NI PXI​シャー​シ​設計​の​強み

目次

  1. 概要
  2. 冷却​について
  3. 音響
  4. 電源
  5. タイミング​および​同期​の​品質
  6. その他​の​NI PXI​設計​の​メリット

概要

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​では、​計測/​テスト​オートメーション​アプリケーション​に​役立つ​高性能​な​PXI Express/​PXI​シャー​シ​を​各種​ご​用意​し​てい​ます​(表​1)。​NI​の​シャー​シ​は、​高性能​バック​プレー​ン​を​採用​し、​作り​も​頑丈​で​信頼​性​の​高い​もの​と​な​って​い​ます。​ポータブル、​ベンチ​トップ、​ラック​マウント、​組​込​システム、​信号​調節​機能​内蔵​システム​など、​あらゆる​システム​で​アプリケーション​に​最適​な​シャー​シ​を​見つける​こと​が​でき​ます。​NI PXI Express​シャー​シ​は、​PXI Express/​CompactPCI Express​モジュール​に​対応​し​てい​ます。​さらに、​全て​の​NI​シャー​シ​は​PXI​モジュール​および​Compact PCI​モジュール​と​互換性​が​あり​ます。​この​ドキュメント​では、​冷却​性能、​音響​性能、​および​電源​の​信頼​性​を​向上​させる​NI​製品​の​機能​について​ご​紹介​し​ます。

 

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冷却​について

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の​シャー​シ​製品​は、​電力​負荷​の​高い​ほとんど​の​PXI​モジュール​の​冷却​要件​を​満たす​か​上回​って​い​ます。​PXI​仕様​では、​各​周辺​スロット​で​少なくとも​25 W​の​電力​が​利用​でき、​各​スロット​で​同じ​量​の​熱​を​放散​可能​な​こと​を​条件​として​い​ます。​PXI Express​では​この​電源​仕様​が​約​20​パーセント​高め​ら​れ​て​おり、​シャー​シ​は​少なくとも​30 W​の​電力​を​供給​し​同じ​量​の​熱​を​放散​する​こと​が​規定​さ​れ​てい​ます。

 

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​が​設計​する​シャー​シ​は​PXI/​PXI Express​仕様​を​上​回り、​PXI/​PXI Express​シャー​シ​の​各​周辺​スロット​につき​それぞれ​30 W​と​38.25 W​の​電力​供給​と​冷却​機能​を​備え​てい​ます。​そのため、​連続​集録​や​高速​テスト​など​を​行う​必要​の​ある​アプリケーション​でも、​デジタイザ、​高速​デジタル​I/​O、​RF​モジュール​など​高性能​モジュール​の​上級​機能​が​利用​可能​となり​ます。

 

図​1. 特許​取得​の​NI PXIe-1062Q​背面​冷却​機能

 

多く​の​NI PXI​シャー​シ​は、​この​背面​冷却​ファン​設計​を​採用​し​てい​ます。​図​1​に​示す​よう​に、​シャー​シ​の​背面​(2)​から​の​空気​が​回転​翼​を​通​って​全て​の​モジュール​スロット​間​に​均等​に​分配​さ​れ​ます​(1)。​そう​する​こと​で、​ファン​が​モジュール​の​すぐ​下​に​ある​設計​の​シャー​シ​に​比べ、​冷却​機能​が​向上​し​空​流​が​停滞​する​スポット​が​少​なく​なり​ます。​また、​ファン​が​背面​に​ある​こと​で、​モジュール​が​影響​を​受ける​ファン​の​モータ​から​の​電気​ノイズ​の​量​も​減らす​こと​が​でき​ます。

 

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​では、​スロット​ブ​ロッカー​も​ご​用意​し​てい​ます。​スロット​ブ​ロッカー​と​は、​使用​し​てい​ない​シャー​シ​スロット​に​挿入​する​プラスチック​製​の​モジュールフィラー​PXI​カード​です。​それにより空のスロットでの空流のバイパスが軽減され、​挿入​さ​れ​て​いる​モジュール​の​電気​部品​の​温度​上昇​を​最大​20​パーセント​抑える​こと​で、​モジュール​の​入​って​いる​スロット​の​空​流​が​効率​化​さ​れ​ます。

 

表​1​は、​その​よう​な​設計​によって​NI PXI​シャー​シ​が​得​られる​冷却​性能​の​違い​を​他の​主要​ベンダ​製品​と​比較​した​もの​です。​この​評価​は、​シャー​シ​に​挿入​さ​れ​て​いる​PXI​モジュール​の​コンポーネント​の​平均​温度​を​計測​し​て​行​いま​した。NI PXIe-1075シャー​シ​は、​ファン​速度​設定​「Auto」​で​同等​の​冷却​機能、​「High」​では​より​優​れ​た​冷却​機能​を​実現​し​ます。

 

表​1. NI PXI​シャー​シ​と​他社​製品​の​冷却​性能​の​比較

 

NI PXI Express​シャー​シ​は、​各​スロット​で​38.25 W​の​冷却​が​可能​です。​ここ​で​重要​な​の​は、​この​仕様​は​シャー​シ​の​全て​の​スロット​に​それぞれ​38.25 W​の​電力​消費​を​必要​と​する​モジュール​が​挿入​さ​れ​て​いる​場合​に​有効​で​ある​という​点​です。​他の​主要​ベンダ​が​提供​する​シャー​シ​は​その​限り​では​ありま​せん。​それらの​ベンダ​も​38.25 W​を​超える​電力​供給​と​冷却​の​機能​を​謳​って​い​ます​が、​全て​の​スロット​について​では​なく、​制約​の​ある​厳しい​注意​点​に​従​っ​た​場合​に​限る​こと​が​少​なく​ありま​せん。

 

表​2​から​も​わかる​よう​に、​各​スロット​38.25 W​の​冷却​機能​を​備え​た​NI PXI​シャー​シ​は、​38.25 W​を​超える​冷却​性能​を​仕様​に​記載​し​て​いる​他社​の​製品​より​冷却​性能​が​優​れ​てい​ます。​つまり​NI PXI​シャー​シ​は、​38.25 W​を​超える​冷却​性能​を​実現​する​よう​構成​する​こと​も​可能​と​考える​こと​が​でき​ます。

 

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音響

上述​の​よう​な​優​れ​た​冷却​機能​を​備え​てい​ながら、​NI PXI​シャー​シ​は​システム​全体​の​アコースティック​エミッション​を​最小限​に​抑える​よう​設計​さ​れ​てい​ます。​PXI​システム​は​アコースティック​エミッション​要件​が​異なる​ラック​マウント​型​自動​テスト​と​ベンチ​トップ​型​検証​環境​の​両方​で​使用​さ​れる​ため、​この​点​は​重要​です。​ファン​速度​の​制御、​使用​する​ファン​の​種類、​ファン​の​取り付け​方法​など​により、​放出​さ​れる​音響​ノイズ​を​軽減​する​こと​が​可能​となり​ます。

 

多く​の​NI PXI​シャー​シ​では、​ファン​速度​選択​スイッチ​を​使​って、​「High」​と​「Auto」​の​2​つ​の​ファン​速度​から​選ぶ​こと​が​でき​ます。​「Auto」​に​設定​すると、​シャー​シ​の​ファン​速度​は​シャー​シ​の​ファン​吸気​口​で​の​周囲​温度​に​比例​し​て​制御​さ​れ​ます。​30℃​より​低い​場合、​シャー​シ​の​冷却​システム​は​アコースティック​エミッション​を​最低限​に​抑える​音響​性能​領域​で​動作​し​ます。​30℃​を​超える​周囲​温度​が​計測​さ​れ​た​場合、​冷却​ファン​速度​も​それに​伴​って​上昇​し​ます。​ファン​速度​を​「High」​に​設定​すると、​シャー​シ​は​周囲​温度​に​関係​なく​空​流​を​最大限​に​高め​ます。​この​モード​は、​音響​ノイズ​が​重要​で​ない​アプリケーション​や、​より​冷却​機能​を​高める​こと​で​システム​内​の​PXI​モジュール​の​寿命​を​延ばす​こと​を​目的​として​いる​場合​など​に​適​し​てい​ます。

 

表​3. PXI Express​シャー​シ​の​音​圧​レベル​を​比較

 

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​では、​多く​の​PXI​シャー​シ​に​パルス​幅​変調​(PWM)​ファン​を​採用​し​てい​ます​ので、​従来​型​の​電圧​制御​ファン​に​比べ​アコースティック​エミッション​を​さらに​低減​する​こと​が​でき​ます。​PWM​信号​による​ファン​の​制御​を​採用​した​こと​で、​ファン​の​RPM​設定​を​広範囲​に​する​こと​が​可能​と​なる​ため、​シャー​シ​の​アコースティック​エミッション​と​冷却​性能​の​微​調整​が​行える​よう​に​なり​ます。

 

PXI​仕様​の​冷却​要件​を​満たす​(上回る)​に​は、​NI PXI​シャー​シ​に​内蔵​する​ファン​は​強力​な​もの​で​なく​て​は​なり​ま​せん。​多く​の​NI​シャー​シ​では、​振動​を​緩和​する​素材​で​製造​した​ファン​マウント​を​使用​し​て​いる​ため、​シャーシのフレームがファンの機械的振動から隔絶され、​さらに​音響​ノイズ​が​軽減​さ​れ​ます。​また​それらの​マウント、​つまり​ファン​は​多く​の​場合​背面​に​設置​さ​れ​て​いる​ため、​PXI​モジュール​に​伝達​さ​れる​電気​ノイズ​(EMI)​の​量​の​軽減​に​も​つながり​ます。

 

NI PXI​シャー​シ​は、​システム​全体​の​アコースティック​エミッション​の​低減​を​念頭​に​設計​さ​れ​て​おり、​しかも​同時に​強力​な​冷却​性能​を​実現​し​てい​ます。​表​3でNI PXIe-1075の​仕様​を​ベンダ​A​製品​の​仕様​と​比較​すると、​12 dBA​の​差​が​ある​こと​が​わか​り​ます。​10 dBA​は、​知覚​ノイズ​では​倍​に​なり​ます。​この​情報​を​冷却​設計​の​メリット​と​併せて​考慮​すると、​NI PXIe-1075​は​ベンダ​A​が​提供​する​同等​の​シャー​シ​に​比べ、​スロット​あたり​の​冷却​機能​が​優​れ​て​いる​だけ​で​なく、​ノイズ​の​放散​も​少ない​こと​が​わか​り​ます。

 

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電源

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​は、​8​~​18​スロット​の​PXI/​PXI Express​シャー​シ​の​多く​の​製品​で、​計測​器​レベル​の​電源​の​設計​オーナーシップ​を​保持​し​てい​ます。​そのため、​NI​は​それらの​電源​の​長期​安定​供給​を​保証​し​て​おり、​電源​メーカー​の​変更​による​シャー​シ​設計​の​変更​も​あまり​ありま​せん。​逆に、​標準​の​PC​電源​のみ​を​採用​し​て​いる​他の​PXI​ベンダ​は、​電源​の​品質​について​関与​する​こと​が​ほとんど​でき​ま​せん。

 

NI PXI​シャー​シ​に​内蔵​さ​れ​て​いる​計測​器​品質​の​電源​は、​パーソナルコンピュータ向けに設計された​ATX​電源​と​は​異​なり、​PXI​特有​の​電源​要件​に​準拠​する​よう​設計​さ​れ​てい​ます。​PXI​仕様​の​最小​電源​要件​を​満​た​し​さらに​上回る​よう、​NI​シャー​シ​向け​の​カスタム​設計​と​な​って​い​ます。​その​よう​な​電源​を​搭載​した​NI PXI Express​シャー​シ​は、​全​スロット​の​モジュール​それぞれに​38.25 W​の​電力​を​供給​する​こと​が​でき​ます。

 

表​4. NI PXI Express​シャー​シ​は、​PXI​の​最小​電流​仕様​を​上回る​よう​設計​さ​れ​てい​ます。

 

製品​マニュアル​では、​シャー​シ​の​電源​から​モジュール​に​供給​さ​れる​総​電力​量​が​指定​さ​れ​てい​ます。​一方​他社​の​多く​は、​電源​の​出力​を​掲載​し​てい​ます。​総​電力​量​から​ファン​や​バック​プレー​ン​など​の​シャー​シ​コンポーネント​で​消費​さ​れる​電力​量​を​引​い​た​もの​が、​コントローラ​と​モジュール​で​利用​できる​電力​量​となり​ます。​NI PXI​シャー​シ​の​マニュアル​では、​各​電圧​レール​上の​電流​と​スロット​あたり​の​最大​消費​電力​量​を​明記​し​てい​ます。

 

PXI Systems Alliance​が​定義​する​PXI​プラットフォーム​の​仕様​による​と、​PXI Express​シャー​シ​は​システム​コントローラ​と​モジュール​スロット​に​電力​を​供給​する​ため、​3.3 V​と​+12 V​の​バック​プレー​ン​レール​に​650 W​の​電力​を​供給​する​こと​を​必須​として​い​ます。NI PXIe-1075は​この​最小​値​を​上​回り、​791 W​の​電力​を​バック​プレー​ン​に​供給​する​こと​が​可能​です。​ベンダ​各社​が​提供​する​PXI​シャー​シ​を​比較​する​際​に​は、​総​電力​量​や​スロット​当たり​の​電力​量​だけ​で​なく、“バック​プレー​ン​に​供給​さ​れる​電力”の​仕様​を​考慮​する​こと​が​重要​です。​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​では、​電力​仕様​を​定義​する​際、​総​電力、​バック​プレー​ン​へ​の​供給​電力、​スロット​あたり​の​電力​の​いずれ​で​ある​か​を​一貫​し​て​明確​にし​てい​ます。​他社​製品​の​中​に​は、​通常​の​設置/​動作​環境​では​実現​不可能​な​誤解​を​与える​電力​仕様​を​謳​って​いる​もの​も​あり​ます。

 

PXI​ベース​の​システム​を​高​周囲​温度​環境​(最大​55℃)​で​動作​させる​アプリケーション​の​需要​が​高​まっ​てい​ます。​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の​PXI​シャー​シ​なら、​電力​低下​を​抑え​つつ​その​よう​な​需要​を​満たす​こと​が​でき​ます。​電力​低下​と​は、​高温​など​極端​な​環境​で​動作​さ​せ​た​とき​に、​シャー​シ​の​スロット​に​供給​さ​れる​電力​の​低下​の​こと​を​いい​ます。​多く​の​ベンダ​の​PXI​シャー​シ​は、​低温​環境​で​の​動作​(20​~-35 ℃)​で​の​利用​可能​な​電力​の​PXI​仕様​は​満​た​し​てい​ます​が、​高温​(40℃​超)​に​なる​と​不安定​に​な​っ​たり​動作​不能​に​な​っ​たり​する​こと​が​あり​ます。

 

図​2. NI PXI​は​全​温度​範囲​で​指定​電力​を​バック​プレー​ン​に​供給​し​ます。

 

NI PXI​シャー​シ​は​計測​器​品質​の​電源​を​採用​し​て​いる​ため、​電力​低下​を​起こす​こと​なく、​全​指定​動作​温度​範囲​(0​~-50/55℃)​にわたって​最低限​の​電力​要件​を​満たす​こと​が​でき​ます。​繰り返し​に​なり​ます​が、​NI PXI​シャー​シ​は、​全て​の​スロット​が​モジュール​で​満​た​さ​れ​た​状態​でも、​仕様​に​記載​さ​れ​た​高温​環境​で​動作​可能​です​(特定​の​モデル​の​NI PXI​シャー​シ​の​動作​温度​範囲​につきまして​は、​製品​マニュアル​を​参照​し​て​くだ​さい)。

 

冷却​ファン​など​シャー​シ​内​の​可動​機械​機構​により​発​せ​られる​電気​的​ノイズ​は、​PXI/​PXI Express​周辺​モジュール​の​計測​確度​低下​の​原因​となり​ます。​それ​を​防ぐ​ため、​多く​の​NI​シャー​シ​に​は​背面​に​冷却​ファン​が​設置​さ​れ​て​いる​だけ​で​なく、​冷却​ファン​や​システム​コントローラ​スロット、​場合​によって​は​電源​ファン​など​に​電力​を​供給​する​ため​の​専用​の​12 V​電源​も​備え​てい​ます​ので、​それらの​コンポーネント​から​計測​モジュール​に​電力​を​供給​する​レール​へ​の​結合​ノイズ​を​防止​する​こと​が​でき​ます。

 

ほとんど​の​NI​シャー​シ​は、​バック​プレー​ン​の​電源​レール​に​出力​電圧​の​リモート​センス​機能​も​備え​て​いる​ため、​電圧​低下​を​補償​する​こと​も​可能​です。​この​設計​機能​は、​特に​高​電力​モジュール​を​使用​する​アプリケーション​で​PXI/​PXI Express​シャー​シ​を​使う​場合​に​重要​です。​大きな​負荷​の​変動​が​起​こ​っ​た​際​に、​バック​プレー​ン​で​調整​が​行い​やすい​ため​です。


​電力​供給​能力​が​重要​な​システム​向け​に、​NI​では​電力​障害​が​発生​した​場合​に​備え、​8​スロット​以上​の​シャー​シ​用​の​簡単​に​交換​可能​な​電源​ユニット​を​ご​用意​し​てい​ます。​ユニット​は、​背面​から​交換​する​こと​が​でき​ます。​ネジ​を​取り外し​て​電源​ユニット​を​スライド​式​に​出し入れ​する​だけ​です。​この​よう​な​設計​の​おかげ​で、​電源​の​平均​修理​時間​(MTTR)​は​5​分​未満​と​な​って​い​ます。​ラック​マウント​型​で​設置​さ​れ​て​いる​シャー​シ​の​場合​は、​シャーシの背面に手が届くようにさえなっていれば、​モジュール​を​取り出し​たり​I/​O​の​再​接続​など​を​行​わ​なく​て​も、​電源​ユニット​を​交換​する​こと​が​でき​ます。

 

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タイミング​および​同期​の​品質

PXI​システム​の​主​な​メリット​として、​統合​さ​れ​た​タイミング/​同期​機能​が​あり​ます。​PXI​シャー​シ​は、​専用​の​10 MHz​システム​基準​クロック、​PXI​トリガ​バス、​スタート​リガ​バス、​スロット​間​ローカル​バス​を​搭載​し​てい​ます​が、​一方​PXI Express​シャー​シ​は、​さらに​100 MHz​の​差動​システム​クロック、​差動​信号、​差動​スタート​リガ​を​搭載​し​て​いる​ため、​高度​な​タイミング/​同期​に​も​対応​できる​よう​に​な​って​い​ます。

 

図​3. PXI Express​の​タイミング/​同期​機能​は​大きな​強み​と​な​って​い​ます。

 

バック​プレー​ン​の​システム​基準​クロック​の​位相​ノイズ​と​安定性​は、​システム​内​の​モジュール​の​同期​性能​が​どれほど​信頼​できる​か​を​示す​もの​で、​PXI​シャー​シ​の​重要​な​特性​です。​NI PXI​の​コンポーネント​と​バック​プレー​ン​設計​により、NI PXIe-1075 18​スロット​シャー​シ​に​搭載​さ​れ​て​いる​PXI Express 100 MHz​差動​システム​クロック​の​位相​ノイズ​性能​は、​他社​製​シャー​シ​の​同等​モデル​に​比べ​1,000​倍​(30 dB)​近く​優​れ​てい​ます。

 

10 MHz​と​100 MHz​の​システム​基準​クロック​を、​シャー​シ​の​バック​プレー​ン​に​搭載​さ​れ​て​いる​もの​より​高い​安定性​クロック​ソース​に​位相​ロック​ループ​(PLL)​する​こと​が​でき​ます。​それ​により、​サンプル​レート​の​高い​PXI​モジュール​でも、​サンプル​を​複数​の​計測​器​間​で​アライン​する​こと​が​でき​ます。​NI PXI​シャー​シ​の​PLL​回路​は、​外部​基準​に​ロック​する​際​により​多く​の​ノイズ​を​抑える​よう​設計​さ​れ​て​いる​ため、​高​安定性​クロック​ソース​で​より​ノイズ​の​少ない​通信​が​可能​となり​ます。​他社​製​シャー​シ​では、​アプリケーション​で​必要​と​さ​れる​システム​クロック​ソース​の​位相​ノイズ​によって​は、​システム​レベル​で​シャー​シ​の​バック​プレー​ン​に​位相​ロック​する​の​では​なく、​外部​基準​クロック​を​各​モジュール​に​個別に​位相​ロック​する​こと​が​必要​と​なる​場合​が​あり、​その​結果​システム​が​複雑​化​し​コスト​も​増大​し​ます。

 

図​4. PXI Express​基準​クロック​の​性能​を​比較

 

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その他​の​NI PXI​設計​の​メリット

ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​の​PXI​プラットフォーム​設計​の​メリット​に関する​詳細​は、​本​シリーズ​の​他の​セクション​で​ご覧​い​た​だけ​ます。

NI PXI​プラットフォーム​設計​の​メリット

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