Accélérer les tests de conception, de validation et de production à l'aide de logiciels et d'instruments modulaires

De nombreux instruments de test et de mesure (T&M) sont nécessaires lors de la conception, de la validation et de la production de composants et de systèmes de test pour les applications automobiles, grand public, industrielles, médicales et autres. Ces suites d'instruments T&M doivent être compactes et performantes. Elles requièrent une faible latence ainsi qu'une bande passante et une densité de canaux élevées. De plus, les besoins de conception peuvent évoluer au fil du temps, de sorte que la modularité est un atout majeur pour garantir la pérennité du système. Dans de nombreux cas, ces activités T&M impliquent des tests répétitifs ou une collaboration entre des équipes dispersées géographiquement, rendant les tests définis par logiciel une caractéristique hautement souhaitable.

L'utilisation d'un groupe d'instruments conventionnels est une solution potentielle. Toutefois, les problèmes liés à l'intégration de dispositifs provenant de divers fabricants, y compris l'affichage des informations sur plusieurs écrans, la compatibilité logicielle, les masses de câblage et l'espace requis pour de nombreux instruments discrets, peuvent s'avérer complexes.

Les concepteurs de systèmes T&M peuvent se tourner vers des offres groupées d'instruments modulaires hautes performances et d'autres modules E/S avec une synchronisation spécialisée et des fonctionnalités logicielles clés, s'étendant de la validation des dispositifs aux tests de production automatisés. Ces offres groupées sont disponibles dans un système de mesure PXI Express compact à cinq emplacements, contrôlé avec un ordinateur portable ou de bureau via un port Thunderbolt USB-C.

Cet article passe brièvement en revue les mesures de performances des systèmes d'instruments modulaires, y compris les catégories d'instrumentation analogique. Il présente ensuite une comparaison des performances de divers bus pour les systèmes d'instruments modulaires et étudie les défis liés à l'augmentation de la résolution et à la diminution des latences. Il conclut par la présentation des offres groupées d'alimentations programmables (PPS) PXI de NI, incluant des modules pour multimètres numériques, compteurs LCR, oscilloscopes, E/S multifonctions, générateurs de formes d'onde et unités de source et mesure, et des outils logiciels pour automatiser les processus T&M.

Type de mesure requis

Le processus de détermination du type d'instrument T&M nécessaire commence par quelques questions de base :

• Le signal mesuré est-il une entrée, une sortie ou les deux ?
• La fréquence du signal est-elle en courant continu (CC) ou en courant alternatif (CA), et dans le cas du courant alternatif, est-elle en kilohertz (kHz), en mégahertz (MHz) ou en gigahertz (GHz) ?

Les réponses à ces questions permettent de déterminer si l'instrument nécessaire est destiné aux applications CC et de puissance, analogiques basse vitesse, analogiques haute vitesse ou radiofréquences (RF) et sans fil (Tableau 1).

Tableau 1 : Il existe plusieurs catégories fondamentales d'instruments T&M basées sur les caractéristiques d'entrée et de sortie et les niveaux de performances. (Source du tableau : NI)

Spécifications des instruments analogiques

Après avoir déterminé le type général d'instrument nécessaire pour une tâche de mesure, il faut identifier les exigences de performances spécifiques, notamment :

• Les bases des signaux consistent à s'assurer que : la plage de signaux est suffisamment étendue pour capturer les signaux requis, l'impédance permet le chargement du DUT et les exigences de fréquence de la mesure, et l'isolement de la terre prend en charge les niveaux requis d'immunité au bruit et de sécurité.
• La bande passante, en kHz, MHz ou GHz, doit être adéquate pour gérer les signaux mesurés, et le convertisseur analogique-numérique (CAN) doit être suffisamment rapide en termes d'échantillons par seconde, tels que des kilo-échantillons par seconde (Kéch./s), méga-échantillons par seconde (Méch./s) ou giga-échantillons par seconde (Géch./s) pour capturer les nuances de signal requises.
• La résolution et la précision sont également des considérations importantes. Une résolution de 8 bits, 24 bits ou autre est-elle nécessaire ? Quel est le taux d'erreur maximum en termes de pourcentage ou de parties par million qui peut être toléré ? De plus, quelle est la sensibilité requise en unités absolues comme les microvolts (µV) ou les nanovolts (nV) ?

Les différents types d'instruments T&M requièrent des plages d'isolement et d'impédance d'entrée, des spécifications de couplage et de filtrage d'entrée, des sensibilités d'amplificateur, ainsi qu'une résolution et une précision de mesure différentes, comme illustré dans l'exemple de chemin d'entrée analogique de l'instrument de mesure (Tableau 2).

Tableau 2 : Différents instruments T&M, tels qu'un multimètre numérique et un oscilloscope, peuvent exiger des caractéristiques de performances très variables pour une mesure donnée. (Source du tableau : NI)

Bus, bande passante et latence

Les instruments T&M doivent être connectés à un contrôleur pour former un système de test. Les exigences en matière de bande passante des signaux et de latence du bus de connexion sont des considérations importantes. La bande passante mesure la vitesse à laquelle les données sont transmises, généralement en méga-octets par seconde, tandis que la latence mesure le délai de transmission des données. Les bus fréquemment utilisés ont des combinaisons très variables de bande passante et de latence. Un autre facteur est la distance de transmission prise en charge par le bus. Par exemple, le bus d'interface à usage général (GPIB) et le bus série universel (USB) peuvent prendre en charge des niveaux de latence similaires, mais USB offre une bande passante plus élevée. Pour sa part, Gigabit Ethernet a une bande passante moyenne et une latence plus élevée mais peut transmettre sur des distances beaucoup plus longues.

Lors de la conception de systèmes T&M, PCI et PCI Express sont souvent utilisés. Ils sont conçus pour des liaisons à courte portée, jusqu'à environ 1 mètre (m), et offrent une bande passante élevée et une faible latence (Figure 1). Une caractéristique importante de PCI Express est qu'il fournit une bande passante dédiée pour chaque périphérique sur le bus. Cela fait de PCI Express le bus d'interconnexion privilégié pour les applications à données intensives et hautes performances telles que les systèmes T&M en temps réel dans lesquels il est nécessaire d'intégrer et de synchroniser le fonctionnement de plusieurs instruments.

Figure 1 : PCI/PXI Express offre la combinaison de résolution et de latence la plus performante. (Source de l'image : NI)

Offres groupées d'instruments T&M

Les concepteurs peuvent se tourner vers les offres groupées PXI PPS de NI comme base pour des systèmes T&M hautes performances. Les modules PXI PPS répondent aux besoins d'alimentation de base du DUT et peuvent être étendus avec de nombreux modules T&M pour prendre en charge une gamme d'applications de caractérisation de dispositifs, de validation de conception et de test de fabrication. Le châssis fournit jusqu'à 58 watts (W) de puissance et de refroidissement pour des instruments supplémentaires, des interconnexions PXIe hautes performances et une liaison Thunderbolt intégrée pour la connexion à un ordinateur de bureau ou portable externe, agissant comme contrôleur système (Figure 2).

Figure 2 : Une offre groupée PXI PPS de base comprend un contrôleur, un module PPS et des emplacements pour quatre autres instruments PXI. (Source de l'image : NI)

Les PPS peuvent être utilisés pour fournir une alimentation programmable à un DUT tout en contrôlant et en surveillant les niveaux de courant et de tension pour mesurer la consommation d'énergie. Ils ont deux canaux isolés de 60 W avec détection à distance pour corriger les pertes dans le câblage du système, avec un rendement typique de 78 %. Les canaux incluent également des déconnexions de sortie qui peuvent isoler le DUT lorsqu'il n'est pas en cours de test.

Des exemples d'offres groupées PXI PPS extensibles avec 120 W de puissance pour le DUT incluent le 867117-01 avec un PPS PXIe-4112 à deux canaux (comme le modèle 782857-01) capable de délivrer un maximum de 1 ampère (A) à 60 VCC par canal, et le 867118-01 avec un PPS PXI2-4113 à deux canaux (comme le modèle 782857-02) pouvant délivrer jusqu'à 6 A à 10 VCC par canal (Figure 3).

Figure 3 : Les offres groupées PXI PPS sont disponibles avec un choix d'alimentations ayant des sorties de 60 VCC (gauche) ou 10 VCC (droite). (Source de l'image : NI)

Dynamiser le développement de systèmes T&M

NI offre aux concepteurs un choix d'offres groupées PXI pour dynamiser leurs efforts de développement de systèmes T&M. Les exemples incluent :

Offres groupées de générateurs de formes d'onde PXI permettant de générer des fonctions standard et des formes d'onde arbitraires définies par l'utilisateur. Les offres groupées de générateurs de formes d'onde PXI comportent jusqu'à deux canaux de sortie avec des bandes passantes jusqu'à 80 MHz, une plage de sortie de ±12 V et une fréquence d'échantillonnage maximum de 800 Méch./s. Par exemple, le 867119-01 inclut un générateur de fonctions arbitraires de 20 MHz.

Les offres groupées d'oscilloscopes PXI présentent jusqu'à huit canaux pouvant atteindre des fréquences d'échantillonnage de 5 Géch./s avec une bande passante analogique de 1,5 GHz. L'offre groupée 867010-01 inclut un module d'oscilloscope de 60 MHz.

Les offres groupées d'unités de source et mesure (SMU) PXI, comme le 867111-01, sont conçues pour automatiser les tests et les mesures CC. Les SMU présentent un fonctionnement à quatre quadrants, des plages jusqu'à ±200 V et ±3 A, et une sensibilité de seulement 100 femtoampères (fA). Les offres groupées PXI SMU permettent d'effectuer des balayages haute puissance et des mesures de faible courant.

Les offres groupées PXI LCR comme le 867113-01 peuvent être utilisées pour effectuer des mesures d'impédance et CC en combinant un compteur LCR et une unité SMU dans un seul instrument. Cet instrument fournit des mesures de courant fA et de capacité femtofarad (fF) dans un facteur de forme PXI à un seul emplacement.

Les offres groupées PXI DMM prennent en charge les mesures DMM manuelles, commutées et automatisées avec une haute précision et une résolution jusqu'à 7,5 chiffres. Une haute fréquence d'échantillonnage permet aux utilisateurs de caractériser les transitoires sans recourir à un oscilloscope. Les utilisateurs peuvent également configurer eux-mêmes des déclencheurs pour l'acquisition et/ou le séquencement. Par exemple, le 867115-01 dispose d'un affichage à 6,5 chiffres.

Les offres groupées de compteurs nanovolts PXI sont des modules d'entrée analogiques haute résolution avec une résolution jusqu'à 28 bits. Ces modules incluent un mode de hachage qui utilise deux canaux pour fournir de hauts niveaux de réjection du bruit, permettant des mesures nV précises et reproductibles, et une moyenne et un filtrage des signaux embarqués, ainsi qu'une commutation de mesure auto-zéro. Le modèle 867125-01 présente 32 canaux, une résolution de 28 bits et une fréquence d'échantillonnage de 2 Méch./s.

Les offres groupées d'E/S multifonctions PXI, comme le 867124-01, offrent une combinaison d'E/S analogiques, d'E/S numériques, de compteur/temporisateur et de fonctions de déclenchement. Les offres groupées E/S multifonctions PXI présentent jusqu'à 4 canaux de sortie analogiques, 48 canaux numériques bidirectionnels, 80 canaux d'entrée analogiques et une fréquence d'échantillonnage de 2 Méch./s.

Le logiciel définit le système

Outre des modules matériels complets, NI offre aux concepteurs de systèmes T&M un choix d'environnements de développement logiciel, notamment InstrumentStudio et LabVIEW.

Inclus avec les instruments NI PXI , InstrumentStudio offre aux ingénieurs de test un environnement logiciel sans code unique pour surveiller et déboguer les systèmes de test automatisés. De plus, les utilisateurs peuvent créer des écrans qui présentent les données de plusieurs instruments simultanément (Figure 4). Les outils permettent aux utilisateurs d'effectuer des captures d'écran et de capturer des résultats de mesure et d'enregistrer des configurations au niveau du projet pour les DUT en vue d'une réutilisation ou d'un partage avec d'autres développeurs.

Figure 4 : InstrumentStudio peut présenter les données de plusieurs instruments sur un seul écran. Par exemple, à partir d'un oscilloscope (grand panneau de gauche), d'un multimètre numérique (panneau supérieur droit) et d'un générateur de fonctions (panneau inférieur droit). (Source de l'image : NI)

LabVIEW est l'environnement de développement de test défini par logiciel de NI. Grâce à son interface utilisateur graphique (GUI), les ingénieurs de test peuvent rapidement développer des systèmes de tests automatisés de recherche, de validation et de production. Au niveau de base, l'approche graphique de LabVIEW permet aux non-programmeurs de glisser-déposer des représentations virtuelles d'instruments pour créer des programmes T&M, créer des interfaces utilisateur interactives et enregistrer des données dans des fichiers .cvs, .tdms ou binaires personnalisés.

Les programmeurs plus avancés peuvent bénéficier des pilotes disponibles pour Python, C, C++, C#, .NET et MATLAB. NI propose également un ensemble d'outils logiciels pour le développement d'environnements T&M complets, notamment :

• TestStand pour créer des séquences de test automatisées
• Logiciel de développement G Web pour créer des applications Web
• DIAdem pour l'analyse interactive des données
• FlexLogger pour l'acquisition et l'enregistrement de données T&M

Conclusion

La création d'environnements de tests définis par logiciel pour les tests de conception, de validation et de production de composants et de systèmes nécessite l'utilisation de plusieurs instruments T&M. Au lieu d'utiliser des instruments provenant de plusieurs fournisseurs, avec les contraintes de connectivité, de coût et d'espace que cela implique, les ingénieurs de test peuvent se tourner vers les offres groupées d'instruments de NI qui peuvent être utilisées pour produire des systèmes de test compacts, flexibles et hautes performances. NI propose également un choix d'environnements logiciels pour accélérer le processus de développement.

Lectures recommandées

1. Créer un système d'acquisition de données compact
2. Appliquer les fonctions de programmabilité, de mise en réseau et de détection à distance sans sorties des blocs d'alimentation de table