Rendere rapidamente operativo un sistema di test automatizzato compatto grazie ai bundle di oscilloscopi PXI

Progettare un sistema di test automatizzato multicanale con strumenti standalone è una pratica molto inefficiente, in quanto duplica funzioni di base come display, pannelli frontali, alimentatori e cavi di alimentazione. Anche la comunicazione con gli strumenti rack-and-stack è improduttiva, poiché la maggior parte di essi utilizza probabilmente estensioni LAN basate su Ethernet per strumenti (LXI) che sono più lente e comportano un sovraccarico di programmazione maggiore rispetto ad alcune delle interfacce seriali più veloci come Thunderbolt 3.

È preferibile utilizzare una strumentazione modulare che offra le funzionalità richieste ma in un fattore di forma compatto. In questo caso, in uno chassis comune vengono affiancati più strumenti come oscilloscopi, multimetri e generatori di segnali. Gli strumenti comunicano internamente con una struttura bus comune che garantisce il funzionamento sincrono di tutti. Sono inoltre controllati da un PC con un software di unificazione che consente di controllarli tutti da uno schermo comune.

Vediamo come potrebbe funzionare utilizzando l'apparecchiatura di NI, che da molti anni sviluppa e commercializza sistemi di test e misurazione automatizzati. Ha semplificato la progettazione dei sistemi di test offrendo una serie di bundle di oscilloscopi che utilizzano PCI eXtensions for Instrumentation (PXI), una piattaforma basata su PCI con un'interfaccia parallela ideale per creare sistemi di test con più strumenti e un elevato numero di canali.

Bundle per PXI

Oltre al bus PCI del computer, PXI aggiunge clock, sincronizzazione e bus di trigger, nonché la configurabilità del software, per costruire sistemi di test altamente flessibili. Lo chassis PXI alimenta tutti i moduli e fornisce comunicazioni interne da modulo a modulo, oltre a un collegamento di comunicazione ad alta velocità da modulo a PC.

I bundle di NI comprendono uno chassis PXI con cinque slot per strumenti modulari, una selezione di moduli per oscilloscopi, i cavi o le sonde necessarie, e il software InstrumentStudio per il controllo (Figura 1).

Figura 1: Il bundle di oscilloscopi PXI di NI comprende lo chassis PXI, un modulo oscilloscopio PXI, il software multi-strumento InstrumentStudio e i cavi. (Immagine per gentile concessione di NI)

I bundle di oscilloscopi PXI di NI offrono una scelta di sei moduli oscilloscopio con 2, 4 o 8 canali, con larghezze di banda che vanno da 60 MHz a 1,5 GHz e frequenze di campionamento comprese tra 60 e 5000 Msps (Tabella 1). Per lo chassis, PXIe dichiara che supporta l'interfaccia seriale PCIe più veloce.

Tabella 1: Riepilogo delle specifiche dell'oscilloscopio modulare PXI di NI. Tutti i prodotti in bundle utilizzano lo stesso chassis PXIe. (Tabella per gentile concessione di Art Pini, basata sui dati di NI)

Ad esempio, il modello 867011-01 utilizza un modulo oscilloscopio a due canali PXIe-5110 con una larghezza di banda di 100 MHz e una frequenza di campionamento di 1000 Msps (Figura 2).

Figura 2: PXIe-5100 è un modulo oscilloscopio PXIe a due canali fornito con il pacchetto di oscilloscopi PXI 867011-01, insieme a due sonde per oscilloscopio. (Immagine per gentile concessione di NI)

L'oscilloscopio PXI occupa un singolo slot del modulo nello chassis, lasciandone quattro per altri strumenti. Ad esempio, per ottenere 16 canali, è possibile utilizzare due moduli PXIe-5105 o PXIe-5172. È inoltre possibile includere altri strumenti PXI e opzioni di supporto, come multimetri, generatori di forme d'onda, contatori o alimentatori, per citare solo alcune delle numerose opzioni disponibili.

Utilizzo efficace del bundle di PXI

Esistono alcune regole empiriche per gli oscilloscopi digitali. Ad esempio, per evitare l'aliasing, la frequenza di campionamento deve essere superiore al doppio della larghezza di banda. Osservando la Tabella 1, PXIe-5105 ha una larghezza di banda analoga di 60 MHz e una frequenza di campionamento massima di 60 Msps. PXIe-5105 evita i problemi di aliasing grazie all'inclusione di un filtro anti-aliasing interno a 24 MHz con una caratteristica di roll-off netto, che limita la larghezza di banda a meno della metà della velocità di campionamento massima di 60 Msps.

La lunghezza della memoria controlla l'acquisizione più lunga che si può ottenere alla massima frequenza di campionamento. Acquisizioni più lunghe richiedono una riduzione della frequenza di campionamento. La lunghezza della memoria è più importante con eventi a forma d'onda lunga, come nel caso di un'applicazione a ultrasuoni in un veicolo che potrebbe richiedere una durata in millisecondi. Per questa applicazione, l'oscilloscopio PXI 867010-01 che funziona alla massima frequenza di campionamento di 60 Msps può acquisire 2,1 secondi di dati nella sua memoria da 128 MB.

La risoluzione dell'oscilloscopio determina la gamma dinamica teorica dello strumento. Un oscilloscopio a 8 bit può idealmente digitalizzare un segnale tra l'ampiezza di fondo scala (FSA) e FSA/256 (cioè 2^numero di bit). Quindi, maggiore è il numero di bit, più accurata è la risoluzione della tensione. Si tratta di un aspetto importante nelle applicazioni in cui l'oscilloscopio misura ampiezze di segnale molto piccole in presenza di segnali di grande ampiezza. Anche in questo caso, l'applicazione di misurazione a ultrasuoni fornisce un esempio. L'impulso trasmesso sarà vicino a FSA, ma l'eco riflessa potrebbe essere 1000 o più volte più piccola, richiedendo una gamma dinamica di 60 dB. Una regola approssimativa è che ogni bit di risoluzione fornisce 6 dB di gamma dinamica, quindi una gamma dinamica di 1000:1 richiederebbe più di 10 bit di risoluzione.

Come in tutti gli strumenti reali, a causa del rumore e della distorsione la risoluzione di tensione ottenibile è generalmente inferiore a quella ideale. Le cifre di merito utilizzate per misurare la vera risoluzione di un oscilloscopio sono il numero di bit effettivi (ENOB) e la gamma dinamica senza spurie (SFDR) (Figura 3).

Figura 3: ENOB e SFDR sono misure di risoluzione dell'oscilloscopio che tengono conto del rumore e di prodotti di distorsione come le armoniche. (Immagine per gentile concessione di NI)

SFDR, espresso in dB, misura la risoluzione come differenza tra il fondo scala e il picco spettrale più alto nello spettro di frequenza della forma d'onda acquisita. ENOB determina la risoluzione, in bit, di un digitalizzatore ideale con un intervallo dinamico compreso tra il fondo scala e il livello di quantizzazione del rumore del valore quadratico medio (RMS). ENOB è sempre inferiore alla risoluzione teorica dell'oscilloscopio. Dipende anche dalla frequenza e dall'ampiezza, variando con la frequenza del segnale di ingresso.

Software

Per il controllo interattivo e contemporaneo di più strumenti, è possibile utilizzare InstrumentStudio di NI con il bundle di oscilloscopi PXI (Figura 4). Ogni strumento dispone di una finestra di controllo assegnata dall'utente che consente il monitoraggio e il debug delle operazioni del sistema di test.

Figura 4: L'interfaccia utente InstrumentStudio supporta il controllo interattivo di più strumenti PXI. Ogni strumento ha una finestra di controllo assegnata dall'utente che consente il monitoraggio e il debug delle operazioni del sistema di test. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

InstrumentStudio consente il monitoraggio e il debug in tempo reale di componenti di test automatizzati tra cui alimentatori, sorgenti di segnale, multimetri e altri strumenti PXI. Inoltre, può essere utilizzato per esportare le configurazioni dello strumento direttamente in un software di test NI più avanzato, come LabView.

InstrumentStudio include funzionalità di misurazione e analisi per l'oscilloscopio PXI. Dispone di 35 parametri di misurazione di uso comune, come ampiezza picco-picco, frequenza, ciclo di lavoro e cursori di tempo e ampiezza. Per fornire visualizzazioni simili a quelle di un analizzatore di spettro, è disponibile l'analisi nel dominio della frequenza, sotto forma di una funzione di trasformata di Fourier veloce (FFT) con media. Il display FFT può includere fino a 12 marcatori posizionati dall'utente per leggere l'ampiezza e la frequenza di picchi specifici sul display dello spettro di frequenza.

Il collegamento dati

Lo chassis PXI è controllato da un PC tramite un collegamento Thunderbolt 3 che può trasmettere contemporaneamente fino a 40 Gbit/s in ogni direzione. Lo chassis PXI dispone di due connettori Thunderbolt 3 sul pannello anteriore dello slot del controller. Per consentire il collegamento a margherita di più dispositivi compatibili con Thunderbolt 3, come un monitor esterno, sono presenti due connettori Thunderbolt 3.

Il sistema di test

Mettendo insieme tutti questi singoli pezzi si ottiene un sistema di test molto compatto. Lo chassis PXI e i tre moduli (un oscilloscopio, un multimetro digitale (DMM) e un alimentatore) sono complessivamente più piccoli di un singolo oscilloscopio rack-and-stack (Figura 5).

Figura 5: Un tipico sistema basato su un bundle di oscilloscopi PXI che utilizza uno chassis, un oscilloscopio, un alimentatore, un DMM e il software InstrumentStudio e lo stesso tipo di strumenti rack-and-stack. (Immagine per gentile concessione di NI)

Il dispositivo sotto test (DUT) nella Figura 5 è una scheda Arduino impostata per generare un segnale con modulazione della larghezza di impulso (PWM). L'alimentatore genera 5 V per alimentarlo, il DMM legge i 3,3 V regolati sul dispositivo e l'oscilloscopio mostra la forma d'onda PWM. L'interconnessione con il DUT avviene tramite sonde per oscilloscopio convenzionali (fornite con gli oscilloscopi PXI con connettori di ingresso BNC) e conduttori di test convenzionali. Gli strumenti rack-and-stack equivalenti, mostrati a destra, sono molto più grandi.

Conclusione

I bundle di oscilloscopi PXI di NI offrono una solida base per un sistema di test automatizzato compatto. Supportano configurazioni a più canali con un massimo di cinque strumenti modulari individuali. Il software InstrumentStudio consente di effettuare misurazioni interattive del DUT sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza con un set completo di strumenti di misurazione, tra cui parametri, cursori e marcatori.