NIオシロスコープの利点

従来型ベンチトップオシロスコープは、計測器を主に対話的に使用し、最初の測定までの時間、波形の視覚化、さまざまなプローブへの接続などの機能を優先する設計エンジニアのニーズを満たすように最適化されています。新しいボックスオシロスコープでは、バスプロトコルを解析するための高帯域幅やターンキーソフトウェアなどの機能を追加することでこのエクスペリエンスが向上しましたが、多くの場合、自動テストシステムや多チャンネル、高速測定システムを構築するエンジニアのニーズには対応できません。これらのエンジニアは、大量のデータを自動的に集録および解析する必要があり、通常、他の計測器との統合、サイズ、プログラミング経験、データスループットや実行時間などに優先順位を付ける必要があります。このような独自のニーズのため、これらのユーザの多くは、アプリケーションに最適化されたフォームファクタで従来型ボックスオシロスコープの測定性能を提供するモジュール式プラットフォームに移行しつつあります。

NIは、PXIプラットフォームで最も広範なモジュール式オシロスコープを提供しているため、コスト、密度、測定分解能、サンプリングレートに関してシステムを最適化できます。以下の図1は、さまざまなNIオシロスコープのサンプリングレートと分解能を示します。青いI/Oポイントは、NI-SCOPE計測器ドライバを使用してプログラムされたソフトウェア定義オシロスコープを示し、黄色いI/Oポイントは、NI再構成可能I/O (RIO) アーキテクチャを使用するFPGAベースのデジタイザを示します。 

^{図1:NIオシロスコープには、分解能と高速サンプリングの両方があります。}

表1は、上記の青いI/Oポイントに示されているオシロスコープの仕様を示しています。これらのオシロスコープは、選択可能な入力レンジ、入力カップリングとインピーダンス、フィルタ、トレーサブル校正など、従来の計測器に期待される計測機能を提供します。また、ソフトフロントパネルもサポートし、Instrument Drivers でプログラムされています。Instrument Drivers には、立ち上がり時間、周波数、パルス幅などの標準オシロスコープ測定を実行するための事前作成関数や、ソフトウェアで機能を定義する関数が含まれています。

^{表1: 幅広いオシロスコープのポートフォリオから選択できます。}

図1の黄色のI/Oポイントに示されているFPGAベースデジタイザは、高速サンプリングとユーザがアクセス可能なFPGAを組み合わせたもので、オンボード信号処理、リアルタイム解析、またはカスタムトリガ実装に最適です。

^{図2:アダプタモジュールを変更して、アプリケーションに必要なI/Oを定義します。}

NIでは、多チャンネルまたはミックスドシグナルの自動テストシステム用に設計されたPXIオシロスコープとFPGAベースのデジタイザを幅広く取り揃えています。仕様は高分解能から高速までさまざまですが、NIオシロスコープには、これらのアプリケーション用に最適化するいくつかの重要な属性があります。

• 他の計測器との緊密な統合と同期
• 大量のデータを保存およびストリーミングする機能
• 高チャンネル密度
• カスタムトリガおよびオンボード信号処理
• 測定、プログラミング、およびデバッグを迅速に行う包括的なソフトウェアエクスペリエンス

ミックスドシグナルテストシステムは、信号発生器、計測器、スイッチなど、様々なタイプの計測器で構成されます。NI PXIオシロスコープは、PXIプラットフォームの利点と特許取得済みのNI技術を組み合わせることで、他の計測器との緊密な統合と同期を実現します。PXIシステムとNIモジュール式計測器を使用すれば、単一のコンパクトなPXIシャーシで包括的なテストシステムを構築できるだけでなく、シャーシ内のモジュールをピコ秒レベルの確度で同期させることができるため、計測の品質や再現性を確保することが可能です。

^{図3:PXIプラットフォームでは、さまざまなモジュール式計測器を使用できます。}

同期機能があれば、同じタイプの複数の計測器のタイムベースとトリガを一致させてチャンネルを拡張したり、異なる計測器の入力と出力を緊密に関連付けることができます。基本的な同期方法には、トリガクロックとサンプリングクロックの共有が含まれますが、より高度な同期方法には、速度の異なる複数のサンプリングクロックを揃え、クロックとトリガクロック間の位相遅延を調整することが含まれます。PXIアーキテクチャは、図4に示すように、PXIシャーシのバックプレーンを介してトリガクロックとサンプリングクロックを均等に分配することで、これらの課題に対処します。

^{図4:PXI Expressバックプレーンは、タイミングと同期を簡素化します。}

さらに、NIオシロスコープは、信号発生器や高速デジタルI/Oなどの他の計測器と共通の同期およびメモリコア (SMC) 技術を共有しています。この特許取得済みの技術は、異なる計測器間でトリガの駆動と受信を可能にするために別のクロック領域信号を使用し、10ピコ秒で同期します。このトリガはトリガクロック（TClk）と呼ばれ、サンプルクロックを10 MHz基準クロックのみにロックするよりも大幅に優れたパフォーマンスを実現します。

企業は、製品テストの効率性と正確性を期すために、あらゆる費用を負担しています。テスト装置の導入にかかる費用に加えて、テスト時間などの要素もテストにかかるコスト���大きく影響します。すべてのアプリケーションはそれぞれ異なり、ニーズも一つ一つ違いますが、自動テストシステムには常にいくつかの共通点があります。自動テストシステムにとって最も重要な検討事項として、帯域幅と遅延時間があります。この2つの要素の組み合わせによって、計測システムの全体の速度が決まります。

^{図5: 一般的な計測バスのバス帯域幅と遅延時間}

遅延時間とは、計測器が計測クエリなどのリモートコマンドに応答するまでの時間のことです。帯域幅とは、計測器をホストPCまたはコントローラに接続するデータバスのデータスループット容量を指します。大きなデータを一度に転送する場合であっても、複数回連続で小さなデータを転送する場合であっても、広帯域バスを使用することでテスト時間を短縮することが可能です。NI高速オシロスコープのベースとなっているPXIプラットフォームは、PCI/PCI Expressバスを使用して広帯域幅と低遅延時間の両方を実現しますので、あらゆる計測・制御システムを高速化します。PXIの高速PCI Expressを採用したバージョンであるPXI Expressを利用すると、シャーシとコントローラの組み合わせによっては数GB/秒のシステムスループットレートを実現できます。PXIもPXI Expressも、GPIB、USB、LANなどテスト計測の自動化でよく使用される他のバスに比べ、はるかに高いデータスループットを実現します（表2）。

^{表2:PXIとイーサネットのデータスループットレートを比較します。}

NI PXIオシロスコープは、従来のベンチトップ計測器よりもコンパクトであるため、ラックアンドスタックテスタの数分の1のサイズでミックスドシグナルの自動テストシステムを構築できます。小さなフットプリントのテストシステムは、生産現場や特性解析ラボの貴重なスペースを節約し、重量とサイズを削減することで可搬性を向上させ、配電と冷却の要件が低減することで、設備のコストとテストインフラストラクチャの削減につながることがよくあります。 

^{図6:NIオシロスコープを他の計測器と組み合わせて、コンパクトな自動テストシステムを構築します。}

オシロスコープのチャンネル密度は、従来のボックスオシロスコープでは最大4チャンネルであるため、4つ以上のチャンネルから同時にデータを集録する場合に特に重要です。ボックスオシロスコープは、チャンネル数の少ないベンチトップアプリケーション用に最適化されているため、データを集録および表示するための多くの物理的なノブと大きなディスプレイを備えています。これらの計測器のフロントパネルは物理的なスペースを占めるため、多チャンネルシステム用にスタックすることは実用的ではありません。

PXIオシロスコープは、個々のディスプレイ、物理的なノブ、電源、ファンなど、従来の計測器に関連する多くの冗長性を排除します。PXIシャーシとコントローラは、計測器の処理、データ転送、冷却、および電源供給を行い、ユーザはソフトウェアを介して計測器を制御し、1つのモニタにデータを表示します。PXIプラットフォームとNIオシロスコープを使用すると、1つの4U、19インチで最大136チャンネルの多チャンネルシステムを構築できます。PXIシャーシ。

^{図7:最大68または136のオシロスコープチャンネルを1つのPXIシャーシ（19 in.、4Uラック）に統合して、高速集録システムを実現します。}

今日のほとんどのテスト計測器は、FPGAにFirmwareが固定されており、計測器の機能を実装しています。NIのソフトウェア設計オシロスコープは、オープンFPGAを搭載しており、ユーザは計測器で複雑なアルゴリズムを実行することができ、ホストにストリーミングする必要があるデータ量を大幅に削減できます。このサンプルは、計測器のFPGAで一般的な計算 (SFDR、SNR、およびSINAD) を実行できるアプリケーションを設計する方法を示します。

^{図8:この開いているFPGAブロックダイアグラムは、FPGAでSFDR、SNR、およびSINADを計算するアーキテクチャを示しています。}

前のセクションで説明した高データスループットのトピックは、帯域幅の増加とレイテンシの減少の両方を指します。これらの利点は、ソフトウェア設計オシロスコープで定義されたオープンFPGAアーキテクチャを使用することで大幅に向上します。PXI Express用NI FlexRIO FPGAモジュールに特有の機能として、ホストのチップセットを介さずに、3 GB/秒のレートでモジュール間のデータストリーミングができる機能があります。そのようなストリームを最大16サポートしていますので、ホストのCPUリソースに負荷をかけずに、複数のFPGAを使用した複雑な通信スキームを簡素化できます。この技術の詳細については、ホワイトペーパー「An Introduction to Peer to Data Streaming」を参照してください。

^{図9:テスト計測器では、オープンFPGAはトリガや後処理などの機能を追加できます。}

オシロスコープで最も見過ごされがちな機能の1つは、自動テストおよび測定用にデバイスを制御およびプログラムするためのソフトウェアです。残念ながら、これは、アプリケーション開発時間においてソフトウェアが重要な役割を果たすため、重要な見落としとなる可能性があります。NIオシロスコープは、データの迅速な集録、アプリケーションのデバッグ、データ収集の自動化、および他の計測器との同期を可能にする、生産性を向上させるさまざまなソフトウェアツールを提供します。

NI-SCOPEソフトフロントパネルを使用する

この対話式ソフトウェアは、従来のオシロスコープ専用ディスプレイに似ており、使いやすいインタフェースを備えています。全てのNIオシロスコープの基本機能を利用できるほか、リアルタイム計測が可能で、ファイルへデータを保存して後処理や解析を行うこともできます。このインタフェースを使用すれば、NIオシロスコープによる計測を数秒以内に簡単に開始することができます。

^{図10:NI-SCOPEのソフトフロントパネルを使用して測定をすばやく行います。}

NI-SCOPEドライバおよびサンプルプログラムを使用したプログラミング

PCベース計測デバイスのメリットをフルに活用するには、その動作をプログラム設定によって定義し、制御することが不可欠です。全てのNIオシロスコープは、NI-SCOPE計測ドライバを使用してプログラミング設定によって制御することができます。高レベルの関数を使用し迅速に自動計測を開始できます。また、オシロスコープの全機能を利用するための低レベル関数を使用できます。さらに、このドライバには50を超えるサンプルプログラムが含まれており、NIオシロスコープの全ての機能を利用する方法が示されています。NI-SCOPE計測器ドライバには、LabVIEWのG、C++、Visual Basicなどのさまざまなプログラミング言語からアクセスできます。プログラミングサンプルはそれぞれに存在します。

^{図11:NI-SCOPEドライバを使用してプログラムし、カスタムプログラムを作成します。}

複数のデバイスの同期は、多くのアプリケーションで重要な要件となります。ソフトウェア開発時間にも関わってくる可能性が大いにあります。しかし、NIオシロスコープは、SMCアーキテクチャで構築されており、NI-TClkを利用することができるため、最も短い開発時間で正確な同期を取ることができます。NI-TClkは、複数のNIオシロスコープ、任意波形発生器、および高速デジタルI/Oデバイスの同期をプログラミングするための高レベルのインタフェースを提供します。さらに、こうした同期を行うためのさまざまなサンプルプログラムも用意されているため、計測を迅速かつ簡単に開始することができます。以下は、LabVIEW環境でプログラムされたように複数のPXIオシロスコープで同一同期を実行するために必要な3つの関数を示しています。

^{図12:LabVIEWまたはLabWindows™/CVIの3つの関数を使用してNIオシロスコープを同期します。}

NIオシロスコープは従来の箱型オシロスコープと同等の測定性能を、自動テストアプリケーションや多チャンネルアプリケーションにより適したフォームファクタで提供します。PXIベースのオシロスコープとFPGAベースのデジタイザを使用すると、システムの密度、分解能、帯域幅、サンプリングレートを最適化できます。さらに、ソフトウェア設計の計測器は、LabVIEW FPGAモジュールを使用して計測器をカスタマイズできるため、比類のない柔軟性を備えています。NIオシロスコープは、測定やデバッグアプリケーションを素早く実行するためのすぐに使用できるソフトウェアツールから、完全に自動化されたテストプログラムの作成、ハードウェアへのカスタムアルゴリズムの実装まで、自動テストおよび多チャンネルシステムの構築における生産性を向上させる最適なハードウェアとソフトウェアの組み合わせを提供します。

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^{The mark LabWindows is used under a license from Microsoft Corporation.Windowsは、Microsoft Corporationの米国およびその他の国における登録商標です。}