モジュール式機器とソフトウェアによるシステム設計、検証、製造テストのスピードアップ方法

車載用、民生用、産業用、医療用などの部品やシステムを設計、検証、製造テストする際には、数多くのテストおよび計測（T&M）機器が必要です。このようなT&M機器セットは、小型で高性能であることが求められています。低レイテンシに加え、高いチャンネル密度と帯域幅が必要です。また、設計ニーズは時代とともに変化するため、将来を見据えてシステムをモジュール式にすることが大きなメリットになります。多くの場合、これらのT&Mアクティビティは反復的なテストや地理的に分散したチーム間のコラボレーションを伴うため、ソフトウェア定義テストの機能も重視されています。

従来の機器で解決できる可能性もありますが、複数画面での情報表示、ソフトウェアの互換性、大量のケーブル配線、多数の個別機器設置に必要なスペースなど、さまざまなメーカーのデバイスをシステムとして統合することは困難です。

その代わりに、T&Mシステム設計者は、デバイスの検証から自動製造テストに至るまで、専用の同期および主要ソフトウェア機能を備えた高性能モジュール式機器やその他のI/Oモジュールのバンドルを利用することができます。これらのバンドルユニットは、Thunderbolt USB-Cポートを介してラップトップやデスクトップコンピュータで制御される、5スロットの小型PXI Express計測システムとして利用できます。

この記事ではまず、アナログ機器を含むモジュール式機器システムの性能指標を簡単に確認します。次に、モジュール式機器システム用の各種バスの性能を比較し、分解能の向上とレイテンシの低減に関する課題を考察します。最後に、デジタルマルチメータ、LCRメータ、オシロスコープ、多機能I/O、波形発生器、ソース測定ユニット用のモジュールを含むNIのPXIプログラマブル電源（PPS）バンドルと、T&Mプロセスの自動化用ソフトウェアツールを紹介します。

必要とされる測定は？

どのようなタイプのT&M機器が必要かを判断するには、まず2つの基礎的な質問を行います。

• 測定する信号は、入力か、出力か、あるいはその両方か
• 信号の周波数は直流（DC）か交流（AC）か、ACの場合はキロヘルツ（kHz）か、メガヘルツ（MHz）か、ギガヘルツ（GHz）か

これらの質問に対する回答は、必要な機器がDCおよび電源用、低速アナログ用、高速アナログ用、無線周波数（RF）およびワイヤレスアプリケーション用のいずれであるかを判断するのに役立ちます（表1）。

表1：T&M機器には、入力と出力の特性および性能レベルに基づいて、いくつかの基礎的なカテゴリがあります。（表提供：NI）

アナログ機器の仕様

測定タスクに必要な機器の一般的なタイプを決定した後、以下のような具体的な性能要件を特定する必要があります。

• 信号の基礎には、信号範囲が必要な信号を捕らえるのに十分な広さであること、インピーダンスがDUTの負荷と測定の周波数要件をサポートしていること、グランドからの絶縁が必要なレベルのノイズ耐性と安全性をサポートしていることが含まれます。
• 測定する信号を扱うのに十分なkHz、MHz、GHz単位の帯域幅が必要です。また、A/Dコンバータ（ADC）は、必要な信号のニュアンスを捉えるために、キロサンプル/秒（kS/s）、メガサンプル/秒（MS/s）、ギガサンプル/秒（GS/s）など、サンプル/秒単位で十分な高速性が必要です。
• さらに、分解能や精度も重要な考慮事項です。8ビット、24ビット、その他のレベルの分解能は必要ですか。許容できる最大誤差は何%または何ppmですか。さらに、マイクロボルト（μV）やナノボルト（nV）のような絶対的な単位で必要な感度はどれくらいですか。

測定器のアナログ入力経路の例（表2）に示すように、T&M測定器のタイプによって、必要となる入力の絶縁やインピーダンス範囲、入力カップリングやフィルタリングの仕様、アンプの感度、測定分解能や精度が異なります。

表2：DMMとオシロスコープなど、異なるT&M機器では、所与の測定に対して大きく異なる性能特性が要求されることがあります。（表提供：NI）

バス、帯域幅、レイテンシ

T&M機器はコントローラに接続してテストシステムを構成する必要があります。接続バスの信号帯域幅とレイテンシの要件は重要な考慮事項です。帯域幅はデータの送信速度を表すもので、一般的には1秒あたりのメガバイトで表されます。レイテンシはデータが送信される際の遅延を表すものです。一般的に使用されているバスには、さまざまな帯域幅とレイテンシの組み合わせがあります。また、バスが対応する送信距離も重要な要素です。たとえば、汎用インターフェースバス（GPIB）とユニバーサルシリアルバス（USB）は、同程度のレイテンシをサポートできますが、USBの方が帯域幅が広くなっています。Gigabit Ethernetは、帯域幅が中程度でレイテンシが大きいですが、より長い距離を送信することができます。

T&Mシステムの設計では、PCIやPCI Expressがよく使用されます。約1mまでの短距離リンク用に設計されており、高い帯域幅と低レイテンシを実現しています（図1）。PCI Expressの重要な特性は、バス上の各デバイスに専用の帯域幅を提供することです。このため、PCI Expressは、リアルタイムT&Mシステムのように、複数の機器の動作を統合して同期させる必要がある高性能でデータ量の多いアプリケーションに適した相互接続バスとなっています。

図1：PCI/PXI Expressは、分解能とレイテンシの組み合わせで最高のパフォーマンスを発揮します。（画像提供：NI）

T&M機器バンドル

設計者は、高性能なT&Mシステムの基礎として、NIのPXI PPSバンドルを利用することができます。PXI PPSモジュールは、DUTの基礎的な電源ニーズに対応し、多数のT&Mモジュールで拡張できるため、さまざまなデバイス特性評価、設計検証、製造テストアプリケーションをサポートします。この筐体は、最大58ワットの電力と追加機器の冷却、高性能PXIe相互接続、システムコントローラとして機能する外部のデスクトップまたはラップトップコンピュータと接続するための統合Thunderboltリンクを提供します（図2）。

図2：基礎的なPXI PPSバンドルには、コントローラ、PPSモジュール、さらに4台のPXI機器用のスロットが含まれています。（画像提供：NI）

PPSを使用して、DUTにプログラム可能な電力を供給しながら、電流や電圧レベルを制御・監視し、消費電力を測定することができます。システム配線の損失を補正するリモートセンシング機能を持つ60Wの絶縁型2チャンネルを備え、標準効率は78%です。また、チャンネルには、DUTをテストしていないときに絶縁できる出力ディスコネクトが含まれています。

DUTに120Wの電力を供給する拡張可能なPXI PPSバンドルの例としては、チャンネルあたり60ボルトDCで最大1Aを供給できるPXIe-4112 2チャンネルPPS（モデル782857-01など）を搭載した867117-01、チャンネルあたり10ボルトDCで最大6Aを供給できるPXI2-4113 2チャネルPPS（モデル782857-02など）を搭載した867118-01があります（図3）。

図3：PXI PPSバンドルは、出力が60ボルトDC（左）と10ボルトDC（右）の電源を選択可能です。（画像提供：NI）

T&Mシステム開発の推進

NIは、設計者がT&Mシステム開発を推進するためのさまざまなPXIバンドルを提供しています。例としては、以下のようなものがあります。

標準関数やユーザー定義の任意波形を生成するために使用できるPXI波形発生器バンドル。PXI波形発生器バンドルは、最大80MHzの帯域幅、±12Vの出力範囲、最大サンプルレート800MS/sで最大2つの出力チャンネルを備えています。たとえば、867119-01は、20MHzの任意ファンクションジェネレータを搭載しています。

PXIオシロスコープバンドルは、最大8チャンネル、最大5GS/sの高速サンプリング、1.5GHzのアナログ帯域幅を特長としています。バンドル867010-01には、60MHzのオシロスコープモジュールが含まれています。

867111-01のようなPXIソース測定ユニット（SMU）バンドルは、DC測定とテストを自動化するために設計されています。SMUは、4象限動作、最大±200ボルト、±3Aの範囲、100フェムトアンペア（fA）という低感度を特徴としています。PXI SMUバンドルは、ハイパワースイープと低電流測定の能力を兼ね備えています。

867113-01などのPXI LCRバンドルは、LCRメータとSMUを1つの機器にまとめ、DC測定とインピーダンス測定を行うことができます。この装置は、シングルスロットのPXIフォームファクタでfAの電流とフェムトファラド（fF）の静電容量測定を提供します。

PXI DMMバンドルは、最大7.5桁の高精度・高分解能で、ハンドプローブ、スイッチング、自動DMM測定をサポートします。高いサンプリング速度により、ユーザーはオシロスコープを使用することなく、トランジェントの特性を把握できます。ユーザーは、取得やシーケンスのトリガを設定することもできます。たとえば、867115-01は、6.5桁のディスプレイを搭載しています。

PXIナノボルトメータバンドルは、最大28ビットの分解能を持つ高分解能アナログ入力モジュールです。これらは、1対のチャンネルを使用するチョッピングモードにより、高レベルのノイズ除去を実現し、正確で再現性の高いnV測定やオンボードでの信号平均化およびフィルタリング、オートゼロ測定スイッチングを可能にします。モデル867125-01は、32チャンネル、28ビット分解能、2MS/sのサンプリングが特長です。

867124-01のようなPXI多機能I/Oバンドルは、アナログI/O、デジタルI/O、カウンタ/タイマ、トリガ機能を組み合わせて提供します。PXI多機能I/Oバンドルは、最大4つのアナログ出力チャンネル、48の双方向デジタルチャンネル、80のアナログ入力チャンネル、2MS/sのサンプルレートを備えています。

ソフトウェアによるシステム定義

NIは、包括的なハードウェアモジュールに加えて、InstrumentStudioやLabVIEWなどのソフトウェア開発環境の選択肢をT&Mシステム設計者に提供します。

NI PXI機器に付属するInstrumentStudioは、テストエンジニアが自動テストシステムを監視およびデバッグするための単一のノーコードソフトウェア環境を実現します。また、複数の機器のデータを同時に表示する画面を作成することも可能です（図4）。ツールにより、スクリーンショットや測定結果をキャプチャしたり、DUTのプロジェクトレベルの設定を保存して、再利用したり他の開発者と共有することができます。

図4：InstrumentStudioは、複数の機器のデータを1つの画面に表示することができます。たとえば、オシロスコープ（左大パネル）、DMM（右上パネル）、ファンクションジェネレータ（右下パネル）のデータです。（画像提供：NI）

LabVIEWは、NIのソフトウェア定義のテスト開発環境です。グラフィカルユーザーインターフェース（GUI）により、テストエンジニアは、研究、検証、製造の自動テストシステムを迅速に開発することができます。LabVIEWのグラフィカルなアプローチにより、基礎的なレベルのプログラマ以外の人が機器の仮想表現をドラッグ＆ドロップしてT&Mプログラムを構築したり、インタラクティブなユーザーインターフェースを作成したり、データを.cvs、.tdmsまたはカスタム定義されたバイナリファイルに保存したりできます。

より高度なプログラマは、Python、C、C++、C#、.NET、MATLAB用のドライバを使用できます。また、NIは、包括的なT&M環境を開発するために、以下のようなソフトウェアツールのバンドルも提供しています。

• 自動テストシーケンス作成用TestStand
• ウェブアプリケーションを構築するため開発ソフトウェアG Web
• インタラクティブなデータ解析のためのDIAdem
• T&Mデータ収集・ロギング用FlexLogger

まとめ

コンポーネントやシステムの設計、検証、製造テストのためのソフトウェア定義テスト環境を作成するには、いくつかのT&M機器を使用する必要があります。テストエンジニアは、コネクティビティ、コスト、スペース要件が伴う複数のサプライヤの機器を使用しなくても、小型で柔軟性が高く、高性能なテストシステムを構築できるNIの機器バンドルに頼ることができます。また、NIは開発プロセスをスピードアップするために、ソフトウェア環境の選択肢も提供しています。

お勧めの記事

1. 小型データ収集システムの構築方法
2. ベンチトップ電源のプログラム可能性、ネットワーキング、リードレスリモートセンシング機能の応用