PXI 오실로스코프 번들을 사용하여 콤팩트한 자동 테스트 시스템을 구동하고 빠르게 실행하기

독립형 계측기를 사용하여 다중 채널 자동 테스트 시스템을 설계하는 것은 디스플레이, 전면 패널, 전원 공급 장치, 전력 코드와 같은 기본 기능을 복제하기 때문에 매우 비효율적입니다. 이러한 계측기 대부분이 Thunderbolt 3과 같은 일부 고속 직렬 인터페이스보다 속도가 느리고 프로그래밍 오버헤드가 더 많은 이더넷 기반 LXI(LAN Extensions for Instruments)를 사용하기 때문에 랙 및 스택 계측기와의 통신도 비생산적입니다.

필요한 기능을 제공하면서 콤팩트한 폼 팩터로 모듈식 계측기를 사용하는 것이 더 좋은 방법입니다. 이러한 설정에서 오실로스코프, 다중 계측기, 신호 발생기와 같은 여러 계측기가 공통 섀시에 나란히 장착됩니다. 계측기는 모든 계측기의 동기식 작동을 보장하는 공통 버스 구조와 내부적으로 통신합니다. 또한 모든 계측기를 공통 화면에서 제어할 수 있는 통합 소프트웨어를 실행하는 PC로 제어할 수 있습니다.

수년 동안 자동 테스트 및 측정 시스템을 개발하고 상용화한 NI의 장비를 사용하여 이것이 작동하는 방법을 살펴보겠습니다. 이 장비는 PXI(PCI extensions for Instrumentation)를 사용하는 다양한 오실로스코프 번들을 제공하여 테스트 시스템 설계를 간소화했습니다. 여기서 PXI는 여러 계측기와 높은 채널 수를 가진 테스트 시스템을 생성하는 데 이상적인 병렬 인터페이스를 갖춘 PCI 기반 플랫폼입니다.

PXI 번들

기본 PCI 컴퓨터 버스 위에 PXI는 클록, 동기화, 트리거링 버스를 추가하고 소프트웨어를 구성할 수 있는 기능을 통해 매우 유연한 테스트 시스템을 구축합니다. PXI 섀시는 모든 모듈에 전력을 공급하고 내부 모듈 간 통신과 고속 모듈 및 PC 간 통신 링크를 제공합니다.

NI의 번들에는 5개의 모듈식 계측기 슬롯이 있는 PXI 섀시와 다양한 오실로스코프 모듈, 필요한 케이블 또는 프로브, 제어용 InstrumentStudio 소프트웨어가 포함됩니다(그림 1).

그림 1: NI PXI 오실로스코프 번들에는 PXI 섀시, PXI 오실로스코프 모듈, InstrumentStudio 다중 계측 소프트웨어 및 케이블이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: NI)

NI의 PXI 오실로스코프 번들은 채널 수가 2개, 4개 또는 8개이며 대역폭은 60MHz ~ 1.5GHz이고, 샘플링 속도는 60MS/s ~ 5000MS/s인 6개의 오실로스코프 모듈을 선택할 수 있습니다(표 1). 섀시의 경우 PXIe는 더 빠른 PCIe 직렬 인터페이스 지원을 나타냅니다.

표 1: NI PXI 오실로스코프 번들의 모듈식 오실로스코프 사양 요약. 모든 번들 제품은 동일한 PXIe 섀시를 사용합니다. (표 출처: Art Pini, NI 데이터를 기준으로 작성)

예를 들어 867011-01은 대역폭이 100MHz이고 샘플링 속도가 1000MS/s인 PXIe-5110 이중 채널 오실로스코프 모듈을 사용합니다(그림 2).

그림 2: PXIe-5100은 2개의 오실로스코프 프로브와 함께 867011-01 PXI 오실로스코프 번들이 제공되는 이중 채널 오실로스코프 PXIe 모듈입니다. (이미지 출처: NI)

PXI 오실로스코프는 섀시에서 단일 모듈 슬롯을 차지하여 기타 계측기는 4개의 슬롯을 사용할 수 있습니다. 예를 들어 16개의 채널을 얻으려면 2개의 PXIe-5105 모듈 또는 PXIe-5172 모듈을 사용할 수 있습니다. 사용 가능한 여러 장비 옵션의 예를 들자면 기타 PXI 계측기와 지원 옵션(예: 다중 계측기, 파형 생성기, 카운터 또는 전원 공급 장치 등)도 포함할 수 있습니다.

PXI 번들의 효과적인 사용

디지털 오실로스코프에 관한 몇 가지 경험 규칙이 있습니다. 예를 들어 샘플링 속도는 앨리어싱을 방지하기 위해 대역폭의 두 배보다 커야 합니다. 표 1을 보면 PXIe-5105는 아날로그 대역폭이 60MHz이고 최대 샘플링 속도는 60MS/s입니다. PXIe-5105는 날카로운 상향 전이 특성을 지닌 내부 24MHz 안티앨리어싱 필터를 포함하고 대역폭을 60MS/s의 최대 샘플링 속도의 절반 미만으로 제한하여 앨리어싱 문제를 방지합니다.

메모리 길이는 최대 샘플링 속도에서 얻을 수 있는 가장 긴 취득을 제어합니다. 취득이 길어지면 샘플링 속도가 감소해야 합니다. 메모리 길이는 지속 시간이 밀리초 단위로 필요한 차량에서 초음파 거리 측정 응용 분야와 같은 긴 파형 이벤트를 다룰 때 가장 중요합니다. 이 응용 분야의 경우 최대 샘플링 속도 60MS/s에서 실행되는 867010-01 PXI 오실로스코프는 128MB 메모리에서 2.1초의 데이터를 가져올 수 있습니다.

오실로스코프의 분해능은 계측기의 이론적 작동 범위를 결정합니다. 8비트 오실로스코프는 전체 범위 진폭(FSA)과 FSA/256(즉 2^숫자 비트) 사이에서 신호를 이상적으로 디지털화할 수 있습니다. 따라서 비트 수가 많을수록 전압 분해능이 더 미세해집니다. 이는 오실로스코프가 큰 진폭 신호가 있을 때 매우 작은 신호 진폭을 측정하는 응용 분야에서 중요합니다. 초음파 거리 측정 응용 분야는 한 가지 예를 제공합니다. 송신된 펄스는 FSA에 가깝지만 반사된 에코가 1000배 이상 작을 수 있으므로 60dB의 작동 범위가 필요합니다. 대략적인 경험 규칙에 따르면 각 분해능 비트가 6dB의 작동 범위를 제공하므로 1000:1 작동 범위는 10비트보다 더 나은 분해능이 필요합니다.

모든 실제 계측기에서처럼 잡음 및 왜곡으로 인해 달성 가능한 전압 분해능은 일반적으로 이상적이지는 않습니다. 오실로스코프의 실제 분해능을 측정하는 데 사용되는 성능 지수는 유효 비트 수(ENOB)와 스퓨리어스가 없는 작동 범위(SFDR)입니다(그림 3).

그림 3: ENOB와 SFDR은 고초파 같은 잡음 및 왜곡 제품을 설명하는 오실로스코프 분해능을 측정한 것입니다. (이미지 출처: NI)

SFDR은 dB 단위로 측정되며 취득한 파형의 주파수 스펙트럼에서 전체 범위와 최고 스펙트럼 피크 사이의 차이로 분해능을 측정합니다. ENOB는 전체 범위와 실효값(RMS) 잡음 양자화 수준 사이의 작동 범위를 갖는 이상적인 디지타이저의 분해능을 비트 단위로 결정합니다. ENOB는 항상 오실로스코프의 이론적 분해능보다 낮고 주파수와 진폭에 따라 다르며 입력 신호 주파수에 따라 달라집니다.

소프트웨어

여러 계측기를 동시에 대화식으로 제어하기 위해 PXI 오실로스코프 번들과 함께 NI의 InstrumentStudio를 사용할 수 있습니다(그림 4). 각 계측기에는 테스트 시스템 작업을 모니터링하고 디버깅할 수 있는 사용자 지정 제어 창이 있습니다.

그림 4 : InstrumentStudio 사용자 인터페이스는 여러 PXI 계측기를 대화식으로 제어할 수 있도록 지원합니다. 각 계측기에는 테스트 시스템 작업을 모니터링하고 디버깅할 수 있는 사용자 지정 제어 창이 있습니다. (이미지 출처: Art Pini)

InstrumentStudio를 통해 전원 공급 장치, 신호 발생기, 다중 계측기 및 기타 PXI 계측기 등 자동 테스트 부품을 실시간으로 모니터링하고 디버깅할 수 있습니다. 또한 계측기 구성을 LabVIEW와 같은 고급 NI 테스트 소프트웨어로 직접 내보내는 데 사용할 수 있습니다.

InstrumentStudio에는 PXI 오실로스코프를 위한 측정 및 분석 기능이 포함되어 있습니다. 이 제품은 피크 간 진폭, 주파수, 듀티 사이클, 시간 및 진폭 커서와 같이 흔히 사용되는 35개의 측정 파라미터가 있습니다. 평균을 이용한 고속 프리에 변환(FFT) 기능의 형태로 주파수 영역 분석은 스펙트럼 분석기 같은 디스플레이를 제공할 수 있습니다. FFT 디스플레이에는 주파수 스펙트럼 디스플레이에서 특정 피크의 진폭과 주파수를 판독하는 최대 12개의 사용자 배치형 마커가 포함될 수 있습니다.

데이터 링크

PXI 섀시는 각 방향으로 동시에 최대 40Gbits/s의 속도로 전송할 수 있는 Thunderbolt 3 링크를 통해 PC에서 제어됩니다. PXI 섀시에는 컨트롤러 슬롯의 전면 패널에 2개의 Thunderbolt 3 커넥터가 있습니다. 외부 모니터와 같은 Thunderbolt 3의 여러 호환 장치에 데이지 체인 연결이 가능하도록 2개의 Thunderbolt 3 커넥터가 제공됩니다.

테스트 시스템

이 모든 개별 부분을 가져와 함께 결합하면 매우 콤팩트한 테스트 시스템이 됩니다. PXI 섀시 및 3개의 모듈(오실로스코프, 디지털 다중 계측기(DMM), 전원 공급 장치)을 합친 것이 단일 랙 및 스택 오실로스코프보다 작습니다(그림 5).

그림 5: 섀시, 오실로스코프, 전원 공급 장치, DMM 및 InstrumentStudio 소프트웨어를 사용하는 일반적인 PXI 오실로스코프 번들 기반 시스템과 그 옆에 놓여 있는 동일한 유형의 랙 및 스택 계측기. (이미지 출처: NI)

그림 5의 테스트 중인 장치(DUT)는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 생성하도록 설정된 Arduino 기판입니다. 전원 공급 장치는 5V를 생성하여 전력을 공급하고 DMM은 장치에서 조절된 3.3V를 판독하며 오실로스코프는 PWM 파형을 보여줍니다. 기존 오실로스코프 프로브(BNC 입력 커넥터가 있는 PXI 오실로스코프와 함께 제공)와 기존 테스트 리드를 통해 DUT와 상호 연결됩니다. 오른쪽에 나와 있는 동급의 랙 및 스택 계측기가 훨씬 더 큽니다.

결론

NI PXI 오실로스코프 번들은 콤팩트한 자동 테스트 시스템을 위한 견고한 기반을 제공합니다. 최대 5개의 개별 모듈식 계측기와 함께 다중 채널 구성을 지원합니다. InstrumentStudio 소프트웨어는 파라미터, 커서, 마커를 포함한 측정 도구의 완전한 세트를 사용하여 시간 및 주파수 영역에서 DUT를 대화형으로 측정할 수 있습니다.