoleerde kanalen van 60 watt met teledetectie om verliezen in de systeembedrading te corrigeren, met een typische efficiëntie van 78%. De kanalen bevatten ook uitgangsuitschakelingen die de DUT kunnen isoleren wanneer deze niet wordt getest.

Voorbeelden van uitbreidbare PXI PPS-bundels met 120 watt vermogen voor de DUT zijn de 867117-01 met een PXIe-4112 tweekanaals PPS (zoals model 782857-01) die maximaal 1 ampère (A) bij 60 volt DC per kanaal kan leveren, en de 867118-01 met een PXI2-4113 tweekanaals PPS (zoals model 782857-02) die maximaal 6 A bij 10 volt DC per kanaal kan leveren (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: PXI PPS-bundels zijn verkrijgbaar met een keuze aan voedingen met uitgangen van 60 volt DC (links) of 10 volt DC (rechts). (Bron afbeelding: NI)

Het opstarten van de ontwikkeling van T&M-systemen

NI biedt ontwerpers een reeks PXI-bundels om hun T&M systeemontwikkeling een vliegende start te geven. Voorbeelden zijn:

PXI-golfvormgeneratorbundels waarmee standaardfuncties en door de gebruiker gedefinieerde, willekeurige golfvormen kunnen worden gegenereerd. De PXI-golfvormgeneratorbundels hebben maximaal twee uitgangskanalen met bandbreedtes tot 80 MHz, een uitgangsbereik van ±12 volt en een maximale bemonsteringssnelheid van 800 MS/s. De 867119-01 bevat bijvoorbeeld een 20 MHz arbitraire functiegenerator.

PXI Oscilloscoop-bundels hebben tot acht kanalen die kunnen samplen met snelheden tot 5 GS/s met 1,5 GHz analoge bandbreedte. Bundel 867010-01 bevat een 60 MHz oscilloscoopmodule.

PXI Source Measure Unit-bundels (SMU), zoals de 867111-01, zijn ontworpen om DC-metingen en -tests te automatiseren. De SMU's werken met vier kwadranten, een bereik tot ±200 volt en ±3 A, en een gevoeligheid tot 100 femtoamperes (fA). PXI SMU-bundels combineren de mogelijkheid om sweeps met hoog vermogen en metingen met lage stroomsterkte uit te voeren.

PXI LCR-bundels zoals de 867113-01 kunnen worden gebruikt om DC- en impedantiemetingen uit te voeren door een LCR-meter en een SMU in één instrument te combineren. Dit instrument biedt fA-stroom en femtofarad (fF) capaciteitsmetingen in een single-slot PXI-vormfactor.

PXI DMM-bundels ondersteunen handbediende, geschakelde en geautomatiseerde DMM-metingen met hoge nauwkeurigheid en resolutie tot 7,5 cijfers. Dankzij de hoge bemonsteringssnelheid kunnen gebruikers transiënten karakteriseren zonder dat een oscilloscoop nodig is. Gebruikers kunnen ook triggers configureren voor acquisitie en/of sequencing. De 867115-01 heeft bijvoorbeeld een 6,5-cijferig display.

PXI Nanovolt Meter-bundels zijn analoge ingangsmodules met een hoge resolutie tot 28 bits. Ze omvatten een choppingmodus die een paar kanalen gebruikt om een hoog niveau van ruisonderdrukking te bieden, waardoor nauwkeurige en herhaalbare nV-metingen en signaalmiddeling en -filtering aan boord mogelijk zijn, alsmede automatische nulmeting. Model 867125-01 heeft 32 kanalen, 28-bits resolutie en 2 MS/s bemonstering.

PXI Multifunctionele I/O-bundels, zoals de 867124-01, bieden een mix van analoge I/O, digitale I/O, teller/timer en triggering-functies. De multifunctionele PXI I/O-bundels hebben maximaal vier analoge uitgangskanalen, 48 bidirectionele digitale kanalen, 80 analoge ingangskanalen en een bemonsteringssnelheid van 2 MS/s.

Software bepaalt het systeem

Naast uitgebreide hardware modules biedt NI T&M systeemontwerpers een keuze aan software-ontwikkelomgevingen, waaronder InstrumentStudio en LabVIEW.

Met NI PXI-instrumenten biedt InstrumentStudio testtechnici een enkele no-code-softwareomgeving voor het bewaken en debuggen van geautomatiseerde testsystemen. Bovendien kunnen gebruikers schermen maken die gegevens van meerdere instrumenten tegelijk presenteren (Afbeelding 4). Met hulpmiddelen kunnen gebruikers screenshots en meetresultaten vastleggen en configuraties op projectniveau voor DUT's opslaan die kunnen worden hergebruikt of gedeeld met andere ontwikkelaars.

Afbeelding 4: InstrumentStudio kan gegevens van meerdere instrumenten op één scherm presenteren. Bijvoorbeeld van een oscilloscoop (groot paneel links), een DMM (paneel rechtsboven) en een functiegenerator (paneel rechtsonder). (Bron afbeelding: NI)

LabVIEW is NI's softwaregedefinieerde testontwikkelingsomgeving. Met zijn grafische gebruikersinterface (GUI) kunnen testingenieurs snel geautomatiseerde onderzoeks-, validatie- en productietestsystemen ontwikkelen. Op een basisniveau stelt de grafische benadering van LabVIEW niet-programmeurs in staat virtuele representaties van instrumenten te slepen om T&M-programma's te bouwen, interactieve gebruikersinterfaces te creëren, en gegevens op te slaan in .cvs, .tdms, of binaire bestanden met eigen definities.

Meer geavanceerde programmeurs kunnen profiteren van de beschikbare drivers voor Python, C, C++, C#, .NET en MATLAB. NI biedt ook een bundel softwarehulpmiddelen voor de ontwikkeling van uitgebreide T&M-omgevingen, waaronder:

• TestStand voor het maken van geautomatiseerde testreeksen
• G Web-ontwikkelsoftware voor het bouwen van webapplicaties
• DIAdem voor interactieve gegevensanalyse
• FlexLogger voor T&M-gegevensverwerving en -registratie

Conclusie

Het creëren van softwaregedefinieerde testomgevingen voor ontwerp, validatie en productietests van componenten en systemen vereist het gebruik van verschillende T&M-instrumenten. In plaats van instrumenten van meerdere leveranciers met bijbehorende connectiviteits-, kosten- en ruimtevereisten te gebruiken, kunnen testtechnici zich wenden tot instrumentenbundels van NI die kunnen worden gebruikt om compacte, flexibele en hoogwaardige testsystemen te produceren. NI biedt ook een keuze aan softwareomgevingen om het ontwikkelingsproces te versnellen.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Een compact gegevensverzamelsysteem bouwen
2. Programmeerbaarheid, netwerken en afstandsbedieningsfuncties van benchtop-voedingen toepassen