모듈식 계측기와 소프트웨어를 사용하여 시스템 설계, 검증, 생산 테스트를 가속화하는 방법

자동차, 소비자 가전, 산업, 의료 및 기타 응용 분야를 위한 부품과 시스템을 설계, 검증 및 생산 테스트하는 경우 수많은 테스트 및 측정(T&M) 계측기가 필요합니다. 이러한 T&M 계측기 제품군은 콤팩트하고 고성능이어야 하며 대기 시간이 짧고 채널 밀집도와 대역폭이 높아야 합니다. 또한 설계 요구 사항이 향후 변경될 수 있으므로 모듈성이 시스템의 미래에 대비한 경쟁력에 큰 보탬이 됩니다. 대부분의 경우 이러한 T&M 활동에는 반복 검사 또는 지리적으로 분산된 팀 간의 협업이 포함되어 소프트웨어 정의 테스트가 매우 바람직한 특징입니다.

기존 계측기 그룹을 사용하는 방법은 잠재적인 솔루션이지만 여러 화면에 표시되는 정보, 소프트웨어 호환성, 다량의 배선, 여러 이산 소자 계측기에 필요한 공간을 포함하여 다양한 제조업체의 장치 시스템 통합 문제는 어려울 수 있습니다.

대신 T&M 시스템 설계자는 장치 검증에서 자동화된 생산 테스트에 이르기까지 특수 동기화 및 주요 소프트웨어 기능을 가진 다수의 고성능 모듈식 계측기 및 기타 I/O 모듈로 전환할 수 있습니다. 이러한 번들 장치는 Thunderbolt USB-C 포트를 통해 랩톱이나 데스크톱으로 제어되는 콤팩트한 5슬롯 PXI Express 측정 시스템에서 사용할 수 있습니다.

이 기사에서는 아날로그 계측 종류를 포함한 모듈식 계측기 시스템의 성능 지표를 간단히 검토합니다. 그런 다음 모듈식 계측기 시스템에 대한 다양한 버스의 성능을 비교하고 분해능 증가 및 대기 시간 단축 관련 문제를 살펴봅니다. 마지막으로 디지털 다중 계측기, LCR 측정기, 오실로스코프, 다기능 I/O, 파형 생성기 및 소스 측정 장치를 위한 모듈을 포함한 NI의 PXI 프로그래밍 가능 전원 공급 장치(PPS) 번들을 소개하고 T&M 공정을 자동화하기 위한 소프트웨어 도구를 설명합니다.

필요한 측정 종류는 무엇입니까?

필요한 T&M 계측기 유형을 결정하는 프로세스에는 몇 가지 기본 질문이 있습니다.

• 측정 중인 신호가 입력 신호입니까, 출력 신호입니까 아니면 둘 다에 해당합니까?
• 신호 주파수가 직류(DC)입니까 아니면 교류(AC)입니까? AC인 경우 단위가 kHz, MHz, GHz 중 어느 것입니까?

이러한 질문에 대한 답변은 필요한 계측기가 DC 및 전력, 저속 아날로그, 고속 아날로그 또는 무선 주파수(RF) 및 무선 응용 분야(표 1)에 적합한지를 결정하는 데 도움이 됩니다.

표 1: 입력 및 출력 특성과 성능 수준을 기반으로 T&M 계측기에는 몇 가지 기본 종류가 있습니다. (표 출처: NI)

아날로그 계측기 사양

측정 작업에 필요한 계측기의 일반적인 유형을 결정한 후에는 다음과 같은 특정 성능 요구 사항을 식별해야 합니다.

• 신호 기본 사항에는 신호 범위가 필요한 신호를 포착하기에 충분히 크고, 임피던스는 DUT 로드와 측정의 주파수 요구 사항을 지원하고, 접지에서 분리되어 필요한 잡음 내성 및 안전성 수준을 지원하는지 확인하는 작업이 포함됩니다.
• kHz, MHz, 또는 GHz 단위의 대역폭은 측정한 신호를 처리하기에 적합해야 하며 아날로그 디지털 컨버터(ADC)는 초당 킬로샘플(kS/s), 초당 메가샘플(MS/s) 또는 초당 기가샘플(GS/s)과 같이 초당 샘플 측면에서 속도가 충분히 빨라서 필요한 신호의 미묘한 차이를 포착해야 합니다.
• 분해능과 정확성 역시 중요하게 고려해야 할 사항입니다. 8비트, 24비트 또는 기타 분해능 수준이 필요합니까? 허용할 수 있는 백분율 또는 백만분율 면에서 최대 오류율은 얼마입니까? 또한 필요한 감도는 필요한 마이크로볼트(µV) 또는 나노볼트(nV)와 같은 절대 단위로 얼마입니까?

다양한 T&M 계측기 유형에는 측정 계측기 아날로그 입력 경로 예시(표 2)에 표시된 것처럼 서로 다른 입력 절연 및 임피던스 범위, 입력 커플링과 필터링 사양, 증폭기 감도, 측정 분해능 및 정확성이 필요합니다.

표 2: DMM 및 오실로스코프와 같은 서로 다른 T&M 계측기는 주어진 측정에 대해 매우 다른 성능 특성을 요구할 수 있습니다. (표 출처: NI)

버스, 대역폭, 대기 시간

테스트 시스템을 형성하려면 T&M 계측기를 컨트롤러에 연결해야 합니다. 연결 버스의 신호 대역폭 및 대기 시간의 요구 사항은 중요하게 고려해야 합니다. 대역폭은 보통 초당 메가바이트 단위로 데이터가 전송되는 속도를 측정하는 반면 대기 시간은 전송되는 데이터의 지연 시간을 측정합니다. 일반적으로 사용하는 버스는 대역폭과 대기 시간 조합이 매우 다양합니다. 또 다른 요소는 버스가 지원하는 변속기 거리입니다. 예를 들어 범용 인터페이스 버스(GPIB)와 범용 직렬 버스(USB)는 유사한 대기 시간 수준을 지원하지만 USB가 더 높은 대역폭을 제공합니다. 기가비트 이더넷 자체는 대역폭이 중간이고 대기 시간은 더 길지만 훨씬 더 먼 거리에 전송할 수 있습니다.

T&M 시스템을 설계할 때 종종 PCI와 PCI Express를 사용합니다. 이는 최대 약 1m의 단거리 링크용으로 설계되었으며 대역폭이 높고 대기 시간이 짧습니다(그림 1). PCI Express의 중요한 특성은 버스의 각 장치에 전용 대역폭을 제공한다는 점입니다. 따라서 PCI Express는 여러 계측기의 운영을 통합하고 동기화해야 하는 실시간 T&M 시스템과 같은 고성능 및 데이터 집약 응용 분야를 위한 상호 연결 버스로 PCI Express를 선호합니다.

그림 1: PCI/PXI Express는 분해능 및 대기 시간의 고성능 결합을 제공합니다. (이미지 출처: NI)

T&M 계측기 번들

설계자는 고성능 T&M 시스템의 기반으로 NI의 PXI PPS 번들을 사용할 수 있습니다. PXI PPS 모듈은 DUT의 기본 전력 요구 사항을 제공하며 다수의 T&M 모듈로 확장하여 광범위한 장치 특성화, 설계 검증 및 제조 테스트 응용 분야를 지원할 수 있습니다. 섀시는 추가 계측기, 고성능 PXIe 상호 연결, 시스템 컨트롤러 역할을 하는 외부 데스크톱 또는 랩톱 컴퓨터와 연결하기 위한 통합 Thunderbolt 링크에 최대 58W의 전력 및 냉각을 제공합니다(그림 2).

그림 2: 기본 PXI PPS 번들에는 4개 이상의 PXI 계측기를 위한 컨트롤러, PPS 모듈, 슬롯이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: NI)

전력 소비를 측정하기 위해 전류와 전압 수준을 제어 및 모니터링하면서 프로그래밍 가능한 전력을 DUT에 공급하기 위해 PPS를 사용할 수 있습니다. PPS에는 시스템 배선의 손실을 해결하기 위해 원격 감지 기능이 있는 2개의 절연된 60W 채널이 있으며 일반적으로 78%의 효율을 보입니다. 또한 채널에는 테스트를 진행하고 있지 않을 때 DUT를 절연할 수 있는 출력 분리가 포함되어 있습니다.

DUT에 120W 전력을 제공하는 확장 가능한 PXI PPS 번들의 예로는 채널당 60VDC에서 최대 1A를 제공할 수 있는 PXIe-4112 2채널 PPS가 탑재된 867117-01(782857-01 모델과 유사), 채널당 10VDC에서 최대 6A를 제공할 수 있는 PXI2-4113 2채널 PPS가 탑재된 867118-01(782857-02 모델과 유사)이 포함되어 있습니다(그림 3).

그림 3: PXI PPS 번들은 출력이 60VDC(왼쪽) 또는 10VDC(오른쪽)인 전원 공급 장치 중에서 선택할 수 있습니다. (이미지 출처: NI)

T&M 시스템 신속 개발

NI는 설계자가 신속히 T&M 시스템 개발에 노력을 기울일 수 있도록 다양한 PXI 번들을 제공합니다. 그 예는 다음과 같습니다.

PXI 파형 생성기 번들을 사용하여 표준 함수와 사용자 정의, 임의 파형을 생성할 수 있습니다. PXI 파형 생성기 번들은 최대 80MHz의 대역폭, ±12V의 출력 범위 및 800MS/s의 최대 샘플링 속도로 최대 2개의 출력 채널을 제공합니다. 예를 들어 867119-01에는 20MHz 임의 함수 생성기가 있습니다.

PXI 오실로스코프 번들은 1.5GHz 아날로그 대역폭과 최대 5GS/s의 샘플링 속도로 최대 8개의 채널을 제공합니다. 867010-01 번들에는 60MHz 오실로스코프 모듈이 있습니다.

867111-01와 같은 PXI 소스 측정 장치(SMU) 번들은 DC 측정 및 테스트를 자동화하기 위해 설계되었습니다. SMU는 4사분면 작동, 최대 ±200V 및 ±3A에 이르는 범위, 100fA의 낮은 감도를 제공합니다. PXI SMU 번들은 고전력 스위프와 저전류 측정을 수행할 수 있습니다.

867113-01와 같은 PXI LCR 번들을 사용하여 단일 계측기에서 LCR 측정기와 SMU를 결합하여 DC 및 임피던스를 측정할 수 있습니다. 이 계측기는 단일 슬롯 PXI 폼 팩터에서 fA 전류 및 fF 정전 용량을 측정합니다.

PXI DMM 번들은 최대 7.5자리의 높은 정확도와 분해능으로 수동 프로브, 스위치 및 자동화된 DMM을 측정할 수 있습니다. 빠른 샘플링 속도를 통해 사용자는 오실로스코프 없이도 과도 상태를 특성화할 수 있습니다. 사용자는 획득 및/또는 시퀀싱을 위한 트리거를 구성할 수도 있습니다. 예를 들어 867115-01은 6.5자리 디스플레이를 제공합니다.

PXI 나노볼트 계측기 번들은 최대 28비트 분해능을 지원하는 고해상도 아날로그 입력 모듈입니다. 여기에는 한 쌍의 채널을 사용하여 높은 수준의 잡음 제거를 제공하는 초핑 모드를 포함하고 있으며 정확하고 반복 가능한 nV 측정, 온보드 신호 평균화 및 필터링, 자동 제로 측정 전환이 가능합니다. 867125-01 모델은 32채널, 28비트 분해능, 2MS/s 샘플링을 제공합니다.

867124-01와 같은 PXI 다기능 I/O 번들은 아날로그 I/O, 디지털 I/O, 카운터/타이머 및 트리거링 기능의 혼합을 제공합니다. PXI 다기능 I/O 번들은 최대 4개의 아날로그 출력 채널, 48개의 양방향 디지털 채널, 80개의 아날로그 입력 채널 및 2MS/s의 샘플링 속도를 제공합니다.

소프트웨어 정의 시스템

포괄적인 하드웨어 모듈 외에도 NI는 T&M 시스템 디자이너에게 InstrumentStudio와 LabVIEW를 포함하는 소프트웨어 개발 환경에 대한 선택권을 제공합니다.

InstrumentStudio는 NI PXI 계측기에 포함되어 테스트 엔지니어에게 자동화된 테스트 시스템을 모니터링하고 디버그할 수 있는 코드가 없는 단일 소프트웨어 환경을 제공합니다. 또한 사용자는 여러 계측기에서 데이터를 동시에 표시하는 화면을 만들 수 있습니다(그림 4). 도구를 사용하면 사용자는 스크린샷 및 측정 결과를 캡처하고 재사용하거나 다른 개발자들과 공유할 수 있는 DUT에 대한 프로젝트 수준 구성을 저장할 수 있습니다.

그림 4: InstrumentStudio는 하나의 화면에 여러 계측기의 데이터를 표시할 수 있습니다. 예를 들어 오실로스코프(왼쪽 큰 패널), DMM(오른쪽 상단 패널), 함수 생성기(오른쪽 하단 패널)의 데이터를 표시할 수 있습니다. (이미지 출처: NI)

LabVIEW는 NI의 소프트웨어 정의 테스트 개발 환경입니다. LabVIEW의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 통해 테스트 엔지니어는 자동화된 연구, 검증 및 생산 테스트 시스템을 빠르게 개발할 수 있습니다. 기본적으로 LabVIEW의 그래픽 접근 방식을 사용하면 비프로그래머도 계측기의 가상 표현을 드래그 앤 드롭하여 T&M 프로그램을 구축하고 대화형 사용자 인터페이스를 만들고 데이터를 .cvs, .tdms 또는 사용자 정의 이진 파일로 저장할 수 있습니다.

고급 프로그래머들은 Python, C, C++, C#, .NET, MATLAB에 사용할 수 있는 드라이버를 활용할 수 있습니다. NI는 또한 다음을 포함하는 포괄적인 T&M 환경 개발을 위해 여러 소프트웨어 도구를 제공합니다.

• 자동화된 테스트 시퀀스 생성용 TestStand
• 웹 애플리케이션 구축용 G Web 개발 소프트웨어
• 대화형 데이터 분석용 DIAdem
• T&M 데이터 취득 및 로깅용 FlexLogger

결론

부품 및 시스템의 설계, 검사, 생산 테스트를 위한 소프트웨어 정의 테스트 환경을 만들려면 여러 T&M 계측기를 사용해야 합니다. 관련된 연결성, 비용, 공간 요구 사항이 적용된 여러 제조업체의 계측기를 사용하는 대신 테스트 엔지니어는 콤팩트하고 유연하며 고성능 테스트 시스템을 생산하는 데 사용할 수 있는 NI의 계측기 번들을 사용할 수 있습니다. NI는 또한 개발 프로세스를 가속화하기 위해 소프트웨어 환경 선택권을 제공합니다.

추천 자료

1. 콤팩트 데이터 취득 시스템을 구축하는 방법
2. 벤치톱 전원 공급 장치의 프로그래밍 가능성, 네트워킹 및 리드리스 원격 감지 기능 적용