El Osciloscopio PXIe-5164. Maximiza el Rango de Entrada y la Precisión. Minimiza el Riesgo.

Visión General

NI presentó los primeros osciloscopios que incluyen FPGAs que podían ser diseñados y reprogramados con el Módulo LabVIEW FPGA en 2014. Este avance en la tecnología de instrumentación le brinda la habilidad de definir las características de operación de sus osciloscopios para cubrir las necesidades actuales y del futuro, conforme sus dispositivos y pruebas cambian. El osciloscopio PXIe-5164 le brinda precisión, ancho de banda y flexibilidad de señales sin precedentes en un osciloscopio reconfigurable. Aprenda más sobre el osciloscopio reconfigurable PXIe-5164 y cómo puede ayudarle a disminuir sus costos de pruebas, acortar el tiempo para llegar al mercado y mejorar su rendimiento de pruebas.

Tabla de Contenidos

  1. Osciloscopio PXIe-5164
  2. Rendimiento Analógico PXIe-5164
  3. FPGA Programable por el Usuario
  4. Áreas Clave de Aplicación
  5. Siguientes Pasos

Osciloscopio PXIe-5164

El PXIe-5164 puede hacer el trabajo de múltiples osciloscopios combinando el ancho de banda más alto, rango de voltaje de entrada más amplio y mayor rango de desfase para un diseño de ADC de 14 bits de cualquier osciloscopio comercial. La tecnología PXIe-5164 incluye:

  • Dos canales de 14 bits muestreados a 1 GS/s con 400 MHz de ancho de banda
  • Dos canales Categoría II con rango de entrada de voltaje de 100 Vpp con desfases programables, lo que permite medidas hasta ± 250 V
  • Hasta 34 canales para desarrollar sistemas paralelos de gran cantidad de canales en un solo chasis PXI
  • Una velocidad de transferencia de datos de 3.2 GB/s habilitada por ocho líneas de comunicación por bus PCI Express Gen 2
  • Un FPGA Xilinx Kintex-7 410 para crear IP personalizado, incluyendo filtros y disparos, programado a través de LabVIEW

 

Y con la modularidad para cumplir con los crecientes requerimientos, este nuevo osciloscopio ofrece una solución de máxima confiabilidad para cualquier sistema de pruebas y medidas.

Figura 1. El PXIe-5164 es un osciloscopio sin riesgos con 400 MHz de ancho de banda, 14 bits de resolución y 250 volts de rango de medida.

 

Regresar al Inicio

Rendimiento Analógico PXIe-5164

El arte del diseño analógico a menudo se oculta en las especificaciones. Detrás de las especificaciones como el ancho de banda y el número efectivo de bits (ENOB) se encuentran las características como uniformidad pasabanda, respuesta de paso, linealidad y ruido. Las características de diseño analógico del PXIe-5164 incluyen un convertidor analógico a digital (ADC) de amplio rango dinámico y panel frontal analógico, diseño robusto de alto voltaje sin pérdida de rendimiento de alta resolución y la capacidad de utilizar el procesamiento digital de señales (DSP) para estabilizar e igualar las respuestas de magnitud y fase de la señal.

 

Panel Frontal y ADC de Amplio Rango Dinámico

El PXIe-5164 está diseñado para precisión de medidas sin sacrificar el rango de medición

El PXIe-5164 utiliza un ADF54J40 de Texas Instruments, un ADC extraordinario por su especificación de densidad espectral de bajo ruido de 155.9 dBFS/Hz. Para mantener este bajo nivel de ruido en un osciloscopio, es necesario desviarse de la disposición habitual de los circuitos. La Figura 2(a) muestra el diagrama de bloques de un osciloscopio típico donde el modo de 50 Ohm se logra simplemente conectando un resistor de 50 Ohm en paralelo con la entrada del panel frontal. La señal pasa a través del búfer de 1 MOhm, el cual está optimizado para alta impedancia de entrada y alto voltaje. Por necesidad, se pone menos énfasis de diseño en el rendimiento de distorsión y ruido en el búfer de 1 MOhm. La Figura 2(b) muestra el enfoque adoptado en el osciloscopio PXIe-5164, donde una trayectoria dedicada de 50 Ohms evita la sección de 1 MOhm y se conecta directamente a la sección del amplificador de baja impedancia. Por lo tanto, son eludidas las limitaciones de rendimiento de la etapa de 1 MOhm. El amplificador de baja impedancia en la Figura 2(b) es un controlador ADC de germanio y silicio de una sola etapa con retroalimentación variable. Al usar un amplificador en lugar de varios (varias etapas son características de la mayoría de los diseños de osciloscopios), elimina otros factores que contribuyen con la producción de ruido y distorsión de múltiples etapas. También, se puede tener más control en este circuito de una sola etapa, cambiando el grado de retroalimentación en lugar de variar el grado de atenuación de entrada (una vez más, esta última es característica del enfoque habitual). Así, el nivel más alto de rendimiento se obtiene en el modo de 50 Ohm.

 

Figura 2. El osciloscopio PXIe-5164 tiene una trayectoria de señal (b) optimizada para precisión de medidas al evadir el búfer de 1 MegOhm en la trayectoria de 50 Ohm y al tener únicamente una etapa de ganancia, en lugar de una trayectoria usual de señal de osciloscopio (a) que está optimizada para alta impedancia y voltaje.

 

Puede ver claramente el rango dinámico superior del PXIe-5164 en las medidas comparativas con un osciloscopio tradicional de 8 bits. La Figura 3 muestra las gráficas en el dominio del tiempo de una señal de comunicaciones de un evento único que viaja en un pulso digital tomado con un osciloscopio tradicional y un osciloscopio PXIe-5164. La amplitud de la señal de comunicaciones es el uno por ciento de la amplitud del pulso. Ambos instrumentos fueron ajustados para 50 Ohms en sus rangos de 2 Vpp. Para mejorar la relación de señal a ruido, se redujo el ancho de banda del osciloscopio tradicional a su configuración de 250 MHz y su modo de adquisición se ajustó a alta resolución. La señal de comunicación es casi imperceptible en los datos capturados con el osciloscopio tradicional de 8 bits pero fácilmente reconocible y descifrable en los datos capturados por el osciloscopio PXIe-5164. 

Figura 3. Compare las gráficas del dominio del tiempo de un osciloscopio tradicional de 8 bits con el osciloscopio PXIe-5164 en donde ambos muestrean una señal idéntica de comunicación de un evento único que viaja en un pulso digital. La señal de comunicación es casi imperceptible en el osciloscopio tradicional de 8 bits pero fácilmente reconocible y descifrable en el PXIe-5164.

 

La Figura 4 muestra los resultados espectrales del mismo osciloscopio y el PXIe-5164. La entrada es un tono sinusoidal de 101 MHz a 11 dBm. Ambos osciloscopios fueron establecidos a 50 Ohms, rango de 2 Vpp y ancho de banda completo con número de puntos de transformada rápida de Fourier (FFT) establecidos a un millón. El nivel de ruido del osciloscopio PXIe-5164 es sorprendentemente 22 dB menor. Si el tamaño del FFT de los datos del PXIe-5164 se reduce a 200,000 puntos para que ambos FFTs tengan el mismo ancho de 2.5 KHz (el instrumento tradicional muestrea a 5 Gs/s versus 1 Gs/s para el PXIe-5164), la diferencia del nivel de ruido sigue siendo un impresionante 16 dB. El osciloscopio PXIe-5164 también tiene el mejor rendimiento de distorsión harmónica.

Figura 4. Al comprar los resultados espectrales de un osciloscopio tradicional de 8 bits con el PXIe-5164, puede ver que el nivel de ruido del osciloscopio es sorprendentemente 22 dB menor.

 

Diseño Robusto de Alto Voltaje sin Pérdida de Rendimiento de Alta Resolución

La simplicidad de la trayectoria de señal de 5 Ohm en el osciloscopio convencional ofrece un alto grado de protección contra sobrecarga, pero compromete el rendimiento porque el búfer de 1 Ohm está incluido. El diseño de la trayectoria de señal del osciloscopio PXIe-5164 supera este problema al tener un circuito especial de protección en la trayectoria de 50 Ohm directamente acoplada (el bloque etiquetado como "protección" en la Figura 2[b]). Se obtiene un alto grado de protección sin comprometer el rendimiento de 50 Ohm.

La mayoría de los osciloscopios implementan rangos de alto voltaje a través de uno o más divisores de voltaje compensadoees que usted cambia usando relés electromecánicos voluminosos, como se muestra en la Figura 2(a). Los relés abarcan una valiosa área de la tarjeta que usted podría utilizar para implementar otras funciones del osciloscopio que son necesarias. El osciloscopio PXIe-5164 evita esto al usar una técnica de patente pendiente en la que toda la conmutación se realiza a bajo voltaje. El PXIe-5164 puede medir oscilaciones de voltaje hasta +/-50 V en voltajes de desfases hasta +/-250 V sin necesidad de relés electromecánicos problemáticos.

 

DSP Estabiliza e Iguala las Respuestas de Magnitud y Fase

La variabilidad es inevitable en la frecuencia y respuesta de paso del panel frontal analógico de un osciloscopio. Los filtros digitales pueden ofrecer una mejora considerable en variabilidad rango a rango, canal a canal e incluso unidad a unidad. Además, usted puede usar filtros digitales para ajustar la respuesta para otras características como uniformidad pasabanda y respuesta de fase lineal. En el osciloscopio PXIe-5164, un filtro de respuesta de impulso finito (FIR) de 16 taps está en el FPGA y en línea con el flujo de datos ADC para brindar estas ventajas. Los parámetros del filtro son determinados en fábrica o en la calibración externa y transferidos desde la EEPROM al filtro FIR, dependiendo del rango, la impedancia y configuración del filtro. El procedimiento de calibración exige un medidor de potencia muy exacto, por lo que una respuesta de frecuencia uniforme, garantizada y rastreable es transferida al PXIe-5164 durante la calibración. Se garantiza una uniformidad a +/- 0.35 dB hasta 330 MHz. La Figura 5 muestra una respuesta típica de osciloscopio PXIe-5164, en la que la desviación de 0 dB es menor a 0.022 dB para todos los rangos y canales. La Figura 6 muestra una respuesta de paso medida en la que la simetría en la forma de onda indica la característica deseada de fase lineal.

Figura 5. Esta gráfica muestra la respuesta de frecuencia de un osciloscopio PXIe-5164 típico en la trayectoria de 50 Ohm hasta el ancho de banda completo (400 Mhz). La respuesta de todos los rangos y canales de un módulo son superpuestos y la máxima desviación en el pasobanda es 0.022.

 

Figura 6. Respuesta de paso de 50 Ohm del osciloscopio PXIe-5164, ancho de banda completo (400 MHz). La simetría en la respuesta de paso es el resultado de la característica de fase mínima impuesta por el filtro FIR en línea.

 

Regresar al Inicio

FPGA Programable por el Usuario

Aproveche el FPGA abierto y programable en LabVIEW del PXIe-5164 para reducir el tiempo de medidas y disminuir el costo de pruebas.

Mientras que el hardware de instrumentación comercial, tradicionalmente tiene capacidad fija, NI es líder en dispositivos de medidas más abiertos y flexibles basados en la tecnología FPGA. Los FPGAs son chips digitales de alta densidad que usted puede personalizar para incorporar directamente algoritmos personalizados de control y procesamiento de señales en el hardware. El resultado es hardware comercial que tiene lo mejor de ambos mundos, tecnología de medidas fijas y de alta calidad; la integración más reciente del bus digital y lógica personalizada por el usuario que es altamente paralela; ofrece baja latencia y está vinculado directamente a E/S para procesamiento en línea y ciclos de control.

Los FPGAs continúan conquistando el diseño e incrementando participación en el mercado de productos estándares específicos de la aplicación (ASSPs) y circuitos integrados específicos de la aplicación (ASICs) porque satisfacen la ley de Moore mejor que otros dispositivos y reducen drásticamente los costos de desarrollo. Esto da como resultado un menor tamaño del sistema de pruebas y menor consumo energético. Al mercado están entrando FPGAs muy capaces y están definiendo las capacidades de hardware de muchos dispositivos, pero el IP que contienen es definido por el proveedor y la potencia del FPGA puede ser inaccesible para usted. Esto se debe en gran parte al conocimiento especializado que se requiere para programar estos dispositivos; los lenguajes de descripción de hardware o HDLs generalmente requieren una curva de aprendizaje pronunciada y están restringidos a los expertos de diseño digital.

El software LabVIEW da accesibilidad a la última tecnología de FPGA. Al usar programación gráfica, usted puede implementar lógica para definir el comportamiento de un instrumento en hardware y reprogramar el instrumento cuando los requerimientos cambian. La naturaleza gráfica del flujo de datos de LabVIEW es ideal para implementar y visualizar el tipo de operaciones paralelas que pueden ser implementadas en hardware digital.

 

Instrumentación Diseñada por Software Versus Instrumentos Tradicionales

Los FPGAs programables por el usuario en su hardware del sistema de medidas ofrecen beneficios que van desde control del dispositivo bajo prueba (DUT) de baja latencia hasta reducción de carga del CPU. Las siguientes secciones describen con más detalle varios escenarios de uso.

 

Mejore la Integración del Sistema de Pruebas con Capacidad Interna de Toma de Decisiones

En muchos sistemas, usted debe controlar el DUT o chip bajo prueba a través de señales digitales. Los sistemas tradicionales de pruebas automatizadas pueden secuenciar a través de modos DUT y realizar las medidas necesarias en cada etapa. En algunos casos, los sistemas de equipo de pruebas automatizadas (ATE) incorporan inteligencia para modificar las configuraciones del DUT de acuerdo a los valores de medidas recibidos.

En cualquiera escenario, los instrumentos diseñados por software que incorporan un FPGA programable por el usuario permiten ahorros de costo y tiempo. Consolidando el procesamiento de medidas y el control digital en un solo instrumento se reduce la necesidad de E/S digitales adicionales en el sistema y se evita la configuración de disparos entre instrumentos. En casos donde el DUT debe ser controlado en respuesta a los datos de medida recibidos, la instrumentación diseñada por software cierra el ciclo en hardware y reduce la necesidad de tomar decisiones en software a una latencia significativamente más alta.

 

Disminuya el Tiempo de Pruebas y Aumente la Seguridad con Medidas en Hardware

Los sistemas de pruebas basados en software de hoy en día pueden realizar un número limitado de medidas en paralelo, la instrumentación diseñada por software está limitada solamente por la lógica FPGA disponible. Usted puede procesar docenas de medidas o canales de datos con paralelismo de hardware verdadero, eliminando la necesidad de elegir entre diferentes medidas de interés. Con instrumentos diseñados por software, hay funcionalidad como máscaras de espectro en tiempo real que se puede lograr con un rendimiento significativamente más alto y en una fracción del costo, comparado con los instrumentos tradicionales.

La baja latencia asociada con realizar medidas en instrumentos diseñados por software significa que usted puede realizar decenas o cientos de medidas en vivo en la misma cantidad de tiempo en la que un sistema de pruebas tradicional realiza una sola medición. Esto permite una mejor calidad de los resultados de las pruebas y una mayor confianza en sus medidas.

 

Enfóquese Únicamente en Datos Interesantes con Disparos Personalizados

Las opciones de los instrumentos tradicionales para configurar disparos de baja latencia se establecen de acuerdo al hardware que se utiliza, pero con la instrumentación diseñada por software usted puede incorporar funcionalidad personalizada de disparo en su dispositivo para concentrarse rápidamente en situaciones de interés. El disparo flexible basado en hardware significa que usted puede implementar máscaras de espectro personalizadas u otras condiciones complejas como criterio para ya sea capturar datos de medida importantes o para activar equipo de instrumentación adicional. 

Vea un disparo personalizado desarrollado con LabVIEW e implementado en un osciloscopio diseñado por software en un seminario web de 5 minutos o lea sobre la implementación.

 

Reduzca las Cargas de Procesamiento del CPU con Procesamiento de Señales Interno en Tiempo Real

Procesar grandes cantidades de datos puede saturar incluso los CPUs comerciales más capaces, lo que resulta en sistemas con múltiples procesadores o tiempos de prueba prolongados. Con la instrumentación diseñada por software, usted puede pre-procesar datos en hardware, reduciendo significativamente la carga del CPU. Los cálculos como FFTs, filtros, conversión digital y canalización son implementados en hardware, reduciendo la cantidad de datos pasados y procesados por el CPU.

 

Confíe Más en el Rendimiento del Diseño Final con Rápida Generación de Prototipos

Usted por lo general utiliza instrumentación solamente para aplicaciones de pruebas y medidas, pero la conectividad entre E/S y software en los instrumentos modulares le da la habilidad de generar prototipos de sistemas electrónicos usando instrumentación. Por ejemplo, puede generar prototipos de sistemas avanzados de radar usando digitalizadores y analizadores de señal de RF; la conectividad con un FPGA programable permite una implementación más rápida de algoritmos avanzados en el prototipo y la validación más rápida de prueba de concepto.

 

Regresar al Inicio

Áreas Clave de Aplicación

El osciloscopio PXIe-5164 está basado en la arquitectura PXI abierta y modular e incluye un FPGA programable por el usuario para ayudarle en varias áreas de aplicación, incluyendo aeroespacial/defensa, semiconductores e investigación/física, que requieren medidas de alto voltaje y altos niveles de precisión de la amplitud. El FPGA programable por el usuario ofrece el nivel más alto de flexibilidad, rendimiento y planificación con hardware comercial. Conforme los requerimientos del sistema cambian, los instrumentos diseñados por software conservan su inversión de software en diferentes piezas de E/S modulares y garantizan que usted pueda modificar las E/S existentes de acuerdo a la aplicación que tenga al alcance.

Figura 7. El osciloscopio PXIe-5164 es una potente adición a los sistemas de pruebas modulares para aplicaciones de defensa y aeroespaciales basadas en la plataforma PXI.

 

Pruebas para Aeroespacial y Defensa

La vida útil de muchos probadores en la industria aeroespacial y de defensa puede llegar hasta 40 años y más. Los retos de reemplazar un instrumento obsoleto y recertificar un probador pueden ser extremadamente costosos. El alto rango de voltaje del osciloscopio PXie-5164 y la naturaleza reconfigurable del instrumento, lo hacen una buena elección para nuevos diseños, así como un reemplazo para los instrumentos obsoletos. Ya que muchas especificaciones o características, como disparos o filtros, necesitan mantenerse consistentes por generaciones de probadores, este nuevo osciloscopio ayuda a disminuir problemas de retrocompatibilidad que pueden surgir al permitirle reutilizar el IP de hardware creado en LabVIEW, y ayuda a reducir los costos de certificación y mantenimiento.

Vea cómo NI está teniendo un impacto en la industria aeroespacial y de defensa.

 

Investigación de Energía

La comunidad de energía valora muchos canales que están sincronizados en un bus común para proporcionar adquisiciones de alta resolución en un amplio rango de niveles de voltaje de entrada. Con el PXIe-5164, usted puede sincronizar fácilmente módulos PXI en un chasis (el osciloscopio PXIe-5164 puede soportar 34 canales en un chasis) o múltiples chasis, usando NI-TClk o módulos de temporización y sincronización adicionales. El alto rango de voltaje reduce la necesidad de atenuación adicional de la extensa variedad de tipos de señal que son inherentes con las pruebas de aplicaciones de PDV, plasma o tokamak. Otras aplicaciones incluyen monitoreo y análisis de descarga parcial que se benefician tanto del alto rango de voltaje de entrada como del FPGA programable por el usuario para realizar y procesar medidas a la velocidad del hardware.

Conozca cómo NI está mejorando las operaciones y está avanzado la investigación en la industria de energía.

 

Pruebas Automotrices y de Semiconductores

El incremento en ICs automotrices inteligentes han llevado a mayores requerimientos de voltaje en las pruebas de componentes de semiconductores para la industria automotriz. Los dispositivos que operan a alto voltaje y alta frecuencia son cada vez más comunes en los vehículos inteligentes del mañana. Además, la alta resolución del osciloscopio PXIe-5164 es necesaria para visualizar la comunicación de bus ruidosa hacia y desde la unidad de control de motores, como SPI o CAN y la prueba de otros subsistemas exige mayores requerimientos de entrada de voltaje de la que ofrecen actualmente las soluciones tradicionales de alta resolución.

Para conocer más sobre los productos de NI para pruebas de semiconductores, visite ni.com/semiconductor.

 

Regresar al Inicio

Siguientes Pasos

Regresar al Inicio