인천대학교 물리학과 - PXI를 이용한 초고속 전자회로 측정시스템 구축

Author(s):
김진영 박사과정 - 인천대학교 물리학과

Industry:
Electronics

Products:
SCXI, PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
RSFQ 회로에 대한 연구가 국내에는 거의 전무한 실정이다. 따라서 RSFQ측정 시스템을 취급하는곳은 국내에는 없고, 해외에서 구입한다 하더라도 매우 고가인 단점이 있다. 그래서 NI PXI시스템을 통해 이를 해결하려고 시도 하였다.

The Solution:
PXI 시스템을 사용하여 모든 PXI카드들을 싱크시켜서 멀티 채널의 AWG 파형을 발생시키고 각각 채널을 측정 가능토록 하여 효율성과 경제성을 극대화 시켰다.

요약
본 연구에서는 초고속 전자회로를 구성하고 이를 측정하는 시스템을 구성하였다. 기존의 반도체를 대신할 가능성이 많은 RSFQ(Rapid Single Flux Quantum)회로는 수십 GHz의 클럭 에서도 동작하는 장점이 있다. 그러나 아웃풋 펄스가 0.1mV range이므로 기존의 스코프로 측정하는 것이 어려웠다. 그러나 NI의 SCXI와 PXI시스템을 사용하여 이를 개선하고 해결하였다. 또한 PXI 시스템을 사용하여 모든 PXI카드들을 싱크시켜서 멀티 채널의 AWG 파형을 발생시키고 각각 채널을 측정 가능토록 하여 효율성과 경제성을 극대화 시켰다.

개발 배경
RSFQ 회로에 대한 연구가 국내에는 거의 전무한 실정이다. 따라서 RSFQ측정 시스템을 취급하는곳은 국내에는 없고, 해외에서 구입한다 하더라도 매우 고가인 단점이 있다. 그래서 NI PXI시스템을 통해 이를 해결하려고 시도 하였다. 첫번째 목표는 0.1mV range output 시그널을 정확히 읽어내야 하는 것이었다. 두번째 목표는 multi channel output과 reading을 하여야 하는데 모두 싱크가 맞도록 구출하는 것이었다. 세번째 목표는 이모든 측정을 오토매틱하게 분석할수 있도록 구현하는 것이 우리의 가장 큰 목표였다.

본론
그림 1은 본 연구에서 사용된 장비의 블록 다이어그램이다.
PXI 6713 3장 (D/A), PXI 6052 3장 (Multi function I/O), SCXI본체, 1125, 1305모듈 을 사용하여서 아래와 같은 시스템을 구성하였다. 6713의 경우에는 8채널 output이 가능하며 6052또한 8채널 input이 가능하다. 가장중요한 첫번째 목표인 0.1mV range 시그널을 읽기 위해 SCXI 1125모둘을 사용하였다. Gain 을 1000배로 설정하여 6052 카드에 패러렐 모드로 설정을 하였다. 시행착오가 많이 있었으나 결국은 성공하여서 0.1mV range 시그널도 정확히 읽어낼 수 있었다.

그림 1. PXI 측정 시스템 Block Diagram

그리고 각각의 output 과 input 은 모두 싱크가 맞춰져야 했다. 그래야만 우리가 연구하는 디지털회로들이 정상으로 동작하는지 아닌지를 알 수 있기 때문이었다. 모든 카드들의 싱크를 맞춰주도록 프로그래밍 하였다. 이와중에 많은 우여곡절이 있었는데, 싱크가 안되어 PXI 샤시를 A/S받기도 하였으나 결정적인 문제는 NI 드라이버가 업데이트 되면서 모든 문제가 자연스럽게 해결되었다.
그림 2는 실험장비를 보여주고 있다. PXI시스템이 RSFQ회로에서 나오는 시그널을 측정하여 모니터상에 보여주고 있다. 그림 3은 LabVIEW front panel 화면을 보여주고 있다. 총 24채널의 output 시그널을 출력할수 있다. 또한 이 시그널은 임의파형으로 만들 수 있도록 프로그래밍 하였다. 기존 LabVIEW안에 들어있는 AWG 프로그램을 사용하면 데이터 개수가 많아져서 메모리에 문제가 발생하여서 40개의 점으로만 임의파형을 만들도록 다시 프로그래밍 해서 문제를 해결하였다. 측정 프로그램은 3개의 파트로 구성되어있다. 1번째는 24채널입력신호를 마치 스코프와 같이 볼 수 있는 기능이다. 스코프는 대략 4채널뿐인 반면 PXI를 사용할경우 경제적으로 멀티채널 스코프를 구성할 수 있는 장점이 있다.

그림 2. PXI 측정시스템

그림 3. LabVIEW Front Panel 화면

또한 임의파형을 사용자가 원하는 대로 만들수 있는 기능이 있으며, 마지막으로는 회로의 바이어스 마진을 분석할수 있는 기능을 가지고 있다. 그림 3은 바이어스 마진분석하는 스냅샷이다. 그림 4는 측정 프로그램의 block diagram을 보여주고 있다. 각 카드의 싱크를 그림 4에서 보여지는 바와 같이 프로그래밍 하였다.

그림 4. 측정 프로그램의 Block Diagram

그림 5는 PXI 측정 장비를 활용하여 1-bit ALU를 측정한 결과를 보여주고 있다. 이 테스트는 low frequency 에서 test 되었다. 그때의 클럭은 5kHz였다.

그림 5. 1-bit ALU 측정 결과 (ADD 결과임)

이 측정결과를 토대로 20GHz에서 동작하는 ALU를 개발하였다.

결론
본 연구에서는 0.1mV range의 아주 작은 신호를 검출해내는 측정시스템을 구축하는 것이었고, 이러한 기능뿐만 아니라 멀티채널 input 및 output이 가능한 측정 시스템이 요구되었다. 물론 그때 사용되는 모든 PXI 모듈들은 싱크가 맞아야 함은 당연했다. 뿐만 아니라 측정된 결과를 저장하고 바이어스 마진을 분석하는 기능까지 추가 할 수 있었던 것은 NI PXI 제품을 사용한 결과라고 생각된다. 물론 다른 회사의 제품을 사용 하였을 수도 있었으나 보다 경제적이고 시간을 절약할 수 있는 아주 유용한 솔루션이었다. 16채널 스코프 하나사는데 대략 2000만원 정도 소요된다고 하니 본시스템은 매우 경제적이라고 또한 사용자마음대로 기능을 추가 할 수 있으므로 standalone 제품과는 비교할 수 없는 장점이 있다고 하겠다. 이번을 계기로 해서 멀티채널 input 및 output의 경우에 싱크로너스 한 프로그래밍은 앞으로도 유용하게 사용 될 수 있으리라 생각된다.
본 시스템을 사용하여 인천대학교에서는 국내 최초로 20GHz에서 동작하는 1-bit ALU(Arithmetic Logic Unit, CPU에 들어가는 산술연산 장치)와 5GHz에서 동작하는 4-bit 의 개발을 성공하였다.
마지막으로 이러한 훌륭한 솔루션을 만드는데 NI의 엔지니어들께서 많은 도움을 주셨다. 물심 양면으로 도움을 주신 정경훈 차장님, 학교까지 방문해서 함께 고생한 엔지니어 박찬희씨와 정호민 대리께 감사 드린다.

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김진영 박사과정
인천대학교 물리학과

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