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如何使用模塊化儀器和軟件加速系統(tǒng)設(shè)計、驗證和生產(chǎn)測試

來源: digikey
2023-05-29
類別:工業(yè)控制
eye 160
文章創(chuàng)建人 拍明芯城

  作者:Jeff Shepard

  在為汽車、消費、工業(yè)、醫(yī)療和其他應(yīng)用設(shè)計、驗證和生產(chǎn)測試組件和系統(tǒng)時,需要大量的測試和測量 (T&M) 儀器。這些 T&M 儀器套件需要緊湊且具有高性能。他們需要低延遲以及高通道密度和帶寬。此外,設(shè)計需求會隨著時間的推移而改變,因此模塊化是確保系統(tǒng)面向未來的一大優(yōu)勢。在許多情況下,這些 T&M 活動涉及重復(fù)測試或地理上分散的團隊之間的協(xié)作,使軟件定義測試成為一個非常理想的功能。

  使用一組常規(guī)儀器是一種潛在的解決方案。然而,來自一系列制造商的設(shè)備的系統(tǒng)集成問題,包括在多個屏幕上顯示的信息、軟件兼容性、大量布線以及眾多分立儀器所需的空間量,可能具有挑戰(zhàn)性。

  相反,T&M 系統(tǒng)設(shè)計人員可以轉(zhuǎn)向高性能模塊化儀器和其他具有專門同步和關(guān)鍵軟件功能的 I/O模塊,從設(shè)備驗證到自動化生產(chǎn)測試。這些捆綁單元可用于緊湊型五插槽 PXI Express 測量系統(tǒng),該系統(tǒng)可通過 Thunderbolt USB-C 端口由筆記本電腦或臺式計算機控制。

  本文首先簡要回顧模塊化儀器系統(tǒng)的性能指標(biāo),包括模擬儀器類別。然后,它比較了模塊化儀器系統(tǒng)的各種總線的性能,并探討了與提高分辨率和減少延遲相關(guān)的挑戰(zhàn)。最后介紹了NI的 PXI 可編程電源 (PPS) 套件,包括用于數(shù)字萬用表、LCR 表、示波器、多功能 I/O、波形發(fā)生器和源測量單元的模塊,以及用于自動化 T&M 過程的軟件工具。

  需要什么樣的測量?

  確定需要哪種類型的 T&M 儀器的過程始于幾個基本問題:

  被測信號是輸入、輸出還是兩者兼有?

  信號頻率是直流電 (DC) 還是交流電 (AC),如果是交流電,單位是千赫 (kHz)、兆赫 (MHz) 還是千兆赫 (GHz)?

  這些問題的答案有助于確定所需儀器是用于直流和電源、低速模擬、高速模擬還是射頻 (RF) 和無線應(yīng)用(表 1)。

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  表 1:根據(jù)輸入和輸出特性以及性能水平,T&M 儀器有幾個基本類別。 (表格來源:NI)

  模擬儀器規(guī)格

  確定測量任務(wù)所需的一般儀器類型后,就該確定具體的性能要求,包括:

  信號基礎(chǔ)包括確保:信號范圍足夠大以捕獲所需信號,阻抗支持 DUT 的負(fù)載和測量的頻率要求,以及與地的隔離支持所需的抗擾度和安全級別。

  以 kHz、MHz 或 GHz 為單位的帶寬需要足以處理被測量的信號,并且模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 需要足夠快,以每秒樣本數(shù)計算,例如每秒千樣本數(shù) ( kS/s)、每秒百萬樣本數(shù) (MS/s) 或每秒千兆樣本數(shù) (GS/s),以捕獲所需的信號細(xì)微差別。

  分辨率和準(zhǔn)確性也是重要的考慮因素。是否需要 8 位、24 位或其他級別的分辨率?可以容忍的以百分比或百萬分率表示的最大錯誤率是多少?此外,以微伏 (μV) 或納伏 (nV) 等絕對單位表示的所需靈敏度是多少?

  各種類型的 T&M 儀器需要不同的輸入隔離和阻抗范圍、輸入耦合和濾波規(guī)格、放大器靈敏度以及測量分辨率和精度,如測量儀器模擬輸入路徑示例(表 2)所示。

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不同 T&M 儀器的圖像,例如 DMM 和示波器


  表 2:不同的 T&M 儀器,例如 DMM 和示波器,對于給定的測量可能需要廣泛不同的性能特征。 (表格來源:NI)

  總線、帶寬和延遲

  T&M 儀器需要連接到控制器以形成測試系統(tǒng)。對連接總線的信號帶寬和延遲的要求是重要的考慮因素。帶寬衡量數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?,通常以兆字?jié)/秒為單位,而延遲衡量數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t。常用的總線具有廣泛不同的帶寬和延遲組合。另一個因素是總線支持的傳輸距離。例如,通用接口總線 (GPIB) 和通用串行總線 (USB) 可以支持相似級別的延遲,但 USB 提供更高的帶寬。就其本身而言,千兆以太網(wǎng)具有中等帶寬和更高的延遲,但可以傳輸更遠(yuǎn)的距離。

  在設(shè)計 T&M 系統(tǒng)時,經(jīng)常使用 PCI 和 PCI Express。它們專為最遠(yuǎn)約 1 米 (m) 的短距離鏈路而設(shè)計,并提供高帶寬和低延遲(圖 1)。 PCI Express 的一個重要特性是它為總線上的每個設(shè)備提供專用帶寬。這使得 PCI Express 成為高性能和數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序的首選互連總線,例如需要集成和同步多臺儀器操作的實時 T&M 系統(tǒng)。

  

分辨率和延遲的 NI PCI/PXI Express 組合圖像(點擊放大)


  圖 1:PCI/PXI Express 提供分辨率和延遲的最高性能組合。 (圖片來源:NI)

  T&M 儀器包

  設(shè)計人員可以將NI 的PXI PPS 套件 作為高性能 T&M 系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 PXI PPS 模塊可滿足 DUT 的基本電源需求,并可通過眾多 T&M 模塊進行擴展,以支持一系列設(shè)備表征、設(shè)計驗證和制造測試應(yīng)用。該機箱為附加儀器提供高達(dá) 58 瓦的電源和冷卻、高性能 PXIe 互連以及用于連接外部臺式機或筆記本電腦的集成 Thunderbolt 鏈路,充當(dāng)系統(tǒng)控制器(圖 2)。

  

基本 PXI PPS 捆綁包的圖片


  圖 2:一個基本的 PXI PPS 套件包括一個控制器、一個 PPS 模塊和用于另外四個 PXI 儀器的插槽。 (圖片來源:NI)

  PPS 可用于為 DUT 提供可編程電源,同時控制和監(jiān)控電流和電壓電平以測量功耗。它們有兩個帶遙感功能的隔離式 60 瓦通道,可校正系統(tǒng)布線中的損耗,典型效率為 78%。這些通道還包括輸出斷開器,可以在未測試時隔離 DUT。

  為 DUT 提供 120 瓦功率的可擴展 PXI PPS 捆綁包示例包括帶有 PXIe-4112 雙通道 PPS 的867117-01 (如型號782857-01),可在 60 伏直流電下提供最大 1 安培 (A) 的電流每個通道,以及帶有 PXI2-4113 雙通道 PPS 的867118-01 (如型號782857-02),每個通道可在 10 伏直流電下提供高達(dá) 6 A 的電流(圖 3)。

  

60 V DC(左)或 10 V DC(右)PXI PPS 束的圖像


  圖 3:PXI PPS 捆綁包提供 60 伏直流(左)或 10 伏直流(右)輸出的電源選擇。 (圖片來源:NI)

  快速啟動 T&M 系統(tǒng)開發(fā)

  NI 為設(shè)計人員提供一系列 PXI 套件,以快速啟動他們的 T&M 系統(tǒng)開發(fā)工作。例子包括:

  PXI 波形發(fā)生器套件,可用于生成標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)和用戶定義的任意波形。 PXI 波形發(fā)生器套件具有多達(dá)兩個帶寬高達(dá) 80 MHz 的輸出通道、±12 伏輸出范圍和 800 MS/s 最大采樣率。例如,867119-01包括一個 20 MHz 任意函數(shù)發(fā)生器。

  PXI 示波器套件具有多達(dá)八個通道,能夠以高達(dá) 5 GS/s 的速度和 1.5 GHz 的模擬帶寬進行采樣。捆綁包867010-01包括一個 60 MHz 示波器模塊。

  PXI 源測量單元 (SMU) 套件,如867111-01,設(shè)計用于自動化直流測量和測試。 SMU 具有四象限操作,范圍高達(dá) ±200 伏和 ±3 A,靈敏度低至 100 飛安 (fA)。 PXI SMU 套件結(jié)合了執(zhí)行高功率掃描和低電流測量的能力。

  PXI LCR 套件(例如867113-01)可用于通過將 LCR 表和 SMU 組合在單個儀器中來進行直流和阻抗測量。該儀器以單槽 PXI 外形尺寸提供 fA 電流和飛法拉 (fF) 電容測量。

  PXI DMM 套件支持手動探測、開關(guān)和自動 DMM 測量,具有高達(dá) 7.5 位的高精度和分辨率。高采樣速度使用戶無需示波器即可表征瞬變。用戶還可以配置用于采集和/或排序的觸發(fā)器。例如,867115-01具有 6.5 位顯示屏。

  PXI 納伏表套件是高分辨率模擬輸入模塊,分辨率高達(dá) 28 位。它們包括使用一對通道提供高水平噪聲抑制的斬波模式,從而實現(xiàn)準(zhǔn)確和可重復(fù)的 nV 測量和板載信號平均和濾波,以及自動歸零測量切換。型號867125-01具有 32 個通道、28 位分辨率和 2 MS/s 采樣率。

  PXI 多功能 I/O 套件,如867124-01,提供模擬 I/O、數(shù)字 I/O、計數(shù)器/定時器和觸發(fā)功能的組合。 PXI 多功能 I/O 套件具有多達(dá)四個模擬輸出通道、48 個雙向數(shù)字通道、80 個模擬輸入通道和 2 MS/s 的采樣率。

  軟件定義系統(tǒng)

  除了全面的硬件模塊外,NI 還為 T&M 系統(tǒng)設(shè)計人員提供多種軟件開發(fā)環(huán)境選擇,包括InstrumentStudio和 LabVIEW。

  InstrumentStudio 包含在 NI PXI 儀器中,為測試工程師提供了一個單一的無代碼軟件環(huán)境來監(jiān)控和調(diào)試自動化測試系統(tǒng)。此外,用戶可以創(chuàng)建同時顯示來自多臺儀器的數(shù)據(jù)的屏幕(圖 4)。工具使用戶能夠捕獲屏幕截圖和測量結(jié)果,并保存 DUT 的項目級配置,這些配置可以重復(fù)使用或與其他開發(fā)人員共享。

  

InstrumentStudio 的圖像可以呈現(xiàn)來自多個儀器的數(shù)據(jù)


  圖 4:InstrumentStudio 可以在一個屏幕上顯示來自多個儀器的數(shù)據(jù)。例如,來自示波器(左大面板)、DMM(右上面板)和函數(shù)發(fā)生器(右下面板)。 (圖片來源:NI)

  LabVIEW 是 NI 的軟件定義測試開發(fā)環(huán)境。借助其圖形用戶界面 (GUI),測試工程師可以快速開發(fā)自動化研究、驗證和生產(chǎn)測試系統(tǒng)。在基本層面上,LabVIEW 的圖形方法使非程序員能夠拖放儀器的虛擬表示以構(gòu)建 T&M 程序、創(chuàng)建交互式用戶界面并將數(shù)據(jù)保存到 .cvs、.tdms 或自定義二進制文件。

  更高級的程序員可以受益于 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB 的可用驅(qū)動程序。 NI 還提供了一套用于開發(fā)綜合測試與測量環(huán)境的軟件工具,包括:

  用于創(chuàng)建自動化測試序列的TestStand

  G用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)軟件

  用于交互式數(shù)據(jù)分析的DIAdem

  用于 T&M 數(shù)據(jù)采集和記錄的FlexLogger

  結(jié)論

  為組件和系統(tǒng)的設(shè)計、驗證和生產(chǎn)測試創(chuàng)建軟件定義的測試環(huán)境需要使用多種 T&M 儀器。測試工程師無需使用來自多個供應(yīng)商的具有相關(guān)連接性、成本和空間要求的儀器,而是可以轉(zhuǎn)向 NI 的儀器包,這些儀器包可用于生產(chǎn)緊湊、靈活和高性能的測試系統(tǒng)。 NI 還提供多種軟件環(huán)境以加快開發(fā)過程。


責(zé)任編輯:David

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