Schnellere Systementwicklung, Validierung und Produktionstests mit modularen Instrumenten und Software

Für das Testen und Messen (T&M) werden bei der Entwicklung, Validierung und Produktionsprüfung von Komponenten und Systemen für die Automobil-, Konsumgüter-, Industrie-, Medizintechnik und andere Anwendungen zahlreiche Instrumente benötigt. Diese T&M-Instrumente müssen kompakt sein und eine hohe Performance aufweisen. Sie benötigen eine geringe Latenzzeit sowie eine hohe Kanaldichte und Bandbreite. Außerdem können sich die Designanforderungen im Laufe der Zeit ändern, so dass die Modularität ein großes Plus für die Zukunftssicherheit des Systems darstellt. In vielen Fällen handelt es sich bei diesen T&M-Aktivitäten um sich wiederholende Tests oder um die Zusammenarbeit von geografisch verteilten Teams, was das softwaredefinierte Testen zu einer äußerst wünschenswerten Funktion macht.

Der Einsatz einer Gruppe von konventionellen Instrumenten ist eine mögliche Lösung. Probleme bei der Systemintegration von Geräten verschiedener Hersteller, einschließlich der Darstellung von Informationen auf mehreren Bildschirmen, der Softwarekompatibilität, der umfangreichen Verkabelung und des Platzbedarfs für zahlreiche Einzelgeräte, können jedoch eine Herausforderung darstellen.

Stattdessen können Entwickler von T&M-Systemen auf Pakete mit modularen Hochleistungsinstrumenten und anderen I/O-Modulen mit spezieller Synchronisierung und wichtigen Softwarefunktionen zurückgreifen, die von der Gerätevalidierung bis hin zu automatisierten Produktionstests reichen. Diese gebündelten Einheiten sind in einem kompakten PXI-Express-Messsystem mit fünf Steckplätzen erhältlich, das mit einem Laptop oder Desktop-Computer über einen Thunderbolt-USB-C-Anschluss gesteuert wird.

Dieser Artikel beginnt mit einem kurzen Überblick über die Leistungskennzahlen modularer Gerätesysteme, einschließlich analoger Messgerätekategorien. Anschließend wird ein Vergleich der Leistung verschiedener Busse für modulare Instrumentensysteme vorgestellt und auf die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Erhöhung der Auflösung und der Verringerung der Latenzzeiten eingegangen. Abschließend werden PXI-PPS-Bundles (PPS: Programmable Power Supply) von NI vorgestellt, darunter Module für Digitalmultimeter, LCR-Meter, Oszilloskope, Multifunktions-I/O, Signalgeneratoren und Quellenmessgeräte sowie Softwarewerkzeuge zur Automatisierung des T&M-Prozesses.

Welche Art von Messung ist erforderlich?

Um zu bestimmen, welche Art von T&M-Instrument benötigt wird, müssen zunächst einige grundlegende Fragen geklärt werden:

• Ist das gemessene Signal ein Eingangssignal, ein Ausgangssignal oder beides?
• Handelt es sich bei der Signalfrequenz um Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC), und wenn es sich um Wechselstrom handelt, ist sie in Kilohertz (kHz), Megahertz (MHz) oder Gigahertz (GHz) angegeben?

Anhand der Antworten auf diese Fragen lässt sich feststellen, ob das benötigte Instrument für Gleichstrom- und Stromversorgungsanwendungen, analoge Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit, analoge Highspeed-Anwendungen oder Hochfrequenz- und drahtlose Anwendungen geeignet ist (Tabelle 1).

Tabelle 1: Es gibt mehrere Grundkategorien von T&M-Instrumenten, die auf Eingangs- und Ausgangsmerkmalen und Leistungsstufen basieren. (Quelle der Tabelle: NI)

Spezifikationen für analoge Instrumente

Nach der Bestimmung des allgemeinen Gerätetyps, der für eine Messaufgabe benötigt wird, ist es an der Zeit, die spezifischen Leistungsanforderungen zu ermitteln:

• Zu den Signalgrundlagen gehört die Sicherstellung, dass der Signalbereich groß genug ist, um die erforderlichen Signale zu erfassen, die Impedanz die Belastung des Prüflings und die Frequenzanforderungen der Messung unterstützt und die Isolierung von der Erde die erforderlichen Ebenen der Störfestigkeit und Sicherheit unterstützt.
• Die Bandbreite in kHz, MHz oder GHz muss ausreichend sein, um die zu messenden Signale zu verarbeiten, und der Analog/Digital-Wandler (ADC) muss in Bezug auf die Abtastungen pro Sekunde schnell genug sein, z. B. Kilosamples pro Sekunde (kS/s), Megasamples pro Sekunde (MS/s) oder Gigasamples pro Sekunde (GS/s), um die erforderlichen Signalnuancen zu erfassen.
• Auflösung und Genauigkeit sind ebenfalls wichtige Faktoren. Ist eine 8-Bit-, 24-Bit- oder eine andere Auflösungsstufe erforderlich? Wie hoch ist die maximale Fehlerquote in Prozent oder in Teilen pro Million, die toleriert werden kann? Wie hoch ist die erforderliche Empfindlichkeit in absoluten Einheiten wie Mikrovolt (µV) oder Nanovolt (nV), die benötigt wird?

Verschiedene Typen von T&M-Instrumenten erfordern unterschiedliche Eingangsisolations- und Impedanzbereiche, Eingangskopplungs- und Filterspezifikationen, Verstärkerempfindlichkeiten sowie Messauflösung und -genauigkeit, wie im Beispiel des Analog-Eingangspfads des Messgeräts (Tabelle 2) gezeigt.

Tabelle 2: Verschiedene T&M-Instrumente, wie z.B. ein DMM und ein Oszilloskop, können sehr unterschiedliche Leistungsmerkmale für eine bestimmte Messung erfordern. (Quelle der Tabelle: NI)

Busse, Bandbreiten und Latenzzeiten

Die T&M-Instrumente müssen an ein Steuergerät angeschlossen werden, um ein Prüfsystem zu bilden. Die Anforderungen an die Signalbandbreite und die Latenzzeit des Verbindungsbusses sind wichtige Faktoren. Die Bandbreite misst die Geschwindigkeit, mit der Daten übertragen werden, in der Regel in Megabyte pro Sekunde, während die Latenzzeit die Verzögerung bei der Datenübertragung misst. Gängige Busse haben sehr unterschiedliche Kombinationen von Bandbreite und Latenzzeit. Ein weiterer Faktor ist die Übertragungsdistanz, die der Bus unterstützt. Der GPIB-Bus (General Purpose Interface Bus) und der USB-Bus (Universal Serial Bus) können zum Beispiel ähnliche Latenzzeiten aufweisen, aber USB bietet eine höhere Bandbreite. Gigabit-Ethernet wiederum hat eine mittlere Bandbreite und eine höhere Latenzzeit, kann aber über viel größere Entfernungen übertragen.

Bei der Entwicklung von T&M-Systemen werden häufig PCI und PCI Express verwendet. Sie sind für Kurzstreckenverbindungen bis zu etwa 1 m konzipiert und bieten eine hohe Bandbreite und eine geringe Latenzzeit (Abbildung 1). Ein wichtiges Merkmal von PCI Express ist, dass es jedem Gerät auf dem Bus eine eigene Bandbreite zur Verfügung stellt. Dies macht PCI Express zum bevorzugten Verbindungsbus für leistungsstarke und datenintensive Anwendungen wie T&M-Echtzeitsysteme, bei denen der Betrieb mehrerer Geräte integriert und synchronisiert werden muss.

Abbildung 1: PCI/PXI Express bietet die leistungsstärkste Kombination aus Auflösung und Latenzzeit. (Bildquelle: NI)

T&M-Instrumentenbündel

Entwickler können die PXI-PPS-Bundles von NI als Basis für leistungsstarke T&M-Systeme nutzen. Die PXI-PPS-Module decken den grundlegenden Leistungsbedarf des Prüflings ab und können mit zahlreichen T&M-Modulen erweitert werden, um eine Reihe von Gerätecharakterisierungs-, Designvalidierungs- und Fertigungstestanwendungen zu unterstützen. Das Gehäuse liefert bis zu 58 Watt Leistung und Kühlung für zusätzliche Instrumente, leistungsstarke PXIe-Verbindungen und einen integrierten Thunderbolt-Link für die Verbindung mit einem externen Desktop- oder Laptop-Computer, der als Systemcontroller fungiert (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein PXI-PPS-Basispaket umfasst einen Controller, ein PPS-Modul und Steckplätze für vier weitere PXI-Instrumente. (Bildquelle: NI)

Die PPS können dazu verwendet werden, einen Prüfling mit programmierbarer Leistung zu versorgen und gleichzeitig die Strom- und Spannungspegel zu kontrollieren und zu überwachen, um den Stromverbrauch zu messen. Sie verfügen über zwei isolierte 60-Watt-Kanäle mit Fernabtastung, um Verluste in der Systemverkabelung auszugleichen, und haben einen typischen Wirkungsgrad von 78 %. Die Kanäle umfassen auch Ausgangstrennungen, die den Prüfling isolieren können, wenn er nicht getestet wird.

Beispiele für erweiterbare PXI-PPS-Bundles mit 120 Watt Leistung für den Prüfling sind das 867117-01 mit einem PXIe-4112-Zweikanal-PPS (wie Modell 782857-01), das maximal 1 Ampere (A) bei 60 Volt DC pro Kanal liefern kann, und das 867118-01 mit einem PXI2-4113-Zweikanal-PPS (wie Modell 782857-02) , das bis zu 6 A bei 10 Volt DC pro Kanal liefern kann (Abbildung 3).

Abbildung 3: PXI-PPS-Bundles sind mit einer Auswahl an Netzteilen mit Ausgängen von 60 Volt DC (links) oder 10 Volt DC (rechts) erhältlich. (Bildquelle: NI)

Starthilfe für die Entwicklung des T&M-Systems

NI bietet Entwicklern eine Reihe von PXI-Bundles an, um die Entwicklung von T&M-Systemen voranzutreiben. Beispiele sind:

PXI-Signalgenerator-Bundles, mit denen Standardfunktionen und benutzerdefinierte, beliebige Wellenformen erzeugt werden können. Die PXI-Signalgenerator-Bundles verfügen über bis zu zwei Kanäle mit einer Bandbreite von bis zu 80 MHz, einem Ausgangsbereich von ±12 V und einer maximalen Aktualisierungsrate von 800 MS/s. Das 867119-01 enthält zum Beispiel einen 20-MHz-Arbiträrfunktionsgenerator.

PXI-Oszilloskop-Bundles bieten bis zu acht Kanäle, die mit einer Geschwindigkeit von bis zu 5 GS/s und einer analogen Bandbreite von 1,5 GHz abtasten können. Das Bundle 867010-01 enthält ein 60-MHz-Oszilloskopmodul.

Bundles mit PXI-Quellenmesseinheit (SMU), wie das 867111-01, sind für die Automatisierung von DC-Messungen und -Tests konzipiert. Die SMUs bieten Vier-Quadranten-Betrieb, Bereiche bis zu ±200 Volt und ±3 A sowie eine Empfindlichkeit bis hinunter zu 100 Femtoampere (fA). PXI-SMU-Bundles kombinieren die Fähigkeit zur Durchführung von High-Power-Sweeps und Niederstrommessungen.

PXI-LCR-Bundles wie das 867113-01 können für Gleichstrom- und Impedanzmessungen verwendet werden, indem ein LCR-Meter und eine SMU in einem einzigen Gerät kombiniert werden. Dieses Instrument bietet fA-Strom- und Femtofarad(fF)-Kapazitätsmessungen in einem PXI-Formfaktor mit einem Steckplatz.

PXI-DMM Bundles unterstützen handgeführte, geschaltete und automatisierte DMM-Messungen mit hoher Genauigkeit und einer Auflösung von bis zu 7,5 Stellen. Die hohe Abtastgeschwindigkeit ermöglicht es dem Benutzer, Transienten zu charakterisieren, ohne dass ein Oszilloskop erforderlich ist. Benutzer können Trigger für die Erfassung und/oder Sequenzierung konfigurieren. Das Modell 867115-01 verfügt beispielsweise über ein 6,5-stelliges Display.

PXI-Nanovoltmeter-Bundles sind hochauflösende analoge Eingangsmodule mit einer Auflösung von bis zu 28 Bit. Sie verfügen über einen Chopping-Modus, der ein Kanalpaar verwendet, um ein hohes Maß an Rauschunterdrückung zu gewährleisten, was genaue und wiederholbare nV-Messungen und eine integrierte Mittelwertbildung und Filterung des Signals sowie eine Umschaltung der Messung mit automatischer Nullstellung ermöglicht. Das Modell 867125-01 bietet 32 Kanäle, 28-Bit-Auflösung und 2 MS/s Abtastung.

Multifunktionale PXI-I/O-Bundles wie das 867124-01 bieten eine Mischung aus analogen I/O-, digitalen I/O-, Zähler-/Zeitgeber- und Triggerfunktionen. Die multifunktionalen PXI-I/O-Bundles bieten bis zu vier analoge Ausgangskanäle, 48 bidirektionale digitale Kanäle, 80 analoge Eingangskanäle und eine Abtastrate von 2 MS/s.

Software definiert das System

Zusätzlich zu den umfassenden Hardwaremodulen bietet NI den Entwicklern von T&M-Systemen eine Auswahl an Softwareentwicklungsumgebungen, darunter InstrumentStudio und LabVIEW.

InstrumentStudio ist im Lieferumfang von NI-PXI-Geräten enthalten und bietet Ingenieuren eine einheitliche Softwareumgebung zur Überwachung und Fehlersuche in automatisierten Prüfsystemen, die ohne Code auskommt. Außerdem können Anwender Anzeigen erstellen, die Daten von mehreren Instrumenten gleichzeitig darstellen (Abbildung 4). Mit den Tools können Anwender Screenshots und Messergebnisse erfassen und Konfigurationen auf Projektebene für DUTs speichern, die wiederverwendet oder mit anderen Entwicklern geteilt werden können.

Abbildung 4: InstrumentStudio kann Daten von mehreren Instrumenten in einer Anzeige darstellen. Zum Beispiel von einem Oszilloskop (große linke Tafel), einem DMM (obere rechte Tafel) und einem Funktionsgenerator (untere rechte Tafel). (Bildquelle: NI)

LabVIEW ist die Entwicklungsumgebung von NI für softwaredefinierte für Testanwendungen. Mit seiner grafischen Benutzeroberfläche (GUI) können Testingenieure schnell automatisierte Forschungs-, Validierungs- und Produktionstestsysteme entwickeln. Der grafische Ansatz von LabVIEW ermöglicht es auch Nicht-Programmierern, per Drag-and-Drop virtuelle Darstellungen von Messgeräten zu erstellen, um T&M-Programme zu entwickeln, interaktive Benutzeroberflächen zu erstellen und Daten in .cvs, .tdms oder benutzerdefinierten Binärdateien zu speichern.

Fortgeschrittene Programmierer können von den verfügbaren Treibern für Python, C, C++, C#, .NET und MATLAB profitieren. NI bietet außerdem eine Reihe von Softwarewerkzeugen für die Entwicklung umfassender T&M-Umgebungen an:

• TestStand für die Erstellung automatisierter Testsequenzen
• G Web-Entwicklungssoftware für die Erstellung von Webanwendungen
• DIAdem für die interaktive Datenanalyse
• FlexLogger für T&M-Datenerfassung und -Protokollierung

Fazit

Die Schaffung von softwaredefinierten Testumgebungen für Design, Validierung und Produktionstests von Komponenten und Systemen erfordert den Einsatz mehrerer T&M-Instrumente. Anstatt Messinstrumente von verschiedenen Anbietern zu verwenden, die entsprechende Anschlussmöglichkeiten, Kosten und Platzbedarf mit sich bringen, können Ingenieure auf Gerätebündel von NI zurückgreifen, mit denen sich kompakte, flexible und leistungsstarke Testsysteme erstellen lassen. NI bietet außerdem eine Reihe von Softwareumgebungen an, um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen.

Empfohlene Lektüre

1. Entwicklung eines kompakten Datenerfassungssystems
2. Verwendung der Programmierungs-, Vernetzungs- und drahtlosen Fernerfassungsfunktionen von Tischnetzteilen