Cadencement de source et mesure pour la SMU de puissance PXI-4130

Aperçu

La vitesse des mesures joue un rôle important dans les systèmes de test automatisé. La capacité à générer et mesurer rapidement des tensions et des courants envoyés aux matériels sous test peut accroître le débit en réduisant les goulots d'étranglement dans le processus de test. Ce document est une introduction à l'utilisation du cadencement par logiciel avec le module NI PXI-4130 pour la source, la mesure et la combinaison des deux.

Contenu

Cadencement de source

Ce chapitre traite des considérations spécifiques au cadencement pour la programmation de la sortie de l'unité de source et mesure (SMU) PXI-4130. Il explique la vitesse à laquelle les rafraîchissements sont susceptibles de se produire et le fonctionnement des VIs de configuration du driver NI-DCPower.

Quatre VIs peuvent être utilisés dans le but de programmer la tension ou le courant. Il s'agit des VIs Configure Voltage Level, Configure Current Limit, Configure Current Level et Configure Voltage Limit. Les deux premiers VIs sont concernés uniquement lorsque la fonction de sortie "DC Voltage" est sélectionnée, et les deux derniers uniquement lorsque la fonction de sortie "DC Current" est sélectionnée. La fonction de sortie est définie à l'aide du VI Configure Output Function. Reportez-vous au fichier d'aide du driver NI-DCPower pour en savoir plus sur la programmation de la sortie.

Les VIs Configure peuvent être appelés les uns à la suite des autres à l'intérieur d'une boucle de façon à atteindre la vitesse de rafraîchissement la plus rapide possible. Le matériel peut accepter une nouvelle instruction de rafraîchissement toutes les 333 µs, ce qui permet une vitesse de rafraîchissement continue maximale de 3 kHz. Par exemple, si l'utilisateur souhaite effectuer un balayage de tension, il peut appeler le VI Configure Voltage Level à plusieurs reprises dans une boucle. La fréquence la plus élevée à laquelle la boucle peut s'exécuter est de 3 kHz, même si le logiciel peut s'exécuter plus rapidement, car chaque nouvelle instruction de rafraîchissement doit être espacée de la précédente d'au moins 333 µs. La figure suivante montre comment coder une boucle de ce genre dans LabVIEW.


Figure n°1 : Appel du VI Configure Voltage Level à la fréquence maximale

Le tableau suivant indique les temps de traitement pour les différentes modifications de configuration possibles sur la voie 1 du module PXI-4130.

La première colonne indique le laps de temps maximal requis pour qu'une modification spécifique affecte la sortie. Ce temps est mesuré à partir du moment où le VI Configure achève la reconfiguration du matériel et se poursuit au-delà de l'instant où l'exécution est renvoyée au programme utilisateur.

La seconde colonne indique la vitesse de rafraîchissement continue maximale. Ces fréquences correspondent aux rafraîchissements au sein d'une boucle s'exécutant en continu. Reportez-vous au chapitre consacré à la vitesse du logiciel pour obtenir de plus amples informations sur cette fréquence maximale.

Modification de la configuration

Durée maximale (µs)

Fréquence continue maximale (Hz)

Modifie le niveau de tension (avec la même polarité)

667

3000

Modifie le niveau de tension (avec une polarité différente)

1000

1500

Modifie la limite de courant

667

3000

Modifie le niveau de courant (avec la même polarité)

667

3000

Modifie le niveau de courant (avec une polarité différente)

1000

1500

Modifie la limite de tension

667

1500

Modifie la gamme du niveau de tension

667

1500

Modifie la gamme de la limite de courant

4000

273

Modifie la gamme du niveau de courant

4000

273

Modifie la gamme de la limite de tension

667

1500

Bien qu'il soit possible de rafraîchir continuellement la sortie à une fréquence de 3 kHz, cela ne signifie pas que la sortie en question puisse se stabiliser en l'espace de 333 µs. Il se peut que cela lui prenne plus de temps en fonction des conditions de chargement. Reportez-vous aux spécifications du module NI PXI-4130 et au tutorial intitulé Charge pour alimentations DC programmables et sources DC de précision pour en savoir plus sur la façon de déterminer le temps d'établissement de la sortie.

Modifier la gamme de la limite de courant ou la gamme du niveau du courant prend davantage de temps que les autres opérations. Notez que la gamme de sortie peut être modifiée de façon implicite lorsque l'on change la valeur de sortie si la propriété Autorange (gamme automatique) correspondant à cette valeur de sortie est à l'état vrai. Par exemple, la gamme de la limite de courant peut être modifiée implicitement en cas de modification de la limite de courant si la propriété Current Limit Autorange (gamme automatique de limite de courant) dans niDCPower est à l'état vrai.

Modifier le niveau de tension ou de courant dure plus longtemps que normalement prévu en cas de changement de la polarité du niveau. Par exemple, modifier le niveau de tension de -5 à 10 V prend plus de temps qu'un changement de 5 à 10 V.

 

Cadencement de mesure

NI-DCPower propose deux VIs capables de prendre des mesures. Le premier VI s'appelle niDCPower Measure. Il peut être utilisé pour obtenir une mesure de tension ou de courant unique pour une seule voie. Le second VI s'appelle niDCPower Measure Multiple. Il peut être utilisé pour obtenir simultanément des mesures de tension et de courant provenant d'une ou de plusieurs voies.

Measure Multiple offre de meilleures performances que niDCPower Measure si l'utilisateur a besoin à la fois d'une mesure de tension et d'une mesure de courant ou s'il mesure plusieurs voies. En revanche, s'il n'a besoin que d'une mesure unique, Measure est plus performant.

Le module PXI-4130 mesure en continu la tension et le courant sur chacune des voies toutes les 333 µs pour une fréquence d'échantillonnage de 3 kéch./s. Les propriétés Samples to Average (échantillons à moyenner) et Reset Average Before Measurement (réinitialiser le moyennage avant la mesure) permettent de contrôler la façon dont ces mesures sont utilisées et reportées par les VIs Measure et Measure Multiple.

 

Moyennage des mesures

Le module PXI-4130 peut moyenner des échantillons de mesure pour réduire le bruit et améliorer la sensibilité. L'instrument moyenne un nombre défini d'échantillons acquis à une fréquence de 3 kéch./s. L'utilisateur peut déterminer le nombre d'échantillons à moyenner par programmation en utilisant la propriété Samples to Average de niDCPower. Lorsque l'un des VIs de mesure est appelé, une mesure moyennée est retournée.

Le module PXI-4130 a recours à un schéma de moyennage simple. Il ne s'agit pas d'une moyenne mobile. Lorsque l'instrument collecte le nombre défini d'échantillons, il effectue la moyenne et se débarrasse des échantillons. Puis, il commence l'acquisition du prochain ensemble d'échantillons pour la prochaine mesure moyennée.

Propriété Reset Average Before Measurement

Il est possible d'utiliser la propriété Reset Average Before Measurement afin de contrôler le moment où les échantillons moyennés sont acquis.

Si la propriété est à l'état faux, l'instrument acquiert et moyenne les mesures en continu. Lorsque l'utilisateur appelle niDCPower Measure ou niDCPower Measure Multiple, la dernière mesure moyennée est retournée. Cela signifie que les échantillons utilisés pour obtenir cette moyenne ont été acquis avant même l'appel du VI. Utilisez cette configuration pour obtenir les meilleures performances possibles dans la mesure où elle permet à l'instrument d'acquérir les échantillons pendant que l'application est occupée à autre chose.

Si la propriété est à l'état vrai, NI-DCPower se débarrasse des moyennes et des échantillons précédents, puis il débute l'acquisition d'un nouvel ensemble d'échantillons afin de le moyenner.

Par conséquent, pour garantir que la mesure retournée par niDCPower Measure ou niDCPower Measure Multiple est bien composée d'échantillons pris après l'appel du VI, la propriété Reset Average Before Measurement doit être à l'état vrai. Ceci est la configuration par défaut.

 

Fréquence de mesure logicielle

La fréquence de mesure logicielle est la fréquence la plus rapide à laquelle une application utilisant NI-DCPower peut acquérir des mesures. Deux facteurs la déterminent. Le premier est la fréquence d'échantillonnage fixe du module PXI-4130, qui est de 3 kéch./s. Le second est le nombre d'échantillons à moyenner tel que défini par la propriété niDCPower Samples to Average. Il s'agit de la fréquence maximale à laquelle s'exécute la boucle LabVIEW suivante.


Figure n°2 : Appel du VI Measure Multiple à la fréquence maximale

La valeur par défaut de la propriété Samples to Average dans niDCPower et de l'attribut NIDCPOWER_ATTR_SAMPLES_TO_AVERAGE est 10. Comme l'illustre l'équation suivante, la mesure logicielle la plus rapide possible est de 300 mesures par seconde en utilisant la valeur par défaut.

Si on ne recourt à aucun moyennage de mesure (échantillon à moyenner = 1), la fréquence de mesure logicielle la plus rapide possible s'élève à 3 000 mesures par seconde.

Si mesurer sans moyenner permet d'atteindre la fréquence de mesure la plus rapide, le bruit causé par l'environnement (par exemple, le bruit de 50 Hz ou 60 Hz introduit par le câblage) augmente l'incertitude des mesures. Réglez la propriété Samples to Average dans niDCPower ou l'attribut NIDCPOWER_ATTR_SAMPLES_TO_AVERAGE de manière requise pour optimiser les performances de bruit et la fréquence de mesure de l'application.

Pour de plus amples informations sur la réjection du bruit, veuillez vous reporter au fichier d'aide NI DC Power Supplies and SMUs.

 

Vitesse logicielle

Les deux premiers chapitres étaient consacrés à la vitesse de rafraîchissement maximale et à la fréquence de mesure maximale. Ces deux caractéristiques ont été traitées uniquement d'un point de vue matériel. Pour atteindre la fréquence maximale, toutefois, le logiciel d'application doit s'exécuter assez vite pour suivre le matériel.

Le tableau suivant indique la vitesse d'exécution classique des VIs critiques d'un point de vue temporel dans NI-DCPower. Ces chiffres montrent que sur la plupart des PC modernes, les logiciels peuvent soutenir la fréquence maximale du module PXI-4130. Par conséquent, tant que le cœur du processeur qui exécute l'application NI-DCPower est suffisamment rapide et qu'il n'est pas occupé à d'autres tâches, l'application devrait être capable de s'exécuter à la fréquence maximale du module PXI-4130 qui s'élève à 3 kHz.

VI

Temps d'exécution (µs)

VI Configure Voltage Level

120

VI Configure Current Limit

140

VI Configure Current Level

125

VI Configure Voltage Limit

125

VI Measure

120

VI MeasureMultiple (une seule voie)

185

* Ces chiffres sont des évaluations de performances pour un processeur Intel® Core™2 Duo 1,86 GHz. Pour atteindre la fréquence de boucle maximale de 3 kHz mentionnée dans les deux chapitres précédents, NI recommande un processeur multicœur.

 

Cadencement de source-mesure

Les deux chapitres précédents traitaient du cadencement de source et du cadencement de mesure séparément. Cependant, c'est lors des opérations de source-mesure que le module NI PXI-4130 s'avère le plus utile.

Dans une boucle de source et mesure classique, l'utilisateur génère une tension ou un courant, attend le temps que la sortie s'établisse, puis il prend une mesure. Puisque ce dernier est dépendant du logiciel, la résolution minimale du timer est généralement de l'ordre d'1 ms. La figure suivante montre comment coder une boucle source-attente-mesure.


Figure n°3 : Mise en œuvre d'une boucle source-attente-mesure

La fréquence de la boucle dépend largement du temps d'établissement utilisé pour la configuration de cette dernière.

Atteindre la fréquence de boucle source-mesure la plus élevée possible

Pour atteindre la fréquence de boucle source-mesure la plus élevée possible, il est impossible d'utiliser des timers logiciels dans l'application. La boucle doit contenir uniquement le rafraîchissement (VI Configure) et ensuite la mesure (VI Measure). En suivant cette approche, il est possible d'atteindre une fréquence de boucle de 3 kHz si la propriété Samples to Average est définie à 1.

Cependant, comme le VI Configure ne sera pas retourné avant le rafraîchissement de la sortie du module PXI-4130, la mesure ne correspondra pas à la valeur requise par la même itération de boucle. Cette mesure est valide mais elle correspond au rafraîchissement qui s'est produit deux ou quatre itérations de boucle en arrière. Par conséquent, il faut prendre deux ou quatre autres mesures après la boucle et ajouter ces mesures à celles obtenues de la boucle. En outre, il est conseillé de recourir au VI Measure Multiple, qui retourne simultanément des mesures de tension et de courant (avec un intervalle pouvant atteindre 250 µs) et d'utiliser ces mesures pour tout traitement de données effectué après la boucle au lieu de s'appuyer sur les entrées du VI Configure.

Définissez la propriété Reset Average Before Measurement à faux pour obtenir de meilleures performances.

Cette fréquence de boucle diminue à mesure que le nombre d'échantillons à moyenner augmente.

La figure suivante montre comment coder une boucle de ce genre dans LabVIEW.


Figure n°4 : Mise en œuvre de la fréquence de boucle source-mesure la plus rapide

 

Conclusion

Toute séquence et tout balayage utilisant le module PXI-4130 doivent être effectués dans un logiciel et doivent être cadencés par logiciel. Le module PXI-4130 peut acquérir une nouvelle mesure de tension et de courant toutes les 333 µs. Il peut également effectuer un rafraîchissement toutes les 333 µs. Par conséquent, la fréquence de boucle source-mesure la plus rapide que l'on puisse atteindre est de 3 kHz. Il est possible d'atteindre cette fréquence à condition de disposer d'une machine suffisamment rapide avec une charge de travail minimale.