Maximizando la Exactitud en Sistemas de Prueba Automatizados

Bienvenido a la Guía de Desarrolladores del Diseño de Sistemas de Prueba de la Nueva Generación. Esta guía es una colección de documentos diseñados para ayudarle a desarrollar sistemas de prueba que le ayudarán a reducir costos, incrementar el procesamiento de prueba, y que pueden actualizarse con requerimientos futuros. Este documento proporciona estrategias para maximizar la exactitud del sistema.

Introducción

Al diseñar sistemas de prueba automatizadas, resulta clave la maximización de exactitud. Determinar cómo maximizar la exactitud, puede resultar difícil. La mayoría de los ingenieros de prueba tornan su mirada a las hojas de datos para los instrumentos que están evaluando con la esperanza de que estos documentos proporcionen todas las respuestas. Sin embargo, otros factores son igualmente importantes en la maximización de la exactitud de sus sistemas de prueba automatizados. Este documento le proporciona cinco estrategias puede usted puede seguir para maximizar la exactitud de sus sistemas de prueba automatizados. Las cinco estrategias son las siguientes:

Estrategia 1 – Comprender las Especificaciones del Instrumento

Al evaluar la exactitud de un instrumento, la hoja de datos resulta un recurso valioso. Sin embargo, resulta importante comprender que los diferentes vendedores de instrumentos con frecuencia especifican la exactitud de medida utilizando ya sea diferente terminología o terminología similar con diferentes significados. Por tanto, es importante tener en claro todos los parámetros involucrados en definir las características de un instrumento. Con frecuencia, los términos de resolución, precisión, y exactitud son indistintamente utilizados, pero en realidad indican entidades muy diferentes, Aunque el sentido común indica que un multímetro digital (DMM) de 6½ dígitos debe tener exactamente un nivel de 6½ dígitos, lo cual no siempre es el caso. El número de dígitos pueden simplemente relacionarse con el número de figuras que el medidor puede desplegar y no con el mínimo cambio distinguible en la entrada. Si usted requiere verificar que la sensitividad del instrumento y resolución efectiva son suficientes para garantizar que el instrumento le otorgará la resolución de medida que requiere.

Por ejemplo, el DMM de 6½ dígitos pueden representar un rango dado con 1,999,999 cuentas o unidades. Pero si el instrumento tiene un ruido con valor de 20 unidades de pico a pico, entonces el mínimo cambio distinguible debe ser al menos de 0.52 x 20 unidades debido a que la resolución, siendo la menor cantidad de la señal de entrada, que un instrumento puede confiablemente detectar, es igual a la cuenta o voltaje del ruido Gaussiano multiplicado por 0.52. Por tanto, el número efectivo de dígitos (ENOD) para este DMM en particular de 6½ dígitos es:

Como puede ver, el número de dígitos listados en la hoja de datos para un DMM es una pieza importante, pero no debe ser considerado el último o único parámetro a considerar. Al conocer la exactitud de medida y requerimientos de resolución para sus sistemas de prueba automatizados, usted puede calcular el presupuesto de error total de los instrumentos que usted está considerando y verificar que satisfagan sus necesidades. Más aún, no dude en pedirle a sus vendedores que le clarifiquen las hojas de datos ya que no conocer el desempeño verdadero de sus instrumentos puede llevarle a cometer errores costosos.

Para conocer mejor las especificaciones de los instrumentos que usted esta evaluando, lea la nota de aplicación Comprendiendo las Especificaciones del Instrumento – Cómo Encontrar Sentido en el Jargon.

Estrategia 2 – Considerar Requerimientos de Calibración

A pesar de la exactitud de los instrumentos que usted selecciona para sus sistemas de pruebaautomatizados, es importante darse cuenta que las exactitudes de los componentes electrónicos utilizados en todos los instrumentos cambian a través del tiempo. Los efectos del tiempo en el servicio así como condiciones ambientales, se incorporan a este cambio. A medida que pasa el tiempo, los cambios en los valores del componente causan mayor incertidumbre en sus medidas. Para resolver este conflicto, sus instrumentos deben calibrarse a intervalos regulares.

La calibración externa es una comparación del desempeño de instrumentos a un estándar de exactitud conocida. El resultado de una calibración externa puede ser la documentación que muestra la desviación de una medida de un estándar conocido, pero con mayor frecuencia también incluye el ajustar la capacidad de medida para asegurar que su exactitud en medida está dentro de los límites proporcionados por el vendedor. Muchos vendedores proporcionan tablas de exactitud graduadas (ver Figura 1), los cuales ofrecen un perfil de incertidumbre claro a partir de la última calibración externa hecha al instrumento.

Figura 1. Las tablas de exactitud graduadas le proporcionan un perfil de incertidumbre exacto a partir de la última calibración externa hecha al instrumento.

Para calibrar un instrumento de forma externa, puede regresarlo al vendedor, o puede enviarlo a un laboratorio de calibración o de metrología. Adicionalmente, puede usted tener capacidades de calibración externa en sus instalaciones. Sin importar cómo va a calibrar sus instrumentos de manera externa, resulta importante reconocer que los intervalos de calibración externa para un tipo de instrumento en particular no es siempre el mismo para los diferentes vendedores. Un vendedor puede tener un intervalo de calibración externa de un año para un generador de funciones, mientras que otro vendedor puede ofrecer un intervalo de calibración externa de dos años, para un generador de funciones con mejores o iguales especificaciones. Al elegir el segundo instrumento, se reducen los costos de mantenimiento de su sistema de prueba automatizado. Al seleccionar instrumentos, sea cauteloso al considerar los intervalos de calibración externa (ver Figura 2).

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Figura 2. No todos los instrumentos del mismo tipo tienen los mismos intervalos de calibración externa. Al seleccionar los instrumentos, considere los intervalos de calibración externa.

Aunada a la calibración externa, los instrumentos para algunos vendedores incluyen la función de calibración automática. Los instrumentos que ofrecen calibración automática incluyen recursos de hardware como las referencias de voltaje de precisión para que pueda usted rápidamente calibrar el instrumento sin removerlo del sistema de prueba o conectarlo al hardware de calibración externa. La calibración automática no representa reemplazar la calibración externa, pero si proporciona un método para mejorar la exactitud de medida del instrumento entre intervalos de calibración externos.

El mantener los instrumentos apropiadamente calibrados reduce errores en la medida, mejora la consistencia entre medidas, y proporciona la seguridad que sus medidas han sido tomadas con exactitud. Visite el tutorial Comprendiendo la Calibración para encontrar recursos de calibración adicionales.

Estrategia 3 - Monitoree el Sistema Operativo

No todos los instrumentos tienen las mismas especificaciones ambientales. La temperatura de operación y almacenamiento y especificaciones de humedad relativa pueden variar según el vendedor. Sus sistemas de prueba automatizadas pueden encontrarse en un ambiente de oficina donde la temperatura y humedad están altamente controladas, pero puede haber una fábrica u otra instalación industrial. Mínimo, deben considerarse las especificaciones ambientales para sus instrumentos y comprender cómo éstas, pueden afectar la exactitud en las medidas.

Por ejemplo, tradicionalmente, los DMMs son calibrados externamente a una temperatura, y esta calibración se caracteriza y especifica a un rango de temperatura limitado, usualmente ±5 ºC (o incluso ±1 ºC, en algunos casos). Por tanto, siempre que el DMM sea usado fuera de este rango de temperatura, la exactitud en sus especificaciones debe ser recalibrado por un coeficiente de temperatura, usualmente en el orden de 10% de la exactitud de especificación por ºC. A 10 ºC fuera del rango especificado, puede usted tener el doble de error en la medida especificada, lo cual puede ser una preocupación seria cuando la exactitud absoluta resulta importante.

Mantener la temperatura ambiental de un instrumento de precisión dentro de ±5 ºC puede resultar un reto en un ambiente de producción, o en un sistema de prueba automatizado compuesto por múltiples instrumentos. Los instrumentos en un sistema están sujetos a un aumento de temperatura causados por compromisos inherentes a la circulación de aire y otros factores. Si los cambios en la temperatura exceden estos límites, y se requieren de especificaciones muy estrictas, se requiere de una nueva calibración en la nueva temperatura. Tome, por ejemplo, el rango de 10 VDC en los DMMs tradicionales. Un DMM puede tener una exactitud de:

1 año de exactitud: (35 ppm de lectura + 5 ppm de rango) para T = 23±5 ºC

En esta especificación, si usted aplica 5 V a la entrada, el error es de:

(35 ppm de 5 V + 5 ppm de 10 V) = 225 µV, para el rango de temperatura de 18 a 28 ºC

Este es el método tradicional para especificar exactitud. Si la temperatura ambiente está fuera del rango de 18 a 28 ºC, el usuario requiere modificar el rango de exactitud utilizando el coeficiente de temperatura (tempco). Con el método tradicional, la única manera de lograr la exactitud especificada fuera del rango de 18 a 28 ºC consiste en calibrar nuevamente el sistema a la temperatura deseada. Por supuesto, este proceso con frecuencia no resulta muy práctico y sí costoso. En el mismo ejemplo, si la temperatura ambiente del DMM es de 50 ºC, tal vez debido al apilamiento de muchos instrumentos en un estante con flujo de aire limitado, y el tempco especificado como:

tempco = (5 ppm de lectura +1 ppm de rango)/ºC

Entonces el error adicional es de:

22 ºC x tempco = (120 ppm de lectura + 22 ppm de rango) = 1045 µV

Este error de 50 ºC a temperatura ambiente es casi 5X mayor que la exactitud especificada de 1 año. Para eliminar errores causados por los ambientes operativos de sus sistemas de prueba automatizados, los instrumentos de varios vendedores incluyen características como la calibración automática (tal como se describió previamente). Esta característica resulta en instrumentos de gran exactitud y muy estables a cualquier temperatura, aún fuera del rango tradicional de 18 a 28 ºC. Para revisar nuevamente los ejemplos DMM previos, el error adicional introducido por el coeficiente de temperatura que utiliza el DMM PXI-4070 de National Instruments con calibración automática sería completamente cubierta en sus especificaciones de 90 días y 2 años y puede ser:

tempco con calibración automática: < (0.3 ppm de lectura + 0.3 ppm de rango)/ºC
(ya tomada en cuenta para la especificación)

Condición	Tradicional 6½ (1 Año)	PXI-4070 de NI (2 Años)
Medida con 18 a 28 ºC	225 µV	130 µV
Medida a 50 ºC sin calibración automática	1045 µV	470 µV
Medida a 50 ºC con calibración automática	1045 µV (calibración automática no disponible)	130 µV

Figura 3. Para eliminar errores causados por el ambiente operativo de sus sistemas de prueba automatizados, se encuentran disponibles los instrumentos con calibración automática.

Para mayores informes respecto al efecto de los ambientes operativos en exactitud de los sistemas de prueba automatizados están disponible en el documento fuente Comprendiendo la Arquitecrua FlexDMM.

Estrategia 4 - Utilice la Configuración Apropiada

Conectar su sistema de prueba automatizado al dispositivo bajo prueba (DUT) puede ser tan simple como conectar cables entre instrumentos hacia una caja de escape o terminales de refuerzo y conectarlas al DUT para sistemas con menor de 50 puntos de prueba o bien, solo algunos instrumentos. Para grandes sistemas con cientos de puntos de prueba, múltiples instrumentos, requerimientos del sistema reconfigurables, y/o conexiones/desconexiones frecuentes, usualmente se requiere de un acercamiento como lo es un sistema de interconexión de masas.

En cualquier situación, es importante que la configuración sea compuesta de conexión de cables diseñados para maximizar la exactitud de medida. Una mala calidad en la conexión de cables puede tener un impacto negativo en la exactitud de sus sistemas de prueba automatizados. Conectar los cables que están diseñados para maximizar la exactitud de medidas exhibe características como pocas fugas y términos emf bajos (ver Figura 4).

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Figura 4. Cables con pocas fugas y térmicos emf bajos ayuda a maximizar la exactitud en los sistemas de prueba automatizados.

Como se discutió previamente, un sistema interconectado en masa es una configuración mecánica diseñada para facilitar la conexión de un gran número de señales entrantes o salientes a un DUT. Esto, usualmente requiere de algunos arreglos mecánicos a través de las cuales todas las señales son dirigidas de instrumentos (típicamente en un anaquel) al DUT, haciendo fácil cambiar rápidamente los DUTs (ver Figure 5). Un sistema de interconexión masiva también protege las conexiones del cable al frente de los instrumentos de ciclos de conexión / desconexión repetidos. Las conexiones de cable de instrumentos que han experimentado ciclos de conexión / desconexión están sujetos al uso y daño, los cuales pueden degradar la exactitud de medida.

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Figura 5. Un sistema de interconexión masiva es una configuración mecánica diseñada para facilitar la conexión de un gran número de señales ya sea de o hacia un DUT (imagen cortesía de la Corporación Virginia Panel).

El documento Beneficios de una Interconexión / Configuración Masiva en los Sistemas de Prueba Automatizados proporciona una visión profunda en los sistemas de interconexión masiva.

Estrategia 5 – Tome Ventaja de la Sincronización

Otro aspecto de exactitud en los sistemas de prueba automatizados es la fase de exactitud – el grado en el cual el tiempo de señales se adquiere o genera está correlacionado con precisión. La sincronización, específicamente la sincronización del hardware, minimiza la distorsión entre instrumentos, lo cual maximiza la correlación. Por ejemplo, si su sistema de prueba automatizado incluye dos osciloscopios que adquieren datos simultáneamente desde el DUT, a menos que los osciloscopios utilicen disparos de inicio sincronizados y relojes muestra, es prácticamente imposible comparar las fases de las señales adquiridas.

Otro ejemplo del uso de sincronización del hardware para maximizar la fase de exactitud es una fase cerrada iterando las muestras de relojes para un generador de forma de ondas arbitrario (ARB) y osciloscopio al mismo reloj de referencia en una prueba de estímulo respuesta. Si no se emplea sincronización en el hardware en una prueba de estímulo respuesta, un número fraccional de ciclos de la onda análoga siendo generada por el ARB, será requerida por el osciloscopio. Cuando se analiza la onda senoidal adquirida con l uso del FFT, la fuga espectral se presenta como "orillas" en el espectro, tal como se ilustra en el rastro blanco de la gráfica en la Figura 6. El uso sincronización de fases de iteración fijas elimina el número de ciclos adquiridos por el osciloscopio. Esto, elimina la fuga espectral, como se ilustra en el rastro rojo de la Figura 6.

Figura 6. La sincronización mejora la fase de exactitud en sus sistemas de prueba automatizados. Por ejemplo, la gráfica ilustra la sincronización del hardware eliminando la fuga espectral en una prueba de estímulo - respuesta.

Las plataformas de prueba proporcionan significativamente, diferentes niveles de sincronización en el hardware. Algunos ofrecen funcionalidad limitada, y otros, como el PXI, ofrecen recursos de sincronización de hardware sofisticados. El PXI cuenta con un bus con tiempo y sincronización de alto desempeño construido en el plano trasero, el cual elimina la necesidad de utilizar cables externos entre instrumentos. Utilizando el bus de tiempo y sincronización integrado al PXI, los instrumentos en sus sistemas de prueba automatizados pueden sincronizarse al bus en un nivel de nano segundos. Para mayores informes respecto a la sincronización de instrumentos PXI está disponible en el tutorial  Tecnología T-Clock para Tiempo y Sincronización de Instrumentos Modulares de National Instruments.

Conclusión – Maximizando la Exactitud en los Sistemas de Prueba Automatizados

Con seguridadel maximizar la exactitud es importante para usted al momento de diseñar sistemas de prueba automatizados. Los cinco pasos discutidos en este documento – comprender especificaciones del instrumento, considerar requerimientos de calibración, estar al tanto del ambiente operativo, utilizar configuración apropiada y tomar ventaja de la sincronización – le proporcionan un mapa para maximizar la exactitud de sus sistemas de prueba automatizada.

Productos y Documentos NI Relevantes

National Instruments, líder en pruebas automatizadas está comprometido para proporcionar productos de hardware y software que los ingenieros requieren para crear sistemas de prueba de la nueva generación.

Software:

• Marco de Trabajo de Administración de Pruebas NI TestStand  
• Entorno de Programación Gráfico LabVIEW
• Software de Medida Interactiva Signal Express

Hardware:

• Instrumentos Modulares (Osciloscopios, Multímetros, RF, Switches y más)
• Adquisición de Datos Multifuncional
• Componentes del Sistema PXI (Chasis y Controladores)
• Control de Instrumentos (GPIB, USB, y LAN)

Documentos:
NI ofrece una Guía para Desarrolladores que Diseñan Sistemas de Prueba de Nueva Generación. Esta guía es una colección de documentos diseñados para ayudarle a desarrollar sistemas de prueba que reduzcan sus costos, incrementen el procesamiento de la prueba, y que puedan actualizarse según requerimientos futuros. Para descargar la guía completa de desarrolladores (120 páginas), visite ni.com/automatedtest.