PXIe-5164オシロスコープ。確度と入力レンジを最大化。妥協を最小化。

アナログ設計は、オシロスコープの仕様の中でも軽視されがちです。しかし、帯域幅や有効ビット数 (ENOB) などの性能は、パスバンドフラットネス、ステップ応答、線形性、ノイズなどの特性に支えられています。PXIe-5164は、優れた設計のA/D変換器 (ADC) とアナログフロントエンドがもたらす広いダイナミックレンジ、高電圧レンジでも十分な分解能、デジタル信号処理 (DSP) を駆使した振幅・位相応答の安定化・等化処理平均化など、アナログ性能を高めるための要素が盛り込まれています。

優れた設計のADCとアナログフロントエンドがもたらす広いダイナミックレンジ

PXIe-5164の優れたダイナミックレンジ性能は、一般的な8ビットの箱形オシロスコープと比較すると一目瞭然です。図3は、箱形オシロスコープとPXIe-5164オシロスコープを用いて、パルス上に重畳された通信信号を時間領域波形で示したものです。通信信号の振幅は、パルス振幅の1パーセントです。また、どちらの計測器も、レンジは2 Vpp、入力インピーダンスは50 Ωに設定されています。なお、箱形オシロスコープでは、SN比を向上させるために、帯域幅を250 MHzとし、収集モードは高分解能に設定されています。図3を見てわかるように、8ビットの箱形オシロスコープでは、キャプチャされた波形から通信信号を識別することは不可能です。一方、PXIe-5164オシロスコープでキャプチャされた波形からは、通信信号を容易に識別し、必要に応じてデコードすることが可能です。 

図4は、同じ箱形オシロスコープとPXIe-5164のスペクトル結果を示しています。入力は11 dBmの101 MHz正弦波です。どちらのオシロスコープも50 Ω、2 Vppレンジ、全帯域幅に設定され、高速フーリエ変換 (FFT) ポイント数は100万に設定されています。図4のように、PXIe-5164オシロスコープのノイズフロアは、箱形オシロスコープよりも22 dB低いことが確認できます。また、PXIe-5164データのFFTサイズを20万ポイントに縮小して、両方のFFTビン幅を同じ2.5 KHzに揃えた (サンプルレートは箱型オシロスコープが5 Gs/s、PXIe-5164が1 Gs/s) 場合でも、PXIe-5164は依然として16 dB低いノイズフロアを達成できます。加えて、PXIe-5164オシロスコープは、高調波歪み性能も優れています。

高電圧計測性能と高分解能計測性能を両立

従来のオシロスコープでは、50 Ωの信号経路に過電圧保護を持たせるために、計測性能を犠牲にしてきました。PXIe-5164では、50 Ωパスに特別な直列保護回路 (図2 (b) の「Protection」とラベル付けされたブロック) を設けることで、50 Ωモードにおいて過電圧保護と計測性能の両立を図っています。

多くのオシロスコープでは、1つまたは複数の分圧器 (Compensated attenuator) を用いて高電圧レンジの計測に対応しています。この分圧器は、図2 (a) に示すように大型のメカニカルリレーを使って経路が切り替えられています。ただし、このリレーは、他のさまざまなオシロスコープ機能の実装に使用できる貴重なPCB実装面積を消費することとなります。対して、PXIe-5164では、メカニカルリレーを用いずにすべての切り替えを低電圧で行う独自技術 (特許出願中) を採用しています。PXIe-5164は、メカニカルリレーを使わずとも、最大+/-250 Vのオフセット電圧で最大+/-50 Vの電圧振幅を測定できます。

DSPによる振幅・位相応答の安定化と平均化

オシロスコープのアナログフロントエンドの周波数応答とステップ応答に、ある程度のばらつきは避けられません。これに対して、デジタルフィルタリングを活用すれば、レンジ間、チャンネル間、モジュール間のばらつきに大幅な改善をもたらすことができます。さらに、デジタルフィルタリングを使用することで、パスバンドフラットネスや線形位相応答などの他の特性も調整可能です。PXIe-5164オシロスコープのFPGAには、16タップ有限インパルス応答 (FIR) フィルタがあり、ADCの出力がこのフィルタを通過するようになっています。フィルタのパラメータは工場出荷時または外部キャリブレーションを通じて決定され、動作時には、レンジ、インピーダンス、フィルタ構成に応じてEEPROMから読み出されたFIRフィルタ係数が適用されます。このキャリブレーション作業では、周波数特性がフラットなパワーメータの使用が規定されており、キャリブレーションによって+/-0.5 dB～330 MHzのフラットネスが保証されます。図5は、PXIe-5164オシロスコープの周波数応答の典型的な特性を示しています。ここでは、すべてのレンジ・チャンネルで基準からの偏差が0.022 dB未満です。また、図6は、測定されたステップ応答のサンプルです。波形の応答が対称になっていることから、位相特性が高い線形性を有していることがうかがえます。

ソフトウェア設計型計測器と従来型計測器の比較

計測システムのハードウェアに搭載されているユーザがプログラム可能なFPGAは、テスト対象デバイス (DUT) の制御に要する遅延時間を削減したり、CPUの負荷を低減したりするなど、多くのメリットをもたらします。以下のセクションでは、さまざまなシナリオで得られるメリットを詳しく説明します。

オンボードでの条件判断機能によりテストシステムの統合性を向上

多くのテストシステムでは、DUTはデジタル信号で制御しなければなりません。従来型の自動テストシステムには、DUTモードで順序付けを行う機能があり、必要な計測を各段階で実行していました。また、自動テスト装置 (ATE) システムに、受け取った計測値に従ってDUTの設定を切り替えていくという判断機能が組み込まれている場合がります。

どちらのシナリオでも、ユーザによるプログラミングが可能なFPGAを搭載したソフトウェア設計型計測器であればコストと時間が節約できます。計測処理とデジタル制御を1つの計測器に統合することで、システムにデジタルI/Oを追加する必要性が減り、計測用I/Oとデジタルの各計測器間でのトリガの受け渡しも不要になります。特に、受け取った測定データに応じて自動でDUTを制御する場合、ソフトウェア設計型計測器は計測器ハードウェアのみで処理が完結するため、遅延時間が非常に長くなるソフトウェアで条件判断を行う必要性が少なくなります。

ハードウェア内で測定を実行することでテスト時間の削減やテスト結果の信頼性向上を実現

最新のソフトウェアベースのテストシステムでは、並列で実行できる測定の数に限界がありますが、ソフトウェア設計型計測器の場合、利用可能なFPGAロジックが許す限りいくつでも並列処理を実装できます。多数の計測やデータチャンネルを真のハードウェア並列処理によって扱うことができるため、計測対象を選択する必要がなくなります。そのため、ソフトウェア設計型計測器を使用すると、リアルタイムスペクトルマスクといった機能が劇的に高度な性能で実現され、しかも必要なコストは従来型の単体計測器と比べ数分の1で済みます。

また、並列化によって遅延時間を削減できるため、従来のテストシステムで1回の計測を行う間に、ソフトウェア設計型計測器は数千回の計測を行えます。これにより、テスト結果の品質や測定の信頼性が向上します。

特殊なトリガ処理をカスタム実装することで関心のある現象に着目

従来型計測器での低遅延時間トリガ動作のオプションは、使用するハードウェアによって決まります。ただし、ソフトウェア設計型計測器の場合、カスタムトリガ機能をデバイスに組み込むことで、関心のある状況だけを抜き出して評価することが簡単にできます。柔軟なハードウェアベースのトリガ機能を実装することで、カスタムスペクトルマスクやその他の複雑な条件を実装でき、重要な測定データをキャプチャする、あるいは他の計測器をアクティブ化するといったことが可能となります。 

LabVIEWによるカスタムトリガの作成とソフトウェア設計型オシロスコープ上への実装を5分間のWebイベントでご確認いただくか、実装についての説明をお読みください。

リアルタイムオンボード信号処理でCPUの処理負荷を軽減

大量のデータの処理は、最高性能の商用CPUでも大きな負荷となり、結果として複数のプロセッサを持つシステムが必要となったり、テスト時間が長くなったりします。ソフトウェア設計型計測器ならデータをハードウェアで事前処理できるため、CPUの負荷を大幅に軽減できます。FFT、フィルタ処理、デジタルダウンコンバージョン、チャネライゼーションなどの演算はハードウェアに実装されるため、CPUに渡され処理されるデータ量を減らすことができます。

ラピッドプロトタイピングにより最終設計で確かな性能を実現

エンジニアや研究者は従来、テストおよび測定アプリケーションのみに計測を使用してきました。しかしモジュール式計測器のI/Oとソフトウェア間の接続によって、計測を利用したエレクトロニクスシステムの試作が可能となっています。たとえば、デジタイザやRF信号アナライザを使用して高度なレーダシステムを試作することができます。ユーザがプログラム可能なFPGAに接続することで、高度なアルゴリズムを試作機にすばやく実装できるほか、POC (概念実証) にかかる時間も短縮できます。

PXIe-5164オシロスコープはオープンでモジュール式のPXIアーキテクチャをベースに構築され、航空宇宙/防衛、半導体、研究/物理など高電圧測定と高レベルの振幅確度が求められるさまざまな応用分野で役立つ、ユーザがプログラム可能なFPGAを搭載しています。ユーザがプログラム可能なFPGAは、現在商用ハードウェアが提供できる最高レベルの柔軟性、性能、将来への順応性を提供します。システム要件が変更になっても、ソフトウェア設計型計測器はモジュール式I/Oのさまざまなコンポーネントにおいてソフトウェア資産を守ることができ、アプリケーションに応じて既存のI/Oを修正することができます。

航空宇宙/防衛分野でのテスト

航空宇宙および防衛の分野では、テスタの寿命は40年以上に及ぶことがあります。旧式計測器の置き換えとテスタの再認定には、大きな費用がかかる場合があります。電圧レンジが高く、計測器の再構成が可能なPXIe-5164オシロスコープは、最新の設計を採用した信頼できるオシロスコープとしても、旧型計測器の代替品としても導入できます。トリガ、フィルタなど多くの仕様および特性がテスタの世代を通して一貫している必要があります。この最新型のオシロスコープではLabVIEWで作成されたハードウェアIPを再利用できるため、考えられる後方互換性の問題を軽減でき、認定と保守のコスト削減につながります。

NIの航空宇宙/防衛産業への貢献についてご覧ください。

エネルギー研究

エネルギーコミュニティは、広範囲の入力電圧レベルで高分解能の集録を実現するために共通バス上で同期される多くのチャンネルを評価しています。PXIe-5164を使用すると、単一のシャーシ内の複数のPXIモジュール (PXIe-5164オシロスコープは単一のシャーシ内で34個のチャンネルをサポート可能) や、NI-TClkや追加のタイミング/同期モジュールを使用する複数シャーシを簡単に同期できます。電圧レンジが高いため、PDV、プラズマ、トカマクアプリケーション向けのテストに特有の幅広い信号タイプの追加減衰の必要性が低減されます。他のアプリケーションには、部分放電の監視と解析が含まれます。高入力電圧レンジとユーザがプログラム可能なFPGAのメリットが得られ、ハードウェアの速度で測定の実行と処理を行うことができます。

NIによっていかにエネルギー産業がオペレーションを改善し、研究を促進しているかについてご覧ください。

半導体/自動車のテスト

スマートカー向けのICの増加によって、自動車産業での半導体部品テストで電圧要件が高まっています。高電圧と高周波数で動作するデバイスは、将来のスマートビークルでますます一般的なものになっていくでしょう。さらに、PXIe-5164オシロスコープの高分解能は、SPIやCANなどのエンジン制御ユニット間でのノイズの多いバス通信を表示するためにも必要になります。また他のサブシステムのテストでも、従来型の高分解能ソリューションが現在提供している電圧入力よりもさらに高い電圧入力が必要になります。

NIでは、広電圧レンジ、高分解能、低ノイズ性能を必要としつつ、必ずしも帯域幅やユーザがプログラム可能なFPGAを必要としないアプリケーション向けに、PXIe-5164の性能を抑えたバリアントを提供しています。

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• オシロスコープの操作と性能の基本については、計測器の基本シリーズをご覧ください。