NI PXI-2593およびNI SCXI-1193 RFスイッチを使用した上級信号経路設定

NI PXI-2593およびNI SCXI-1193（総称してxx93）50 Ωスイッチモジュールは、500 MHzを超える高周波信号を使用できるよう設計されています。これらのモジュールは、RF信号の整合性を保持しながら外部ケーブルを追加することもなく、さまざまなサイズのマルチプレクサやスパースマトリクスに構成することが可能です。次の表は、xx93で使用できる構成一覧を示しています。

表1. xx93ファミリにおける構成機能

xx93スイッチは、Measurement and Automation Explorer（MAX）を使用して、またはNI-SWITCH 2.0の「niSwitch初期化（トポロジ指定）」を使用したプログラミングで構成することができます。xx93の定義済みトポロジには、非終端マルチプレクサとして8x1、16x1、32x1があります。これらのトポロジのRF性能については、各モジュールの仕様に記載されています。すべてのナショナルインスツルメンツ製スイッチ製品の仕様ドキュメントは、NI-SWITCH 2.0ドライバと一緒にインストールされ、ni.comからオンラインでも入手できます。

図1. PXI-2593に実装された8x1非終端マルチプレクサ

xx93スイッチは標準の非終端マルチプレクサに比べて、よりくの構成が可能です。革新的なxx93のトポロジには内部信号パスがあり、RF性能を保持しながら任意の端子ペア（チャンネルまたはコモン）を接続することができます。カスタム構成は独立トポロジを使用して行います。このトポロジは標準トポロジと同じように、MAXで選択することができ、「niSwitch初期化（トポロジ指定）」を使用してプログラミングでアクセスすることもできます。独立トポロジでは、スイッチモジュールをNI-SWITCH 2.0の「接続/切断」関数/VIまたは「niSwitchリレー制御」を使用して制御することができます。NI スイッチエグゼクティブ（NI Switch Executive）は、これらの構成を「接続/切断」関数/VIを使用して実装します。次のセクションでは、さまざまなカスタム構成におけるチャンネルの選択方法およびxx93の制御方法を説明します。

図2. 各リレーが開状態になっている独立トポロジ

「接続/切断」関数コールには入力パラメータとして2つのチャンネルを使用します。これらのチャンネルは外部端子（COM0やCH15など）やリレー間の内部経路（A0B0やB0B1C0など）です。xx93の内部チャンネル名は、接続しているリレー名に由来します。チャンネルに接続しているすべてのリレー名をアルファベット順につなぎ合わせ、Kの文字を削除します。たとえば、接続しているチャンネル名がKA0とKB0の場合、A0B0になります。

「niSwitchリレー制御」は「開く」および「閉じる」コマンドを使用してモジュールの各リレーを作動します。図2は、独立トポロジにおけるスイッチの初期状態を示します。各リレーは開状態です。

4チャンネル（0:3、4:7、8:11など）で構成された各グループは、独立した非終端3 x 1マルチプレクサとして構成することができます。1つのチャンネルを「コモン」として選択し、それを他の3つのチャンネルに経路接続します。

たとえば、CH0を3 x 1コモンとして選択した場合、CH1、CH2、およびCH3を次のコマンドオプションを使用して経路接続します。

表2: 3x1構成におけるNI-SWITCH経路設定オプションの例

*高周波数性能を向上するために、使用していないリレーを信号パスから離します。
詳細については、 スタブの影響を削減するを参照してください。

図 3a. CH0->CH1の経路設定


図 3b. CH0->CH2の経路設定


図3c. CH0->CH3の経路設定

PXI-2593は16チャンネルを使用して4バンク3x1マルチプレクサとして構成することができます。COM端子は未使用です。SCXI-1193には、8つの3 x 1マルチプレクサに分けることができる32チャンネルを装備しています。また、下に示すように4つのCOM端子を一緒に接続して9個目の3 x 1マルチプレクサを構築することもできます。経路設定のオプションは表3に記載されています。

図4. SCXI-1193を3x1マルチプレクサとして4つのCOM端子を使用する

16x1非終端マルチプレクサトポロジでは、チャンネル0:15をCOM0に経路設定します。同様にチャンネル16:31はCOM2に経路設定します。その他の2つのCOM端子（COM1とCOM3）は使用しません。32x1トポロジでは、すべてのチャンネルをCOM0に経路設定します。他の3つのCOM端子は使用しません。独立トポロジでは、これらのCOM端子を追加チャンネルとして使用し、17x1および35x1非終端マルチプレクサを作成できます。

表3. 3x1、17x1、35x1構成で、COM端子を接続するNI-SWITCH経路設定オプション

*高周波数性能を向上するために、使用していないリレーを信号パスから離します。
詳細については、 スタブの影響を削減するを参照してください。

スイッチを介して負荷に接続されていない場合、信号ソースを無効にできない場合があります。スイッチが非終端の場合、信号は開いたリレーから反射してソースに戻ります。これにより伝送ラインの電圧が倍になり、クロストークが増えるためソースを破損する場合があります。xx93スイッチは終端されていませんが、NI P/N: 761930-01などの外部負荷を使用してチャンネルの半分を終端するよう構成することができます。次の図は、4x1終端済マルチプレクサとして構成された8x1非終端バンクを示します。

図5. 8x1終端済4x1マルチプレクサとして使用されている非終端バンク

メモ: 終端済マルチプレクサとして使用する場合も、xx93スイッチは「Break-Before-Make」リレーを使用します。リレーの動作中、チャンネルは非終端になります。動作中チャンネルの過渡反射で破損する恐れがあるため、アクティブなソースは切り替えないようにします。

上記の4x1終端済マルチプレクサでは、リレーの多くを前もってスイッチ設定することができ、チャンネルの接続または終端に必要なコマンド数を最低限に抑えることができます。

表4. 4x1終端済構成における経路設定例

*高周波数性能を向上するために、使用していないリレーを信号パスから離します。
詳細については、 スタブの影響を削減するを参照してください。

スイッチマトリクスでは行端子を列端子に接続することができます。マトリクストポロジではすべての行と列の交点にリレーが存在します。このトポロジは柔軟性に富み、小さな行や列次元で同時に経路をいくらでも作成できますが、すべての交点にリレーがあるためコストが上がります。完全マトリクスは、高周波数信号の使用には不向きです。これは、使用していない部分の接続されたトレースによって伝送ラインに容量性負荷とRFスタブが追加されるためです。これにより、反射が起こって信号に歪みおよび減衰が生じます。

図6. 4x8完全マトリクス

完全マトリクスの代替になるものにスパースマトリクスがあります。このトポロジでは、制限された数の行/列同時接続しか使用できず、通常1度に1つの接続だけです。スパースマトリクスは通常それぞれのCOM端子が結束された2つのマルチプレクサで構成されます。このマトリクスは完全マトリクスに比べてリレーの数が少なくコストも低くなります。次の図に示すように、標準のスパースマトリクスは単一のスタブなし接続を行います。

図7. 4x8スパースマトリクス

柔軟性に富むPXI-2593およびSCXI-1193のトポロジを使用すると、RF性能を保持しながら任意の端子のペアを接続することができます。そのため、1つのxx93モジュールは概念上任意次元の1つのスパースマトリクスとみなされます。「可変次元スパースマトリクス」の例を下に示します。

図8. 最高18端子までのスパースマトリクスをPXI-2593に実装できる

図9. 最高36端子までのスパースマトリクスをSCXI-1193に実装できる

経路リソースダイアグラムを基に同時接続を決定する

従来型スパースマトリクスに対して可変スパースマトリクスにおける利点は、複数の同時接続を行えることです。経路リソースダイアグラムには、同時経路設定の決定に役立つようスイッチ内のリレーとパスがわかりやすく表示されています。このダイアグラムでは、トレースは部屋、リレーは壁で表示されています。信号はリレーの壁を介して部屋間を通過します。部屋には1度に1つの信号しか存在できないため、その部屋のリソースが使用されていると他の経路を設定できません。さらに、通過可能な壁もあります。フロントパネルの端子はダイアグラムの一番外側に位置します。

図10. PXI-2593経路リソースダイアグラム


図11. SCXI-1193経路リソースダイアグラム

可変スパースマトリクスでは、複数の同時接続を行うことができます。特定のアプリケーションにおいて端子割り当てを賢く選択することで、この機能を効果的に利用できます。

次の例は、概念的に4x14スパースマトリクスとみなされているPXI-2593での経路リソースを示しています。実行可能な4つの同時接続を示します。

例

図12. 単一経路の同時経路例

図13. 2つの経路の同時経路例

図14. 3つの経路の同時経路例

図15. 4つの経路の同時経路例

必要に応じて、電源バスや励起信号などの複数のポイントに同時にソースを分配する必要があります。xx93モジュールでは、任意の、またはすべての端子を一緒に接続できますが、パスにチャンネルを追加するたびに伝送ラインも分岐されるため、一定のインピーダンスを必要とする高周波数信号には適しません。

たとえば、電源ソースをCOM0に接続してCH0、CH2、CH3、CH12、およびCH13に同時に経路設定することができます。以下の図は接続パスを示します。

図16. 信号分布例

どの端子ペアにも使用できるパスが2つありますが、RF性能に最適なパスは1つだけです。高周波数信号の経路設定を行う場合、スタブを最小限に抑えるパスを選択します。次の図は、CH0->CH1における2つのパスと準最適経路でRFスタブが性能に与える影響を示します。

図17a. RFスタブなしのCH0->CH1最適経路


図17b. RFスタブありの準最適CH0->CH1経路

図17c. RFスタブありのステップ応答

独立トポロジで信号経路を設定する場合、信号パスから分岐しているすべてのリレーを遠ざけて容量性負荷とスタブの影響を抑えることが重要です。たとえば、CH0->CH2を接続する場合、KB1は開いている必要があります。接続には直接関係しませんが、閉じているとA1B1が宙づり状態になって伝送ラインの負荷が大きくなります（次の図を参照）。これによって反射が起こり、VSWRと挿入損失が増加します。

図18a. CH0->CH2の最適経路


図18b. CH0->CH2の最適経路: 閉じたKB1によってRFスタブが発生

COMに接続せずにチャンネル端子間で経路を設定する場合、COMリレー（KD0、KD5、KD6、およびKD11）を信号パスから遠ざけます。そうしない場合、大きなスタブが追加されます。

構成チャンネルおよびRFスタブ
プログラミングを簡素化するために、すべての内部チャンネル（A0B0、B0B1C0などをMAXで「経路設定予約済み」チャンネルとして定義します。NI-SWITCH 2.0 はこれらのチャンネルを使用してモジュール内で経路を検索します。たとえば、1つの接続呼び出し（CH0->CH1）で、上記の2つの経路のいずれかを検索します。NI-SWITCHが準最適パスを選択しないようにするには、接続を行う前にB0B1C0を「構成チャンネル」として無効にします。これによってもうひとつのB0B1を介した最適経路が選択されます。CH0->CH2などのB0B1C0を必要とする接続を実行する前に、再度有効にすることを忘れないでください。このテクニックは手間がかかりますが、各内部チャンネルを明示的に接続するよりも効果的です。

xx93スイッチは差動信号経路設定（直列に接続した2つのバンクを使用）用に、またはチャンネル間の位相スキューを最小限に抑える必要がある状況で使用されます。8x1チャンネルの各バンクは　それぞれの標準伝搬時間が100 ps内に位相が整合します。ケーブルによってシステム中の信号伝搬が遅延します。すべてのケーブル長が同じであることを確認してください。それぞれのケーブルの長さが違うと、チャンネル間のスキューが増大し、スイッチ独自の位相整合性が無効になります。

図19. 100 ps未満の差動チャンネル間で発生する伝搬遅延