Osciloscópio NI PXIe-5164. Máxima exatidão e faixa de entrada. O melhor desempenho.

Visão geral

Em 2014, a NI lançou os primeiros osciloscópios com FPGAs, que podem ser reprogramados com o módulo LabVIEW FPGA. Esse passo à frente na tecnologia de instrumentação permite a você definir a operação de seus osciloscópios conforme as suas necessidades atuais e futuras, acompanhando as mudanças em seus dispositivos e experimentos. O osciloscópio NI PXIe-5164 oferece a você exatidão, largura de banda e flexibilidade de sinais nunca antes vistas em qualquer osciloscópio reconfigurável. Saiba mais sobre o osciloscópio reconfigurável NI PXIe-5164 e como ele pode ajudá-lo a reduzir o custo de seus testes, acelerar o lançamento de seus produtos no mercado e melhorar a produtividade de seus testes.

Conteúdo

Osciloscópio NI PXIe-5164

O NI PXIe-5164 pode fazer o trabalho de vários osciloscópios, combinando a maior largura de banda, a mais ampla faixa de tensão de entrada e a maior faixa de offset para um ADC de 14 bits em qualquer osciloscópio comercial. A tecnologia do NI PXIe-5164 inclui:

  • 2 canais de 14 bits amostrados a 1 GS/s com largura de banda de 400 MHz
  • 2 canais de Categoria II, com faixa de tensão de entrada de 100 Vpp e offsets programáveis, que permitem medições de até ± 250 V
  • Até 34 canais, para sistemas paralelos com grandes quantidades de canais em um único chassi PXI
  • Taxa de transferência de dados de 3,2 GB/s em 8 vias de comunicação por barramento PCI Express Gen 2
  • 1 FPGA Xilinx Kintex-7 410, para a criação de códigos customizados, incluindo filtragem e triggers, programados com o LabVIEW

 

Com modularidade que permite atender mudanças nos requisitos, esse novo osciloscópio oferece uma solução de máximo desempenho para qualquer sistema de teste e medição.

Figura 1. O NI PXIe-5164 é um osciloscópio de máximo desempenho, com largura de banda de 400 MHz, resolução de 14 bits e faixa de medição de 250 V.

 

Desempenho do NI PXIe-5164 com sinais analógicos

A arte do projeto analógico muitas vezes se oculta por detrás das especificações. Por trás de especificações como largura de banda e número efetivo de bits (ENOB), estão características como a planicidade da banda de passagem, resposta a degrau, linearidade e ruído. Entre as características do projeto analógico do NI PXIe-5164 estão um conversor analógico-digital (ADC) e circuitos de entrada analógica de ampla faixa dinâmica, um robusto projeto de alta tensão que não provoca perdas no desempenho de alta resolução e a capacidade de uso do processamento de sinais digitais (DSP) para estabilizar e equalizar as respostas em magnitude e fase.

 

Conversor analógico-digital e front-end com ampla faixa dinâmica

O NI PXIe-5164 foi projetado para oferecer alta exatidão sem comprometer a faixa de medição

O NI PXIe-5164 utiliza o ADF54J40, um ADC da Texas Instruments que se destaca por sua densidade espectral de baixo ruído, de 155,9 dBFS/Hz. Para manter esse baixo ruído de fundo em um osciloscópio, você precisa utilizar um padrão de circuito diferente do normal. A Figura 2(a) mostra o diagrama de blocos de um osciloscópio típico, no qual o modo de 50 Ω simplesmente utiliza um resistor de 50 Ω em paralelo com a entrada do painel frontal. O sinal passa pelo buffer de 1 MΩ, que é otimizado para oferecer alta impedância de entrada e alta tensão. Uma menor ênfase é dada no projeto ao desempenho de ruído e distorção no buffer de 1 MΩ. A Figura 2(b) mostra a abordagem utilizada no osciloscópio NI PXIe-5164, na qual um percurso dedicado de 50 Ω faz a conexão direta à seção de baixa impedância do amplificador, sem passar pela seção de 1 MΩ. Dessa forma, as limitações de desempenho do estágio de 1 MΩ são evitadas. O amplificador de baixa impedância mostrado na Figura 2(b) é um driver de ADC de silício-germânio com um estágio e realimentação variável. Utilizando um amplificador, em vez de diversos deles (onde o uso de vários estágios é característico da maior parte dos projetos de osciloscópio), elimina as contribuições de ruído e distorção acumuladas nos vários estágios. Além disso, o controle de ganho nesse circuito de um estágio é realizado pela variação do grau de realimentação, não pela variação da atenuação de entrada (novamente, esta última uma característica da abordagem geralmente utilizada). Assim, o nível mais alto de desempenho é obtido no modo de 50 Ω.

 

Figura 2. O osciloscópio NI PXIe-5164 tem o percurso do sinal (b) otimizado para oferecer exatidão de medição, utilizando um percurso de 50 Ω em vez do buffer de 1 MΩ e tendo apenas um estágio de ganho, em vez do percurso de sinal do osciloscópio (a), que é otimizado para oferecer alta impedância e alta tensão.

 

Você pode ver a maior faixa dinâmica do NI PXIe-5164 mais claramente em uma medição lado a lado com um osciloscópio popular de bancada de 8 bits. A Figura 3 mostra as curvas no domínio do tempo de um sinal de comunicações sobre um pulso digital obtido com um osciloscópio de bancada e o osciloscópio NI PXIe-5164. A amplitude do sinal de comunicações é 1% da amplitude do pulso. Os dois instrumentos foram ajustados com 50 Ω em suas faixas de 2 Vpp. Para melhorar a relação sinal-ruído do osciloscópio de bancada, a largura de banda foi reduzida a 250 MHz e foi utilizado o modo de aquisição de alta resolução. O sinal de comunicações quase não pode ser identificado nos dados capturados com o osciloscópio de bancada de 8 bits, mas é facilmente reconhecido e decodificado nos dados capturados pelo osciloscópio NI PXIe-5164. 

Figura 3. Compare as curvas no domínio do tempo de um osciloscópio de bancada de 8 bits com o osciloscópio NI PXIe-5164, ambos amostrando um sinal de comunicações sobre um pulso digital. O sinal de comunicações quase não pode ser identificado no osciloscópio de bancada de 8 bits, mas é facilmente reconhecido e decodificado no NI PXIe-5164.

 

A Figura 4 mostra os resultados espectrais do osciloscópio de bancada e do NI PXIe-5164. A entrada é um tom senoidal de 101 MHz a 11 dBm. Os dois osciloscópios foram ajustados em 50 Ω, faixa de 2 Vpp e largura de banda total, utilizando 1 milhão de pontos para a Transformada Rápida de Fourier (FFT). O ruído de fundo do osciloscópio NI PXIe-5164 chega a ser surpreendentes 22 dB mais baixo. Reduzindo a quantidade de dados da FFT do NI PXIe-5164 para 200.000 pontos, para que as duas FFTs tenham a mesma largura de bin de 2,5 kHz (o instrumento de bancada faz amostragens a 5 Gs/s, versus 1 GS/s do NI PXIe-5164), a diferença de ruído de fundo ainda é de impressionantes 16 dB. O osciloscópio NI PXIe-5164 tem ainda um melhor desempenho de distorção harmônica.

Figura 4. Comparando os resultados espectrais de um osciloscópio de bancada de 8 bits popular com o osciloscópio NI PXIe-5164, podemos ver que o ruído de fundo do osciloscópio NI PXIe-5164 chega a surpreendentes 22 dB mais baixo.

 

Projeto robusto de alta tensão sem perda de desempenho em alta resolução

A simplicidade do percurso de sinal de 50 Ω do osciloscópio convencional fornece um alto grau de proteção contra sobrecarga, mas compromete o desempenho, pela inclusão do buffer de 1 MΩ. Graças ao projeto do percurso de sinal do osciloscópio NI PXIe-5164, que utiliza um circuito especial de proteção acoplado diretamente no percurso de 50 Ω (o bloco indicado como "Protection", na Figura 2[b]), você não terá esse problema. Com esse projeto, é obtido um alto grau de proteção, sem prejuízo do desempenho de 50 Ω.

A maior parte dos osciloscópios implementa faixas de alta tensão por meio de um ou mais divisores de tensão com compensação, que você pode ativar ou desativar usando relés eletromecânicos, como mostrado na Figura 2(a). Os relés ocupam um valioso espaço na placa, que você pode usar para implementar diversas outras funções necessárias do osciloscópio. O osciloscópio NI PXIe-5164 evita esse problema, usando uma técnica (patente pendente) que realiza toda essa comutação em baixa tensão. O NI PXIe-5164 pode medir variações de tensão de até ±50 V em tensões de offset de até ±250 V, sem precisar dos problemáticos relés eletromecânicos.

 

O DSP estabiliza e equaliza as respostas de magnitude e fase

A variabilidade é inevitável na resposta de frequência e degrau do front end analógico do osciloscópio. A filtragem digital pode oferecer uma redução considerável na variabilidade entre faixas, entre canais e até mesmo entre unidades. Além disso, você pode usar a filtragem digital para ajustar a resposta para outras características, como resposta linear de fase e planicidade da banda de passagem. No osciloscópio NI PXIe-5164, um filtro de Resposta a Impulso Finita (FIR) é implementado no FPGA, em linha com o streaming de dados do ADC para realizar essas vantagens. Os parâmetros do filtro são determinados durante a calibração em fábrica ou externa e então transferidos da EEPROM ao filtro FIR, dependendo da faixa, impedância e ajuste do filtro. O procedimento de calibração exige o uso de um medidor de potência de alta planicidade ao longo da faixa de frequência; dessa forma, uma resposta em frequência garantida e rastreável é transferida ao NI PXIe-5164 durante a calibração. A planicidade é garantida em ±0,035 dB a até 330 MHz. A Figura 5 mostra uma resposta típica medida do osciloscópio NI PXIe-5164, na qual o desvio com relação a 0 dB é menor que 0,022 dB para todas as faixas e canais. A Figura 6 mostra uma resposta ao degrau medida, na qual a simetria da forma de onda indica a característica linear de fase desejada.

Figura 5. Resposta em frequência de um osciloscópio NI PXIe-5164 típico em um percurso de 50 Ω até a largura de banda máxima (400 MHz) A resposta de todas as faixas e canais de um módulo são sobrepostas, e o desvio máximo na banda de passagem é 0,022.

 

Figura 6. Resposta ao degrau do percurso de 50 Ω do osciloscópio NI PXIe-5164, largura de banda total (400 MHz). A simetria na resposta ao degrau é resultado da característica de fase mínima imposta pelo filtro FIR utilizado.

 

FPGA programável pelo usuário

Utilize o poder do FPGA aberto, programável em LabVIEW, do NI PXIe-5164 para reduzir o tempo de medição e o custo do teste

O hardware de instrumentação comercial tradicionalmente tem funções fixas. A NI está abrindo caminho para dispositivos de medição abertos e versáteis, baseados na tecnologia FPGA. Os FPGAs são chips digitais de alta densidade que você pode customizar para incorporar seus algoritmos de controle e processamento de sinais diretamente em seu hardware de medição. O resultado é um hardware comercial que tem o melhor dos dois mundos — tecnologia de medição de alta qualidade, a mais moderna integração de barramento digital e lógica customizável pelo usuário, com alto paralelismo, baixa latência e ligação direta das E/Ss, que proporcionam processamento in-line e loops de controle de alta exatidão.

Os FPGAs continuam a ganhar prêmios de projeto e participação no mercado de produtos padrão para aplicações específicas (ASSPs) e circuitos integrados para aplicações específicas (ASICs) porque eles acompanham a lei de Moore melhor que outros dispositivos e reduzem drasticamente os custos de desenvolvimento. Com isso, eles oferecem menores dimensões e menor consumo de energia ao sistema de teste. FPGAs de alta capacidade estão entrando no mercado e definindo os recursos de hardware de muitos dispositivos, mas a programação desses dispositivos é definida pelo fornecedor; dessa forma, pode ser que o poder do FPGA não esteja ao seu alcance. Isso ocorre em grande parte por que o conhecimento especializado em linguagens de descrição de hardware (HDLs) necessário para programar esses dispositivos exige uma árdua curva de aprendizagem; de forma geral, essas linguagens são restritas a um reduzido grupo de especialistas em projeto digital.

O software LabVIEW coloca a mais moderna tecnologia de FPGA à sua disposição. Usando a programação gráfica, você pode implementar lógica para definir o comportamento de um instrumento em seu próprio hardware, podendo reprogramar o instrumento quando houver mudanças nos requisitos. A natureza gráfica do fluxo de dados do LabVIEW é excelente para a implementação e visualização das diversas operações paralelas que podem ser implementadas no hardware digital.

 

Veja as diferenças entre a instrumentação definida por software e os instrumentos tradicionais

FPGAs programáveis pelo usuário no hardware de seu sistema de medição oferecem benefícios que vão da baixa latência no controle de DUT à redução da carga da CPU. As próximas seções descrevem os diversos cenários de uso em maiores detalhes.

 

Aumente a integração do sistema de teste com a tomada de decisões embarcada

Em muitos sistemas de teste, você precisa controlar o DUT ou chip sob teste utilizando sinais digitais. Os sistemas de teste automatizado tradicionais podem definir sequências entre os diversos modos do DUT, realizando as medições necessárias para cada estágio. Em alguns casos, os sistemas de equipamentos de teste automatizado (ATE) incorporam inteligência, para alterar a configuração do DUT conforme os valores de medição recebidos.

Nesses cenários, instrumentos definidos por software que incorporam um FPGA podem oferecer economias de tempo e custo. Consolidar o processamento da medição e o controle digital em um único instrumento reduz a quantidade de E/S digitais necessárias no sistema e evita a necessidade de configurar funções de trigger entre instrumentos. Nos casos em que é necessário controlar o DUT conforme aos dados de medição recebidos, a instrumentação projetada por software pode fechar o loop no hardware, reduzindo a necessidade de que as decisões sejam feitas no software, com uma latência significativamente maior.

 

Reduza o tempo do teste e aumente a confiança com medições feitas no hardware

Os sistemas de teste baseados em software podem executar um número limitado de medições em paralelo, mas para a instrumentação projetada por software, o limite é somente a lógica do FPGA que estiver sendo utilizada. Você pode processar dezenas de medições ou canais de dados com real paralelismo de hardware, sem ter de escolher apenas uma das medições que quer. Com instrumentos definidos por software, funções como máscaras espectrais em tempo real são obtidas com desempenho significativamente maior, a uma fração do custo quando comparadas com os instrumentos tradicionais de bancada.

Com a baixa latência associada às medições realizadas em instrumentos definidos por software, dezenas ou centenas de medições podem ser feitas e calculadas juntas no mesmo intervalo de tempo que um sistema de teste tradicional exigiria para fazer uma única medição. Isso resulta em uma maior qualidade dos resultados do teste e maior confiança em suas medições.

 

Foco somente nos dados que interessam, com triggers definidos por você

As opções dos instrumentos tradicionais para o comportamento de trigger de baixa latência são fixas e dependentes do hardware utilizado, mas com a instrumentação definida por software, você pode incorporar funções customizadas de trigger em seu dispositivo para estabelecer rapidamente o ponto zero nas situações de interesse. Com funções flexíveis de trigger baseado em hardware, você pode implementar máscaras espectrais customizadas ou outras condições complexas como critério para a captura de dados importantes da medição ou a ativação de equipamentos de instrumentação adicionais.

Veja um trigger customizado em LabVIEW e implementado em um osciloscópio definido por software, em um webinar de 5 minutos ou leia mais sobre essa implementação.

 

Reduza as cargas de processamento da CPU com processamento de sinais embarcado em tempo real

Processar grandes quantidades de dados pode sobrecarregar até mesmo as CPUs comerciais de maior capacidade, exigindo sistemas com diversos processadores ou longos tempos de teste. Com a instrumentação definida por software, você pode processar previamente os dados no hardware, o que potencialmente reduz de maneira significativa a carga da CPU. Cálculos como FFTs, filtragem, downconversion digital e canalização são implementados no hardware, reduzindo a quantidade de dados que precisam ser enviados à CPU e processados por ela.

 

Ganhe confiança no desempenho de projeto final com o rapid prototyping

Você normalmente utiliza a instrumentação apenas para aplicações de teste e medição, mas a conectividade entre E/S e software em instrumentos modulares permitem que você prototipe sistemas eletrônicos usando essa instrumentação. Por exemplo, você pode prototipar sistemas avançados de rádio usando digitalizadores e analisadores de sinais de RF; a conectividade a uma FPGA programável pelo usuário permite a implementação mais rápida de algoritmos avançados em um protótipo e uma validação mais rápida de provas de conceito.

 

Principais áreas de aplicação

O osciloscópio NI PXIe-5164 foi criado com base na arquitetura aberta e modular do padrão PXI e inclui um FPGA programável pelo usuário para ajudá-lo em diversas áreas de aplicação, como aeroespacial/defesa, semicondutores e pesquisa/física, que exigem medições em alta tensão com altos níveis de exatidão em amplitude. O FPGA programável pelo usuário oferece atualmente ao hardware comercial os maiores níveis possíveis de flexibilidade, desempenho e adequação ao futuro. Com as constantes mudanças nos requisitos de seu sistema, ter instrumentos definidos por software significa não apenas que seu investimento em software será preservado com os diferentes dispositivos de E/S modulares, mas que suas E/S poderão ser modificadas conforme suas aplicações futuras.

Figura 7. O osciloscópio NI PXIe-5164 é uma inclusão poderosa aos sistemas de teste modulares criados com base na plataforma PXI para aplicações nos setores aeroespacial e de defesa.

 

Teste para os setores Aeroespacial e de Defesa

A vida útil de muitos testadores utilizados nos setores aeroespacial e de defesa podem atingir 40 anos ou mais. Os desafios impostos pela substituição de instrumentos obsoletos e a nova certificação de um testador podem ter um custo extremamente alto. A faixa de alta tensão do osciloscópio NI PXIe-5164 e a natureza reconfigurável do instrumento o tornam uma ótima opção para novos projetos, além de um excelente substituto para os instrumentos que entram em obsolescência. Devido às muitas especificações ou características, como triggers ou filtros, que precisam ser mantidas consistentes ao longo de várias gerações de testadores, esse novo osciloscópio ajuda a aliviar problemas de compatibilidade que podem surgir, permitindo que você reutilize códigos de hardware criados no LabVIEW para reduzir os custos de certificação e manutenção.

Veja onde a NI está criando impacto nas indústrias aeroespacial e de defesa.

 

Pesquisa em Energia

O setor de energia valoriza grandes quantidades de canais sincronizados em um barramento comum para fornecer aquisições de alta resolução em uma faixa ampla de níveis de tensão de entrada. Com o NI PXIe-5164, você pode sincronizar facilmente as placas PXI de um chassi (o osciloscópio NI PXIe-5164 pode oferecer até 34 canais em um chassi) ou vários chassis, usando o NI-TClk ou placas adicionais de temporização e sincronização. A faixa de alta tensão torna menos necessário utilizar dispositivos externos de atenuação para os diversos tipos de sinal inerentes aos testes voltados a aplicações de PDV, plasma ou tokamak (reator de fusão nuclear). Entre outras aplicações estão o monitoramento e análise de descargas parciais, que aproveitam os benefícios tanto da faixa de entrada de alta tensão e do FPGA programável pelo usuário para realizar e processar medições em velocidades de hardware.

Saiba como a NI está ajudando a melhorar operações e desenvolver pesquisas na indústria de energia.

 

Teste Automotivos e em Semicondutores

O aumento do uso de CIs inteligentes em veículos está criando requisitos de altas tensões no teste de componentes semicondutores para a indústria automotiva. Dispositivos que operam em altas tensões e altas frequências estão se tornando cada vez mais comuns nos veículos inteligentes do amanhã. Além disso, a alta resolução do osciloscópio NI PXIe-5164 é necessária para a visualização da ruidosa comunicação de barramentos como SPI ou CAN à unidade de controle do motor; além disso, o teste de outros subsistemas impõe requisitos de maiores tensões de entrada que as atualmente oferecidas pelas soluções tradicionais de alta resolução.

Para saber mais sobre o que a NI tem a oferecer ao teste de semicondutores, visite ni.com/semiconductor.

 

Próximos passos