NI PXI​机​箱​设计​的​优势

内容

概览

National Instruments​公司​针对​不同​的​测量​与​自动​化​应用​提供​了​多种​功能​强大​的​PXI Express​和​PXI​机​箱。​(见​表​1) NI​机​箱​具有​高性能​背​板​和​牢固​而​可靠​的​机械​封​装。 无论​是​便​携​式​系统、​台式​系统、​机​架式​系统、​嵌入式​系统​还是​集成​信号​调理​的​系统,​您​都能​找到​合适​自身​应用​的​NI​机​箱。 NI PXI Express​机​箱​兼容​PXI Express​和​CompactPCI Express​模​块。 此外,​所有​NI​机​箱​均可​与​PXI​和​CompactPCI​模​块​一起​使用。 本文​介绍​了​NI​产品​的​设计​特性,​它们​可以​用​来​提高​散热、​防​噪声​性能,​提升​供电​可靠性。

散热

NI​的​机​箱​在​设计​和​验证​上​能够​满足​甚至​超越​大​多数​PXI​模​块​对于​散热​的​高​要求。 PXI​规范​要求​每​个​外围​插​槽​最少​需要​25W​的​电源​供给,​并且​每​个​插​槽​会​散发​同样​的​热量。 而​NI PXI Express​的​标准​功率​比​PXI​提高​了​近​20%,​规定​机​箱​必须​提供​功率​至少​30W​的​电源​且​散发​相应​的​热量。

NI​设计​的​机​箱​提供​30W​及​38.25W​功率​电源,​足以​满足​PXI​及​PXI Express​的​要求,​每​插​槽​均​独立​散热。​额外​的​电源​和​散热​性能​提升​了​诸如​数字​化​仪,​高速​数字​I/​O​和​RF​等​高性能​模​块​的​功能​实现​连续​数据​采集​或​高速​测试​应用​的​能力。

图​1. 具有​专利​的​NI PXIe-1062Q​的​背​板​散热​风​扇​设计

如​图​1​所​示,​许多​NI PXI​机​箱​背​板​装​有​具有​专利​设计​的​散热​风​扇,​机​箱​(2)​后​部​的​气流​通过​导​向​叶​片​均匀​流​过​所有​模​块​槽 (1)。 相比​直接​在​每​个​模​块​下​安装​风​扇,​该​专利​设计​提高​了​散热​能力,​并​减少​了​气流​流通​的​盲点。 此外,​机​箱​背​板​的​风​扇​还​能​消除​由​风​扇​马达​造成​的​噪声。

NI​还​提供​插​槽​屏蔽​卡------​一种​塑料​的​模​块​化​PXI​填充​卡,​可​插在​机​箱​内​不用​的​插​槽​中,​通过​减少​气流​在​空​槽​的​流动​来​提高​气流​在​有​板​卡​插​槽​中的​流动。​用​屏蔽​卡​后,​安装​模​块​上​的​电子​器件​温度​可​降低​20%。

表​1​显示​了​NI PXI​机​箱​相比​另​一个​重要​生产​商​的​产品​在​散热​性能​上所​体现​的​设计​优势。  这​是​通过​测量​插入​机​箱​的​PXI​模​块​上​组​​件​的​平均​温度​来​进行​评估​的。  NI PXIe-1075机​箱​在​自动​风​扇​速度​设定​情况​下​性能​相近,​但在​最高​散热​性能​情况​下​能够​提供​更​佳​的​散热​性能。

 

表​1. NI PXI​机​箱​及​另​一个​主要​厂商​提供​的​产品​的​冷却​性能​比较。

NI PXI Express​机​箱​为​每​个​插​槽​提供​38.25W​的​散热​功率。 需要​注意​的是,​这​点​对​装满​需要​38.25W​功耗​模​块​的​机​箱​依然​有效。  而​其它​生产​厂商​提供​的​机​箱​没有​达到​这​一​标准。 虽然​这些​生产​商​声称​他们​产品​的​电源​和​散热​能力​超过​38.25W,​但​这​是不​针对​每​个​插​槽​的,​并且​通常​需要​机​箱​符合​一些​受限​的​或​难以​实现​的​标准。

综​上,​如​表​2​所​示,​因为​每​个​散热​插​槽​都​拥有​38.25W​的​散热​能力,​NI PXI Express​机​箱​的​散热​性能​优于​其他​生产​商​所​声称​的​高于​38.25W​的​散热​能力。  因此,​可以​得出​结论:​一个​NI PXI Express​机​箱​通过​配置​可以​实现​超过​38.25W​的​散热​性能。

噪声

NI PXI​机​箱​设计​除了​先进​的​散热​性能​之外,​也​非常​注重​降低​整个​系统​产生​的​噪音。 PXI​系统​能够​适用​于​对​噪声​要求​不同​的​机​架式​自动​化​测试​环境​及​台式​验证​环境,​是​非常​重要​的​一点​特性。  可以​通过​控制​风​扇​速度、​选用​合适​风​扇​类型​及​风​扇​的​安装​方式,​以​实现​机​箱​散热​的​最优​化,​同时​也​降低​机​箱​噪声。

许多​NI PXI 机​箱​都​具有​风​扇​速度​选择​开关,​允许​用户​选择​风​扇​速度​是​高速​或是​自动。 当​风​扇​速度​设置​为​自动​时,​机​箱​风​扇​速度​根据​环境​温度​自动​控制。​系统​环境​温度​为​机​箱​风​扇​的​入口​温度。 当​温度​低于​30 °C​时,​机​箱​处于“噪声​性能​区域”,​此时​的​噪声​最小。 当​环境​温度​超过​30 °C,​机​箱​将​相应​提高​风​扇​转​速。  当​风​扇​速度​设置​为​高速​时,​机​箱​将​无视​环境​温度,​总是​提供​最大​气流。 该​模式​适用​于​不​关注​噪声​的​应用,​用户​希望​系统​PXI​模​块​总​处于​较​低​的​工作​温度,​以此​提高​模​块​长期​使用​寿命。

 

表​3. 不同​PXI Express​机​箱​的​声​压​级​比较

NI​在​许多​NI​机​箱​中​采用​脉​宽​调制​(PWM)​风​扇,​与​传统​的​电压​控制​风​扇​比较​进一步​降低​了​噪声。 通过​PWM​信号​控制​风​扇,​能​在​较大​范围​内​控制​风​扇​转​速,​从而​可在​设计​时​对​机​箱​噪声​及​散热​性能​进行​微调。

为了​满足​PXI​规范​的​散热​要求,​NI​机​箱​必须​选用​散热​强劲​的​风​扇。 多数​NI​机​箱​的​风​扇​支架​采用​了​减​震​材料,​将​风​扇​的​机械​振动​与​机​箱​结构​隔离,​进一步​降低​噪声。 在​许多​NI PXI​机​箱​中,​这些​结构​和风​扇​都​放置​在​机​箱​后​部,​来​降低​传播​到​PXI​模​块​的​电子​噪声​(EMI)。

NI PXI​机​箱​设计​具有​先进​的​散热​性能,​同时​使​整个​系统​的​噪声​产生​最小​化。​如​表​3​所​示,将NI PXIe-1075规范​和​生产​商​A​产品​比较, 可以​看到​12 dBA​的​差异。 值得​注意​的是​10​分贝​相当​于​可​感知​噪声​差异​的​两​倍。 这​一​功能​加上​散热​设计​的​优势,​表明​了​相比​生产​商​A​提供​的​类似​的​机​箱,​NI PXIe-1075​的​每​个​插​槽​能够​提供​更多​散热​功能, 同时​释放​更少​的​噪音。

电源

美国​国家​仪器​公司​为​其​8​槽​及​多​槽​PXI​及​PXI Express​机​箱​设计​了​具有​专利​的​仪器​级​电源。 这​意味​着​NI​保障​了​电源​的​长期​可用性,​不必​担心​由​电源​制造​商​不同​所​造成​的​机​箱​设计​变动。 相反​的,​依赖​于​单一​标准​PC​电源​供应​商​的​PXI​厂商​在​电源​质量​上​没有​太多​的​控制​力。

相比​在​个人​电脑​中​通常​使用​的​ATX​电源,​NI​采用​的​仪器​级​电源​针对​PXI​特殊​的​电源​需求​进行​了​优​化。  NI​机​箱​电源​为​自​定义​设计,​能够​满足​甚至​超越​PXI​的​最低​电源​需求。 利用​这样​的​电源, NI PXI Express​机​箱​能够​将​38.25W​的​电源​传输​至​机​箱​中的​所有​模​块。

 

表​4. NI PXI Express​机​箱​允许​通过​的​最小​电流​超过​了​PXI​规范

NI​在​其​产品​文​档​中​列出​了​机​箱​电源​可​提供​给​模​块​的​总​电源​功率。  与​此​相反,​许多​其他​的​生产​商​只​列出​了​电源​输出​量。  从​电源​总​电能​中​减去​例如​风​扇​和​背​板​等​机​箱​组​件​所​消耗​的​电能,​可​得出​用于​控制器​和​模​块​的​具体​剩余​电量。  NI PXI​指导​手册​中​清楚​地​列​明​了​每​个​电压​线路​上​的​电流​以及​每​个​插​槽​上​的​最大​功耗。

根据​PXI​系统​联盟​的​定义​的​PXI​平台​规范,​要求​PXI Express​机​箱​在​3.3 V​和​+12 V​背​板​线路​上​为​系统​控制器​和​模​块​插​槽​提供​650 W​的​电源。   值得一提​的是,​比较​来自​不同​生产​商​的​PXI​机​箱​时,​必须​使用“供电​背​板”(或​类似)​规范,​而​并​不仅仅是​总​电源​或​每​插​槽​电源。  NI​可以​做到​实事求是,​坚持​定义​其​电源​规格,​无论​是​总​电源、​背​板​电源,​还是​每​插​槽​电源。  其他​生产​商​往往会​在​电源​规格​上​误导​消费​者,​它们​的​产品​不能​在​典型​的​安装/​操作​环境​下​使用。

由于​基于​PXI​系统​新​应用​的​出现,​要求​PXI​机​箱​能够​在​较​高​的​环境​温度​下​运行​(高达​55 °C)。 NI​的​PXI​机​箱​能够​满足​在​最低​电源​需求​下​满足​这​一​要求。 低​额​功率​是​指在​高温​或​其它​极端​状态​下​机​箱​槽​电源​供应​不足​的​现象。  许多​其它​供应​商​的​PXI​机​箱​在​较​小​的​温度​范围​内​(20-35 °C)​能够​满足​PXI​规范​的​电源​供应,​但在​高温​环境​下​(>40 °C)​会​变得​不​稳定​甚至​不能​工作。

图​2. NI PXI 可在​整个​规范​操作​温度​范围​内​为​背​板​提供​电源。

NI​仪器​级​电源​在​整个​规范​操作​温度​范围​内​满足​最低​电源​需求,​一般​在​0-50 °C​或​55 °C​范围​内​不会​出现​低​额​功率​现象。 而且,​您​可以​在​最高​温度​允许​范围​内​实现​机​箱​的​满​负荷​工作。​(特定​NI PXI​机​箱​的​操作​温度​范围​参见​产品​手册)。

机​箱​风​扇​产生​的​电子​噪声​会​降低​PXI​及​PXI Express​外围​设备​的​测量​精度。 为此,​除了​机​箱​背面​的​散热​风​扇​之外,​NI​在​大​多数​机​箱​中​集成​了​专用​的​12V​电源,​用于​对​机​箱​风​扇、​系统​控制器​插​槽​进行​供电,​特定​情况​下​也对​电源​风​扇​单独​供电,​避免​这些​组​件​发出​的​耦合​噪声​进入​供电​测量​模​块​的​线路。

多数​NI​机​箱​具有​远程​测量​背​板​电源​线路​输出​电压​的​功能,​用于​补偿​输出​线路​的​压​降。 该​设计​特性​对于​PXI​及​PXI Express​机​箱​在​大功率​模​块​的​应用​非常​重要。​因为​在​背​板​载​荷​变化​较大​的​情况​下,​它​能够​提供​更好​的​校正。


​针对​要求​高​可用性​的​系统,​NI​为​大​多数​8​槽​及​多​槽​机​箱​设计​了​可​方便​替换​的​电源​及​风​扇​梭,​以​防止​供电​中断。 您​只需​简单​地​卸下​安装​位置​的​螺​钉,​拉起​风​扇​梭​后​端​把手,​取出​风​扇​梭​后​便可​插入​新​配件。 这种​设计​使得​电源​平均​维修​时间​(MTTR)​小​于​5​分钟。 由于​机​箱​后​端​可​轻松​够到,​您​无​需​将​机​箱​从​固定​机​架​中​取出​即可​换​装​电源​及​风​扇​梭,​也​因此​无​需​移除​模​块​或​对​模​块​重新​布线。

定​时​与​同步​质量

PXI​系统​的​一个​主要​优势​就是​集成​的​定​时​和​同步​功能。  PXI​机​箱​包含​专用​的​10 MHz​系统​参考​时钟、​PXI​触发​总​线、​星形​触发​总​线​和​槽​对​槽​本地​总​线,​而​PXI Express​机​箱​增加​了​一个​100 MHz​差分​系统​时钟、​差分​信号​和​差分​星形​触发,​来​满足​高级​定​时​和​同步​的​需要。

图​3. 定​时​和​同步​功能​是​PXI Express​的​主要​优势。

背​板​系统​参考​时钟​所​具备​的​相位​噪声​和​稳定​性​是​PXI​机​箱​的​重要​参数,​它​决定​了​系统​中​模​块​同步​的​可靠性。  搭配​NI PXI​的​组​件​可​选​和​背​板​的​设计,NI PXIe-1075 18​槽​机​箱​上​PXI Express 100 MHz​差分​系统​时钟​的​相位​噪声​性能​要​比​其他​生产​商​同级​的​机​箱​好​上​将近​1000​倍​(30​分贝)。

你​可以​利用​锁​相​环​(PLL)​将​10 MHz​和​100 MHz​系统​参考​时钟​与​可靠性​更高​的​时钟​源​进行​锁​相。  这​有助​于​高​采样​率​的​PXI​模​块,​在​多台​仪器​上​更好​地​匹配​样本。 当​锁定​外部​参考​时,​NI PXI​机​箱​的​PLL​电路​的​设计​可以​抑制​更多​的​噪音,​从而​获得​更​清洁、​更​稳定​的​时钟​源​传输。  而​使用​其他​生产​商​的​机​箱,​必须​根据​不同​应用​所​要求​的​系统​时钟​源​相位​噪声​的​指标,​分别​将​外部​参考​时钟​锁​相​到​每​个​模​块,​而不是​在​系统​层面​上​相位​锁定​到​机​箱​背​板,​这样​就​增加​了​系统​复杂​性​和​花​销。

图​4. PXI Express​参考​时钟​性能​比较

其他​NI PXI 设计​优势

欲​知​更多​有关​NI PXI​平台​的​设计​优势​的​详细​信息,​请​查看​本​系列​的​其他​部分: 

NI PXI 机​箱​与​控制器​设计​优势

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