NI PXI計測器の近接場放射をテストする

概要と課題

NI PXIプラットフォームは、妥当性検査および製造テストにおいて、高性能な混在計測システム向けに堅牢かつコンパクトなソリューションを提供します。PXIを特別な存在にしているのは、1台の小型筐体で複数の種類の計測を実行できる点です。しかし、この利点には課題も伴います。それは、モジュール間の干渉の可能性です。

​電磁干渉 (EMI) は、隣接するPXIモジュール内のインダクタやトランスなどのコンポーネントから発せられる磁界によって発生します。最も大きな磁界は、これらのコンポーネントを通じて電源から放射される傾向があります。PXIが1990年代後半に初めて導入された当初、電磁干渉は最小限でした。しかし、新しい計測器がより高感度になり、スイッチング電源がより大きな電流を扱うようになるにつれて、問題は深刻化しました。

​PXIモジュール間の電磁干渉を計測および低減するための、信頼性が高く自動化された手法を開発することが目的でした。これは、これらの計測器の性能と信頼性を確保する上で極めて重要です。

​従来のソリューション

​磁界を計測するために用いられていた従来の手法には一貫性がありませんでした。社内のソリューションでは、プローブやスペクトラムアナライザを使用し、段ボール製のテンプレートのような簡易的なセットアップで放射をマッピングしていました。これらの手法は主観的で標準化されておらず、煩雑であったため、信頼性の低い結果につながっていました。

​磁界をマッピングできる市販のスキャナも存在していましたが、2つの重大な制約がありました。

• ​一次元計測―これらのスキャナは磁界を一次元でしか計測できず、磁界の三次元的な特性を完全には捉えることができませんでした。
• ​不正確な環境―これらのスキャナでは、カードをシャーシ内の本来の環境でスキャンすることができず、正確な計測にとって極めて重要な条件が満たされていませんでした。

​ソリューション開発

​NIのエンジニアであるEd LoewensteinとTim Keilは、3つのステッピングモータ、NI PXI計測器、LabVIEWを用いて、近接場放射の計測を自動化するカスタムスキャナを開発しました。このスキャナは、次の要件を満たすように設計されました。

• ​三次元での計測―市販のスキャナと異なり、このソリューションはプローブの向きを三次元で変更でき、磁界全体を捉えることができました。
• ​デバイス本来の環境での動作―このスキャナは、PXIモジュールをシャーシ内で動作させたまま放射を計測でき、正確かつ有用なデータを確保することができました。
• ​データ収集の自動化―このスキャナは、一貫した動作とデータ収集を実現するために自動化されていました。

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図1:PXIシャーシ内に設置された近接場放射プローブ

​チームは、スキャナの構築と運用にあたって、複数のNI製ハードウェアおよびソフトウェアツールを使用しました。

• ​NI PXIe-4139電源―PXIe-4139は、高精度なシステム用ソースメジャーユニット (SMU) です。この装置は、モータへの電力供給に使用され、さらに診断情報という付加的な利点も提供しました。電流と電圧の両方を監視することで、安全な動作を確保し、損傷を防ぐことができました。
• ​NI PXIe-5170 オシロスコープ―PXI-5170Rは、正確な信号取得のために設計された高速デジタイザです。プローブからのスペクトルを正確かつ効率的に取得できる能力が評価され、この装置が選ばれました。広帯域とリアルタイム処理機能は、放射の詳細なヒートマップを作成する上で極めて重要でした。
• ​NI LabVIEW―LabVIEWは、システム全体を制御するために使用されるグラフィカルプログラミング環境です。LabVIEWは、テストプロセス全体の自動化において重要な役割を果たしました。電源やステッピングモータの制御、各種センサの読み取り、デジタイザからのデータ取得、結果の記録および表示を担っていました。
• ​NI Vision Development Module―Vision Development Moduleは、画像処理を必要とするアプリケーションの開発において、LabVIEWと併用されます。このモジュールにより、チームはデータを動的にスライスし、放射をリアルタイムで可視化できるようになり、プロセスの大幅な高速化と結果の解釈の容易化が実現しました。

​図2:近接場放射プログラムのLabVIEWユーザインタフェース

​結果とまとめ

この革新的なアプローチにより、近接場放射を評価するための標準化された自動かつ信頼性の高い手法が確立されました。これによりエンジニアは電磁干渉の問題を迅速に検出および解決できるようになり、モジュールの性能および互換性の大幅な向上につながりました。さらにこのソリューションは、継続的な改善の文化を育み、エンジニアがスキャナのフィードバックを活用して設計を反復的にテストおよび改善することを促しました。

​この近接場放射テスト手法の開発は、社内の重要な課題を解決しただけでなく、自社製品の優れた性能と柔軟性を示すものでもあります。

​エンジニアについて:Ed Loewenstein

​Ed Loewensteinは1987年にNIでのキャリアを開始し、現在は長期的なイノベーションプロジェクトに注力するチーフアーキテクトを務めています。彼はキャリアを通じて、データ収集、PXI、RF製品を含むほぼすべてのNIハードウェア製品群に関わってきました。Edの学習への情熱と継続的な改善への献身は、その仕事ぶりに如実に表れています。彼は思いやりがあり協調性に富んだチームプレイヤーであり、NIをより良くする存在です。   

​「このようなプロジェクトが好きなのは、自分がすでに持っているスキルを活かせると同時に、新たなスキルを身につけることができるからです。モーション制御や画像処理についてはまったく知識がありませんでしたが、プロジェクトを通じて理解を深めました。そしてLabVIEWのおかげで、私はソフトウェアの専門家ではありませんが、自分の目的を十分に果たすプログラムを問題なく作成することができました。」