如何利用模块化仪器和软件来加快系统设计、验证和生产测试

作者:Jeff Shepard

投稿人:DigiKey 北美编辑

在对面向汽车、消费、工业、医疗和其他应用的元器件和系统进行设计、验证和生产测试时,需要多种测试与测量 (T&M) 仪器。这些成套的 T&M 仪器必须外形紧凑,并且具有高性能。它们必须兼具低延迟与高通道密度和带宽。此外,设计需求可能随着时间的推移而改变,所以模块化是一个很大的优势,让系统能够适应未来的需求。在许多情况下,这些测试与测量活动需要反复测试,或在分散于各地的团队之间开展协作,这使得软件定义的测试成为迫切需要的功能。

使用一组常规仪器可能是一种解决方案。然而,对来自众多制造商的设备进行系统集成可能产生诸多问题,包括信息显示在多个屏幕上、软件兼容性、大量布线、众多分立仪器需要庞大的空间,这会带来挑战。

从设备验证到自动化生产测试,T&M 系统设计人员可以改用高性能模块化仪器套件,并搭配其他具有专门同步和关键软件功能的 I/O 模块。这些成套装置构成一个紧凑型五插槽 PXI Express 测量系统,通过 Thunderbolt USB-C 端口,使用笔记本电脑或台式机进行控制。

本文首先简单介绍模块化仪器系统的性能指标,包括模拟仪器类别。然后,对用于模块化仪器系统的各种总线进行性能比较,并探讨与提高分辨率和降低延迟有关的挑战。最后,介绍来自 NI 的 PXI 可编程电源 (PPS) 套件,包括数字万用表、LCR 仪表、示波器、多功能 I/O、波形发生器和源测量单元等模块,以及用于实现 T&M 过程自动化的软件工具。

需要哪种测量?

要确定需要哪种类型的 T&M 仪器,首先要回答几个基本问题:

  • 要测量的信号是输入、输出,还是两者皆有?
  • 信号是直流 (DC) 还是交流 (AC) 信号,如果是交流信号,信号频率是千赫兹 (kHz)、兆赫兹 (MHz) 还是吉赫兹 (GHz)?

回答这些问题有助于确定所需仪器是用于直流和功率、低速模拟、高速模拟,还是用于射频 (RF) 和无线应用(表 1)。

直流和功率 低速模拟 高速模拟 RF 和无线
输入,测量 数字万用表 模拟输入、数据采集 (DAQ) 示波器、频率计 射频分析仪、功率计(频谱分析仪、矢量信号分析仪)
输出,生成 可编程电源 模拟输出 函数/任意波形发生器(FGEN、AWG) 射频信号发生器(矢量信号发生器、连续波源)
同一设备上的输入和输出 直流功率分析仪 多功能数据采集(多功能 DAQ) 一体化示波器 矢量信号收发器 (VST)
同一引脚上的输入和输出 源测量单元 (SMU) LCR 仪表 阻抗分析仪 矢量网络分析仪 (VNA)

表 1:根据输入和输出特性以及性能水平,T&M 仪器分为几个基本类别。(表格来源:NI)

模拟仪器规格

确定某个测量任务所需的仪器类型后,就需要确定具体的性能要求,包括:

  • 信号基本特性,包括确保以下几点:信号范围足够大,可以捕获所需的信号;阻抗支持 DUT 的负载和测量的频率要求;与地面的隔离支持所需的抗噪和安全水平。
  • 需要足够的带宽(以 kHz、MHz 或 GHz 为单位)来处理被测信号,而模数转换器 (ADC) 在每秒采样数方面必须足够快,例如达到每秒千样本 (kS/s)、每秒兆样本 (MS/s) 或每秒千兆样本 (GS/s),才能捕捉所需的信号细节。
  • 分辨率和精确度也是重要的考虑因素。需要 8 位、24 位,还是其他级别的分辨率?按百分比或百万分率计算,可以容忍的最大错误率是多少?此外,按微伏 (µV) 或纳伏 (nV) 等绝对单位计算,需要的灵敏度是多少?

各种类型的 T&M 仪器需要不同的输入隔离和阻抗范围、输入耦合和滤波规格、放大器灵敏度以及测量分辨率和精度,如测量仪器模拟输入路径实例所示(表 2)。

输入隔离和端接 输入耦合和滤波 输入放大器 模数转换器 (ADC)
确定的规格 隔离输入阻抗 交流/直流耦合,模拟带宽 最大电压范围,最小电压灵敏度 采样率和分辨率
实例:DMM 隔离高达 330 V
Cat II,电阻 10 MΩ(可选)
直流耦合 200 kHz 带宽 高达 300 V 的输入,低至 10 nV 的灵敏度 10 kHz 读取率
6.5 位数字(24 位)分辨率
实例:
示波器:
接地参考 50 Ω 或 1 MΩ(可选) 直流或交流耦合(可选
350 MHz 带宽)
高达 40 VPP 输入,低至 1 mV 的灵敏度 高达 5 GS/s 的采样率,8 位分辨率

DMM 和示波器等不同 T&M 仪器的图片表 2:对于特定的测量而言,不同的 T&M 仪器,例如 DMM 和示波器,需要的性能特征可能差异很大。(表格来源:NI)

总线、带宽和延迟

T&M 仪器需要连接到控制器,才能构成一个测试系统。对连接总线的信号带宽和延迟要求是重要的考虑因素。带宽衡量数据的传输速度,通常以兆字节/秒为单位,而延迟则衡量数据传输的延迟。常用总线的带宽和延迟组合存在很大的差异。另一个因素是总线支持的传输距离。例如,通用接口总线 (GPIB) 和通用串行总线 (USB) 可以达到相近的延迟水平,但 USB 提供更高的带宽。千兆以太网具有中等带宽和较高的延迟,但可以传输更远的距离。

在设计 T&M 系统时,经常使用 PCI 和 PCI Express。它们设计用于短距离链路,最长传输距离约为 1 米 (m),并提供高带宽和低延迟(图 1)。PCI Express 的一个重要特点是,为总线上的每台设备提供专用带宽。这一特点使得 PCI Express 成为高性能和数据密集型应用的首选互连总线,例如实时 T&M 系统,这些系统必须整合和同步多个仪器的操作。

NI PCI/PXI Express 的分辨率和延迟组合图片(点击放大)图 1:PCI/PXI Express 提供最高性能的分辨率和延迟组合。(图片来源:NI)

T&M 仪器套件

设计人员可以使用来自 NI 的 PXI PPS 套件作为基础来打造高性能 T&M 系统。PXI PPS 模块可满足 DUT 的基本电源需求,还可通过多种 T&M 模块进行扩展,以支持一系列的设备特征化、设计验证和制造测试应用。机箱提供高达 58 W 的功率和冷却能力以支持更多仪器,并提供高性能 PXIe 互连和集成 Thunderbolt 链路,用于连接充当系统控制器的外部台式机或笔记本电脑(图 2)。

基本 PXI PPS 套件的图片图 2:基本 PXI PPS 套件,包括控制器和 PPS 模块,以及用于连接另外四个 PXI 仪器的插槽。(图片来源:NI)

这些 PPS 可用于为 DUT 提供可编程电源,同时控制和监测电流和电压水平,以测量功耗。它们有两个隔离的 60 W 通道,具有远程感测功能,可以校正系统布线的损耗,典型效率为 78%。这些通道还包括输出关断功能,可在不进行测试时隔离 DUT。

能为 DUT 提供 120 W 功率的可扩展 PXI PPS 套件的实例包括:867117-01,带有 PXIe-4112 双通道 PPS(如 782857-01 型号),可提供最大 1 A 电流和每通道 60 V 直流输出,另外还包括 867118-01,带有 PXI2-4113 双通道 PPS(如 782857-02 型号),可提供最大 6 A 电流和每通道 10 V 直流输出(图 3)。

提供 60 V DC(左)或 10 V DC(右)输出的 PXI PPS 套件图片图 3:PXI PPS 套件可选择输出为 60 V DC(左)或 10 V DC(右)的电源。(图片来源:NI)

快速启动 T&M 系统开发

NI 为设计人员提供了一系列 PXI 套件,帮助他们快速启动 T&M 系统开发工作。实例包括:

PXI 波形发生器套件,可用于生成标准函数波形和用户定义的任意波形。PXI 波形发生器套件可提供多达两个输出通道,带宽高达 80 MHz,输出范围为 ±12 V,最大采样率为 800 MS/s。例如,867119-01 包括一个 20 MHz 任意函数波形发生器。

PXI 示波器套件提供多达 8 个通道,能够以高达 5 GS/s 的速度进行采样,模拟带宽为 1.5 GHz。867010-01 套件包括一个 60 MHz 示波器模块。

PXI 源测量单元 (SMU) 套件,例如 867111-01,设计用于实现 DC 测量和测试的自动化。这些 SMU 可在四象限内工作,范围高达 ±200 V 和 ±3 A,灵敏度低至 100 fA。PXI SMU 套件兼具执行大功率扫描和低电流测量的能力。

PXI LCR 套件,例如 867113-01,将 LCR 仪表和 SMU 组合在一台仪器中,可用于进行 DC 和阻抗测量。该仪器在单插槽 PXI 外形尺寸中提供 fA 电流和 fF 电容的测量。

PXI DMM 套件支持手动探测、切换和自动 DMM 测量,具有高精度和高达 7.5 位的分辨率。高采样速度让用户无需示波器即可表征瞬变。用户还可以配置用于采集和/或定序的触发器。例如,867115-01 配备 6.5 位数的显示屏。

PXI Nanovolt Meter 套件是高分辨率的模拟输入模块,分辨率高达 28 位。它们包括斩波模式,使用一对通道来提供高水平的噪声抑制,从而实现准确和可重复的 nV 测量及板载信号平均化和滤波处理,以及自动归零测量切换。867125-01 型号提供 32 个通道、28 位分辨率、2 MS/s 采样率。

PXI 多功能 I/O 套件,例如 867124-01,将模拟 I/O、数字 I/O、计数器/定时器和触发功能组合在一起。PXI 多功能 I/O 套件提供多达 4 个模拟输出通道、48 个双向数字通道,80 个模拟输入通道,采样率为 2 MS/s。

软件定义系统

除了全套硬件模块,NI 还为 T&M 系统设计人员提供了多种软件开发环境选择,包括 InstrumentStudio 和 LabVIEW。

NI 的 PXI 仪器随附 InstrumentStudio 开发环境,它为测试工程师提供了单一的无代码软件环境,用于监控和调试自动化测试系统。此外,用户可以创建屏幕,同时显示来自多个仪器的数据(图 4)。工具让用户能够捕捉屏幕截图和测量结果,并为 DUT 保存项目级配置,以便重复使用,或者与其他开发人员共享。

InstrumentStudio 可显示来自多个仪器的数据图片图 4:InstrumentStudio 可在一个屏幕上显示来自多个仪器的数据。例如,来自示波器(左侧大面板)、DMM(右上面板)和函数发生器(右下面板)的数据。(图片来源:NI)

LabVIEW 是 NI 的软件定义测试开发环境。借助其图形用户界面 (GUI),测试工程师可以快速开发自动化研究、验证和生产测试系统。基本上,LabVIEW 的图形化方法使得非编程人员能够拖放仪器的虚拟表示,以生成 T&M 程序、创建交互式用户界面,以及保存数据为 .cvs、.tdms 或自定义二进制文件。

更高级的程序员可以受益于它提供的 Python、C、C++、C#、.NET 和 MATLAB 驱动程序。NI 还为开发全面的 T&M 环境提供了一套软件工具,包括:

  • 用于创建自动测试序列的 TestStand
  • 用于生成 Web 应用程序的 G Web 开发软件
  • 用于交互式数据分析的 DIAdem
  • 用于 T&M 数据采集和记录的 FlexLogger

总结

要为元器件和系统的设计、验证和生产测试创建软件定义的测试环境,需要使用多种 T&M 仪器。相比使用来自多家供应商的仪器而导致产生连接、成本和空间要求,测试工程师可以改用 NI 的仪器套件来开发紧凑、灵活、高性能的测试系统。NI 还提供了软件环境的选择,以加快开发过程。

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关于此作者

Jeff Shepard

Jeff 从事电力电子、电子元件和其它技术主题写作 30 余载。在其于 EETimes 任职高级编辑期间,他开始了电力电子写作。后来,他创立了一份叫《Powertechniques》的电力电子杂志,再后来又创立了一家全球性的研究和出版公司 Darnell Group。在开展各项业务的同时,Darnell Group 还发布了 PowerPulse.net,专门针对全球电力电子工程社区提供每日新闻。他是一本名为《Power Supplies》的开关模式电源教课书的作者,该书由 Prentice Hall 旗下 Reston 分部出版。

Jeff 还是 Jeta Power Systems 共同创始人,这是一家高功率开关电源制造商,后来被 Computer Products 收购。Jeff 也是一个发明家,其名下拥有 17 项热能收集和光学超材料美国专利,同时他也是掌握电力电子行业全球趋势的专家和网红发言人。他拥有加利福尼亚大学定量方法和数学硕士学位。

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