Déployer un système de test automatisé compact et rapidement opérationnel grâce aux offres groupées d'oscilloscopes PXI

La conception d'un système de test automatisé multicanal avec des instruments autonomes est très inefficace, car un tel système reproduit des fonctions de base comme des affichages, des panneaux avant, des alimentations et des cordons d'alimentation. La communication avec les instruments en rack est également peu productive étant donné que la plupart de ces instruments utilisent probablement la norme LAN eXtensions for Instruments basée sur Ethernet, qui est plus lente et nécessite davantage de programmation que certaines interfaces série plus rapides comme Thunderbolt 3.

Une meilleure approche consiste à utiliser des instruments modulaires qui offrent les fonctionnalités requises, mais dans un format compact. Dans une telle configuration, plusieurs instruments comme des oscilloscopes, des multimètres et des générateurs de signaux sont disposés côte à côte dans un même châssis. Les instruments communiquent en interne avec une structure à bus commun qui garantit le fonctionnement synchrone de tous les instruments. Ils sont également commandés par un PC qui exécute un logiciel unifiant, ce qui permet de commander tous les instruments depuis un écran commun.

Intéressons-nous à ce mode de fonctionnement à l'aide d'équipements de NI, qui développe et commercialise des systèmes de test et de mesure automatisés depuis de nombreuses années. L'entreprise simplifie la conception de systèmes de test en proposant une série d'offres groupées d'oscilloscopes qui utilisent la solution PCI eXtensions for Instrumentation (PXI), une plateforme basée sur PCI avec une interface parallèle, idéale pour créer des systèmes de test avec plusieurs instruments et un nombre élevé de canaux.

Offres groupées PXI

Outre le bus informatique PCI sous-jacent, PXI ajoute des horloges, une synchronisation et des bus de déclenchement, ainsi que la possibilité de configurer le logiciel afin de concevoir des systèmes de test hautement flexibles. Le châssis PXI alimente l'ensemble des modules et fournit une communication interne entre les modules, ainsi qu'une liaison de communication haute vitesse entre les modules et le PC.

Les offres groupées de NI incluent un châssis PXI avec cinq emplacements pour instrument modulaires, une sélection de modules d'oscilloscope, les câbles ou les sondes nécessaires, ainsi que le logiciel InstrumentStudio pour commander le système (Figure 1).

Figure 1 : Les offres groupées d'oscilloscopes PXI de NI incluent le châssis PXI, un module d'oscilloscope PXI, le logiciel multi-instrument InstrumentStudio, ainsi que des câbles. (Source de l'image : NI)

Les offres groupées d'oscilloscopes PXI de NI offrent un choix de six modules d'oscilloscope avec 2, 4 ou 8 canaux, une bande passante de 60 mégahertz (MHz) à 1,5 gigahertz (GHz) et une fréquence d'échantillonnage entre 60 et 5000 méga-échantillons par seconde (Méch./s) (Tableau 1). Pour le châssis, PXIe indique une prise en charge de l'interface série PCIe plus rapide.

Tableau 1 : Résumés des spécifications des oscilloscopes modulaires des offres groupées PXI de NI. Tous les produits des offres groupées utilisent le même châssis PXIe. (Source du tableau : Art Pini, d'après les données de NI)

Par exemple, le 867011-01 utilise un module d'oscilloscope PXIe-5110 à 2 canaux avec une bande passante de 100 MHz et une fréquence d'échantillonnage de 1000 Méch./s (Figure 2).

Figure 2 : Le PXIe-5100 est un module PXIe d'oscilloscope à 2 canaux fourni avec l'offre groupée d'oscilloscopes PXI 867011-01, avec deux sondes d'oscilloscope. (Source de l'image : NI)

L'oscilloscope PXI occupe un seul emplacement de module dans le châssis, ce qui laisse quatre emplacements pour les autres instruments. Par exemple, pour avoir 16 canaux, vous pouvez utiliser deux modules PXIe-5105 ou PXIe-5172. Vous pouvez également inclure d'autres instruments PXI et options de support, comme des multimètres, des générateurs de formes d'ondes, des compteurs ou des alimentations, pour ne citer que quelques-unes des nombreuses options d'équipements disponibles.

Utiliser efficacement l'offre groupée PXI

Il existe quelques règles générales en ce qui concerne les oscilloscopes numériques. Par exemple, la fréquence d'échantillonnage doit être supérieure à deux fois la valeur de la bande passante pour empêcher le repliement. Si l'on regarde le Tableau 1, le PXIe-5105 présente une bande passante analogique de 60 MHz et une fréquence d'échantillonnage maximum de 60 Méch./s. Le PXIe-5105 évite les problèmes de repliement en incluant un filtre antirepliement interne de 24 MHz avec atténuation nette, limitant ainsi la bande passante à moins de la moitié de la fréquence d'échantillonnage maximum de 60 Méch./s.

La longueur de la mémoire contrôle la plus longue acquisition possible à la fréquence d'échantillonnage maximum. Les acquisitions plus longues nécessitent une réduction de la fréquence d'échantillonnage. La longueur de la mémoire est particulièrement importante en cas d'événements à formes d'ondes longues, comme une application à ultrasons dans un véhicule qui peut nécessiter une durée en millisecondes. Pour cette application, l'oscilloscope PXI 867010-01 fonctionnant à la fréquence d'échantillonnage maximum de 60 Méch./s peut acquérir 2,1 secondes (s) de données dans sa mémoire de 128 Mo.

La résolution de l'oscilloscope détermine la plage dynamique théorique de l'instrument. Un oscilloscope de 8 bits peut idéalement numériser un signal entre l'amplitude pleine échelle (FSA) et FSA/256 (c'est-à-dire 2^nombre de bits). Ainsi, plus le nombre de bits est élevé, plus la résolution de la tension est précise. C'est important dans les applications où l'oscilloscope mesure des amplitudes de signaux très faibles en présence de signaux à amplitude élevée. Là encore, l'application à ultrasons constitue un bon exemple. L'impulsion transmise sera proche de FSA, mais l'écho réfléchi pourrait être 1000 fois plus petit, voire davantage, nécessitant ainsi une plage dynamique de 60 décibels (dB). Il existe une règle de base : chaque bit de résolution fournit 6 dB de plage dynamique. Une plage dynamique de 1000:1 nécessiterait donc une résolution supérieure à 10 bits.

Comme dans tous les instruments réels, la résolution de la tension qu'il est possible d'atteindre est généralement inférieure à la résolution idéale en raison du bruit et de la distorsion. Les facteurs de mérite utilisés pour mesurer la véritable résolution d'un oscilloscope sont le nombre de bits effectif (ENOB) et la plage dynamique sans parasites (SFDR) (Figure 3).

Figure 3 : Le nombre de bits effectif (ENOB) et la plage dynamique sans parasites (SFDR) sont des mesures de la résolution d'un oscilloscope qui prennent en compte les effets du bruit et de la distorsion comme l'harmonique. (Source de l'image : NI)

La valeur SFDR, exprimée en dB, mesure la résolution en tant que différence entre la pleine échelle et la crête spectrale la plus élevée dans le spectre de fréquences de la forme d'onde acquise La valeur ENOB détermine la résolution, en bits, d'un numériseur idéal avec une plage dynamique entre la pleine échelle et la valeur efficace (RMS) du niveau de quantification du bruit. La valeur ENOB est toujours inférieure à la résolution théorique de l'oscilloscope. Elle dépend aussi de la fréquence et de l'amplitude, et varie en fonction de la fréquence du signal d'entrée.

Logiciel

Pour commander plusieurs instruments simultanément de manière interactive, vous pouvez utiliser le logiciel InstrumentStudio de NI avec l'offre groupée d'oscilloscopes PXI (Figure 4). Chaque instrument a une fenêtre de contrôle attribuée par l'utilisateur, ce qui permet de surveiller et de déboguer les opérations du système de test.

Figure 4 : L'interface utilisateur d'InstrumentStudio prend en charge la commande interactive de plusieurs instruments PXI. Chaque instrument a une fenêtre de contrôle attribuée par l'utilisateur pour surveiller et déboguer les opérations du système de test. (Source de l'image : Art Pini)

InstrumentStudio permet de surveiller et de déboguer en temps réel les composants des tests automatisés, notamment les alimentations, les sources de signaux, les multimètres et d'autres instruments PXI. Le logiciel peut également être utilisé pour exporter des configurations d'instruments directement vers des logiciels de test de NI plus avancés, comme LabView.

InstrumentStudio inclut des capacités de mesure et d'analyse pour l'oscilloscope PXI. Il présente 35 paramètres de mesure couramment utilisés comme l'amplitude crête-à-crête, la fréquence, le rapport cyclique, ainsi que des curseurs de temps et d'amplitude. L'analyse du domaine fréquentiel sous forme de transformation de Fourier rapide (FFT) avec moyenne fournit des affichages semblables à un analyseur de spectre. L'affichage FFT peut inclure jusqu'à 12 marqueurs placés par l'utilisateur pour lire l'amplitude et la fréquence de crêtes spécifiques sur l'affichage du spectre de fréquences.

La liaison de données

Le châssis PXI est contrôlé depuis un PC via une liaison Thunderbolt 3 capable de transmettre des données à un débit jusqu'à 40 gigabits par seconde (Gb/s) dans les deux sens simultanément. Le châssis PXI possède deux connecteurs Thunderbolt 3 sur le panneau avant de l'emplacement du contrôleur. Deux connecteurs Thunderbolt 3 sont fournis pour permettre des connexions en chaîne à plusieurs dispositifs compatibles Thunderbolt 3, comme un moniteur externe.

Le système de test

L'assemblage de tous ces composants individuels donne un système de test très compact. Le châssis PXI et trois modules (un oscilloscope, un multimètre numérique et une alimentation) sont plus compacts qu'un seul oscilloscope en rack (Figure 5).

Figure 5 : Un système basé sur une offre groupée d'oscilloscopes PXI typique, avec un châssis, un oscilloscope, une alimentation, un multimètre numérique et le logiciel InstrumentStudio, à côté du même type d'instruments en rack. (Source de l'image : NI)

Le dispositif sous mesures (DUT) à la Figure 5 est une carte Arduino configurée pour générer un signal à modulation de largeur d'impulsion (PWM). L'alimentation génère 5 volts (V) pour l'alimenter, le multimètre numérique lit les 3,3 V régulés au niveau du dispositif, et l'oscilloscope affiche la forme d'onde PWM. L'interconnexion avec le dispositif sous mesures se fait via des sondes d'oscilloscope traditionnelles (fournies avec les oscilloscopes PXI avec des connecteurs d'entrée BNC) et des fils de test traditionnels. Les instruments équivalents en rack, illustrés à droite, sont considérablement plus grands.

Conclusion

Les offres groupées d'oscilloscopes PXI de NI offrent une base solide pour concevoir un système de test automatisé compact. Elles prennent en charge plusieurs configurations de canaux avec jusqu'à cinq instruments modulaires individuels. Le logiciel InstrumentStudio permet des mesures interactives du dispositif sous mesures dans les domaines temporel et fréquentiel, avec un ensemble complet d'outils de mesure, notamment des paramètres, des curseurs et des marqueurs.