Instrumentación Modular

1. Presentación del tema

Los instrumentos modulares son dispositivos de medición compactos, de alto desempeño, con recursos de temporización y sincronización integrados. Su hardware utiliza la tecnología comercial más moderna —convertidores analógico-digitales y digital-analógicos, FPGA, memoria de alta velocidad y buses de PC como PCI Express— para ofrecer mediciones de alta resolución y exactitud, desde 7½ dígitos en corriente directa hasta señales de RF de decenas de gigahertz.

En combinación con software como LabVIEW, Python, InstrumentStudio o TestStand, los ingenieros de prueba y diseño crean sistemas de medición definidos por ellos mismos: eligen los módulos de hardware apropiados para su aplicación y construyen mediciones y rutinas de análisis propias con entornos de software estándar de la industria. Los sistemas construidos con instrumentos modulares ofrecen mayor flexibilidad, densidad, velocidad y sincronización que los sistemas de instrumentos tradicionales.

2. Arquitectura de un instrumento modular

Un instrumento de banco tradicional integra todo en una caja: el frente analógico, el convertidor, un procesador propio con firmware cerrado, la pantalla, los controles y la fuente de alimentación. Un instrumento modular conserva solo lo que mide —el frente analógico, el convertidor y la memoria—, agrega con frecuencia una FPGA, y traslada el procesamiento, la visualización y el control a la computadora a través de un bus de alta velocidad.

Tabla 1. Instrumento de banco frente a instrumento modular.

Característica	Instrumento de banco	Instrumento modular
Funcionalidad	Definida por el fabricante en el firmware	Definida por el usuario en software; FPGA abierta en algunos modelos
Transferencia de datos	GPIB, LAN o USB (latencia de cientos de µs a ms)	PCI Express con DMA (latencia de µs, GB/s)
Sincronización	Cables externos de disparo y referencia	Backplane: reloj de referencia, disparos y star triggers
Densidad	Un instrumento por caja	Decenas de instrumentos en un chasis de 4U
Uso manual	Excelente: pantalla y perillas	Mediante panel frontal virtual en la computadora
Actualización	Reemplazar el instrumento	Actualizar la computadora, el software o un solo módulo

3. Familias de instrumentos modulares

3.1 Osciloscopios y digitalizadores de alta velocidad

Los osciloscopios y digitalizadores modulares cubren desde aplicaciones de bajo costo hasta adquisición de alta velocidad y alta resolución. En la plataforma PXI, la oferta de NI va desde modelos de 8 bits y 100 MHz hasta 5 GHz de ancho de banda, con familias de 10, 12 y 14 bits optimizadas para resolución y densidad de canales, y un modelo de resolución flexible de hasta 24 bits para señales de baja frecuencia. Un ejemplo de alta resolución es un osciloscopio de 14 bits, 400 MHz y 1 GS/s con entradas de hasta 100 V_pk-pk y desplazamientos que permiten medir hasta 250 V. En un solo chasis PXI de 4U se pueden integrar 68 o 136 canales de osciloscopio sincronizados.

Para elegir el ancho de banda conviene pensar en el tiempo de subida y no solo en la frecuencia de la señal. Para un sistema con respuesta gaussiana:

3.2 Generadores de señales

Los generadores de función y de forma de onda arbitraria (AWG) modulares producen señales estándar —senoidal, cuadrada, triangular, rampa— y formas de onda definidas por el usuario. Un AWG PXI actual de 16 bits ofrece hasta 80 MHz de ancho de banda, una o dos salidas, tasa de muestreo de hasta 800 MS/s con filtrado digital, memoria de 512 MB, scripting de formas de onda y streaming continuo desde la computadora. Las familias se escalan en ancho de banda (20, 40 y 80 MHz) y número de canales con el mismo driver.

3.3 E/S digital de alta velocidad e instrumentos de patrones digitales

Los instrumentos digitales modulares generan y adquieren señales digitales con niveles de voltaje programables. Existen dos enfoques:

• Instrumentos de forma de onda digital: generan y capturan datos sincronizados con un reloj de muestreo, ideales para emular o probar interfaces digitales paralelas y seriales a alta velocidad.
• Instrumentos de patrones digitales: llevan a PXI el paradigma de los equipos ATE de semiconductores. Un instrumento de este tipo ofrece 32 canales a 100 Mvectores/s, con unidad paramétrica de medición por pin (PPMU), carga activa, editor de patrones, mapas de pines y herramientas de depuración como Shmoo y RAM de historial; varios módulos se combinan hasta 256 canales sincronizados.

La diferencia clave es que el instrumento de patrones define la temporización por vectores, con flancos de manejo y comparación configurables por pin, en lugar de por muestras con un reloj fijo.

3.4 Multímetros digitales y medidores LCR

Los DMM modulares van desde modelos de 6½ dígitos de bajo costo hasta 7½ dígitos de alto desempeño. El DMM PXI de 7½ dígitos de mayor exactitud ofrece 26 bits de resolución, entradas de ±1 000 V, exactitud de 15 ppm en DC durante dos años después de la calibración y un modo de digitalizador aislado de hasta 1.8 MS/s, de modo que un solo módulo sustituye a un DMM y a un digitalizador de alto voltaje. Los modelos de 6½ dígitos con función LCR miden capacitancia de 0.05 pF a 10 000 µF e inductancia de 1 nH a 5 H.

3.5 Unidades de fuente y medición (SMU)

Una SMU fuente y mide voltaje y corriente simultáneamente en el mismo canal y opera en los cuatro cuadrantes: puede entregar o absorber potencia con cualquier polaridad. Es el instrumento central de la caracterización de semiconductores, la prueba paramétrica y la prueba de producción de circuitos integrados de RF y señal mixta.

Las SMU PXI se dividen en dos grupos. Las SMU de sistema, de un canal, cubren alta potencia y alta precisión: por ejemplo, ±200 V con sensibilidad de corriente de 10 fA, o ±60 V con 3 A en DC y 10 A pulsados, hasta 40 W en DC y 500 W pulsados. Las SMU multicanal priorizan la densidad: hasta 24 canales de ±24 V por módulo y hasta 408 canales en un chasis de 4U. Muestrean hasta 1.8 MS/s, actualizan hasta 100 kS/s y ajustan su respuesta transitoria mediante un lazo de control digital (SourceAdapt) para estabilizarse rápido sin sobrepaso ante cargas capacitivas.

3.6 Instrumentos de RF

Los instrumentos modulares de RF incluyen analizadores y generadores vectoriales de señales y, sobre todo, el transceptor de señales vectoriales (VST), que combina en un módulo un generador de RF, un analizador de RF y una FPGA programable por el usuario. Un VST de tercera generación cubre de forma continua de 30 MHz a 26.5 GHz, con opciones hasta 54 GHz, y ofrece hasta 2 o 4 GHz de ancho de banda instantáneo en cuatro ranuras PXI; en un chasis de 18 ranuras caben cuatro VST sincronizados con coherencia de fase para aplicaciones MIMO. Se usa en la prueba de Wi-Fi 7, 5G NR, UWB y Bluetooth, en radar, guerra electrónica y arreglos de barrido electrónico, y en investigación de 6G.

3.7 Adquisición y generación de señales dinámicas (sonido y vibración)

Los módulos de señales dinámicas (DSA) usan convertidores sigma-delta de 24 bits con muestreo simultáneo en todos los canales, filtros anti-aliasing que se ajustan automáticamente a la tasa de muestreo, acoplamiento AC/DC y excitación IEPE para acelerómetros y micrófonos, con soporte TEDS para identificar los sensores. Un módulo típico de alta densidad ofrece 16 entradas a 204.8 kS/s con 114 dB de rango dinámico; los modelos de 4 canales alcanzan 119 dB. Las aplicaciones incluyen análisis de ruido, vibración y aspereza (NVH), arreglos de micrófonos, pruebas estructurales, monitoreo de maquinaria y prueba de audio.

3.8 Switches

Los módulos de switching PXI incluyen relevadores de propósito general, multiplexores, matrices y switches de RF, con tecnologías electromecánica, reed, de estado sólido y FET, y densidades de hasta 544 puntos de cruce en una sola ranura PXI. La topología de muchos módulos se reconfigura por software sin cambiar el hardware, y los sistemas grandes se construyen expandiendo matrices y multiplexores o con arquitecturas de alta densidad como SwitchBlock. El software complementario permite definir rutas por nombre (Switch Executive) y monitorear el desgaste de cada relevador (Switch Health Center). Los fundamentos de topologías, tipos de relevador y reglas de diseño se tratan en Tarjetas de Adquisición de Datos y Acondicionamiento de Señal.

3.9 Instrumentos con FPGA abierta

Una tendencia clave es la FPGA abierta al usuario. Varios osciloscopios, VST e instrumentos de E/S permiten programar su FPGA para agregar disparos personalizados, procesamiento en línea (FFT, filtrado, cálculo de SNR o SINAD), control en lazo cerrado o protocolos propietarios. El instrumento deja de ser una caja negra: el ingeniero define dónde se procesa cada dato, en el hardware o en la computadora.

4. Resumen del portafolio

Tabla 2. Familias de instrumentos modulares PXI y rangos representativos.

Familia	Rangos representativos	Aplicación típica
Osciloscopios / digitalizadores	8–24 bits; 100 MHz a 5 GHz; hasta 136 canales por chasis	Transitorios, señales mixtas, validación
Generadores (AWG)	16 bits; hasta 80 MHz; 800 MS/s; streaming	Estímulo de sensores, modulación, emulación
Digital	32 canales; 100 Mvectores/s; PPMU por pin	Prueba de semiconductores, interfaces digitales
DMM / LCR	6½ a 7½ dígitos; ±1 000 V; digitalizador de 1.8 MS/s	Mediciones de precisión, prueba funcional
SMU	Hasta ±200 V; 10 fA; 500 W pulsados; hasta 408 canales	Caracterización y prueba paramétrica
RF (VST)	30 MHz a 26.5 GHz (hasta 54 GHz); hasta 4 GHz de ancho de banda	Inalámbricos, radar, aeroespacial
Sonido y vibración	24 bits; 204.8 kS/s; 114–119 dB; IEPE	NVH, acústica, monitoreo de maquinaria
Switches	EMR, reed, SSR, FET; hasta 544 cruces por ranura	Multiplexar instrumentos hacia el DUT

Valores tomados de las especificaciones publicadas por NI; otros fabricantes PXI ofrecen alternativas en todas las familias. Verificar siempre la hoja de datos del modelo.

5. Sincronización e integración entre instrumentos

La ventaja decisiva de la instrumentación modular aparece cuando varios instrumentos trabajan juntos. Tres mecanismos lo hacen posible:

• Reloj de referencia común del backplane (10 o 100 MHz): todos los instrumentos comparten la misma base de tiempo y se eliminan las derivas de frecuencia relativas.
• Sincronización de instrumentos de alta velocidad (tecnología NI-TClk): alinea los relojes de muestreo de varios osciloscopios, generadores o VST para que adquieran y generen como si fueran un solo instrumento de muchos canales.
• Handshaking por hardware entre switch y DMM: el switch avisa al DMM cuando la ruta está estable y el DMM avisa al switch cuando terminó de medir, sin intervención del software.

6. Software para instrumentación modular

Cada familia de instrumentos tiene su driver: NI-SCOPE (osciloscopios), NI-FGEN (generadores), NI-DMM, NI-DCPower (SMU y fuentes), NI-SWITCH, NI-Digital Pattern y RFmx (RF). Todos ofrecen paneles frontales virtuales reunidos en InstrumentStudio para uso interactivo, y API para LabVIEW, C/C++, .NET y Python. TestStand administra la secuencia de prueba independientemente del lenguaje de cada paso.

El siguiente ejemplo en Python barre ocho canales de un multiplexor y mide voltaje DC con un DMM de 6½ dígitos, usando los paquetes de Python de los drivers de NI:

# Barrido de 8 puntos de prueba con un multiplexor PXI y un DMM PXI
# Requiere: NI-SWITCH, NI-DMM y los paquetes niswitch y nidmm (pip install niswitch nidmm)
import niswitch
import nidmm

with niswitch.Session("PXI1Slot4", topology="2527/1-Wire 64x1 Mux") as mux, \
     nidmm.Session("PXI1Slot3") as dmm:

    dmm.configure_measurement_digits(nidmm.Function.DC_VOLTS, 10.0, 6.5)

    for ch in range(8):
        mux.connect(f"ch{ch}", "com0")
        mux.wait_for_debounce()            # esperar a que el relevador se estabilice
        v = dmm.read()
        print(f"ch{ch}: {v:+.6f} V")
        mux.disconnect(f"ch{ch}", "com0")  # romper antes de conectar el siguiente

7. Un ecosistema multifabricante

La instrumentación modular PXI no depende de un solo proveedor. Además de los más de 600 módulos de NI, el ecosistema PXI reúne alrededor de 1 500 módulos de casi 60 fabricantes, entre ellos fabricantes especializados en switching de alta densidad, instrumentación de RF y microondas, interfaces aeroespaciales y fuentes de alimentación. Gracias a la especificación PXI y a los estándares de software VISA e IVI, módulos de distintos fabricantes conviven en el mismo chasis y en la misma secuencia de prueba. Al seleccionar un módulo de otro proveedor conviene verificar la compatibilidad de ranura, el soporte de drivers para el sistema operativo y el entorno de programación, y el acceso a los disparos del backplane.

8. Cómo seleccionar un instrumento modular

1. Defina la medición, no el instrumento: qué magnitud, con qué incertidumbre, a qué velocidad y en cuántos puntos.
2. Traduzca a especificaciones: ancho de banda y tiempo de subida (Ec. 1), resolución y exactitud (Ec. 2), rango dinámico (Ec. 3), potencia y cuadrantes (SMU), frecuencia y ancho de banda instantáneo (RF).
3. Verifique la relación de exactitud de prueba (TUR ≥ 4:1) con las especificaciones garantizadas.
4. Considere la densidad y la sincronización: canales por ranura y si los instrumentos deben compartir reloj o disparos.
5. Revise el impacto en el chasis: tipo de ranura, número de ranuras que ocupa, enfriamiento y ancho de banda de streaming.
6. Evalúe el software: driver, panel frontal virtual, soporte en su lenguaje y herramientas de análisis.

9. Buenas prácticas

• Use el panel frontal virtual para validar la configuración antes de automatizar.
• Comparta el reloj de referencia entre todos los instrumentos que intervienen en una misma medición.
• Prefiera listas de barrido y secuencias temporizadas por hardware sobre lazos controlados por software.
• Ejecute la autocalibración de los instrumentos que la soportan después del calentamiento y cuando cambie la temperatura, y mantenga la calibración externa dentro de su intervalo.
• Encapsule cada instrumento detrás de una capa de abstracción de hardware (HAL) o drivers IVI para poder reemplazar modelos sin reescribir las secuencias.
• Documente la configuración de medición (rango, filtro, apertura, acoplamiento) como parte de la especificación de prueba.

10. Resumen

• Los instrumentos modulares conservan el frente analógico, el convertidor y, con frecuencia, una FPGA, y trasladan el procesamiento y la definición de la medición al software.
• Existen versiones modulares de todos los instrumentos de un laboratorio: osciloscopios, generadores, digitales, DMM, SMU, RF, sonido y vibración y switches.
• Las capacidades actuales van desde 7½ dígitos en DC y sensibilidades de 10 fA hasta RF de 26.5 GHz o más con 4 GHz de ancho de banda instantáneo.
• La sincronización por backplane —reloj común, alineación de relojes de muestreo y handshaking por hardware— reduce el tiempo de prueba y permite mediciones multicanal coherentes.
• Seleccione por especificaciones de medición: tiempo de subida, exactitud (no solo resolución), rango dinámico y TUR.

11. Glosario ES / EN

Ancho de banda instantáneo

Instantaneous bandwidth (IBW): rango de frecuencias que un instrumento de RF captura o genera a la vez.

Carga activa

Active load: carga programable que un instrumento digital presenta al pin del DUT.

Cuadrantes

Quadrants: combinaciones de polaridad de voltaje y corriente en que opera una SMU.

Generador de forma de onda arbitraria

Arbitrary waveform generator (AWG): genera señales definidas muestra por muestra.

Handshaking por hardware

Hardware handshaking: intercambio de disparos entre instrumentos sin intervención del software.

Instrumento de patrones digitales

Digital pattern instrument: instrumento digital basado en vectores, con PPMU por pin.

Panel frontal virtual

Soft front panel: interfaz gráfica para operar un instrumento modular de forma interactiva.

Rango dinámico

Dynamic range (DR): relación entre la señal máxima y el piso de ruido.

Sensor IEPE

Integrated Electronics Piezo-Electric: sensor con electrónica integrada alimentado por corriente constante.

Tiempo de subida

Rise time: tiempo de 10 % a 90 % de un flanco.

Transceptor de señales vectoriales

Vector signal transceiver (VST): generador y analizador de RF con FPGA en un solo instrumento.

Unidad de fuente y medición

Source measure unit (SMU): fuente de V/I de cuatro cuadrantes con medición simultánea.

Unidad paramétrica por pin

Per-pin parametric measurement unit (PPMU): fuente y medidor DC en cada pin digital.

12. Referencias

1. Topete Samaniego, D. «Instrumentación Modular», serie Instrumentación Virtual, FFTLab.com.
2. Topete Samaniego, D. La Tecnología PXI, davidtopete.com.
3. NI. PXI Express DMMs Form Foundation for More Accurate, Smarter Test Systems.
4. NI. Test Smarter with NI PXI Source Measure Units.
5. NI. Introduction to the PXIe-5842 Third-Generation PXI Vector Signal Transceiver.

Por: David Topete Samaniego