Testen von Nahfeldemissionen für NI-PXI-Messgeräte

Einführung und Herausforderung

Die NI-PXI-Plattform bietet eine robuste, kompakte Lösung für leistungsstarke Systeme mit verschiedenen Messgeräten für Validierungs- und Produktionstests. Das Besondere an PXI ist die Möglichkeit, mehrere Arten von Messungen in einer kleinen Box durchzuführen. Dieser Vorteil ist jedoch nicht unproblematisch: Es gibt potenzielle Störungen zwischen Modulen.

​Elektromagnetische Störungen (EMI) werden durch Magnetfelder verursacht, die von Komponenten wie Spulen und Transformatoren in benachbarten PXI-Modulen abgestrahlt werden. Netzteile emittieren tendenziell die größten Magnetfelder durch diese Komponenten. Als PXI in den späten 1990er Jahren eingeführt wurde, waren die Störungen minimal. Als neue Messgeräte jedoch empfindlicher wurden und Schaltnetzteile die von ihnen übertragenen Ströme erhöhten, verschärfte sich das Problem.

​Ziel war es, eine zuverlässige und automatisierte Methodik zur Messung und Minderung der EMI zwischen PXI-Modulen zu entwickeln, die entscheidend für die Gewährleistung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit dieser Messgeräte ist.

​Bisherige Lösungen

​Bisherige Methoden zur Messung der Magnetfelder waren inkonsistent. Bei internen Lösungen wurden Sonden und Spektrumanalysatoren mit provisorischen Aufbauten wie Pappschablonen verwendet, um die Emissionen abzubilden. Diese Methoden waren subjektiv, nicht standardisiert und langwierig, was zu unzuverlässigen Ergebnissen führte.

​Es waren kommerzielle Scanner erhältlich, die Magnetfelder abbilden konnten, aber sie hatten zwei wesentliche Einschränkungen:

• ​Eindimensionale Messung – Mit diesen Scannern wurde das Magnetfeld nur in einer Dimension gemessen, wodurch nicht die gesamte dreidimensionale Natur des Feldes erfasst wurde.
• ​Ungenaue Umgebung – Sie erlaubten kein Scannen der Karte in ihrer ursprünglichen Umgebung innerhalb des Chassis, was für genaue Messungen entscheidend ist.

​Lösungsentwicklung

​Die Ingenieure Ed Loewenstein und Tim Keil entwickelten einen benutzerdefinierten Scanner mit drei Schrittmotoren, NI-PXI-Messgeräten und LabVIEW, um die Messung von Nahfeldemissionen zu automatisieren. Der Scanner wurde entwickelt, um die folgenden Anforderungen zu erfüllen:

• ​Messung in drei Dimensionen – Im Gegensatz zu handelsüblichen Scannern könnte die Lösung die Sonde dreidimensional ausrichten, um das gesamte Magnetfeld zu erfassen.
• ​Betrieb in der geräteeigenen Umgebung – Der Scanner kann die Emissionen des PXI-Moduls während des Betriebs im Chassis messen und so genaue und relevante Daten sicherstellen.
• ​Automatische Datenerfassung – Der Scanner wurde automatisiert, um einen einheitlichen Betrieb und eine einheitliche Datenerfassung zu gewährleisten.

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Abbildung 1: Die Nahfeldemissionssonde in einem PXI-Chassis.

​Das Team nutzte verschiedene Hard- und Software-Tools von NI, um den Scanner zu bauen und zu betreiben:

• ​NI-PXIe-4139-Stromversorgung – Die PXIe-4139 ist eine hochpräzise System-SMU (Source Measure Unit). Sie wurde verwendet, um die Motoren mit Strom zu versorgen und einen zusätzlichen Vorteil von Diagnoseinformationen zu bieten. Durch die Überwachung von Strom und Spannung konnten sie einen sicheren Betrieb gewährleisten, um Schäden zu vermeiden.
• ​NI-PXIe-5170-Oszilloskop – Das PXI-5170R ist ein Hochgeschwindigkeitsdigitalisierer für präzise Signalerfassung. Es wurde aufgrund seiner Fähigkeit ausgewählt, das Spektrum der Sonde genau und effizient zu erfassen. Seine hohe Bandbreite und Echtzeitverarbeitungsfähigkeiten waren entscheidend für die Erstellung detaillierter Wärmekarten von Emissionen.
• ​NI LabVIEW – LabVIEW ist eine grafische Programmierumgebung zur Steuerung des gesamten Systems. LabVIEW war maßgeblich an der Automatisierung des gesamten Testprozesses beteiligt: Steuerung der Stromversorgung und Schrittmotoren, Lesen verschiedener Sensoren, Erfassen von Daten vom Digitalisierer sowie Aufzeichnen und Anzeigen der Ergebnisse.
• ​NI Vision Development Module – Das Vision Development Module wird zusammen mit LabVIEW zur Entwicklung von Anwendungen verwendet, die eine Bildverarbeitung erfordern. Dadurch konnte das Team Daten dynamisch aufteilen und Emissionen in Echtzeit visualisieren, was den Prozess erheblich beschleunigte und die Interpretation der Ergebnisse erleichterte.

​Abbildung 2. Die LabVIEW-Benutzeroberfläche des Programms für Nahfeldemissionen.

​Ergebnisse und Schlussfolgerung

Dieser innovative Ansatz etablierte eine standardisierte, automatisierte und zuverlässige Methode zur Bewertung von Nahfeldemissionen. Er ermöglichte Ingenieuren, EMI-Probleme schnell zu erkennen und zu beheben, was zu erheblichen Verbesserungen in der Modulleistung und ‑kompatibilität führte. Darüber hinaus förderte die Lösung eine Kultur der kontinuierlichen Verbesserung und ermutigte Ingenieure, ihre Entwürfe mit Hilfe des Feedbacks durch den Scanner wiederholt zu testen und zu verfeinern.

​Die Entwicklung dieser Testmethodik für Nahfeldemissionen löste eine kritische interne Herausforderung, zeigt aber auch die Leistungsfähigkeit und Flexibilität unserer Produkte.

​Über den Ingenieur: Ed Loewenstein

​Ed Loewenstein begann seine Karriere 1987 bei NI und ist derzeit Chief Architect für langfristige Innovationsprojekte. Im Laufe seiner Karriere wirkte er an fast dem gesamten Hardwareportfolio von NI mit, einschließlich Datenerfassung, PXI- und RF-Produkten. Eds Leidenschaft für das Lernen und sein Engagement für kontinuierliche Verbesserung kommen in seiner Arbeit zum Ausdruck. Er ist ein freundlicher, kooperativer Teamplayer, der NI besser macht.   

​„Mir gefällt diese Art von Projekten, weil ich dabei einige meiner bereits vorhandenen Fähigkeiten nutze und mir neue aneigne. Ich wusste nichts über Motorsteuerung oder Bildverarbeitung, aber ich habe es gelernt. Und mit LabVIEW bin ich zwar kein Software-Typ, aber ich bin in der Lage, ein Programm zu schreiben, das meine Anforderungen zuverlässig erfüllt.“​