Schneller Aufbau und Inbetriebnahme eines kompakten automatisierten Testsystems mit PXI-Oszilloskop-Bundles

Die Entwicklung eines automatisierten Mehrkanal-Testsystems mit eigenständigen Instrumenten ist sehr ineffizient, da dabei grundlegende Funktionen wie Displays, Frontpanels, Spannungsversorgungen und Netzkabel mehrfach vorhanden sind. Die Kommunikation mit den Rack-and-Stack-Instrumenten ist ebenfalls unproduktiv, da die meisten dieser Instrumente wahrscheinlich Ethernet-basierte LAN Extensions for Instruments (LXI) verwenden, die langsamer sind und mehr Programmieraufwand verursachen als einige der schnelleren seriellen Schnittstellen wie Thunderbolt 3.

Ein besserer Ansatz ist die Verwendung modularer Instrumente, die die benötigte Funktionalität in einem kompakten Formfaktor bieten. In einem solchen Aufbau passen mehrere Instrumente wie Oszilloskope, Multimeter und Signalgeneratoren nebeneinander in ein gemeinsames Gehäuse. Die Instrumente kommunizieren intern über eine gemeinsame Busstruktur, die den synchronen Betrieb aller Geräte gewährleistet. Außerdem werden sie von einem PC gesteuert, auf dem eine einheitliche Software läuft, mit der alle Instrumente von einem gemeinsamen Bildschirm aus gesteuert werden können.

Sehen wir uns an, wie dies mit Instrumenten von NI funktionieren könnte, einem Unternehmen, das seit vielen Jahren automatisierte Prüf- und Messsysteme entwickelt und vertreibt. Das Unternehmen hat die Entwicklung von Testsystemen vereinfacht, indem es eine Reihe von Oszilloskop-Paketen anbietet, die PCI eXtensions for Instrumentation (PXI) nutzen, eine PCI-basierte Plattform mit einer parallelen Schnittstelle, die sich ideal für die Entwicklung von Testsystemen mit mehreren Instrumenten und einer hohen Kanalzahl eignet.

PXI-Bundles

Zusätzlich zum zugrundeliegenden PCI-Computerbus fügt PXI Takt-, Synchronisations- und Triggerbusse sowie Softwarekonfigurierbarkeit hinzu, um hochflexible Testsysteme aufzubauen. Das PXI-Chassis versorgt alle Module mit Strom und bietet eine interne Modul-zu-Modul-Kommunikation sowie eine Highspeed-Verbindung zwischen Modul und PC.

Die Pakete (Bundles) von NI umfassen ein PXI-Chassis mit fünf modularen Geräteeinschüben, eine Auswahl an Oszilloskopmodulen, die erforderlichen Kabel oder Prüfköpfe sowie die InstrumentStudio-Software zur Steuerung (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das NI-PXI-Oszilloskop-Bundle umfasst das PXI-Chassis, ein PXI-Oszilloskopmodul, die Multi-Instrumenten-Software InstrumentStudio und Kabel. (Bildquelle: NI)

Die PXI-Oszilloskoppakete von NI bieten eine Auswahl von sechs Oszilloskopmodulen mit einer Kanalzahl von 2, 4 oder 8, mit Bandbreiten von 60 Megahertz (MHz) bis 1,5 Gigahertz (GHz) und Abtastraten zwischen 60 und 5000 Mega-Samples pro Sekunde (MS/s) (Tabelle 1). PXIe bedeutet für das Chassis, dass es die schnellere serielle PCIe-Schnittstelle unterstützt.

Tabelle 1: Zusammenfassung der Spezifikationen der modularen Oszilloskope der PXI-Oszilloskop-Bundles von NI. Alle Bundle-Produkte verwenden das gleiche PXIe-Chassis. (Tabellenquelle: Art Pini, basierend auf NI-Daten)

Das Modell 867011-01 verwendet beispielsweise ein Zweikanal-Oszilloskopmodul PXIe-5110 mit einer Bandbreite von 100 MHz und einer Abtastrate von 1000 MS/s (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das PXIe-5100 ist ein Zweikanal-PXIe-Oszilloskopmodul, das im PXI-Oszilloskop-Bundle 867011-01 mit zwei Oszilloskop-Tastköpfen geliefert wird. (Bildquelle: NI)

Das PXI-Oszilloskop nimmt einen einzigen Modulsteckplatz im Chassis ein, so dass vier Steckplätze für andere Instrumente zur Verfügung stehen. Um z. B. 16 Kanäle zu erhalten, könnten Sie zwei PXIe-5105- oder PXIe-5172-Module verwenden. Sie können auch andere PXI-Instrumente und -Optionen einbinden, z. B. Multimeter, Signalgeneratoren, Zähler oder Stromversorgungen, um nur einige der vielen verfügbaren Optionen zu nennen.

Effektive Nutzung des PXI-Bundles

Für digitale Oszilloskope gibt es einige Faustregeln. So muss beispielsweise die Abtastrate größer als die doppelte Bandbreite sein, um Aliasing zu vermeiden. Ein Blick auf Tabelle 1 zeigt, dass das PXIe-5105 eine analoge Bandbreite von 60 MHz und eine maximale Abtastrate von 60 MS/s hat. Das PXIe-5105 vermeidet Aliasing-Probleme durch einen internen 24-MHz-Anti-Aliasing-Filter mit einer scharfen Abklingcharakteristik, der die Bandbreite auf weniger als die Hälfte der maximalen Abtastrate von 60 MS/s begrenzt.

Die Speicherlänge bestimmt die längste Erfassung, die mit der maximalen Abtastrate erreicht werden kann. Längere Aufnahmen erfordern eine Verringerung der Abtastrate. Die Speicherlänge ist besonders wichtig, wenn es sich um Ereignisse mit langen Signalverläufen handelt, wie z. B. bei einer Ultraschall-Entfernungsmessung in einem Fahrzeug, für die eine Dauer in Millisekunden erforderlich ist. Für diese Anwendung kann das PXI-Oszilloskop 867010-01 bei einer maximalen Abtastrate von 60 MS/s 2,1 Sekunden (s) an Daten in seinem 128-MB-Speicher erfassen.

Die Auflösung des Oszilloskops bestimmt den theoretischen Dynamikbereich des Geräts. Ein 8-Bit-Oszilloskop kann im Idealfall ein Signal zwischen Vollbereichsamplitude (FSA) und FSA/256 (d. h. 2^Bit) digitalisieren. Je größer also die Anzahl der Bits, desto feiner ist die Spannungsauflösung. Dies ist wichtig für Anwendungen, bei denen das Oszilloskop sehr kleine Signalamplituden in Gegenwart von Signalen mit großer Amplitude misst. Die Ultraschall-Entfernungsmessung bietet wieder ein Beispiel. Der gesendete Impuls ist nahe der FSA, aber das reflektierte Echo könnte 1000 oder mehr Mal kleiner sein, was einen Dynamikbereich von 60 Dezibel (dB) erfordert. Eine grobe Faustregel besagt, dass jedes Bit der Auflösung einen Dynamikbereich von 6 dB bietet, so dass für einen Dynamikbereich von 1000:1 mehr als 10 Bit Auflösung erforderlich ist.

Wie bei allen realen Instrumenten ist die erreichbare Spannungsauflösung aufgrund von Rauschen und Verzerrungen im Allgemeinen geringer als die ideale. Die Leistungskennzahlen, mit denen die tatsächliche Auflösung eines Oszilloskops gemessen wird, sind die effektive Anzahl der Bits (ENOB) und der störungsfreie Dynamikbereich (SFDR) (Abbildung 3).

Abbildung 3: ENOB und SFDR sind Maßzahlen für die Oszilloskopauflösung, die Rauschen und Verzerrungsprodukte wie Oberwellen berücksichtigen. (Bildquelle: NI)

SFDR, angegeben in dB, misst die Auflösung als Differenz zwischen Vollausschlag und der höchsten spektralen Spitze im Frequenzspektrum der erfassten Signalform. ENOB bestimmt die Auflösung in Bit eines idealen Digitalisierers mit einem dynamischen Bereich zwischen der vollen Skala und dem RMS-Rauschquantisierungspegel (RMS: Root Mean Square, Wurzel aus dem quadratischen Mittelwert). ENOB ist immer kleiner als die theoretische Auflösung des Oszilloskops. Sie ist außerdem frequenz- und amplitudenabhängig und variiert mit der Frequenz des Eingangssignals.

Software

Für die interaktive Steuerung mehrerer Geräte gleichzeitig kann die Software InstrumentStudio von NI mit dem PXI-Oszilloskop-Bundle verwendet werden (Abbildung 4). Jedes Instrument verfügt über ein vom Benutzer zugewiesenes Kontrollfenster, das die Überwachung und Fehlersuche im Testsystem ermöglicht.

Abbildung 4: Die Benutzeroberfläche von InstrumentStudio unterstützt die interaktive Steuerung mehrerer PXI-Instrumente; jedes Instrument verfügt über ein dem Benutzer zugewiesenes Steuerungsfenster, das die Überwachung und Fehlersuche bei Testsystemoperationen ermöglicht. (Bildquelle: Art Pini)

InstrumentStudio ermöglicht die Echtzeit-Überwachung und Fehlersuche bei automatisierten Testkomponenten, einschließlich Netzteilen, Signalquellen, Multimetern und anderen PXI-Instrumenten. Außerdem können Instrumentenkonfigurationen direkt in modernere NI-Prüfsoftware wie LabView exportiert werden.

InstrumentStudio umfasst Mess- und Analysefunktionen für das PXI-Oszilloskop. Es verfügt über 35 häufig verwendete Messparameter wie Spitze-Spitze-Amplitude, Frequenz, Tastverhältnis sowie Zeit- und Amplitudencursor. Die Frequenzbereichsanalyse in Form einer schnellen Fourier-Transformationsfunktion (FFT) mit Mittelwertbildung ist verfügbar, um Spektrumanalysator-ähnliche Anzeigen zu liefern. Die FFT-Anzeige kann bis zu 12 vom Benutzer platzierte Marker enthalten, um die Amplitude und Frequenz bestimmter Spitzenwerte auf der Frequenzspektrumsanzeige abzulesen.

Die Datenverbindung

Das PXI-Chassis wird von einem PC aus über eine Thunderbolt-3-Verbindung gesteuert, die eine Übertragungsrate von bis zu 40 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) in jeder Richtung gleichzeitig ermöglicht. Das PXI-Chassis verfügt über zwei Thunderbolt-3-Anschlüsse an der Vorderseite des Controller-Steckplatzes. Zwei Thunderbolt-3-Anschlüsse sind vorhanden, um Daisy-Chain-Verbindungen zu mehreren Thunderbolt-3-kompatiblen Geräten, wie z. B. einem externen Monitor, zu ermöglichen.

Das Testsystem

Wenn man all diese Einzelteile zusammennimmt, erhält man ein sehr kompaktes Testsystem. Das PXI-Chassis und die drei Module zusammen (ein Oszilloskop, ein Digitalmultimeter (DMM) und ein Netzteil) sind kleiner als ein einzelnes Rack-and-Stack-Oszilloskop (Abbildung 5).

Abbildung 5: Ein typisches PXI-Oszilloskop-Bundle-System mit Chassis, Oszilloskop, Netzteil, DMM und InstrumentStudio-Software, dargestellt neben dem gleichen Typ von Rack-and-Stack-Geräten. (Bildquelle: NI)

Das zu prüfende Gerät (DUT) in Abbildung 5 ist ein Arduino-Board, das zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten (PWM) Signals eingerichtet wurde. Das Netzteil erzeugt 5 Volt zum Einschalten, das DMM zeigt die geregelten 3,3 Volt am Gerät an, und das Oszilloskop zeigt die PWM-Wellenform. Die Verbindung mit dem Prüfling erfolgt über herkömmliche Oszilloskop-Tastköpfe (im Lieferumfang der PXI-Oszilloskope mit BNC-Eingangsanschlüssen) und herkömmliche Messleitungen. Die entsprechenden Rack-and-Stack-Instrumente, die rechts abgebildet sind, sind deutlich größer.

Fazit

Die PXI-Oszilloskop-Bundles von NI bieten eine solide Grundlage für ein kompaktes automatisiertes Testsystem. Sie unterstützen Mehrkanal-Konfigurationen mit bis zu fünf einzelnen modularen Instrumenten. Die InstrumentStudio-Software ermöglicht interaktive Messungen Ihres Prüflings sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich mit einem vollständigen Satz von Messwerkzeugen, einschließlich Parametern, Cursoren und Markern.