Designvorteile der NI-PXI-Chassis

Inhaltsverzeichnis

  1. Übersicht
  2. Kühlung
  3. Akustik
  4. Netzteile
  5. Timing und Synchronisation auf hohem Niveau
  6. Weitere Designvorteile von NI PXI

Übersicht

Die Produktpalette von National Instruments umfasst hochwertige PXI-Express- und PXI-Chassis für Mess- und Automatisierungsanwendungen (siehe Tabelle 1). Die Chassis von National Instruments zeichnen sich durch leistungsstarke Backplanes sowie ein stabiles und zuverlässiges Gehäuse aus. NI bietet für jede Anwendung das geeignete Chassis, unabhängig davon, ob es sich um tragbare, Benchtop-, Rackmontage-, Embedded- oder Signalkonditionierungssysteme handelt. Die PXI-Express-Chassis von NI können sowohl mit PXI-Express- als auch mit CompactPCI-Express-Modulen bestückt werden. Darüber hinaus sind sämtliche NI-Chassis zu PXI- und CompactPCI-Modulen kompatibel. In diesem Whitepaper erfahren Sie mehr über die Designvorteile von NI-Produkten und wie diese beispielsweise die Kühlung verbessern, Geräuschemissionen verringern und die Zuverlässigkeit des Netzteils erhöhen.

 

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Kühlung

Chassis von National Instruments wurden konzipiert und validiert, um die Kühlanforderungen für PXI-Module mit höchstem Energieverbrauch zu erfüllen oder sogar zu übertreffen. Die PXI-Spezifikation erfordert mindestens 25 W Leistung an jedem Peripheriesteckplatz, und dass jeder Steckplatz die gleiche Wärmemenge emittieren kann. Die Leistungsanforderungen erhöhten sich mit PXI Express um circa 20 Prozent, sodass das Chassis mindestens 30 W Leistung an jedem Steckplatz liefern und die damit verbundene Wärmemenge emittieren muss.

 

Die PXI- und PXI-Express-Chassis liefern in jedem Peripheriesteckplatz eine Leistung und Kühlung von 30 W bzw. 38,25 W und gehen damit über die Standardleistung von PXI und PXI Express hinaus. Diese zusätzliche Leistungsversorgung und Kühlung ermöglicht die volle Ausnutzung der erweiterten Funktionen leistungsstarker Module, wie Digitizer, Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O- sowie RF-Module, in Anwendungen, die kontinuierliche Datenerfassung oder Hochgeschwindigkeitstests erfordern.

 

Abb. 1: Die hinteren Kühlgebläse des NI PXIe-1062Q weisen ein patentiertes Design auf.

 

Die Kühlgebläse vieler NI-PXI-Chassis weisen ein patentiertes Design auf (siehe Abbildung 1), bei dem Luft aus dem hinteren Teil des Chassis (2) durch ein Luftleitblech gepresst und gleichmäßig über alle Modulsteckplätze verteilt wird (1). Dies sorgt für verbesserte Kühlung und weniger stagnierende Luft im Vergleich zu Chassis-Designs, bei denen sich die Lüfter direkt unter den Modulen befinden. Rückseitige Lüfter verringern zudem das durch die Motoren der Lüfter erzeugte elektrische Rauschen, dem die Module ausgesetzt sind.

 

National Instruments bietet auch Blindsteckkarten an, mit denen ungenutzte PXI-Steckplätze belegt werden können. Dadurch werden Luftströme in den freien Slots reduziert, was den Luftstrom in den belegten Steckplätzen optimiert und den Temperaturanstieg bei elektronischen Komponenten installierter Module um bis zu 20 Prozent reduziert.

 

Tabelle 1 zeigt die Steigerungen in der Kühlleistung, die sich aus dem PXI-Chassis-Design von NI im Vergleich zu anderen größeren Herstellern ergeben. Die Kühlleistung errechnet sich aus den Durchschnittstemperaturen der Komponenten auf dem PXI-Modul, mit dem das Chassis bestückt wird. Bei der Lüftergeschwindigkeit liefert das Chassis NI PXIe-1075 im Modus „Auto“ die gleiche und im Modus „High“ eine bessere Kühlleistung als vergleichbare Chassis anderer Anbieter.

 

Tabelle 1: Vergleich der Kühlleistung für PXI-Chassis von NI und einem anderen großen Anbieter

 

PXI-Express-Chassis von NI liefern bis zu 38,25 W Kühlleistung pro Steckplatz. Diese Spezifikation gilt für ein Chassis mit Modulen, die jeweils 38,25 W Verlustleistung erfordern. Sie gilt jedoch nicht für Chassis anderer großer Anbieter. Diese geben für ihre Chassis eine Leistung und Kühlung von über 38,25 W an, was jedoch nicht für jeden Steckplatz gilt und häufig an schwer zu verwirklichende Voraussetzungen gebunden ist.

 

Außerdem bieten PXI-Express-Chassis von NI bei einer Kühlleistung von 38,25 W pro Steckplatz eine bessere Kühlleistung als Chassis anderer Anbieter, die eine Kühlleistung von über 38,25 W angeben. Somit kann ein PXI-Express-Chassis von NI so konfiguriert werden, dass eine Kühlleistung von über 38,25 W erreicht wird.

 

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Akustik

Obwohl NI-PXI-Chassis bereits über eine fortgeschrittene Kühlleistung verfügen, sind sie darüber hinaus so konzipiert, dass sie die Geräuschemissionen des gesamten Systems minimieren. Dies ist wichtig, da PXI-Systeme sowohl in rackmontierten Umgebungen für automatisierte Tests als auch als Tischgerät für die Validierung eingesetzt werden, bei denen die Anforderungen an Geräuschemissionen unterschiedlich sind. Durch geschickte Abstimmung der Lüftergeschwindigkeit, Art der verwendeten Lüfter sowie deren Montage lassen sich eine optimierte Kühlung sowie verringerte Geräuschemission erzielen.

 

Viele NI-PXI-Chassis besitzen einen Schalter zur Regelung der Lüftergeschwindigkeit, sodass Anwender den Lüfter entweder auf „High“ oder „Auto“ stellen können. Im „Auto“-Modus wird die Geschwindigkeit automatisch an die Umgebungstemperatur angepasst, die am Eingang des Chassis-Lüfters gemessen wird. Liegt die Temperatur unter 30 °C, wird das Chassis in einer „akustischen Leistungszone“ betrieben, in der nur minimale Geräuschemissionen auftreten. Steigt die Umgebungstemperatur auf über 30 °C, erhöht das Chassis die Geschwindigkeit der Kühlgebläse entsprechend. Wird der Lüfter auf „High“ eingestellt, sorgt das Chassis unabhängig von der Umgebungstemperatur für maximalen Luftstrom. Dieser Modus eignet sich für Anwendungen, bei denen Geräuschemissionen keine Rolle spielen und die Lebensdauer der PXI-Module durch eine stärkere Kühlung noch weiter verlängert werden soll.

 

Tabelle 3: Vergleich der Schalldruckpegel von PXI-Express-Chassis

 

In vielen NI-Chassis werden pulsweitenmodulierte (PWM-)Lüfter eingesetzt, sodass Geräuschemissionen noch effizienter reduziert werden, als dies mit traditionellen spannungsgesteuerten Lüftern möglich ist. Wird ein Lüfter über ein PWM-Signal geregelt, kann ein größeres Spektrum seiner Drehzahl genutzt werden, sodass die Geräuschemissionen und die Kühlleistung des Chassis noch genauer eingestellt werden können.

 

Um die Kühlanforderungen der PXI-Spezifikation zu erfüllen, müssen die Lüfter für NI-PXI-Chassis sehr leistungsfähig sein. In vielen Chassis von NI besteht die Befestigung der Lüfter aus vibrationsdämpfendem Material, so dass mechanische Schwingungen der Lüfter nicht ans Chassis übertragen werden. Meist befinden sich die Lüfter auf der Rückseite, wodurch das auf die PXI-Module übertragene elektrische Rauschen reduziert wird.

 

PXI-Chassis von NI sind so konzipiert, dass sie die Geräuschemissionen des gesamten Systems minimieren und dabei zudem über eine optimierte Kühlleistung verfügen. Beim Vergleich der Spezifikationen des Chassis NI PXIe-1075 mit denen von Anbieter A (siehe Tab. 3) fällt ein Unterschied von 12 dBA auf. Schon ein Schalldruckpegel von 10 dBA sorgt dafür, dass ein Geräusch doppelt so stark wahrgenommen wird. Dies macht in Zusammenhang mit den Designmerkmalen deutlich, dass das NI PXIe-1075 mehr Kühlleistung pro Steckplatz und dabei weniger Geräuschemissionen produziert als ein vergleichbares Chassis von Anbieter A.

 

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Netzteile

National Instruments besitzt die Patentrechte am Design der industrietauglichen Netzteile für viele seiner PXI- und PXI-Express-Chassis mit acht bis 18 Steckplätzen. So kann NI garantieren, dass diese Netzteile langfristig verfügbar sind und weniger Designanpassungen an Chassis aufgrund von Änderungen seitens des Netzteilherstellers vorgenommen werden müssen. Andere PXI-Anbieter hingegen, die ausschließlich auf Standard-PC-Netzteile setzen, haben nur wenig bis gar keine Kontrolle über die Qualität ihrer Netzteile.

 

Die in PXI-Chassis von NI verwendeten industrietauglichen Netzteile wurden im Gegensatz zu ATX-Netzteilen, die für PCs konzipiert sind, speziell für die Anforderungen von PXI-Systemen optimiert. Die industrietauglichen Netzteile sind eigens für NI-Chassis entwickelt worden, sodass sie die minimalen Anforderungen an die Stromversorgung von PXI übertreffen. Mithilfe dieser Netzteile lassen sich in einem vollbestückten NI-PXI-Express-Chassis alle Module mit 38,25 W versorgen.

 

Tabelle 4: Die PXI-Express-Chassis von NI wurden so konzipiert, dass sie die PXI-Spezifikation für Minimalstrom übertreffen.

 

In der Produktdokumentation von National Instruments ist die Gesamtleistung spezifiziert, die das Chassis-Netzteil den Modulen zur Verfügung stellt. Bei vielen anderen Anbietern hingegen wird die Ausgangsleistung der Netzteile aufgeführt. Durch Subtraktion der Leistung, die von Chassis-Komponenten wie Ventilatoren und Backplane verbraucht wird, von der Gesamtleistung des Netzteils, wird die für den Controller und die Module verbleibende Leistung ermittelt. In den PXI-Chassis-Handbüchern von NI wird der Stromverbrauch auf jeder Spannungsschiene sowie die maximale Wärmeverlustleistung pro Steckplatz angegeben.

 

Gemäß den Spezifikationen für die PXI-Plattform, wie sie von der PXI Systems Alliance definiert sind, liefert ein PXI-Express-Chassis 650 W Leistung auf dem Backplane-Bus (3,3 V, +12 V) zur Versorgung des Systemcontrollers und der Modulsteckplätze. Die Leistung des NI PXIe-1075 liegt über diesem Minimum und versorgt die Backplane mit 791 W. Beim Vergleich der PXI-Chassis von verschiedenen Anbietern ist die Spezifikation „Leistungsversorgung der Backplane“ (oder Ähnliches) zu betrachten – und nicht etwa nur die Gesamtleistung und Leistung pro Steckplatz. National Instruments legt großen Wert auf eine realistische und beständige Ermittlung der Leistungsspezifikationen, darunter Gesamtleistung, Leistungsversorgung der Backplane und Leistung pro Steckplatz. Andere Anbieter vermarkten häufig irreführende Leistungsspezifikationen, die in einer typischen Installations- bzw. Betriebsumgebung gar nicht umgesetzt werden können.

 

Bei modernen Anwendungen gibt es eine steigende Nachfrage nach PXI-basierten Systemen für den Betrieb in hohen Umgebungstemperaturen (bis zu 55 °C). PXI-Chassis von National Instruments erfüllen diese Anforderungen mit nur minimaler Leistungsherabsetzung. Die Leistungsherabsetzung bezieht sich auf den Verlust der für die Chassis-Steckplätze verfügbaren Stromversorgung beim Betrieb bei höheren Temperaturen oder unter anderen extremen Bedingungen. Die PXI-Chassis vieler anderer Hersteller erfüllen zwar die Anforderungen an die Stromversorgung laut der PXI-Spezifikation bei niedrigeren Betriebstemperaturen (20 bis 35 °C), werden allerdings ab 40 °C instabil oder sind dann gar nicht mehr funktionstüchtig.

 

Abb. 2: NI PXI hält die Leistungsversorgung zur Backplane über den gesamten Temperaturbereich hinweg aufrecht.

 

Da PXI-Chassis von NI industrietaugliche Netzteile beinhalten, erfüllen sie über den gesamten spezifizierten Betriebstemperaturbereich (0 bis 50 oder 55 °C) die minimalen Anforderungen an die Stromversorgung ohne Leistungsherabsetzung. Wie zuvor erwähnt, lässt sich ein vollbestücktes NI-PXI-Chassis bei der auf dem Datenblatt angegebenen Höchsttemperatur betreiben. (Die Betriebstemperaturbereiche für die einzelnen PXI-Chassis-Modelle von NI sind den jeweiligen Produkthandbüchern zu entnehmen.)

 

Das von beweglichen Teilen innerhalb des Chassis, insbesondere von Kühlgebläsen, erzeugte elektrische Rauschen kann die Messgenauigkeit von PXI- und PXI-Express-Peripheriemodulen beeinträchtigen. Um dem entgegenzuwirken, verfügen viele NI-Chassis nicht nur über Kühlgebläse auf der Rückseite, sondern beinhalten auch ein dediziertes 12-V-Netzteil, das die Ventilatoren, den Systemsteckplatz und in manchen Fällen die Ventilatoren der Netzteile betreibt. So soll verhindert werden, dass von den Komponenten ausgehendes Rauschen auf den Bus gelangt, über die die Leistungsversorgung der Messmodule erfolgt.

 

Die meisten NI-Chassis bieten eine dezentrale Überwachung der Ausgangsspannung auf dem Bus der Backplane, um mögliche Spannungsabfälle auszugleichen. Dieses Designmerkmal von PXI- und PXI-Express-Chassis ist insbesondere bei Anwendungen von Bedeutung, bei denen Module mit hoher Leistungsaufnahme eingesetzt werden, da eine bessere Regulierung an der Backplane ermöglicht wird, wenn starke Schwankungen der Last auftreten.


Für Systeme, die eine hohe Verfügbarkeit erfordern, hat NI Netzteile und Lüfter für die meisten seiner Chassis mit acht und mehr Steckplätzen entwickelt, die im Falle eines Defektes leicht ausgetauscht werden können. Zum Austausch des Lüfters auf der Rückseite sind zuerst die Flügelschrauben zu entfernen, mit denen der Lüfter befestigt ist. Anschließend lässt sich der defekte Lüfter herausziehen und das Ersatzteil einfach installieren. Dieses Design ermöglicht eine Reparatur des Netzteils in weniger als fünf Minuten. Sofern die Rückseite der in Racks eingebauten Chassis gut zugänglich ist, lassen sich Netzteil und Lüfter austauschen, ohne die Module demontieren oder I/O neu anschließen zu müssen.

 

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Timing und Synchronisation auf hohem Niveau

Ein bedeutender Vorteil eines PXI-Systems sind die integrierten Timing- und Synchronisationsfunktionen. Ein PXI-Chassis umfasst einen dedizierten 10-MHz-Systemreferenztakt, einen PXI-Trigger-Bus, einen Star-Trigger-Bus und einen lokalen Bus zwischen den einzelnen Steckplätzen, während ein PXI-Express-Chassis zusätzlich über einen differenziellen 100-MHz-Systemtakt, eine differenzielle Signalübertragung und differenzielle Star-Trigger verfügt, sodass anspruchsvolle Timing- und Synchronisationsfunktionen genutzt werden können.

 

Abb. 3: PXI Express bietet herausragende Timing- und Synchronisationsfunktionen.

 

Phasenrauschen und Stabilität der Backplane-Systemreferenztakte sind bedeutende Eigenschaften des PXI-Chassis, da sie angeben, wie zuverlässig Module innerhalb des Systems synchronisiert werden können. Aufgrund des Komponenten- und Backplane-Designs von NI PXI ist die Phasenrauschleistung des differenziellen PXI-Express-Systemtakts (100 MHz) auf dem Chassis NI PXIe-1075 mit 18 Steckplätzen beinahe 1000-mal besser (30 dB) als bei vergleichbaren Chassis anderer Anbieter.

 

Die PLL-Technologie (Phase-Locked Loop) verleiht den 10- und 100-MHz-Systemreferenztakten mehr Stabilität, als durch die Chassis-Backplane vorgegeben ist. Dadurch können PXI-Module mit hohen Abtastraten noch besser miteinander synchronisiert werden, selbst über mehrere Messgeräte hinweg. Der PLL-Schaltkreis von NI-PXI-Chassis wurde konzipiert, um bei der Verknüpfung mit externen Referenzen mehr Geräusche zu unterdrücken und so eine deutlichere Übertragung sowie die höhere Stabilität der Taktquelle zu gewährleisten. Bei Chassis anderer Anbieter kann es abhängig vom für die jeweilige Anwendung erforderlichen Phasenrauschpegel notwendig sein, den externen Referenztakt phasenstarr mit jedem einzelnen Modul und nicht etwa auf Systemebene mit der Chassis-Backplane zu synchronisieren, wodurch Komplexität und Kosten des Systems ansteigen.

 

Abb. 4: Vergleich der Systemtaktleistung von PXI-Express-Chassis

 

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Weitere Designvorteile von NI PXI

Mehr zu den Designvorteilen der Plattform NI PXI erfahren Sie in den anderen Whitepapern dieser Reihe:

Designvorteile der NI-PXI-Plattform

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