Instrumente de Măsurare pentru Testare

În orice proiect de dezvoltare, testare sau automatizare este esențială alegerea tool-urilor potrivite. O alegere greșita vă va costa timp și va ajunge să compromită calitatea testelor, pe când tool-urile potrivite vă vor garanta rezultate corecte într-un interval scurt de timp.

În construirea unui sistem de testare/automatizare, principalele tool-uri de care veți avea nevoie sunt instrumentele de măsura și control. Pentru selecția instrumentației corecte, inginerii trebuie să dețină cunoștințe și să acumuleze experiența în:

Cerințele tehnice de măsurare ale device under test (DUT)-ului;
Specificațiile tehnice (specifice fiecărui instrument) care vor avea impact asupra aplicație dezvoltate:
Categoriile variante de instrumente disponibile și compromisurile făcute în termeni de capabilitate, mărime, preț etc.;
Diferențele dintre diferitele modele de instrumente dintr-o anumită categorie de instrumente.

Alegerea instrumentației adecvate pentru o aplicație nu este o activitate ușor de îndeplinit, în special atunci când exista atât de multe opțiuni de instrumente pe piață. În acest articol veți putea descoperii principalele categorii de instrumente și învață criteriile de selecție după care să faceți alegerea potrivită pentru fiecare aplicație.

Instrumentație Analogică și RF

În categoria de instrumente analogice și Radio Frequency (RF), restricțiile date de legile fizicii creează un compromis între precizia unei măsurători și viteza la care acea măsurătoare poate fi făcută.

Un punct de început în alegerea instrumentelor analogice și RF este aflarea răspunsurilor la două întrebări:

Care este direcția semnalului? (input, output sau ambele)
Care este frecvența semnalului măsurat? (DC, kHz, MHz or GHz)

După ce ați răspuns la aceste întrebări puteți alegeți categoria de instrumente de care aveți nevoie consultând tabelul de mai jos.

ANALOGIC VITEZĂ MICĂ

ANALOGIC VITEZĂ MARE

INPUT (Măsurare)

Multimetru Digital (DMM)

Input Analogic, Data Acquisition (DAQ)

Osciloscop, Frequency Counter

Analizator RF (Spectrum Analyzer, Vector Signal Analyzer)

OUTPUT (Generare)

Sursă Alimentare Programabilă

Output Analogic

Function/Arbitrary Waveform Generator (FGEN, AWG)

Generator Semnal RF (Vector Signal Generator, CW Source)

INPUT ȘI OUTPUT (Același Device)

DC Power Analyzer

Data Acquisition Multifuncțional (DAQ Multifuncțional)

Osciloscop All-in-One

Vector Signal Transcever (VST)

INPUT ȘI OUTPUT (Același Pin)

Source Measure Unit (SMU)

LCR Meter

Analizator Impedanță

Vector Network Analyzer (VNA)

Luați în considerare faptul că tabelul de mai sus conține cele mai des folosite categorii de instrumente și nu conține întreg spectrul de categoriile de instrumente.

După alegerea categoriei putem să ne îndreptăm atenția către specificațiile cheie pe care trebuie să le luăm în considerare:

Range semnal: trebuie să ne asigurăm că input range-ul instrumentului de măsurare va putea capta semnalul pe care dorim să îl măsurăm;
Izolație: reprezintă izolația instrumentului față de punctul de împământare care are impact asupra imunității la zgomot a semnalului și siguranței;
Impedanță: afectează încărcarea electrică și performanța frecventei a întreg sistemului de măsură;
Lungime de Bandă: trebuie să ne asigurăm că semnalul măsurat poate fi captat de instrumentul ales în funcție de lungimea de banda (kHz, MHz sau GHz);
Rată de Eșantionare (sample rate): trebuie să ne asigurăm ca Analogue to Digital Converter (ADC)-ul poate măsura îndeajuns de repede pentru a capta semnalul;
Rezoluție: este dată de rezoluția ADC-ului (în generat între 8-bit și 24-bit) și are impact direct calității măsurători;
Acuratețe: reprezintă eroarea maximă în funcție de timp și temperatură;
Sensibilitate: cea mai mică schimbare în măsurătoare pe care instrumentul o poate detecta.

Pentru o mai bună viziune a traseului pe care semnalul îl face, în imagina de mai jos sunt reprezentate stagiile simplificate ale traseului.

Izolație și Terminație

Coupling și Filtrare

Amplificator

ADC

–––––––- direcție semnal –––––––->

Instrumentație Digitală

În contextul testelor electronice de funcționalitate, instrumentația digitală are obiectivul de a comunica prin protocoalele de comunicare digitală și a testa caracteristicile electronice cât și link-urile de comunicare ale protocoalelor. Un aspect esențial în alegerea instrumentației digitale este comunicarea digitală în serie sau paralel.

Standardele de comunicare în serie au devenit tot mai des folosite datorită limitărilor aduse de bus-urile de comunicare paralele în termeni de clock rate (1 GHz – 2 GHz). Bus-urile de mare viteză care folosesc comunicarea în serie trimit date codificate care conțin atât date cât și informații de clocking printr-un sigur semnal diferențial Acest aspect elimină limitările aduse de comunicarea în paralel. Trimiterea datelor în format de comunicare în serie la viteze mari ajută la reducerea numărului de pini din circuitele integrate, ceea ce rezultă în reducerea dimensiunii fizice. Un alt avantaj adus de clock rate-ul (frecvență ceas) ridicat este rata de transfer (throughput) crescută a datelor.

Bus Paralel

Bus Serial

PCI 64-bit/33 MHz
PCI 64-bit/66 MHz
PCI 64-bit/100 MHz
Front Panel Data Port
EISA
PCI 32-bit/33 MHz
PCI 32-bit/66 MHz
IDE (ATA PIO 0)
ATA PIO 1
ATA PIO 2
ATA PIO 3
ATA PIO 3 | ISA 16-bit/8.33 MHz
U ltra-2 wide SCSI
RapidIO Gen1.1
GPIB
SCSI | ISA 8-bit/4.77 MHz

PCIe Gen1x16
PCIe Gen2x16
Serial RapidIO Gen2
PCIe Gen3x16
PCIe Gen1x8
PCIe Gen2x8
PCIe Gen3x8
JESD204B
PCIe Gen1x4
Serial RapidIO Gen1.3
PCIe Gen2x4
DisplayPort
PCIe Gen3x4
HDMI 1.0 | DVI
HDMI 1.3
HDMI 2.0
SD-SDI
G igabit Ethernet
SATA 1.0
Serial FPDP | PCIe Gen1x1
SATA 2.0 | 3G-SDI | JESD204A | 10 Gigabit Ethernet
PCIe Gen2x1 | USB 3.0
SATA 3.0
PCIe Gen3x1
USB 3.1

Pentru o clarificare rapidă a tipului de instrumentație digitală potrivită este necesară aflarea răspunsurilor la două întrebări:

Ce obiectiv ai de îndeplinit? (interfață digitală, interfață digitală personalizată sau testare electrică și de timing)
Cât de rapidă trebuie să fie comunicarea? (static sau kbit/sec, Mbit/sec sau Gbit/sec)

STATIC/VITEZĂ SCĂZUTĂ

SINCRONIZARE ȘI COMUNICARE PARALELĂ DE MARE VITEZĂ (100 Mbits/sec)

COMUNICARE ÎN SERIE DE MARE VITEZĂ (10 Gbits/sec)

INTERFAȚĂ (Standard)

Standars Interface Card – I2C, C

Synchronous Protocol interface – ARINC 429, CAN, GPIB, I2C, SPI

10 Gigabit Ethernet, Fibre Channel, PCI Express etc.

INTERFAȚĂ (Personalizată)

Digital I/O (GPIO)

Digital Waveform Generator/Analyzer, pattern Generator

FPGA, Serial Rapid I/O, JESD204b

INPUT ȘI OUTPUT PE ACELAȘI DEVICE

Pin Electronics Digital, Per-Pin Paramentric Measurement Unit (PPMU)

BERT, Osciloscop

Comunicarea digitală se poate implementa folosind două metode: timing software sau timing hardware.

Timimg Software

Aplicațiile care folosesc timing software nu utilizează un ceas pentru input și output. Software-ul controlează I/O-ul și un limbaj de programare controlează timing-ul prin software. Acest limbaj de programare rulează de cele mai multe ori pe un sistem de operare căruia ii poate lua milisecunde să execute o comandă în software. În cazul timing-ului software, timer-ul sistemului de operate este folosit pentru determinarea ratei de execuție a comenzilor. Timing-ul software este cel mai des folosit în aplicații de mică viteză cum ar fi monitorizare și control.

Există două tipuri de timing software: deterministic și non-deterministic. Prin utilizarea unui sistem de operare real-time (RT OS) se pot atinge precizii de pană la 1 µs, dar trebuie ținut cont de faptul că sistemul de operare real-time nu creste viteza de comunicare ci doar o face mai deterministică. Sistemele de operare non-real-time, cum ar fi Microsoft Windows, sunt non-deterministice. În sistemele non-deterministice, timpul de execuție al unei comenzi software în hardware este inconsistent. Factori cum ar fi memoria, viteza procesorului și specificațiile aplicațiilor care rulează pe sistemul de operate pot afecta timpul de execuție.

Timing Hardware

Instrumentele care folosesc timing-ul hardware utilizează rising și falling edges ale ului ceas pentru generare și achiziție de date deterministic. Timing-ul hardware poate genera și achiziționa date digitale la rate de Gbit/sec cu determinism ridicat. Unele dintre aplicațiile în care se folosește hardware timing-ul sunt: testare de chip-uri, emulare de protocol si testare, video digital și testare audio, testare electronică digitală etc.

Bus-uri de Comunicare

Înainte de a avansa spre definirea tipurilor de bus-uri de comunicare trebuie să luăm în considerare stabilitatea, repetabilitatea și viteza necesare aplicației. Acest lucru ne trimite la aspectele legate de mediul de lucru.

Laborator (acuratețe, repetabilitate, control low-level, ușurința de a face setup-ul și capacitatea de a automatiza testele)
Producție (viteză, rată de transfer, acuratețe, optimizare prin interfața de programare și depanare)

În ziua de astăzi USB, PCI Express și Ethernet/LAN sunt cele mai apreciate opțiuni de comunicare pentru controlul instrumentelor. Unii dintre producătorii de instrumentație consideră că aceste opțiuni de comunicare oferă răspunsul pentru toate nevoile de comunicare ale instrumentelor. Vom continua prin a defini ce reprezintă lățimea de bandă (bandwidth) și latența (latency), iar apoi vom continua prin a defini cele mai utilizare bus-uri de comunicare.

Când analizăm avantajele tehnice ale diferitelor bus-uri de comunicare, lungimea de bandă și latența sunt caracteristicele cele mai importante pe care trebuie să le luăm în considerare.

Lățimea de Bandă (Bandwidth)

Lățimea de bandă măsoară rata la care datele sunt transmise prin bus-ul de comunicare, de obicei MB/sec. Un bus cu o lățime de bandă mai mare poate transmite mai multe date într-un interval de timp decât un bus cu o lățime de bandă mai mică. Lățimea de bandă ne poate spune dacă datele generate sau achiziționate vor putea fi transmise pe bus-ul de comunicare și câtă memorie internă este necesară pentru instrumente.

Latența (Latency)

Latența măsoară întârzierea datelor transmise pe bus. Dacă ar fi să comparăm un bus de comunicare cu o linie de producție, lățimea de bandă ar fi reprezentată de numărul benzilor de producție și viteza de deplasare, iar latența ar fi reprezentată de întârzierile date de punctele de așteptare de pe linia de producție. Un bus cu latență scăzută introduce mai puține întârzieri între timpul de transmitere și procesare a datelor.

GPIB

Bus-ul de comunicare GPIB (IEEE 488) a fost dezvoltat în special pentru aplicațiile de control a instrumentelor. GPIB-ul a fost un bus de comunicare robust și sigur pentru 30 de ani și este și acum unul dintre cele mai populare opțiuni pentru controlul instrumentelor datorită latenței scăzute și lățimii de bandă acceptabile. În momentul de față se bucură de cea mai largă integrate în instrumentație, cu peste 10,000 de modele de instrumente care folosesc conectivitatea GPIB.

Având o lungime de bandă de 1.8 MB/sec este bus-ul perfect pentru comunicarea și controlul instrumentelor stand-alone. Ultima revizie (HS488) a crescut lățimea de bandă la 8 MB/sec. Transferul de date se bazează pe mesaje, de multe ori sub formă de caractere ASCII. Multiple instrumente GPIB pot fi legate împreună pe o distanță totală de 20 m, iar lățimea de bandă este împărțită cu toate instrumentele de pe bus. Cu toate că lățimea de bandă este una relativ scăzută, latența GPIB-ului este semnificativ mai scăzută decât a bus-urilor USB și Ethernet. Instrumentele care folosesc GPIB nu sunt auto-detectate și nu se auto-configurează la conexiunea cu un sistem; cu toate că există software pentru GPIB, iar cablajul este unul rezistent și perfect pentru a fi utilizat în cele mai drastice condiții.

USB

USB-ul este cunoscut pentru conectarea la perifericele unui Personal Computer (PC). Popularitatea acestui bus a ajuns și în domeniile testării și măsurării. Un număr tot mai mare de producători de instrumente adaugă capabilitatea de a controla instrumentele prin intermediul unei conexiuni USB. În multe dintre cazurile în care un dispozitiv are multiple porturi de USB, aceste porturi ajung să fie conectate la o singură unitate de control, lungimea de bandă este împărțită de toate porturile.

Latența bus-ului USB este rezonabilă, fiind mai ridicată decât a Ethernet-ului dar mai scăzută decât a PCI și PCI Express-ului. Lungimea maximă a cablului în cazul USB-urilor este de 5 m. Dispozitivele care folosesc USB se bucură de auto-detectare ceea ce înseamnă că dispozitivele sunt recunoscute și configurate imediat ce acestea au fost conectate la un PC. Dezavantajele bus-ului USB sunt siguranța și rezistența fizică, acestea fiind mai scăzute decât a celorlalte bus-uri analizate aici.

Dispozitivele cu capacitate USB sunt ideale pentru aplicații care necesită măsurători portabile, salvare/achiziție de date, achiziție de date în vehicule etc.

PCI

PCI și PCI Express au cele mai bune caracteristici în termeni de lățime de bandă și latență dintre toate bus-urile prezentate aici. Lățimea de bandă a PCI-ului este de 132 MB/sec, aceasta fiind împărțită cu toate instrumentele conectate la bus. Latența PCI-ului este foarte scăzută, atingând la 700 ns, în comparație cu Ethernet-ul care are 1 ms. Comunicarea pe PCI se bazează pe regiștrii. Spre deosebire de celelalte bus-uri descrise aici, PCI-ul nu se conectează la alte instrumente prin intermediul unui cablu. Acesta este un bus folosit intern utilizat pentru plăcile PC plug-in și în sisteme modulare (exemplu: PXI). În acest caz, măsurătorile la distanță nu se aplică direct dar există capabilități de extindere până la 200 m cu ajutorul unei interfețe MXI. Datorită faptului că plăcile PCI sunt conectate intern se poate considera rezistența fizică direct corelată cu rezistența sistemului din care fac parte, de exemplu un PC.

În multe dintre cazuri, placările PCI pot avea un cost mai scăzut datorită faptului că se folosesc de capacitățile PC-ului la care sunt conectate: alimentare, procesor, display și memorie.

PCI Express

PCI Express-ul este similar PCI-ului, acesta fiind o variantă evoluată a acestuia. O mare parte din prezentarea de la PCI se aplică și la PCI Express.

Diferența principală dintre PCI și PCI Express este faptul că PCI Express-ul are lățimea de bandă mai mare și oferă lățime de bandă dedicată pentru fiecare instrument în parte. Dintre toate bus-urile analizate aici, PCI Express-ul este singurul care are această capabilitate. Datele sunt transmise printr-o conexiune point-to-point numită linie la 250 MB/sec într-o direcție pentru Gen 1. Pentru fiecare link PCI Express pot exista multiple linii, lățimea de bandă variind în funcție de implementarea conexiunii și instrumentului. Un link Ax1 va avea lățimea de bandă de 250 MB/sec, Ax4 va avea 1 GB/sec și Ax16 va avea 4 GB/sec. Bus-ul PCI Express poate fi folosit împreună cu software care a fost inițial scris pentru plăci PCI (backward capability). PCI Express poate fi extins folosind cablaj extern.

PCI Express este ideal pentru aplicațiile în care este necesară o performanță ridicată, achiziții și generare de date la viteze foarte mari cât și pentru integrarea și sincronizarea diferitelor tipuri de instrumente.

Ethernet/LAN

Ethernet-ul este o tehnologie de bus matură care a fost folosită în multiple aplicații din afara spectrului de teste și măsurare.

100BASE-T Ethernet are o lungime de bandă teoretică de 12.5 MB/sec.
1000BASE-T (Gigabit Ethernet) are o lungime de bandă teoretică de 125 MB/sec.

Lungimea de bandă este împărțită în rețea.

Comunicarea pe acest bus se face prin mesaje folosind pachete care ajung să îngreuneze transmisia. Din acest motiv Ethernet-ul are cea mai mare latență dinte toate bus-urile de comunicare prezentate aici.

Cu toate acestea, Ethernet-ul rămâne o soluție excelentă pentru a crea sisteme distribuite în rețea. Poate fi folosit la distanțe de până la 100 m fără repetoare, iar cu ajutorul repetoarelor nu există limită de distanță. La fel ca la GPIB, auto-configurarea nu există. Este necesar să atribui o adresă IP și o configurare de subrețea pentru instrumentele folosite. Asemenea USB-ului și PCI-ului, aproape toate PC-urile moderne au un port de Ethernet/LAN. Acest lucru face Ethernet-ul ideal pentru sistemele distribuite și monitorizarea de la distanță. Conexiunea fizică Ethernet este mai robustă decât cea USB, dar mai slabă decât GPIB și PCI.

Oferim servicii complete de dezvoltare, implementare și mentenență folosind experianța + calificarea arhitecților și inginerilor hardware și software dedicați pentru a garanta succesul proiectelor tale. Vezi serviciile oferite de SelfLAB aici și industriile acoperite aici.

Referințe: