Cómo acelerar el diseño, la validación y las pruebas de producción de sistemas mediante instrumentos y software modulares

Se necesitan numerosos instrumentos de prueba y medición (T&M) a la hora de diseñar, validar y probar la producción de componentes y sistemas para automoción, consumo, industria, medicina y otras aplicaciones. Estos conjuntos de instrumentos de E&M deben ser compactos y de alto rendimiento. Necesitan baja latencia y alta densidad de canales y ancho de banda. Además, las necesidades de diseño pueden cambiar con el tiempo, por lo que la modularidad es una gran ventaja para que el sistema esté preparado para el futuro. En muchos casos, estas actividades de T&M implican pruebas repetitivas o la colaboración entre equipos dispersos geográficamente, lo que hace que las pruebas definidas por software sean una característica muy deseable.

El uso de un grupo de instrumentos convencionales es una posible solución. Sin embargo, la integración de dispositivos de distintos fabricantes, como la presentación de la información en varias pantallas, la compatibilidad de los programas informáticos, la gran cantidad de cables y el espacio necesario para los distintos instrumentos, puede plantear problemas.

En su lugar, los diseñadores de sistemas de T&M pueden recurrir a paquetes de instrumentos modulares de alto rendimiento y otros módulos de E/S con sincronización especializada y funciones de software clave, que abarcan desde la validación de dispositivos hasta las pruebas de producción automatizadas. Estas unidades agrupadas están disponibles en un sistema de medición compacto PXI Express de cinco ranuras que se controla con una computadora portátil o de escritorio a través de un puerto USB-C Thunderbolt.

Este artículo comienza repasando brevemente las métricas de rendimiento de los sistemas de instrumentos modulares, incluidas las categorías de instrumentación analógica. A continuación, presenta una comparación del rendimiento de varios buses para sistemas de instrumentos modulares y examina los retos relacionados con el aumento de la resolución y la disminución de las latencias. Concluye presentando los paquetes de fuentes de alimentación programables (PPS) PXI de NI, que incluyen módulos para multímetros digitales, medidores LCR, osciloscopios, E/S multifunción, generadores de formas de onda y unidades de medida de fuentes, junto con herramientas de software para automatizar el proceso de T&M.

¿Qué tipo de medición se necesita?

El proceso para determinar qué tipo de instrumento de T&M se necesita comienza con un par de preguntas básicas:

• ¿La señal que se mide es de entrada, de salida o ambas?
• ¿La frecuencia de la señal es de corriente continua (CC) o alterna (CA) y, si es de CA, está expresada en kilohercios (kHz), megahercios (MHz) o gigahercios (GHz)?

Las respuestas a estas preguntas ayudan a determinar si el instrumento que se necesita es para aplicaciones de CC y potencia, analógicas de baja velocidad, analógicas de alta velocidad o de radiofrecuencia (RF) e inalámbricas (Tabla 1).

Cuadro 1: Existen varias categorías básicas de instrumentos de T&M basadas en las características de entrada y salida y en los niveles de rendimiento. (Fuente del cuadro: NI)

Especificaciones de los instrumentos analógicos

Una vez determinado el tipo general de instrumento necesario para una tarea de medición, es hora de identificar los requisitos específicos de rendimiento, entre ellos:

• Los fundamentos de la señal incluyen garantizar que: el rango de señal es lo suficientemente grande como para capturar las señales requeridas, la impedancia soporta la carga del DUT y los requisitos de frecuencia de la medición, y el aislamiento de tierra soporta los niveles requeridos de inmunidad al ruido y seguridad.
• El ancho de banda, en kHz, MHz o GHz, debe ser el adecuado para manejar las señales que se miden, y el convertidor de analógico a digital (ADC) debe ser lo suficientemente rápido en términos de muestras por segundo, como kilamuestras por segundo (kS/s), megamuestras por segundo (MS/s) o gigamuestras por segundo (GS/s) para captar los matices necesarios de la señal.
• La resolución y la precisión también son consideraciones importantes. ¿Se necesitan 8 bits, 24 bits u otro nivel de resolución? ¿Cuál es la tasa de error máxima en términos de porcentaje o partes por millón que se puede tolerar? Además, ¿cuál es la sensibilidad necesaria en unidades absolutas como microvoltios (µV) o nanovoltios (nV)?

Los distintos tipos de instrumentos de T&M requieren diferentes rangos de aislamiento e impedancia de entrada, especificaciones de acoplamiento y filtrado de entrada, sensibilidades del amplificador y resolución y precisión de la medición, como se muestra en el ejemplo de la ruta de entrada analógica del instrumento de medición (Tabla 2).

Tabla 2: Los distintos instrumentos de T&M, como un multímetro digital (DMM) y un osciloscopio, pueden requerir características de rendimiento muy diversas para una medición determinada. (Fuente del cuadro: NI)

Buses, ancho de banda y latencia

Los instrumentos de T&M deben conectarse a un controlador para formar un sistema de TEST. Los requisitos de ancho de banda de la señal y latencia del bus de conexión son consideraciones importantes. El ancho de banda mide la velocidad a la que se transmiten los datos, normalmente en megabytes por segundo, mientras que la latencia mide el retraso en la transmisión de los datos. Las combinaciones de ancho de banda y latencia de los buses más utilizados varían mucho. Otro factor es la distancia de transmisión que admite el bus. Por ejemplo, el bus de interfaz de propósito general (GPIB) y el bus serie universal (USB) pueden soportar niveles similares de latencia, pero USB ofrece un mayor ancho de banda. Por su parte, Gigabit Ethernet tiene un ancho de banda medio y una latencia más alta, pero puede transmitir a distancias mucho mayores.

Cuando se diseñan sistemas de T&M, suelen utilizarse PCI y PCI Express. Están diseñados para enlaces de corto alcance, de hasta 1 metro (m) aproximadamente, y proporcionan un gran ancho de banda y baja latencia (Figura 1). Una característica importante de PCI Express es que proporciona un ancho de banda dedicado para cada dispositivo del bus. Esto convierte a PCI Express en el bus de interconexión preferido para aplicaciones de alto rendimiento y uso intensivo de datos, como los sistemas de T&M en tiempo real, en los que es necesario integrar y sincronizar el funcionamiento de varios instrumentos.

Figura 1: PCI/PXI Express ofrece la combinación de resolución y latencia de mayor rendimiento. (Fuente de la imagen: NI)

Paquetes de instrumentos de E&M

Los diseñadores pueden recurrir a los paquetes PXI PPS de NI como base para sistemas de E&M de alto rendimiento. Los módulos PXI PPS cubren las necesidades básicas de alimentación del DUT y pueden ampliarse con numerosos módulos de T&M para soportar una amplia gama de aplicaciones de caracterización de dispositivos, validación de diseños y pruebas de fabricación. El chasis suministra hasta 58 Vatios de potencia y refrigeración para instrumentos adicionales, interconexiones PXIe de alto rendimiento y un enlace Thunderbolt integrado para conectar con una computadora de escritorio o portátil externa, que actúa como controlador del sistema (Figura 2).

Figura 2: Un paquete PXI PPS básico incluye un controlador, un módulo PPS y ranuras para otros cuatro instrumentos PXI. (Fuente de la imagen: NI)

Los PPS pueden utilizarse para suministrar alimentación programable a un DUT mientras se controlan y supervisan los niveles de corriente y tensión para medir el consumo de energía. Tienen dos canales aislados de 60 vatios con detección remota para corregir las pérdidas en el cableado del sistema, con una eficiencia típica del 78%. Los canales también incluyen desconexiones de salida que pueden aislar el DUT cuando no se está probando.

Algunos ejemplos de paquetes PXI PPS ampliables con 120 Vatios de potencia para el DUT son el 867117-01 con un PXIe-4112 de dos canales (como el modelo 782857-01) que puede suministrar un máximo de 1 amperio (A) a 60 voltios CC por canal, y el 867118-01 con un PXI2-4113 de dos canales (como el modelo 782857-02) que puede suministrar hasta 6 A a 10 voltios CC por canal (Figura 3).

Figura 3: Los paquetes PXI PPS están disponibles con una selección de fuentes de alimentación con salidas de 60 voltios CC (izquierda) o 10 voltios CC (derecha). (Fuente de la imagen: NI)

Puesta en marcha del desarrollo del sistema E&M

NI ofrece a los diseñadores una gama de paquetes PXI para poner en marcha sus esfuerzos de desarrollo de sistemas de T&M. Algunos ejemplos son:

Paquetes de generadores de forma de onda PXI que pueden utilizarse para generar funciones estándar y formas de onda arbitrarias definidas por el usuario. Los paquetes de generadores de forma de onda PXI presentan hasta dos canales de salida con anchos de banda de hasta 80 MHz, un rango de salida de ±12 voltios y una frecuencia de muestreo máxima de 800 MS/s. Por ejemplo, el 867119-01 incluye un generador de funciones arbitrarias de 20 MHz.

Los paquetes de osciloscopios PXI incluyen hasta ocho canales que pueden muestrear a velocidades de hasta 5 GS/s con 1,5 GHz de ancho de banda analógico. El paquete 867010-01 incluye un módulo de osciloscopio de 60 MHz.

Los paquetes PXI Source Measure Unit (SMU), como el 867111-01, están diseñados para automatizar las mediciones y pruebas de CC. Las SMU presentan un funcionamiento en cuatro cuadrantes, rangos de hasta ±200 voltios y ±3 A, y una sensibilidad tan baja como 100 femtoamperios (fA). Los paquetes PXI SMU combinan la capacidad de realizar barridos de alta potencia y mediciones de baja corriente.

Los PXI LCR Bundles, como el 867113-01, pueden utilizarse para realizar mediciones de CC e impedancia combinando un medidor de LCR y una SMU en un único instrumento. Este instrumento proporciona medidas de corriente de fA y capacitancia de femtofaradios (fF) en un factor de forma PXI de una sola ranura.

Los paquetes PXI DM M permiten realizar mediciones de multímetros digitales (DMM) manuales, con interruptor y automatizadas con alta resolución y precisión de hasta 7,5 dígitos. Una alta velocidad de muestreo permite a los usuarios caracterizar los transitorios sin necesidad de un osciloscopio. Los usuarios también pueden configurar disparadores para la adquisición o secuenciación. Por ejemplo, el modelo 867115-01 dispone de una pantalla de 6,5 dígitos.

Los paquetes de medidores PXI Nanovolt son módulos de entrada analógica de alta resolución con una resolución de hasta 28 bits. Incluyen un modo de picado que utiliza un par de canales para proporcionar altos niveles de rechazo del ruido, lo que permite realizar mediciones de nV precisas y repetibles y promediar y filtrar la señal a bordo, así como conmutar automáticamente a cero las mediciones. Características del modelo 867125-01: 32 canales, resolución de 28 bits y muestreo de 2 MS/s.

Los paquetes de E/S multifunción PXI, como el 867124-01, proporcionan una mezcla de E/S analógicas, E/S digitales, contador/temporizador y funciones de disparo. Los paquetes de E/S multifunción PXI incluyen hasta cuatro canales de salida analógica, 48 canales digitales bidireccionales, 80 canales de entrada analógica y una frecuencia de muestreo de 2 MS/s.

El software define el sistema

Además de los completos módulos de hardware, NI ofrece a los diseñadores de sistemas de T&M una selección de entornos de desarrollo de software, incluyendo InstrumentStudio y LabVIEW.

Incluido con los instrumentos NI PXI, InstrumentStudio ofrece a los ingenieros de pruebas un único entorno de software sin código para supervisar y depurar los sistemas de pruebas automatizados. Además, los usuarios pueden crear pantallas que presenten datos de varios instrumentos simultáneamente (Figura 4). Las herramientas permiten a los usuarios capturar pantallas y resultados de mediciones y guardar configuraciones a nivel de proyecto para DUT que pueden reutilizarse o compartirse con otros desarrolladores.

Figura 4: InstrumentStudio puede presentar datos de varios instrumentos en una sola pantalla. Por ejemplo, desde un osciloscopio (panel grande izquierdo), un multímetro digital (DMM) (panel superior derecho) y un generador de funciones (panel inferior derecho). (Fuente de la imagen: NI)

LabVIEW es el entorno de desarrollo de pruebas definido por software de NI. Gracias a su interfaz gráfica de usuario (GUI), los ingenieros de pruebas pueden desarrollar rápidamente sistemas automatizados de pruebas de investigación, validación y producción. En un nivel básico, el enfoque gráfico de LabVIEW permite a los no programadores arrastrar y soltar representaciones virtuales de instrumentos para construir programas de T&M, crear interfaces de usuario interactivas y guardar datos en .cvs, .tdms o archivos binarios definidos por el usuario.

Los programadores más avanzados pueden beneficiarse de los controladores disponibles para Python, C, C++, C#, .NET y MATLAB. NI también ofrece un paquete de herramientas de software para el desarrollo de entornos integrales de E&M que incluyen:

• TestStand para crear secuencias de pruebas automatizadas
• G Software de desarrollo web para crear aplicaciones web
• DIAdem para el análisis interactivo de datos
• FlexLogger para adquisición de datos y registro de E&M

Conclusión:

La creación de entornos de pruebas definidos por software para el diseño, la validación y las pruebas de producción de componentes y sistemas requiere el uso de varios instrumentos de pruebas y medición. En lugar de utilizar instrumentos de múltiples proveedores con los requisitos asociados de conectividad, coste y espacio, los ingenieros de pruebas pueden recurrir a los paquetes de instrumentos de NI que se pueden utilizar para producir sistemas de pruebas compactos, flexibles y de alto rendimiento. NI también ofrece una selección de entornos de software para acelerar el proceso de desarrollo.

Lectura recomendada

1. Cómo construir un sistema compacto de adquisición de datos
2. Aplique las Características de programabilidad, conexión en red y detección remota sin conductor de las fuentes de alimentación de sobremesa.