Designvorteile der PXI-Chassis von NI

Als zentrale Struktur eines PXI-Systems ist das Chassis vergleichbar mit dem Gehäuse und der Hauptplatine eines PCs. Es versorgt das System nicht nur mit Strom und Kühlung, sondern stellt auch einen Kommunikationsbus sowie alle darin enthaltenen Geräte bereit. Darüber hinaus bietet es die Timing-, Trigger- und Synchronisationsfunktionen, die PXI für automatisierte Testanwendungen so leistungsfähig machen. Chassis von NI verfügen über leistungsstarke Backplanes und ein robustes, zuverlässiges mechanisches Gehäuse. Sie sind in Größen von zwei bis 18 Slots verfügbar, sodass Sie stets das richtige NI-Chassis für Ihre Anwendung finden, ganz gleich, ob Sie ein portables System, ein Benchtop-, Rackmontage- oder ein Embedded-System benötigen. PXI-Express-Chassis von NI sind mit PXI-Express-, PXI-, CompactPCI-Express- und CompactPCI-Modulen kompatibel. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die folgenden NI-Designfeatures, die die Leistung und Zuverlässigkeit gegenüber anderen auf dem Markt erhältlichen Chassis verbessern:

• Kühlleistung – NI-Chassis übertreffen die PXI-Express-Kühlanforderungen – und viele Chassis können eine Kühlung von 58 W oder 82 W für Hochleistungsmodule bereitstellen.
• Akustik – Entwickelt, um akustische Emissionen für Ihren Desktop oder Ihr Labor zu minimieren und so die Menge des elektrischen Rauschens (EMI) zu reduzieren, das an die PXI-Module übertragen wird, damit sensible Messungen möglich sind.
• Netzteile – Die Netzteile der PXI-Chassis von NI werden kundenspezifisch entwickelt, wobei NI die Eigentumsrechte daran behält, um die Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit über den gesamten Betriebstemperatur- und AC-Eingangsbereich ohne Leistungsverlust zu gewährleisten.
• Timing und Synchronisation – Leistungsstarke Takt-, Bus- und Trigger-Funktionen vereinfachen das Timing mit unterschiedlichen Genauigkeitsstufen und die Synchronisation mit mehreren Zeitbasen von einem einzelnen Chassis bis hin zu komplexen Multi-Chassis-Architekturen.

Jedes PXI-Chassis verfügt über eine Vielzahl unterschiedlicher Slots: den System-Slot für den Embedded-Controller, Peripherie-Slots für PXI-Express-Module und Hybrid-Slots für PXI- oder PXI-Express-Module. Die PXI-Express-Spezifikation (definiert von der PXI Systems Alliance) erfordert eine Leistung von mindestens 30 W pro Peripherie-Slot, stellt jedoch keine spezifischen Anforderungen an die Kühlung der Module. PXI-Chassis anderer Hersteller erfüllen möglicherweise die Mindestleistungsspezifikationen. Tatsächlich können sie jedoch aufgrund spezifischer Designentscheidungen, wie z. B. der Lüfterposition, erheblich unterschiedliche Leistungs- und Kühlwerte aufweisen. Obwohl diese Anbieter behaupten, dass sie mehr als 82 W Leistung und Kühlung bereitstellen können, gilt dies nicht für jeden Slot und erfordert oft, dass die Chassis einschränkende oder schwer zu erreichende Bedingungen einhalten.

Die PXI-Express-Chassis der neuesten Generation von NI sind so konzipiert und validiert, dass sie die Kühlanforderungen für die leistungsintensivsten PXI-Module erfüllen oder übertreffen, indem sie jedem Slot in einem PXI-Chassis mindestens 58 W Kühlleistung bereitstellen. Seine Kühlleistung ermöglicht maximale Flexibilität bei der Anordnung Ihrer Geräte in Ihrem Chassis.

Darüber hinaus erhöhen einige PXI-Chassis von NI die Slot-Kühlleistung noch weiter und können 82 W Kühlung für einen einzelnen Slot bereitstellen, was erweiterte Funktionen von Hochleistungsmodulen wie A/D-Wandlern, Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O- und RF-Modulen in Anwendungen ermöglicht, die eine kontinuierliche Erfassung oder Hochgeschwindigkeitstests erfordern. Die Gesamtleistung des PXI-Chassis variiert. Dabei hat es sich stets bewährt, bei der Konfiguration eines neuen Systems ein Leistungsbudget auf Systemebene zu ermitteln. Die herausragenden PXI-Express-Chassis von NI unterstützen volle Leistung und Kühlung ohne Leistungsbudgetierung.

NI-Chassis können ein Chassis unterstützen, das vollständig mit leistungsstärkeren Geräten gefüllt ist, die unter anderem folgende Modultypen umfassen: 

• PXI Digital Pattern Instruments von NI
• Netzteile des Typs NI PXI 300 W
• Elektronische Lastmodule des Typs NI PXI 300 W
• NI PXI-Vektorsignal-Transceiver
• NI PXI-Module für High-Speed-Serial

^{Abbildung 1: Das NI PXIe-1095-Chassis verfügt über das patentierte Design mit rückwärtigem Kühllüfter.}

Viele PXI-Chassis von NI verfügen über ein patentiertes Design mit rückwärtigem Kühllüfter (siehe Abbildung 1), bei dem Luft von der Rückseite des Chassis (2) über ein Luftleitblech gedrückt und gleichmäßig über alle Modul-Slots (1) verteilt wird. Das Design sorgt im Vergleich zu Chassis-Designs, bei denen sich die Lüfter direkt unter den Modulen befinden, für eine höhere Kühlleistung und weniger Stellen im Chassis, an denen sich der Luftstrom staut. Lüfter an der Rückseite des Chassis tragen außerdem dazu bei, das elektrische Rauschen der Lüftermotoren zu verringern, dem die Module ausgesetzt sind.

NI bietet auch Steckplatzblocker an – modulare PXI-Karten aus Kunststoff, die in nicht genutzte Slots des Chassis eingesetzt werden können. Die Steckplatzblocker verbessern den Luftstrom in belegten Slots durch die verringerte Luftstromumlenkung in den leeren Slots, wodurch der Temperaturanstieg der elektronischen Komponenten an installierten Modulen um bis zu 20 Prozent reduziert wird.

Diese Konstruktionsvorteile sorgen für eine bessere Kühlleistung der PXI-Chassis von NI im Vergleich zu anderen großen Herstellern. Die entsprechende Berechnung erfolgt durch Messung der durchschnittlichen Komponententemperaturdifferenz der Komponenten eines in das Chassis eingesetzten PXI-Moduls (Min-Max). In einer Benchmark-Bewertung lieferte das Chassis NI PXIe-1095 eine überlegene Kühlleistung von 4,6 °C bei einer hohen Lüftereinstellung von 58 W (5.200 UpM bei 55 °C Umgebungstemperatur).

Selbst mit ihren verbesserten Kühleigenschaften sind PXI-Chassis von NI so konzipiert, dass sie die Schallemissionen des Systems insgesamt minimieren. Dies ist eine wichtige Überlegung, da PXI-Systeme sowohl in rackmontierten, automatisierten Test- als auch in Benchtop-Validierungsumgebungen mit unterschiedlichen Anforderungen an die Schallemissionen eingesetzt werden. Die Kombination aus Lüfterdrehzahlregelung, verwendetem Lüftertyp und Lüftermontagemethode ermöglicht eine optimierte Kühlung bei gleichzeitiger Minimierung der Schallemissionen.

Bei vielen PXI-Chassis von NI können Sie mit Hilfe eines Wahlschalters zwischen den beiden Lüfterdrehzahleinstellungen „High“ und „Auto“ wählen. Bei der Einstellung „Auto“ wird die Lüfterdrehzahl des Chassis proportional zur Umgebungslufttemperatur geregelt, die am Lüftereingang des Chassis gemessen wird. Unterhalb eines Messwerts von 30 °C arbeitet das Chassiskühlsystem in einer Akustikleistungszone, in der die Schallemissionen minimal sind. Steigt die gemessene Umgebungstemperatur über 30 °C, wird die Lüfterdrehzahl des Chassis entsprechend erhöht. Wenn die Lüfterdrehzahl auf „High“ eingestellt ist, bietet das Chassis einen maximalen Luftstrom unabhängig von der Umgebungstemperatur. Dieser Modus eignet sich am besten für Anwendungen, bei denen akustische Geräusche keine Rolle spielen.

^{* Schalldruckpegel am Bedienerplatz gemäß ISO 7779}

^{** Nur 38-W-Kühlprofilmodus; höhere Kühlprofile haben einen höheren Schalldruckpegel}

^{Tabelle 1: Vergleich des Schalldruckpegels der PXI-Express-Chassis.}

NI implementiert in vielen seiner PXI-Chassis pulsbreitenmodulierte (PWM) Lüfter, um niedrigere Schallemissionen zu erzielen als mit herkömmlichen spannungsgeregelten Lüftern. Die PWM-Signalregelung des Lüfters ermöglicht es dem NI-Chassis-Designer, einen größeren Bereich der Drehzahleinstellungen des Lüfters zu verwenden und so die Schallemissionen sowie die Kühlleistung des Chassis zu optimieren.

Um die Kühlanforderungen der PXI-Spezifikationen zu erfüllen (und zu übertreffen), müssen in ein NI-PXI-Chassis leistungsstarke Lüfter implementiert werden. Viele Chassis von NI verwenden Lüfterhalterungen aus vibrationsdämpfenden Materialien, um den Chassisrahmen von mechanischen Vibrationen in den Lüftern zu isolieren und das akustische Rauschen weiter zu reduzieren. Bei vielen PXI-Chassis von NI befinden sich diese Halterungen und damit auch die Lüfter im hinteren Teil des Chassis, wodurch das auf die PXI-Module übertragene elektrische Rauschen (EMI) reduziert wird.

PXI-Chassis von NI sind so konzipiert, dass sie die Schallemissionen des Systems insgesamt minimieren und gleichzeitig eine verbesserte Kühlleistung bieten. Wie in Tabelle 2 aufgeführt, wurden einige Chassislüfter für die Benchtop-Leistung weiter optimiert, wie z. B. das PXIe-1084 im 38-W-Kühlmodus. Beachten Sie, dass 10 dB hier einem wahrgenommenen doppelt so hohen Störgeräuschunterschied entsprechen.

Die von der PXI Systems Alliance definierten PXI-Plattformspezifikationen erfordern, dass ein PXI-Express-Chassis mit 18 Slots eine Leistung von 650 W auf den 3,3-V-, 5-V- und +12-V-Backplane-Schienen bereitstellt, um den System-Controller und die Modul-Slots mit Strom zu versorgen. Beim Vergleich von PXI-Chassis verschiedener Anbieter sollte daher unbedingt die Spezifikation „Stromversorgung der Backplane“ (oder eine ähnliche Spezifikation) und nicht nur die Gesamtleistung oder die Leistung pro Slot berücksichtigt werden. NI stellt sicher, dass Leistungsspezifikationen realistisch und konsistent definiert werden, unabhängig davon, ob es sich um die Gesamtleistung, die Stromversorgung der Backplane oder die Leistung pro Slot handelt. Andere Anbieter verwenden oft irreführende Leistungsspezifikationen, die unter typischen Installations-/Betriebsumgebungen nicht erreicht werden können.

In der Produktdokumentation gibt NI die Gesamtleistung an, die den Modulen vom Chassisnetzteil zur Verfügung gestellt wird. Im Gegensatz dazu geben viele andere Anbieter die Ausgangsleistung des Netzteils an. In der NI-Dokumentation wird der verfügbare nutzbare Strom für Controller und Module durch Subtraktion des von den Chassiskomponenten wie Lüftern und Backplane verbrauchten Stroms von der Gesamtleistung des Netzteils angegeben. In der Produktdokumentation der PXI-Chassis von NI ist der Strom auf jeder Spannungsschiene und die maximale Verlustleistung pro Slot eindeutig angegeben.

Im Gegensatz zu anderen PXI-Anbietern auf dem Markt behält NI für viele seiner PXI- und PXI-Express-Chassis mit acht bis 18 Slots die Eigentumsrechte am Design der Netzteile für Messgeräte. Dadurch kann NI eine langfristige Verfügbarkeit dieser Netzteile und weniger Designänderungen an seinen Chassis aufgrund von Herstellerwechseln garantieren. Im Gegensatz dazu haben andere PXI-Anbieter, die ausschließlich Standard-PC-Netzteile verwenden, wenig bis gar keine Kontrolle über die Qualität ihrer Netzteile.

Die in PXI-Chassis von NI implementierten Netzteile für Messgeräte sind im Gegensatz zu Netzteilen, die für den allgemeinen Einsatz in PCs konzipiert sind, für die speziellen Stromanforderungen von PXI optimiert. Die Netzteile von NI wurden speziell für NI-Chassis entwickelt, um die Mindeststromanforderungen der PXI-Spezifikation zu erfüllen und zu übertreffen. Mit diesen Netzteilen können beispielsweise leistungsstarke PXI-Express-Chassis von NI mindestens 82 W an alle Chassis-Slots liefern.

^{Tabelle 2: PXI-Express-Chassis von NI übertreffen die PXI-Spezifikationen für minimalen Strom pro Slot.}

Für Systeme, bei denen es auf hohe Verfügbarkeit ankommt, hat NI komfortabel austauschbare Netzteile und Lüfter für einige seiner Chassis mit mindestens neun Slots entwickelt. Im Falle eines Ausfalls der Stromversorgung können Benutzer die Stromversorgung von der Rückseite austauschen, indem das ausgefallene bzw. das Ersatznetzteil nach dem Entfernen der Befestigungsschrauben heraus- bzw. hineingeschoben wird. Ähnlich können Benutzer die Hauptlüfter von der Rückseite des Chassis austauschen, indem sie die Panelschrauben herausdrehen, das vorhandene Lüfterpanel entfernen, das Ersatzlüfterpanel anschließen und die Panelschrauben wieder anbringen. Dieses Design ermöglicht eine mittlere Reparaturzeit (MTTR) des Netzteils von weniger als fünf Minuten. Wenn das Chassis in einer Rackmontage-Installation implementiert ist, können Sie, solange die Rückseite des Chassis zugänglich ist, das Netzteil und die rückwärtigen Lüfter austauschen, ohne Module ausbauen oder I/O erneut anschließen zu müssen. Den Produktspezifikationen können Sie entnehmen, welche Chassis diese Funktion unterstützen.

Da in NI-PXI-Chassis Netzteile für Messgeräte implementiert werden, sind sie in der Lage, den Mindeststrombedarf über den gesamten angegebenen Betriebstemperaturbereich (0 °C bis 50/55 °C) ohne Leistungseinbußen bereitzustellen. Leistungs-Derating bezieht sich auf die verringerte Leistung, die den Chassis-Slots bei Betrieb mit höheren Temperaturen oder anderen extremen Umgebungsbedingungen bereitgestellt werden kann. Viele PXI-Chassis anderer Anbieter erfüllen die geforderten PXI-Spezifikationen für verfügbare Leistung bei niedrigeren Umgebungstemperaturen (20 °C bis 35 °C), können jedoch bei höheren Temperaturen (> 40 °C) instabil oder funktionsuntüchtig werden. Mit einem PXI-Chassis von NI können Sie ein Chassis, das mit Modulen voll bestückt ist, bei der höchsten auf dem Datenblatt angegebenen Temperatur betreiben (die Betriebstemperaturbereiche für bestimmte Modelle der PXI-Chassis können Sie der Produktdokumentation entnehmen). Netzteile von NI bieten außerdem die volle Leistung über den gesamten universellen AC-Eingangsbereich von 100 VAC bis 240 VAC, während Chassis der Wettbewerber für den Teil dieses Bereichs mit wenigen Leitungen stark abfallen können.

Das elektrische Rauschen, das durch die Bewegung mechanischer Komponenten im Chassis, insbesondere Kühllüfter, erzeugt wird, kann die Messgenauigkeit von PXI- und PXI-Express-Peripheriemodulen beeinträchtigen. Um dies zu verhindern, sind in vielen NI-Chassis nicht nur die Kühllüfter im hinteren Teil des Chassis platziert, sondern es wird auch ein spezielles 12-V-Netzteil verwendet, um die Kühllüfter des Chassis, den Slot des System-Controllers und in einigen Fällen die Lüfter der Netzteile zu versorgen, sodass sich Einkopplungsgeräusche dieser Komponenten in die Schienen zur Stromversorgung der Messmodule vermeiden lassen.

Die meisten NI-Chassis verfügen außerdem über eine Remote-Erfassung der Ausgangsspannung an den Backplane-Stromschienen, um Spannungsabfälle auszugleichen. Remote-Erfassung ist bei PXI- und PXI-Express-Chassis besonders für Anwendungen mit Hochleistungsmodulen wichtig, da sie bei großen Lastschwankungen eine bessere Regelung an der Backplane ermöglicht. 

Einer der Hauptvorteile eines PXI-Systems besteht im integrierten Timing und der integrierten Synchronisierung. Ein PXI-Chassis verfügt über einen speziellen 100/10-MHz-Systemreferenztakt (PXI_CLK10 und PXIe_CLK100), der auf jeden Slot mit geringen Laufzeitunterschieden verteilt wird, einen PXI-Trigger-Bus mit acht Leitungen, der mit jedem Slot verbunden ist, und einen System-Timing-Slot, der Stern- und differentielle Stern-Trigger für die Peripherie-Slots bereitstellt.

^{Abbildung 2: Timing- und Synchronisationsfunktionen von PXI Express sind wichtige Vorteile.}

Mit dem optionalen Timing- und Synchronisations-Upgrade können die Timing- und Synchronisationsfunktionen einiger PXI-Chassis von NI weiter verbessert werden. Das PXIe-1095- und das PXIe-1092-Chassis können mit einem OCXO erweitert werden, um die Frequenzstabilität von PXI_CLK10 und PXIe_CLK100 zu erhöhen, um die Möglichkeit zu bieten, einen externen 10-MHz-Referenztakt zu importieren und automatisch zu synchronisieren, einen 10-MHz-Referenztakt zu exportieren und den PXI-Trigger-Bus zu importieren und zu exportieren. Weitere Informationen dazu, wie Timing- und Synchronisationsfunktionen von NI PXI das Erstellen leistungsstarker, komplexer und skalierbarer Lösungen erleichtern, finden Sie unter Vorteile der Timing- und Synchronisationsfunktionen von NI PXI.

PXI-Chassis von NI bieten folgende Features:

• Bis zu 24 GB/s Systembandbreite und 8 GB/s pro Slot dedizierte Bandbreite
• Bis zu 82 W Leistung und Kühlung pro Slot für erweiterte I/O-Module
• Größenoptionen von zwei bis 18 Slots 
• Hybrid-Slots für Flexibilität bei der Instrumentierung; Kompatibilität mit PXI-, PXI-Express-, CompactPCI- und CompactPCI Express-Modulen

^{Tabelle 3: Optionen und Konfigurationen für PXI-Chassis.}

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PXI-Chassis von NI eine außergewöhnliche Leistung und Zuverlässigkeit bieten und somit eine kritische Komponente für leistungsstarke automatisierte Tests und Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen sind. Dank überlegenen Kühlfunktionen, die die PXI-Express-Spezifikationen übertreffen, können diese Chassis Hochleistungsmodule unterstützen und ein optimales Wärmemanagement gewährleisten. Maßgeschneiderte Netzteile garantieren eine stabile und konsistente Stromversorgung, was für die Aufrechterhaltung der Genauigkeit und Präzision Ihrer Tests entscheidend ist. PXI-Chassis von NI bieten hervorragende Leistung und Zuverlässigkeit, um die Anforderungen Ihrer Testumgebung zu erfüllen.

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