Obtenga un sistema de prueba automatizado compacto y en funcionamiento rápidamente utilizando paquetes de osciloscopios PXI

Diseñar un sistema de prueba automatizado multicanal con instrumentos independientes es muy ineficiente ya que duplica funciones básicas como pantallas, paneles frontales, fuentes de alimentación y cables de alimentación. La comunicación con los instrumentos de bastidor y pila también es improductiva ya que la mayoría de estos instrumentos probablemente usan extensiones LAN para instrumentos (LXI) basadas en Ethernet, que son más lentas y tienen más sobrecarga de programación que algunas de las interfaces seriales más rápidas, como Thunderbolt 3.

Un mejor enfoque es utilizar instrumentos modulares que ofrezcan la funcionalidad necesaria pero con un factor de forma compacto. En una configuración de este tipo, varios instrumentos como osciloscopios, multímetros y generadores de señales caben uno al lado de otro en un chasis común. Los instrumentos se comunican internamente con una estructura de bus común que garantiza el funcionamiento sincrónico de todos los instrumentos. También están controlados por una PC que ejecuta un software unificador que permite controlar todos los instrumentos desde una pantalla común.

Veamos cómo podría funcionar esto utilizando equipos de NI, que ha estado desarrollando y comercializando sistemas automatizados de prueba y medición durante muchos años. Ha simplificado el diseño del sistema de prueba por medio de la oferta de una serie de paquetes de osciloscopios que utilizan extensiones PCI para instrumentación (PXI), una plataforma basada en PCI con una interfaz paralela, que es ideal para crear sistemas de prueba con múltiples instrumentos, y un alto número de canales.

Paquetes PXI

Además del bus de computadora PCI subyacente, PXI agrega relojes, sincronización y buses de activación, junto con capacidad de configuración de software para construir sistemas de prueba altamente flexibles. El chasis PXI suministra energía a todos los módulos y proporciona comunicaciones internas de módulo a módulo, así como un enlace de comunicaciones de módulo a PC de alta velocidad.

Los paquetes de NI incluyen un chasis PXI con cinco ranuras para instrumentos modulares, una selección de módulos de osciloscopio, cables o sondas necesarios y el software InstrumentStudio para control (Figura 1).

Figura 1: El paquete de osciloscopio PXI de NI incluye el chasis PXI, un módulo de osciloscopio PXI, el software multiinstrumento InstrumentStudio y cables. (Fuente de la imagen: NI)

Los paquetes de osciloscopios PXI de NI ofrecen una selección de seis módulos de osciloscopio con recuentos de canales de 2, 4 u 8, con anchos de banda que van desde 60 megahercios (MHz) a 1.5 gigahercios (GHz) y velocidades de muestreo entre 60 y 5000 megamuestras por segundo (MS/s) (Tabla 1). Para el chasis, PXIe indica que admite la interfaz serial PCIe más rápida.

Tabla 1: Resumen de las especificaciones de osciloscopios modulares del paquete de osciloscopios PXI de NI. Todos los productos del paquete utilizan el mismo chasis PXIe. (Fuente de la tabla: Art Pini, según datos de NI)

Por ejemplo, el 867011-01 utiliza un módulo de osciloscopio de doble canal PXIe-5110 con un ancho de banda de 100 MHz y una frecuencia de muestreo de 1000 MS/s (Figura 2).

Figura 2: El PXIe-5100 es un módulo de osciloscopio PXIe de doble canal que se suministra con el paquete de osciloscopio PXI 867011-01, junto con dos sondas de osciloscopio. (Fuente de la imagen: NI)

El osciloscopio PXI ocupa una única ranura para módulo en el chasis, dejando cuatro ranuras para otros instrumentos. Por ejemplo, para obtener 16 canales, podría usar dos módulos PXIe-5105 o PXIe-5172. También puede incluir otros instrumentos PXI y opciones de soporte, como multímetros, generadores de formas de onda, contadores o fuentes de alimentación, por nombrar solo algunas de las muchas opciones de equipos disponibles.

Usar el paquete PXI de forma efectiva

Existen algunas reglas generales relativas a los osciloscopios digitales. Por ejemplo, la frecuencia de muestreo debe ser superior al doble del ancho de banda para evitar el solapamiento. Mirando la Tabla 1, el PXIe-5105 tiene un ancho de banda analógico de 60 MHz y una velocidad de muestreo máxima de 60 MS/s. El PXIe-5105 evita problemas de solapamiento al incluir un filtro antisolapamiento interno de 24 MHz con una característica de atenuación pronunciada, que limita el ancho de banda a menos de la mitad de la velocidad de muestreo máxima de 60 MS/s.

La longitud de la memoria controla la adquisición más larga que se puede lograr con la frecuencia de muestreo máxima. Las adquisiciones más largas requieren una reducción en la frecuencia de muestreo. La longitud de la memoria es más importante cuando se trata de eventos de forma de onda larga, como una aplicación de alcance ultrasónico en un vehículo que puede requerir una duración de milisegundos. Para esta aplicación, el osciloscopio PXI 867010-01 que funciona a la velocidad de muestreo máxima de 60 MS/s puede adquirir 2.1 segundos (s) de datos en su memoria de 128 MB.

La resolución del osciloscopio determina el rango dinámico teórico del instrumento. Idealmente, un osciloscopio de 8 bits puede digitalizar una señal entre amplitud de escala completa (FSA) y FSA/256 (es decir, bits de 2^número). Cuanto mayor sea el número de bits, más fina será la resolución del voltaje. Esto es importante en aplicaciones donde el osciloscopio mide amplitudes de señal muy pequeñas en presencia de señales de gran amplitud. La aplicación de alcance ultrasónico nuevamente proporciona un ejemplo. El pulso transmitido estará cerca de FSA, pero el eco reflejado podría ser 1000 o más veces más pequeño, requiriendo un rango dinámico de 60 decibeles (dB). Una regla general es que cada bit de resolución proporciona 6 dB de rango dinámico, por lo que un rango dinámico de 1000:1 necesitaría más de 10 bits de resolución.

Como ocurre con todos los instrumentos reales, la resolución de voltaje alcanzable es generalmente inferior a la ideal debido al ruido y la distorsión. Las cifras de mérito que se utilizan para medir la resolución real de un osciloscopio son el número efectivo de bits (ENOB) y el rango dinámico libre de espurios (SFDR) (Figura 3).

Figura 3: El ENOB y el SFDR son medidas de resolución de osciloscopio que tienen en cuenta productos de ruido y distorsión como los armónicos. (Fuente de la imagen: NI)

El SFDR, expresado en dB, mide la resolución como la diferencia entre la escala completa y el pico espectral más alto en el espectro de frecuencia de la forma de onda adquirida. El ENOB determina la resolución, en bits, de un digitalizador ideal con un rango dinámico entre la escala completa y el nivel de cuantificación de ruido medio cuadrático (RMS). El ENOB es siempre menor que la resolución teórica del osciloscopio. También depende de la frecuencia y la amplitud, y varía con la frecuencia de la señal de entrada.

Software

Para el control interactivo de múltiples instrumentos simultáneamente, puede usar InstrumentStudio de NI con el paquete de osciloscopio PXI (Figura 4). Cada instrumento tiene una ventana de control asignada por el usuario que permite monitorear y depurar las operaciones del sistema de prueba.

Figura 4: La interfaz de usuario de InstrumentStudio admite el control interactivo de múltiples instrumentos PXI; cada instrumento tiene una ventana de control asignada por el usuario que permite monitorear y depurar las operaciones del sistema de prueba. (Fuente de la imagen: Art Pini)

InstrumentStudio permite el monitoreo y la depuración en tiempo real de componentes de prueba automatizados, incluidas fuentes de alimentación, fuentes de señal, multímetros y otros instrumentos PXI. También se puede utilizar para exportar configuraciones de instrumentos directamente a software de prueba de NI más avanzado como LabView.

InstrumentStudio incluye capacidad de medición y análisis para el osciloscopio PXI. Tiene 35 parámetros de medición de uso común, como amplitud de pico a pico, frecuencia, ciclo de trabajo y cursores de tiempo y amplitud. El análisis del dominio de frecuencia en forma de función de transformada rápida de Fourier (FFT) con promedio está disponible para proporcionar visualizaciones similares a las de un analizador de espectro. La pantalla de FFT puede incluir hasta 12 marcadores colocados por el usuario para leer la amplitud y frecuencia de picos específicos en la pantalla del espectro de frecuencia.

El enlace de datos

El chasis PXI se controla desde una PC a través de un enlace Thunderbolt 3 que puede transmitir a una velocidad de hasta 40 gigabits por segundo (Gbits/s) en cada dirección simultáneamente. El chasis PXI tiene dos conectores Thunderbolt 3 en el panel frontal de la ranura del controlador. Se proporcionan dos conectores Thunderbolt 3 para permitir conexiones en cadena a múltiples dispositivos compatibles con Thunderbolt 3, como un monitor externo.

El sistema de prueba

Tomar todas estas piezas individuales y juntarlas da como resultado un sistema de prueba muy compacto. El chasis PXI y tres módulos juntos (un osciloscopio, un multímetro digital (DMM) y una fuente de alimentación) son más pequeños que un solo osciloscopio de bastidor y pila (Figura 5).

Figura 5: Un sistema típico basado en un paquete de osciloscopios PXI que utiliza un chasis, un osciloscopio, una fuente de alimentación, un DMM y el software InstrumentStudio, mostrado junto al mismo tipo de instrumentos en bastidor y pila. (Fuente de la imagen: NI)

El dispositivo bajo prueba (DUT) en la Figura 5 es una placa Arduino configurada para generar una señal modulada por ancho de pulso (PWM). La fuente de alimentación genera 5 voltios para encenderla, el DMM lee los 3.3 voltios regulados en el dispositivo y el osciloscopio muestra la forma de onda PWM. La interconexión con el DUT se realiza mediante sondas de osciloscopio convencionales (suministradas con los osciloscopios PXI con conectores de entrada BNC) y cables de prueba convencionales. Los instrumentos equivalentes de bastidor y pila, que se muestran a la derecha, son significativamente más grandes.

Conclusión

Los paquetes de osciloscopios PXI de NI ofrecen una base sólida para un sistema de prueba automatizado compacto. Admiten configuraciones de múltiples canales con hasta cinco instrumentos modulares individuales. El software InstrumentStudio permite mediciones interactivas de su DUT tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia con un conjunto completo de herramientas de medición, que incluyen parámetros, cursores y marcadores.