SONDERHEFT MESSTECHNIK, SENSORIK UND TEST I
Wissen.
Impulse.
Kontakte.
April 2016
www.elektronikpraxis.de
Mit dem Handheld-Oszilloskop
zuverlässig im Feld messen
Messergebnisse in Laborqualität lassen sich auch im rauen Feldeinsatz erzielen.
Das verspricht Rohde & Schwarz mit seinem R&S Scope Rider.
Messen mit einem
Labor-Multimeter
Die Spezifikationen
eines Oszilloskops
Mess-Tipps für
EMV-Quereinsteiger
Im Labor kommt ein Multimeter oft zum Einsatz. Wir
haben vier Geräte genauer
untersucht.
Seite 10
Ein Datenblatt sagt alles
aus, sollte man meinen.
Doch worauf muss man
besonders achten? Seite 18
EMV-Test nicht bestanden?
Wir geben Tipps, wie Sie
den Pre-Compliance-Test
meistern.
Seite 28
EDITORIAL
Geben Sie Ihre Messdaten
nicht in fremde Hände!
S
tellen Sie sich folgendes Szenaio vor:
In einer Forschungs- und Entwicklungsabteilung eines großen Unternehmens haben die Ingenieure ihre neueste Entwicklung ausgemessen und die
Messdaten auf einem Computer abgespeichert. Doch unsere Entwickler arbeiten in
einem multinationalen Unternehmen,
das viele Standorte verteilt auf der Welt
hat. Also müssen die Entwickler ihre Ergebnisse mit den Kollegen an anderen
Standorten austauschen. Nur wie? Die
Messdaten per E-Mail verschicken oder
die Werte gleich in die Cloud speichern?
Und wo stehen die Server physisch?
Schließlich haben die Entwickler viele
Arbeitsstunden in den Prototypen gesteckt und die Messdaten sind das Ergebnis ihrer Arbeit. Im schlimmsten Fall haben Fremde Zugriff auf die Daten und
somit auf die Entwicklungsergebnisse.
Für Entscheider in globalen Firmen
oder auch mittelständischen Unternehmen klingt es reizvoll, Daten in die Cloud
abzuspeichern. Steht doch fast unbegrenzter Speicher zur Verfügung und die
Kollegen aus dem möglichen Szenario
hätten von überall auf der Welt Zugriff auf
die Messergebnisse. Jetzt kommt das
Aber: nicht nur sie! Datensicherheit in der
„Vernetzte Sensoren und
Messdaten in der Cloud –
Chancen und Risiken gut
abwägen!“
Hendrik Härter, Redakteur
[email protected]
Cloud muss garantiert sein. Jetzt könnte
man argumentieren, dass mit den Messdaten allein ein Fremder, der Zugriff auf
die Messwerte hat, nichts anfangen kann.
Das mag stimmen. Doch wem gehören die
Daten, wenn sie auf Servern weltweit verteilt sind? Bevor sich ein Unternehmen
dazu entscheidet, seine Daten in die
Cloud abzulegen, sollte es genau prüfen,
wer der Anbieter ist. Unbedingt sollten
Unternehmen prüfen, wie es mit der Datensicherheit bestellt ist, ob die Daten
ausreichend verschlüsselt sind und wo
die Server lokal stehen! Speziell für die
Messtechnik bietet die Sensor+Test im
Mai ein Sonderforum: „Messtechnik in
der Cloud“. Auch hier steht das Thema
Sicherheit im Mittelpunkt. Schließlich
soll der Entwickler keine Angst haben,
dass seine Daten gehackt werden – aber
die nötige Vorsicht sollte geboten sein!
NÄHERUNGSSENSOREN
Magneto-induktive Abstandssensoren zur berührungslosen
linearen Wegmessung
 Wählbare Messbereiche bis 55 mm
 Hohe Grundempfindlichkeit und
Temperaturstabilität
 Geeignet zur Drehzahlmessung
 Frei definierbare Schaltpunkte
 Verschiedene Sonderausführungen:
Edelstahl | Kunststoff | OEM
Herzlichst, Ihr
Besuchen Sie uns
Sensor+Test / Nürnberg
Halle 1 / Stand 320
Tel. +49 8542 1680
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
3
www.micro-epsilon.de/mds
INHALT
LABORMESSTECHNIK
Handheld-Oszilloskop
für den Einsatz im Feld
Ein Handheld-Scope kommt häufig dort zum Einsatz,
wo elektrische Antriebe, Leistungselektronik oder
elektrische Versorgungen für Industrieanlagen
gewartet und geprüft werden müssen. Dazu ist es
allerdings notwendig, dass das Messgerät unter
anderem über isolierte Eingangskanäle verfügt oder
für die Messkategorie CAT IV nach IEC 61010-1 zertifiziert ist. Außerdem sollte der Anwender schnell das
Menü überblicken können, ohne sich intensiv mit
dem Handbuch zu beschäftigten.
15
SCHWERPUNKTE
6
10
Die Messtechnik in der Cloud
Das Sonderthema auf der diesjährigen Sensor+Test in
Nürnberg ist die Messtechnik in der Cloud.
Die Tücken beim Einsatz eines Labor-Multimeters
Moderne Labor-Multimeter gehören nach dem Oszilloskop
zu den wichtigsten Messwerkzeugen eines Entwicklers. In
unserem Beitrag untersuchen wir vier unterschiedliche
Geräte verschiedener Hersteller.
Labormesstechnik
TITELTHEMA
15
Handheld-Oszilloskop für den Einsatz im Feld
18
Oszilloskope
Die wichtigen Spezifikationen eines Oszilloskops
Messtechnik in Laborqualität für den rauen Feldeinsatz:
Das verspricht Rohde & Schwarz mit dem R&S Scope Rider.
Das Gerät vereint fünf Messgeräte und ist mit Bandbreiten
bis zu 500 MHz verfügbar.
Plant eine Entwicklungsabteilung ein neues Oszilloskop,
dann werden im Vorfeld Datenblätter verglichen, um das
möglichst passendste Gerät zu finden.
22 Vertikale und horizontale Skalierung
Für brauchbare Messergebnisse mit einem Oszilloskop
muss man sich mit der vertikalen und horizontalen Auflösung des Gerätes auseinandersetzen. Dabei spielt auch die
Auflösung des A/D-Wandlers eine wichtige Rolle.
4
Messdaten auswerten
24 Protokollanalyse von seriellen Bussen
Serielle Busse lassen sich mit dem PicoScope analysieren.
Das Mixed-Signal-Oszilloskop wird über USB 3.0 an einem
PC angeschlossen und die Auswertung erfolgt über die
mitgelieferte Software.
Spektrumanalyse
28 Brauchbare Messergebnisse als EMV-Quereinsteiger
Hat Ihr Produkt die EMV-Zulassung nicht bestanden? Wir
geben einen Überblick über den Pre-Compliance-Test und
zu EMI-Anforderungen, Equipment und Messungen.
Messdaten erfassen
32 MEMS-Sensoren überwachen die Raumluftqualität
Bei einem Niedrigenergiehaus ist der Luftaustausch unterbunden. Für entsprechende Zufuhr von Frischluft müssen
verschiedene Gase detektiert werden. Hier helfen MEMSgefertigte Gassensoren.
34 Mit einem modularen Digitizer HF-Signale messen
Mit der modular aufgebauten PCIe-Serie M4i lassen sich
dank entsprechender Bandbreite und Auflösung auch
Leistungen und quadraturmodulierte Signale messen. Wir
zeigen Ihnen in diesem Beitrag, wie das geht.
Testsysteme
38 Verschiedene Instrumente vereint in einem Testkopf
Die Testumgebung EVA100 integriert verschiedene Messinstrumente in einem modularen Testkopf, um IoT-Halbleiterbausteine zu verifizieren. Abgerundet wird diese
Testlösung von einer Software-Suite.
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
24
Protokollanalysen von
seriellen Bussen
28
Messergebnisse als
EMV-Quereinsteiger
32
MEMS-Sensoren überwachen die Luftqualität
40
Wahl des Busses für ein
Mess- und Testsystem
www.vxinstruments.com/pxi-systems
Potentialfreie Messtechnik
für Labor- und Produktion
Grundlagen Messtechnik
40 Die Wahl des Busses für ein Mess- und Testsystem
Die Busse LXI und PXI bieten kombiniert für Mess- und
Testsysteme einige Vorteile. Wir stellen diese und weitere
Bussysteme für die Messtechnik vor und zeigen entsprechende Anwendungen.
RUBRIKEN
3
Editorial
37 Impressum
Messezeitung zur Sensor+Test
10. bis 12.05.2016, Nürnberg
Das Sonderthema auf der diesjährigen Sensor+Test in Nürnberg
ist die Messtechnik in der Cloud. Gezeigt werden Möglichkeiten,
Messdaten weltweit auszutauschen.
nstruments
www.sensor-test.de
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
the test solutions provider
5
German Engineering.
AKTUELLES // MESSE-TIPP
Die Messtechnik in der Cloud
im Mittelpunkt der Sensor+Test
Bild: AMA Service
Das Sonderthema auf der diesjährigen Sensor+Test in Nürnberg ist die
Messtechnik in der Cloud. Gezeigt werden Möglichkeiten, Messdaten weltweit auszutauschen, aber auch potenzielle Gefahren.
Fachmesse für die Messtechnik: Die Sensor+Test im Mai in Nürnberg bietet neben Fachkongressen auch ein
Aktionsprogramm für die Messebesucher.
D
er Messtechnik gehört die Zukunft.
Ihre Daten sind das Blut in den Adern
von Industrie 4.0 und die allermeisten
Dinge im „Internet der Dinge“ werden entweder selbst messende Sensoren sein oder
über eine Vielzahl solcher Sensoren verfügen. Der wesentliche Fortschritt in der vernetzten Welt von morgen liegt in der globalen
Verfügbarkeit lokaler Messergebnisse. Dieser
rasanten Entwicklung – und auch den damit
verbundenen Risiken wie der Datensicherheit und -integrität – trägt der Ausstellerbeirat der Sensor und Test 2016 mit dem Sonderthema „Messtechnik in der Cloud“ Rechnung.
Fachkongresse und Aktionsprogramm während der Messe
Die 18. GMA/ITG-Fachtagung „Sensoren
und Messsysteme“ findet 2016 turnusmäßig
parallel zur Messtechnik-Messe statt. Die
bedeutende deutschsprachige Tagung zu
den Themen Sensorik und Messtechnik wird
gemeinsam von der VDI/VDE-Gesellschaft
Mess- und Automatisierungstechnik (GMA)
und der Informationstechnischen Gesellschaft im VDE (ITG) getragen und in diesem
Jahr von der GMA gestaltet. Zum zweiten Mal
6
veranstaltet die European Society of Telemetry in Zusammenarbeit mit der Sensor +Test
in Nürnberg die European Telemetry and Test
Conference – etc2016. Die etc2016, mit begleitender Ausstellung, ist die Plattform für
Telemetrie, Telecontrol, Test-Instrumentierung und Datenverarbeitung, in deren Rahmen auch das „3rd Advanced In-Flight Measurement Techniques Symposium AIM2016“
und das „27th Symposium of the Society of
Flight Test Engineers SFTE - European Chapter“ tagen.
Die Sensor und Test vom 10. bis 12. Mai in
Nürnberg bietet vielfältige Gelegenheiten
zum Innovationsdialog über neue Lösungen
und Konzepte zur Übertragung, Verarbeitung, Analyse und Sicherheit messtechnisch
ermittelter Daten im weltweiten Netz. Und
das nicht nur an den Messeständen zahlreicher Aussteller: Auf dem Sonderforum in
Halle 5 können sich die Besucher gezielt und
konzentriert einen Überblick über neue Produkte und Entwicklungen zu diesem spannenden Thema verschaffen. Auch das Vortrags-Forum, das ebenfalls in der Halle 5
stattfinden wird, steht am ersten Messetag
ganz im Zeichen der „Messtechnik in der
Cloud“. Der AMA Verband für Sensorik und
Messtechnik wird am ersten Messetag den
„Innovationspreis 2016“ verleihen. Prämiert
werden Forschungs- und Entwicklungsleistungen aus der Sensorik und Messtechnik.
Von den eingereichten Themen werden fünf
nominiert und schließlich einer mit dem
Preis geehrt. Das Preisgeld beträgt 10.000
Euro.
Ausgelobt wurde auch der Sonderpreis
„Junges Unternehmen“. Der Sonderpreis ist
ein kostenloser Messestand auf der Sensor
und Test. Zu den Fachforen in den Hallen 1
und 5 haben alle Messebesucher freien Zugang. Dort präsentieren die Aussteller der
Sensor+Test in Kurzvorträgen ihre neuen
Produkte und Lösungen sowie deren Anwendungsmöglichkeiten. Im Rahmen des Forums „Innovative Testing“ am zweiten Messetag stellen Experten aus Industrie und
Forschung daneben besonders innovative
Sensortechnologien und Messverfahren der
Zukunft vor. Das beliebte Fahrversuchsgelände gibt den Messebesuchern die Möglichkeit, Mess- und Prüftechnik speziell für das
Automobil live erlebbar zu machen. // HEH
Sensor+Test
Fakten zur
Sensor+Test
Die Messtechnik-Messe Sensor+Test
findet vom 10. bis 12. Mai auf dem
Messegelände in Nürnberg statt.
Im Jahr 2015 präsentierten 548 Aussteller aus 31 Nationen das gesamte
Spektrum der messtechnischen Systemkompetenz vom Sensor bis zur
Auswertung der Messdaten. Parallel
zur Ausstellung finden der Kongresse
„etc2016 – European Telemetry and
Test Conference“ und die GMA/ITGFachtagung „Sensoren und Messsysteme“ statt.
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
AKTUELLE PRODUKTE // MESSTECHNIK
PXI-ARBITRARY-GENERATOREN
Potenzialfreie Signalformen bis 30 V für Labor und Produktion
VX Instruments als Entwickler
und Hersteller von hochpräzisen
und schnellen Messgeräten erweitert das Produktportfolio der
auf FlexCPP basierenden Gerätefamilien durch das PXI-ExpressInterface. Damit steht mit der
Arbitrary-Waveform-GeneratorFamilie PXAe722x eine flexible
und leicht anpassbare ArbiträrGenerator-Baureihe zur Verfügung.
Die Geräte sind als Varianten
mit 1 oder 2 Kanälen verfügbar
und können unabhängig voneinander beliebige Signale mit ei-
ner Samplerate von 100 MS/s bei
einer Auflösung von 16 Bit ausgeben. Jeder Kanal verfügt über
einen Speicher von 2 MByte. Die
Ausgangsspannungen gibt der
Hersteller mit bis zu 30 V oder
±15 V an. Beide Ausführungen
VEKTOR-NETZWERKANALYSATOR
Von 100 kHz bis 20 GHz messen
Die Hochleistungs-Vektor-Netzwerkanalysatoren (VNAs) von
Telemeter Electronic messen die
S-Parametern für Frequenzen
von 100 kHz bis 20 GHz und einen Dynamikumfang von 145 dB.
Ausgestattet ist das Modell C1220
mit einem Hybrid-Dual-Core DSP
sowie FPGA-Technik. Über einen
Windows-PC lässt sich die Serie
voll programmieren und einstellen. Zudem lässt sich der Netzwerkanalysator in ein bestehendes Testsystem mit 19 Zoll einbauen. Die einstellbaren Frequenzschritte liegen bei 1 Hz und
es lassen sich bis zu 500.001 Erfassungspunkte erfassen. Frost
& Sullivan zeichnete im Jahr 2015
das Gerät aus.
Telemeter Electronic
lassen sich als potenzialfreie und
erdbezogene Version konfigurieren. Bereits vordefinierte Signalformen, wie beispielsweise Sinus
oder Rechteck, können direkt
über die Treiberfunktionen aufgerufen werden. Ergänzend dazu
ist es möglich, vom Anwender
frei definierbare Wellenformen
auszugeben. Durch die integrierte Memory-Sequencing-Funktion
kann durch jeglichen TriggerEvent und ohne Verzögerung
zwischen verschiedenen Signalformen gewechselt werden. Die
Geräte basieren auf der von
VX Instruments eigens entwickelten „Flexible Configurable
PXIe Platform“, kurz FlexCPeP.
Abhängig von der Anzahl der
Kanäle und der Floating-Option
gibt es die Geräte als 3U PXI für
einen oder zwei Slots. Der Hersteller kann mit der Serie innerhalb kürzester Zeit verschiedene
Variationen von kundenspezifischen Arbitrary-Function-Generator-Typen sowie Digitizern und
Source and Measurement Units
zur Verfügung stellen.
VX Instruments
FOTOMIKROSENSOREN
Vorverlötet an Drahtanschlüssen
Die Fotomikrosensoren der EESX-Serie von Omron sind betriebsfertig an Verbindungsdrähten verlötet und umfassen zwölf
drahtgebundene Bauelemente.
Die Allzweckserie EE-SX1088
kennzeichnet ein vertikaler Öffnungswinkel von 0,5 mm zur
Erkennung von Objekten, die
sich horizontal zum Sensor bewegen. Die Serie EE-SX1096 mit
einem horizontalen Öffnungswinkel kann auch Objekte erkennen, die vertikal durch den Sensor geleitet werden. Die extrabreite Version EE-SX1160 hat eine Sensornut von 9,5 mm. Die
Serie EE-SX1161 ist eine staubdichte Ausführung mit einem
Schaltabstand von 3,2 mm.
Omron
DATENLOGGER
ALEMO 500 mit integriertem Webservice wird über Tablet bedient
Der Datenlogger ALMEMO 500
von Ahlborn wird über ein Tablet
mit 8'' und einer entsprechend
vorinstallierten App bedient.
Mehrere Anwender können
gleichzeitig über einen integrierten WLAN-Hotspot zugreifen.
Möglich macht das ein Webservice. Alternativ kann sich der
Datenlogger in einem bestehenden WLAN- oder LAN-Netzwerk
anmelden. Neben der Messdatenvisualisierung lässt sich das
Messgerät sowie alle angeschlossenen Fühler über das Tablet
konfigurieren. Der Anschluss
8
unterschiedlichster Sensortypen
wird durch galvanisch getrennte,
voneinander unabhängige Messeingänge ermöglicht, wobei
auch vorhandene Sensoren über
die ALMEMO-Stecker angeschlossen werden können.
Die Standardversion bietet 20
Eingänge. Verwendet man die
D7-Fühlergeneration, sind bis zu
10 Kanäle pro Messeingang möglich. Der Logger misst zeitsynchron mit einer Geschwindigkeit
von bis zu 4000 Messungen/s.
Die Darstellung der Messwerte
erfolgt als Einzelmesswert, Messwertlisten, über frei konfigurierbare Anzeigen oder als Liniendiagramm. Historische Messverläufe aus dem Messwertspeicher
können offline oder bei laufender Messung geladen werden.
Der Export der Messdaten erfolgt
über das Programm WinControl
oder über Excel. Geliefert wird
der Logger im Tischgehäuse
63 TE und 84 TE (stapelbar) oder
als 19'' Baugruppenträger. Der
interne 3-GByte-Messwertspeicher ist auch als Ringspeicher
erhältlich und speichert je nach
Messwertauflösung bis zu
600 Mio. Messwerte. Das Gerät
arbeitet im Netzbetrieb und optional mit Akku. Tablet, Halter
und App sind im Lieferumfang
des Datenloggers enthalten.
Ahlborn Mess- und Regelungstechnik
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
Kostenloses DIGITAL-KOMPENDIUM
Messtechnik-Grundlagen
als
Je t z t
r
e P ape
!
le s e n
 Grundlagenbeiträge
 Fachartikel
 Applikationsbeispiele
 Referenzdesigns
 Design-Tipps
 weiterführende
Informationen als
Online-Verlinkung
09861
Lesen Sie das gesammelte ELEKTRONIKPRAXIS-Wissen auf Ihrem PC, Laptop
oder iPad und sichern Sie sich kostenlos Ihr gedrucktes Kompendium* unter
www.elektronikpraxis.de/messtechnik-kompendium
*limitierte Auflage
Lesen Sie auch unsere anderen Digital-Kompendien:
Antriebstechnik & Antriebselektronik
hniK & AntriebseleKtroniK
Kompendium Antriebstec
Wissen.
Impulse.
Kontakte.
März 2013
www.elektronikpraxis.de
www.elektronikpraxis.de/antriebstechnik-kompendium
Kompendium power
rgungen
design & stromverso
Antriebstechnik:
bo rtechnik
Bionik in der Robote
Power Design & Stromversorgungen
www.elektronikpraxis.de/powerdesign-kompendium
Wissen.
Impulse.
Kontakte.
sie auf
der Natur und überträgt
sucht nach Phänomenen
Beispiel. www.elektronikpraxis.de
Die Wissenschaft der Biomimese
jün
dass jüngste
Schlangenarmroboter ist
unsere Technikwelt. Der
dded
Embedded-Design
ektron
für elektronische
rregel
Motorregelung
Anforderungen an
DC-Motoren in der
Humanoid-Robotik
Die Bremsenergie
puffern und
wiederverwenden
Der dynamische Energiespeicher spart GesamtSeite 18
betriebskosten.
Leistungsdichte, Dynamik
und Wirkungsgrad sind
Seite 46
entscheidend.
September 2013
ErP-Vorschriften
in Antrieben
berücksichtigen
-basierte MCU mit
Cortex-basierte
re-IP mit offener
Firmware-IP
Seite 64
ektur.
Architektur.
Wie ein Advanced Motion
Controller für die geforderte
Seite 70
Effizienz sorgt.
18.03.2013 12:49:41
document47003037087338790.indd
1
ntechniK & pcB-design
Kompendium LeiterpLatte
tegrierte USVs
Vollständig integrie
tomattisierung
Wissen.
in der Automa
erleichtern
ung integrierte DC-USVs
ngslösung
Impulse. die Automatisierungslös
Netzwerkfähige und in
genverfügba it
die2013Anlagenverfügbarke
und erhöhen Juni
die Projektierung
Kontakte.
www.elektronikpraxis.de
nX2- und Y2-Folienkondensatoren
Komplexe Stromversorgungen
ndenFallen Störschutzkondenele
viele
satoren aus, kann das
aGründe haben – wir verra24
ten Ihnen, welche. Seite
Mit dem Embedded PM-Bus
lassen sich auch komplexe
Stromversorgungssysteme
12
einfach realisieren. Seite
Die 10 großen Irrtümer in der PCB-Entwicklung
www.elektronikpraxis.de/leiterplattentechnik-kompendium
für
Gleichs
Gleichstrom
Smar
Smart Homes
liegt WechselHäu
In Häusern
strom – aber das Smart
Home von morgen braucht
Gleichspannung.
Gleichs
Seite 39
Energie umgibt uns
immer und überall
Mit geeigneten „Erntewerkzeugen“ wie Piezo-Elementen oder Solarzellen lässt
Seite 51
sie sich nutzen.
18.09.2013 14:43:43
document2527905274398471760.indd
1
CompaCtpCi
Digital-KomrpenDium
in der
n Irrtüme
Die 10 größten
te ntwicklung
Leiterplatten-E
PCB-Design können fatal
Fehleinschätzungen beim
zu lernen.
aus bekannten Fehlern
Dokumentation und
Produktqualität
Delamination
verhindern
Pauschale Spezifikation
FR4
des Basismaterials als
kann Risiken im Lötprozess
bergen.
Seite 22
ation
Sorgfältige Dokumentation
des PCB-Designs ist von
zentraler Bedeutung. Archi28
vierung ist Pflicht. Seite
sein. Deshalb ist es entscheidend,
Verifikation der
Design von Multiwww.elektronikpraxis.de
Leiterplatte
layer-Systemen
schwäfür
Regeln und Strategien
den Zusammenbau eines
Multilayer-PCB aus mehreren Ebenen.
Seite 46
Serial
Wissen.
Impulse.
Kontakte.
November 2013
Wenn CAD-Systeme
cheln, müssen Forderungen
festgelegt und formuliert
Seite 69
werden.
20.06.2013 12:37:36
CompactPCI Serial - der Star auf der Embedded-Bühne
www.elektronikpraxis.de/compactpci-serial-kompendium
Star
CompactPCI Serial – der ne
auf der Embedded-Büh
Wissen.
niK & mixed SignAl
Kompendium AnAlogtech
serielle
CompactPCI Serial schnelle,
d bietet Comp
an Flexibilität und Robustheit
Basierend auf dem CompactPCI-Standar
Ansprüc
Ansprüchen
für Anwendungen mit hohen
Impulse.
Datenübertragung
Kontakte.
Am Ziel angekommen – Spot on für
CompactPCI Serial
www.elektronikpraxis.de
Gast-Editorial von PICMGPräsident Joe Pavlat zum
3
CPCI-S.0-Standard. Seite
Dezember 2013
Small Form Faktor –
Der Trend geht zur
Miniaturisierung
Compac
CompactPCI-SerialNetzge
Netzgerät: effizient
re
und redundanzfähig
und
Elma Electronic über 35-Slot-Backplanes für mehr
Seite 23
Flexibilität.
über
Schroff/P
Schroff/Pentair
Stromentw
speziell entwickelte
Seite 32
versorgungen.
versorgu
Ausblick: Gute
Gründe für
CompactPCI Serial
MEN Mikro Elektronik setzt
fest auf den Standard
44
CompactPCI Serial. Seite
14.11.2013 09:55:25
Analoge Schaltungstechnik
www.elektronikpraxis.de/analogtechnik-kompendium
Schaltungsentwürfe auf
Herz und Nieren geprüft
from the Lab“ bietet Entwicklungsunterst
Das Programm „Circuits
für typische Problemstellungen.
getestete Schaltungsentwürfe
Die besten
Referenzdesigns
Getestete, praktische
Schaltungen für typische
Problemstellungen in vielen
Analog- versus
Digitalentwicklung
Tipps für Digitaldesigner,
die jetzt auch analoge
Schaltungsteile entwickeln
müssen.
Seite 26
ützung durch
Ist der ADC so gut
wie er sein sollte?
Warum man die Datenblattnie
werte von A/D-Wandlern
erreicht und wie man ADC
optimiert.
Seite 58
Schaltungen für
die Analog-Praxis
Vom Verstärker bis zum
Temperatursensor – pfiffige
für
Analog-Schaltungstipps
Seite 62
den Entwickler.
29.11.2013 10:33:37
document1155018868087042920.indd
www.vogel.de
Seite 12
Anwendungen.
1
LABORMESSTECHNIK // GRUNDLAGENWISSEN
Die Mess-Tücken beim Einsatz
eines Labor-Multimeters
Moderne Labor-Multimeter gehören nach dem Oszilloskop zu den
wichtigsten Messwerkzeugen eines Entwicklers. In unserem Beitrag
untersuchen wir vier unterschiedliche Geräte verschiedener Hersteller.
FRANZ JOSEF KUHN *
und zusätzlich eine externe Berechnung des
Effektivwertes (Formel 2), da diese nur den
AC-Anteil messen, mögliche Gleichanteile
werden über einen Kondensator unterschlagen. Das Bild 1 zeigt im Prinzip den internen
Schaltungsaufbau der AC-Messung. Der Generator XFG1 erzeugt ein Rechtecksignal im
Tastverhältnis 50:50 bei einer Amplitude von
5 V (Bild 2). Die Gleichspannung (Generator
XFG1) wird über C1 abgetrennt. Der Effektivwert am Eingang Tastkopf 1 (gelb hinterlegt)
beträgt 3,536 V, das Messgerät U1 zeigt nur
2,5 V an. Selbst die Simulation mit Multisim
von NI zeigt nicht den korrekten Effektivwert
an. Der Messwert V(rms) nach dem Kondensator beträgt 2,5 V (Tastkopf 2 gelb hinterlegt).
Die Messung des Effektivwertes
in der Praxis
Tücken beim Messen: Moderne Labor-Multimeter in einem Testaufbau für die Messung der Bandbreite.
L
abormultimeter gehören zum wichtigen Handwerkszeug eines Entwicklers
im Labor. Den Messergebnissen muss
er oder sie vertrauen können. Im folgenden
Beitrag haben wir uns zusammen mit Professor Kuhn vier Geräte ausgesucht und diese
nach unterschiedlichen Kriterien untersucht.
Dabei sind Keithley 2010, Fluke 8846A,
Agilent 34461A (Keysight) und das Hameg
HMC8012 (Rohde & Schwarz). Der Beitrag
gliedert sich in drei Teile: 1. Effektivwert,
2. Bandbreite, Crestfaktor und der Vergleich
aktueller Labormultimeter und 3. Eingangs-
* Prof. Franz Josef Kuhn
... lehrt an der Hochschule AlbstadtSingmaringen Elektrotechnik/Elektronik, Mess- und Regeltechnik und
Regenerative Energien.
10
strom und Eingangsimpedanz. Im ersten Teil
geht es um die Messung des Effektivwerts
von Spannung und Strömen mit einem Digitalmultimeter, da die Geräte von Seiten der
Hersteller immer preisgünstiger angeboten
werden. Allerdings wird bei genauerem Hinsehen kein echter Effektivwert nach der Formel 1 gemessen, sondern ein AC-Effektivwert, der nicht dem richtigen Effektivwert
entspricht.
U (TRMS ) =
T
∫u
2
(t )dt
Formel 1
2
2
U (TRMS ) = U AC
+ U DC
Formel 2
1
T
0
Bei den betrachteten Labor-Multimeter hat
nur das HMC8012 von Hameg den Effektivwert korrekt berechnet. Alle anderen benötigen hierzu zwei Messungen (AC und DC)
In der Praxis ist die Effektivwertmessung
besonders bei Strömen wichtig, da thermische Belastungen von Leiterbahnen oder
Sicherungen von den Effektivwerten abhängen. Hier sind Geräte mit einem weiten Eingangsbereich an nur einer Buchse im Strombereich (HMC8012 bei AC und DC mit 20 mA
bis 10 A) sehr hilfreich, es entfällt das lästige
Umstecken bei der verkehrten Strombuchsenwahl wie bei den Geräten von Keysight
oder Fluke, der Austausch der Sicherungen
bei einem zu großen Strom oder wenn dieser
während der Messung größer wird. Fazit: Bei
der Messung der Effektivwerte unbekannter
Signale sind wegen der einfacheren Handhabung, Geräte mit der „echten“ Effektivwertmessung AC und DC im Vorteil, da diese
ein aufwendigeres Umschalten von AC auf
DC und externe Berechnung vermeiden. Die
Gefahr des Unterschlagens einer Messung
oder sogar falsche Berechnungen sind nicht
gegeben. Das gilt vor allem für die Strommessung. Durch die fortschreitende Digitalisierung auch bei Netzteilen (Stichworte elektronische Leistungsfaktor-Korrektur, SleepStandbybetrieb) treten vermehrt nicht-sinusförmige Signale mit höherem Crestfaktor
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
LABORMESSTECHNIK // GRUNDLAGENWISSEN
Bild 1: Das Messprinzip bei einer AC-Messung.
(Scheitelfaktor) auf, die zu messen sind. Zur
Erinnerung: der Crestfaktor ist das Verhältnis
der Amplitude zum Effektivwert. Korrelieren
Labor-Multimeter mit entsprechend hoher
Bandbreite und Genauigkeiten bei sinusförmigen Signalen mit rechteckförmigen Signalen mit hohem Crestfaktor?
Wie sich die Bandbreite
messen lässt
Zum Testaufbau: Das Bild auf der Seite 10
unseres Beitrags zeigt den Testaufbau, um
die Bandbreite mit verschiedenen LaborMultimetern zu messen. Der Frequenzgenerator Hameg HMF 2525 erzeugt:
„ eine Sinusspannung, mit der sich die
Bandbreite bestimmen lässt (Amplitude 0,5
V, Frequenz 100 Hz bis 2 MHz ergibt U = 354
mV;
„ eine Rechteckspannung mit einer Amplitude 1 V, einem Tastverhältnis von 2%
ergibt U = 141 mV bei einem Crestfaktor =
7,07:1.
Die Überwachung des Signals erfolgt mit
dem Digital-Oszilloskop Hameg HMO 3004
(Option 500 MHz) und dem Digital-Messgerät
HP 3403C. Das HP-Messgerät hat eine Messgenauigkeit von 0,2% ±0,5% (Messbereich ±
Anzeige) bis 1 MHz und kann Signale mit bis
zu Crestfaktor 10:1 messen, es hat intern einen Thermoumformer als Effektivwertwandler und ist für Messungen bis 100 MHz spezifiziert. Bei der Auswertung dient das
HP3403C als Referenz. Nach Bild 3 liegen
alle Labor-Multimeter recht gut innerhalb
der Toleranz am oberen Ende der spezifizierten Frequenz. Nur das Digital-Oszilloskop
zeigt eine Abweichung, die aber immer noch
innerhalb von 1% liegt.
Die geringste Bandbreite mit einer Frequenz von ungefähr 240 kHz bei 1% hat das
HMC8012. Das ist aber weit über der Spezifikation von 3% bei 100 kHz. Das Fluke zeigt
eine Resonanzstelle von 1% bei ca. 280 kHz.
Das liegt ebenfalls innerhalb der Spezifikation von 4% bei 300 kHz des Herstellers.
Bild 2: Ein Rechteck-Signal
vor (rot) und nach (blau)
dem Kondensator.
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
11
LABORMESSTECHNIK // GRUNDLAGENWISSEN
Bild 3: Die Abweichung bei einem Labor-Multimeter über der Frequenz, Sinus.
Alle getesteten Geräte liegen in der Toleranz.
Bild 4: Die Abweichung bei einem Labor-Multimeter über der Frequenz bei
einem von Crestfaktor 7:1.
dass Keithley mit der höchsten Bandbreite
beim Sinus, hier die geringste Bandbreite
vorweist. Umgekehrt zeigt HMC8012 die
höchste Bandbreite. Labor-Multimeter mit
hohen Bandbreiten bei sinusförmigen Signalen haben nicht zwingend eine höhere
Bandbreite bei Puls-förmigen Signalen, auch
bei Fourier.
Bei unbekannten Spannungen
manuell messen
Bild 5: Der Einfluss des Eingangswiderstands Rin.
Bild 6: Der Einfluss des Eingangs-Ruhestroms.
Bild 7: Ein typischer Messaufbau für den EingangsRuhestrom.
12
Nach Bild 3 hat das Gerät von Keithley die
höchste Bandbreite.
Der Crestfaktor 7:1 ist etwas anspruchsvoller für die Signalverarbeitung der LaborMultimeter und liegt zum Teil außerhalb der
Spezifikation der Geräte. Die Unterschiede
zwischen den einzelnen Geräten treten deutlicher hervor. Als Referenz diente das
HP3403C. Im Bild 4 ist ein Vergleich der einzelnen Geräte dargestellt. Interessant ist,
Einige Geräte haben Probleme mit der automatischen Messbereichsauswahl. Das zeigt
sich dadurch, dass die Geräte viel zu geringe
Werte anzeigen, weil Teile der Impulsspitze
einfach abgeschnitten werden. Die Automatik wählt immer den Bereich mit der höchsten Auflösung. Bei unbekannten Spannungen ist die automatische Messbereichsauswahl abzuschalten und von manuell vom
höchsten Messbereich ausgehend. Man
wählt den Bereich, bei dem der Messwert den
höchsten Wert (nicht Auflösung) annimmt.
Wenig beachtet wird der Einfluss der unterschiedlichen Eingangswiderstände in Verbindung mit der eingebauten Stromquelle
am Eingang des Labor-Multimeters. Die
Messgeräte im Test haben alle zwei wählbare Eingangsimpedanzen (10 MOhm oder > 10
GOhm) in den unteren Gleichspannungsbereichen. Der Einfluss des Eingangswiderstands ist bei Messungen an Low-Power/
Batterie-Schaltungen nicht zu vernachlässigen. Die Ergebnisse der Simulation zeigt das
Bild 5 mit dem Einfluss der Eingangsimpe-
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
LABORMESSTECHNIK // GRUNDLAGENWISSEN
RIN
∞ IDEAL
10 GΩ
10 MΩ
10 GΩ + 30 PA
10 GΩ + 3 PA
U(Rin)
819,672 mV
819,527 mV
696,379 mV
819,474 mV
819,522 mV
Fehler
0%
0,018%
15%
0,024%
0,018%
0 ppm
177 ppm
150418 ppm
242 ppm
183 ppm
Qualität,
unfassbar preiswert
Tabelle 1: Messfehler in Abhängigkeit von Eingangswiderstand und Eingangs-Ruhestrom
@20 °C, C = 9,83 µF, 1000 SEKUNDEN
10 GΩ
10 MΩ
Hameg HMC8012
-34,5 pA
-1,8 pA
Fluke 8846A
-6,8 pA
-1,3 pA
Keithley 2100
-46,4 pA
-4,3 pA
Agilent 34461A
-4,8 pA
-0,5 pA
danz bei einem hochohmigen Spannungsteiler nach [3] Seite 1. Ein signifikanter Messfehler (141 ppm) ist bereits an der 4. Stelle bei
10 GOhm sichtbar. Bei 10 MOhm beträgt der
Fehler 15%. Von Vorteil ist die Wahl der Eingangsimpedanz von 10 GOhm.
Jedes Labor-Multimeter hat einen Eingangsstrom, dies ist der Ruhestrom des Eingangsverstärkers. Dieser kann unterschiedliche Vorzeichen haben. Bis auf das HMC8012
haben alle anderen Messgeräte eine Spezifikation von <30 pA bei 25 °C. Wird der Eingangsruhestrom von 30 pA berücksichtigt,
so verschlechtern sich die Messergebnisse.
Das Bild 6 zeigt das Ergebnis der Simulation
mit zwei unterschiedlichen Eingangs-Ruheströmen mit 30 pA und 3 pA. Eine Zusammenfassung der Einflüsse von EingangsRuheströme und Eingangsimpedanz zeigt
Tabelle 1. Der Betrag von 30 pA ist mit
242 ppm - 177 ppm = 65 ppm recht deutlich.
Bei einem Vorzeichenwechsel des Eingangsruhestroms würde der Messfehler geringer
werden. Messungen an den vier Labormultimeter zeigen, dass der Strom (Bild 6) in die
Messgeräte hineinfließt und somit als Stromsenke den Spannungsteiler belastet.
i=C
du
dt
Formel 3
Die direkte Messung der Eingangsströme
im pA-Bereich ist sehr aufwendig. Eine einfachere Methode ist die indirekte Messung
über einen Kondensator (Formel 3) und Bild
7. Der Kondensator wird eine bestimmte Zeit
(dt) an den Eingang des Labor-Multimeters
angeschlossen. Der Ruhestrom berechnet
sich dann über den Spannungshub (du) und
die Kapazität (C).
Für die Messung verwendet man einen
Folien-Kondensator mit sehr geringer dielektrischer Absorption. Auch sollte kein abgeschirmtes 50-Ohm-Kabel verwendet werden,
Tabelle 2: Messwerte
Eingangs-Ruheströme
bei unterschiedlichen
Eingangswiderständen
da es zu einem Tribo-elektrischen Effekt
kommen kann. Es sind nur starre Verbindungen einzusetzen. Der Messaufbau ist angelehnt an [2] Seite 6. Auf eine gute Abschirmung des Kondensators ist zu achten. Bewährt haben sich Zeiten von 100 bis 1000 s,
je nach Größe des Ruhestroms. Auf der Anzeige des Labor-Multimeters ist die Spannung abzulesen und in Formel 3 einzusetzen
(siehe hier auch die Tabelle 2).
Der Einfluss des EingangsRuhestroms
Den größten Eingangs-Ruhestrom zeigten
die Geräte von Keithley und Hameg bei 10
GOhm. Bei einem Widerstand von 10 MOhm
ist der Einfluss des Eingangs-Ruhestroms bei
allen Geräten nicht praxisrelevant. Bei genauen Messungen in hochohmigen Schaltkreisen ist der hohe Eingangswiderstand von
>10 GOhm wegen des geringeren Messfehlers
empfehlenswert, dennoch ist der Betrag und
das Vorzeichen des Eingangs-Ruhestroms
des Labor-Multimeters zu bestimmen, um
eine Abschätzung des Fehlereinflusses zu
erhalten oder mit dem Überlagerungssatz
exakt zu bestimmen.
Es ist zu beachten, dass pro TemperaturErhöhung von 10 °C sich die Eingangs-Ruheströme verdoppeln. Der entsprechende Messaufbau im Bild 7 und die zugehörige Formel 3
liefern zusammen und ohne Umwege den
Eingangs-Ruhestrom.
// HEH
Ingenieure in über 50 Ländern
vertrauen auf den vektoriellen
Netzwerkanalysator Bode 100.
Denn Bode 100 bietet präzise
Messergebnisse, einfachste Bedienung und ein unschlagbares
Preis-Leistungsverhältnis.
Messen Sie von 1 Hz bis 40 MHz:
• Regelkreisstabilität
• Eingangs- & Ausgangsimpedanz
• Bauteilimpedanzen
• EMV Filtereigenschaften
Gm
Mag(Gain)/dB
𝜑𝜑𝜑𝜑m
Phase(Gain)/°
Hochschule Albstadt-Sigmaringen
Quellen
[1] Vorlesungsmanuskript Elektrotechnik/Elektronik Hochschule Albstadt Studiengang WIW.
[2] AN-83: Jim William, Todd Owen, Performance
Verification of Low Noise Low Dropout Regulators, Linear Technology.
[3] LTC1540 Datasheet, Nanopower Comparator
with Reference, Linear Technology.
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
13
Smart Measurement Solutions®
LABORMESSTECHNIK // TRAGBARES OSZILLOSKOP
TITELSTORY
Labormesstechnik ist empfindlich
und für den Einsatz im Feldeinsatz mit
Feuchtigkeit nicht ausgelegt. Doch
ist es für unterschiedliche Messungen notwendig, präzise Messgeräte
zu verwenden. Ein Handheld-Scope
kommt häufig dort zum Einsatz, wo
elektrische Antriebe, Leistungselektronik oder elektrische Versorgungen
für Industrieanlagen gewartet und
geprüft werden müssen. Dazu ist es
allerdings notwendig, dass das Messgerät unter anderem über isolierte
Eingangskanäle verfügt oder für die
Messkategorie CAT IV nach IEC 610101 zertifiziert ist. Außerdem sollte der
Anwender schnell das Menü überblicken können, ohne sich intensiv mit
dem Handbuch zu beschäftigten.
14
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
LABORMESSTECHNIK // TRAGBARES OSZILLOSKOP
Handheld-Oszilloskop
für den Einsatz im Feld
Messtechnik in Laborqualität für den rauen Feldeinsatz: Das verspricht
Rohde & Schwarz mit dem R&S Scope Rider. Das Gerät vereint fünf
Messgeräte und ist mit Bandbreiten bis zu 500 MHz verfügbar.
MARKUS HERDIN *
Sporadische Störungen aufspüren und analysieren
Ein ungünstiges Leiterplattendesign einer
Steuerbaugruppe kann zu elektromagnetischen Einkopplungen führen, die Funktionsstörungen bis hin zum Totalausfall des Systems auslösen können. Besonders bei unkla-
* Dr. Markus Herdin
... ist Senior Marketing Experte für
Oszilloskope bei Rohde & Schwarz in
München.
Bilder: Rohde & Schwarz
E
lektronische Systeme werden oft in
rauen Umgebungen, wie im Industrieund Produktionsumfeld, oder schlecht
erreichbaren Orten, wie beispielsweise auf
Schiffen, eingesetzt. Häufig funktionieren
diese Systeme im Entwicklungslabor einwandfrei, zeigen aber in der eigentlichen
Arbeitsumgebung unerwartete Störungen.
Funktionsstörungen treten oft nur sporadisch auf, die Ursachen sind selten sofort
ersichtlich. Mögliche Fehlerquellen sind
vielfältig und reichen von unzureichender
elektrischer Netzqualität über Installationsfehler bis hin zu unerwarteten Einkopplungen elektromagnetischer Felder in empfindliche Steuerelektronik. Auch bei einem Feldeinsatz müssen Ursachen schnell gefunden
werden, um die Ausfallzeiten gering zu halten. Helfen würde ein Laboroszilloskop. Allerdings sind beispielsweise bei einem mobilen Einsatz im Automobilbau aufwendige
Vorbereitungen notwendig, wie die Installation von Wechselrichtern, um die Stromversorgung der Oszilloskope herzustellen. Für
diese Lücke bietet Rohde & Schwarz den R&S
Scope Rider, mit dem Messungen in allen
elektrischen Umgebungen bis zu der in IEC
61010-1 definierten Messkategorie CAT IV
möglich sind. Zudem ist die Messlösung
durch ein robustes IP51-Gehäuse ausreichend vor Staub oder Spritzwasser geschützt.
Einsatz im rauen Feld: Der R&S Scope Rider ist eine Handheld-Messlösung, um elektrische Antriebe, Leistungselektronik oder auch die elektrische Versorgung von Industrieanlagen zu überprüfen und zu warten.
ren Fehlerbildern ist eine hohe Akquisitionsrate wichtig. Sie sorgt dafür, dass
unerwartete und selten auftretende Signalfehler sichtbar werden, ohne dass explizit
auf den Fehlerzustand getriggert werden
muss. Das ist oft gar nicht möglich, weil dazu
Vorwissen über das Fehlersignal erforderlich
wäre. Der R&S Scope Rider ermöglicht durch
sein Dual-Core-on-a-Chip-System eine Akquisitionsrate von bis zu 50.000 Signalformen pro Sekunde und liegt damit in der Laborklasse der Oszilloskope – vergleichbare
Handheld-Oszilloskope schaffen bis zu
100 Akquisitionen pro Sekunde und können
sporadische Fehler nicht ohne explizite Triggerung anzeigen. Wurde das Fehlersignal
einmal erfasst, hat der Anwender meistens
ausreichend Information darüber und kann
mit den weiteren Analysefunktionen des Oszilloskops dem Fehler auf den Grund gehen.
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
Der dargestellte Anwendungsfall (Bild 1)
zeigt einen unerwarteten Signalverlauf in
einer Taktleitung, einen sogenannten RUNTPuls: Seine Amplitude ist zu klein, um korrekt verarbeitet zu werden. Dieser Pulsfehler
tritt regelmäßig, aber sehr selten auf. Er
konnte nur aufgrund der hohen Akquisitionsrate erfasst werden. Mit einer typischen
Bildwiederholrate von 25 Bildern pro Sekunde zeigt das Oszilloskop mit jedem Update
des Bildschirms bis zu 2000 Signalformen
und macht jede einzelne Abweichung vom
gewollten Signalverlauf sichtbar. Selbst ein
einzelner fehlerhafter Signalverlauf wird
deutlich sichtbar. Sind Signalfehler identifiziert, lassen sie sich mit speziellen Oszilloskop-Funktionen isolieren und weiter analysieren. Im Beispiel bietet der RUNT-Trigger
die Möglichkeit, exakt auf den fehlerhaften
Puls zu triggern und nur diese Signalsequen-
15
LABORMESSTECHNIK // TRAGBARES OSZILLOSKOP
unterschiedlich hohe Spannungsspitzen
schadensfrei überstehen und die Sicherheit
des Anwenders garantieren. Der R&S Scope
Rider ist bis zu einer Effektivspannung von
600 V für CAT-IV-Umgebungen spezifiziert
und bis 1000 V für CAT-III-Umgebungen, Bild
3. Auch die Schnittstelleneinheit des Oszilloskops mit digitaler Logikschnittstelle, USBund LAN-Anschluss ist galvanisch vom Gerät
und von den Eingangskanälen getrennt.
Dadurch ist es risikolos möglich, höhere
Spannungen über die analogen Messkanäle
zu kontaktieren und gleichzeitig digitale
Steuersignale zu analysieren oder das Gerät
über LAN fernzusteuern (Bild 4).
Bild 1: Nur die hohe Signalerfassungsrate von bis zu
50.000 Signalformen pro
Sekunde macht es möglich,
seltene Signalfehler wie
diesen RUNT-Puls sichtbar zu
machen.
Bild 2: Mit der HistoryFunktion können vergangene
Akquisitionen gespeichert
und im Nachhinein analysiert
werden. Im Beispiel zeigt der
relative Zeitstempel, dass
fehlerhafte RUNT-Pulse nur
alle 10 ms auftreten.
zen herauszufiltern. Mit der History-Funktion
(Bild 2) lassen sich automatisch bis zu 5000
vergangene Akquisitionen zur späteren Analyse abzuspeichern. Jede Akquisition wird
mit einem Zeitstempel versehen und kann
später abgerufen werden.
Leistungselektronik und elektrische Installationen messen
Ein häufiges Anwendungsgebiet von
Handheld-Oszilloskopen ist es, elektrische
Antriebe, Leistungselektronik oder elektrische Versorgung von Industrieanlagen zu
überprüfen und zu warten. Bei herkömmlichen Oszilloskopen mit gemeinsamer Mas-
Das Handheld-Oszilloskop
vereint fünf Messgeräte
severbindung und zwei Eingangskanälen
kommt es zu einem Kurzschluss, werden
versehentlich Masse- und Signalanschluss
vertauscht. Mit isolierten Eingangskanälen
wird dieses Risiko vermieden. Ein weiterer
Vorteil ist die differenzielle Funktionsweise
der isolierten Kanäle. In vielen Anwendungen, in denen differenziell gemessen werden
muss, kann dadurch auf teure aktive Differenztastköpfe verzichtet werden. Ein wichtiges Sicherheitsmerkmal eines Messgeräts für
berührungsgefährliche Spannungen ist seine
Messkategorie nach IEC 61010-1 und die maximale Effektivspannung, für die es zertifiziert ist. Abhängig davon muss das Messgerät
Die Fehlerdiagnose im Feld erfordert oft
sehr unterschiedliche Messfunktionen. Aus
diesem Grund wurden im R&S Scope Rider
neben der Oszilloskopfunktion noch vier
weitere Messinstrumente integriert:
„ Logikanalysator mit acht zusätzlichen digitalen Kanälen (Bild 5),
„ Protokollanalysator mit Trigger- und Dekodier-Funktion zur Fehlersuche in seriellen Protokollen,
„ Datenlogger zur Langzeitüberwachung
sowie
„ digitales Voltmeter in der 4-Kanal-Ausführung oder digitales Multimeter im 2-Kanal-Gerät.
Zwischen den verschiedenen Gerätemodi
kann schnell über die blaue Mode-Taste gewechselt werden. Geräte-Setups werden automatisch beim Wechsel zwischen Gerätemodi übernommen. Beispielsweise können
automatische Messfunktionen bequem im
Oszilloskop-Modus aktiviert werden, der
Wechsel in den Datenloggermodus übernimmt die voreingestellten Messungen und
startet die Datenakquise. Das HandheldScope kann sowohl von Ingenieuren als auch
Bild 3: Die Messkategorien nach IEC 61010-1 im Überblick.
16
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
LABORMESSTECHNIK // TRAGBARES OSZILLOSKOP
Bild 4: Durch das Konzept der
isolierten Eingangskanäle
werden Kurzschlüsse bei
versehentlichem Vertauschen
von Masse und Signalanschluss an zwei OszilloskopEingängen verhindert.
Messungen an Leistungselektronik können gefahrlos
durchgeführt werden.
Für Sensoren
und Leistungselektronik…
Bild 5: Der R&S Scope Rider
ist das erste HandheldOszilloskop mit digitaler
Logikschnittstelle (MixedSignal-Oszilloskop); mit ihm
kann der Anwender selbst
serielle Protokolle triggern
und dekodieren.
von Support- und Wartungspersonal verwendet werden. Deshalb war bei der Entwicklung
des Geräts das Bedienkonzept ein zentraler
Punkt. Bedient wird das Handmessgerät per
Touch-Display oder alternativ über Tasten
und dem multifunktionalen Einstellrad. Ein
einmaliger Tastendruck aktiviert, ein weiterer Tastendruck deaktiviert die entsprechende Messfunktion. Direkt in das Einstellungsmenü der jeweiligen Messfunktion kommt
der Anwender über einen langen Tastendruck. Bei der grafischen Bedienoberfläche
erlauben farbcodierte Kanalindikatoren die
Zuordnung von Messergebnissen zu den entsprechenden Eingangskanälen. Mess- und
Trigger-Funktionen sowie weitere Einstellungen werden durch dedizierte Grafiken erläutert, ein Nachschlagen im Handbuch erübrigt
sich in den meisten Fällen. Für gefährliche
oder unangenehme Messsituationen kommt
das WLAN-Modul zum Einsatz. Damit etabliert das Gerät seinen eigenen WLAN-Hotspot. Die Bedienung erfolgt über Notebook
oder Tablet-PC und einem Webbrowser. Als
2-Kanal-Gerät ist das Handheld-Oszilloskop
mit zusätzlichem Multimeterkanal oder als
4-Kanal-Gerät mit digitaler Voltmeterfunktion der Oszilloskopkanäle erhältlich. Das
Gerätespektrum umfasst Bandbreiten von
60, 100, 200, 350 und 500 MHz. Alle Geräte
sind auch als Mixed-Signal-Oszilloskop erhältlich. Eine große Auswahl an Ausstattungsmerkmalen steht zur Personalisierung
per Keycode zur Verfügung.
// HEH
Rohde & Schwarz
IS-LINE liefert
Rund-um-Betreuung
von Ihrer ersten Idee bis zu
Ihrem fertigen Produkt.
16
T 20
TES 46
+
R
1
SO
SEN 5 / Stand
e
Hall
„Der R&S Scope Rider ist ein Oszilloskop,
das sowohl im mobilen Einsatz für Wartung und Service
als auch im Labor eingesetzt werden kann.“
IS-LINE GmbH
Tel. 089 / 374 288 87-0
[email protected]
Jörg Fries, Leiter Fachgebiet Oszilloskope bei Rohde & Schwarz
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
… setzen wir alles
in Bewegung
17
www.is-line.de
OSZILLOSKOPE // GRUNDLAGENWISSEN
Die Spezifikationen eines
Oszilloskops und was sie bedeuten
Plant eine Entwicklungsabteilung ein neues Oszilloskop, dann werden
im Vorfeld Datenblätter verglichen, um das möglichst passendste
Gerät zu finden. Doch worauf sollte man genau achten?
THOMAS STÜBER *
Das Oszilloskop und das
Datenblatt: Um die Spezifikationen eines Oszilloskops
zu verstehen, lohnt der Blick
in die Datenblätter. Doch was
sagen die Parameter aus?
D
atenblätter sind ein wichtiges und oft
verwendetes Informationsmaterial
bei der Auswahl eines neuen Produkts. Oftmals ist aber gerade interessant,
was nicht oder nur klein gedruckt in einem
Datenblatt steht. Dies gilt auch für Oszilloskope, das in der Praxis am häufigsten eingesetzte Messgerät. Schaut man sich die aktuellen Hochglanzprospekte der Anbieter an,
so gibt es keinen Hersteller, der nicht die
Qualität der Signaldarstellung hervorhebt.
Doch was nützt eine die Signaldarstellung,
wenn es dabei zu Messfehlern kommt? Unser
Beitrag zeigt einige mögliche Ursachen für
* Thomas Stüber
... ist Leiter Applikation beim Messtechnik-Spezialisten Teledyne LeCroy
in Heidelberg.
18
Messungenauigkeiten bei modernen Oszilloskopen und zeigt, wo diese Spezifikationen
im Datenblatt zu finden sind. Außerdem gibt
es Tipps, wie Sie das für Sie richtige Messgerät finden und dieses dann optimal einsetzen
können.
Die wesentlichen Paramter
bei einem Oszilloskop
Als ersten Parameter gehen wir auf die
analoge Bandbreite ein. Sie ist als die Frequenz definiert, bei der die Eingangsspannung um 1/√2 (-3 dB) gedämpft wird. Man
bezeichnet diesen Wert auch als -3-dB-Grenze. In der Praxis wird ein Signal bei dieser
Frequenz um fast 30% zu gering dargestellt.
Wie verhält sich nun die Amplitudengenauigkeit bis zu dieser Grenzfrequenz? Leider
finden sich in den meisten Datenblättern
hierzu keine Angaben und theoretisch sind
alle Fehler, die kleiner als 3 dB (also fast
30%), erlaubt. Da jeder Hersteller den typischen Frequenzgang seiner Geräte kennt,
lohnt es sich durchaus diese Spezifikation
beim Hersteller genauer zu erfragen. Spannungsgenauigkeit: Der Amplitudenfehler
beträgt bei der Grenzfrequenz bis zu 30%.
Doch wie verhält es sich mit der Amplitudengenauigkeit? Die Amplitudengenauigkeit für
DC findet sich im Datenblatt. Allerdings geben die Hersteller hier einen Prozentwert von
Full-Scale, also von der Vollaussteuerung an.
Damit ist dieser Fehler größer als es die Angabe im Datenblatt vermuten lässt. Misst
man beispielsweise ein Signal mit 1 V im
Bereich 500 mV/Div, so bezieht sich der Fehler nicht auf die 1 V des Signals, sondern auf
500 mV/Div multipliziert mit der Anzahl der
vertikalen Einteilungen. Geht man von den
üblichen acht Einteilungen aus, so errechnet
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
OSZILLOSKOPE // GRUNDLAGENWISSEN
Bild 1a: Ein Oszilloskop mit einer Auflösung von 8 Bit (links) und mit einem Software-Filter (rechts).
Bild 1b: Ein Oszilloskop mit einer Auflösung von 12 Bit (links) und mit einem Software-Filter (rechts).
sich der Fehler aus 8 x 500 mV = 4 V. Hat ein
Oszilloskop einen DC-Fehler von 2%, so ergibt sich ein maximaler DC-Fehler von 80 mV
oder effektiv 8% bezogen auf die zu messenden Spannung von 1 V.
Wird zur besseren Darstellung das Signal
auf dem Bildschirm des Oszilloskops vertikal
verschoben, (also der 0-V-Level aus der Mitte der Anzeige mit dem Offset-Regler nach
oben oder unten bewegt) kommt zusätzlich
noch ein Offsetfehler hinzu. Dieser liegt
meistens in der gleichen Größenordnung wie
der DC-Fehler.
Auflösung: Ein digitales Speicheroszilloskop wandelt analoge Signale nicht kontinu-
ierlich, sondern in diskrete Stufen in digitale Werte um. Am häufigsten kommen A/DWandler mit 8 Bit zum Einsatz, die ein Signal
mit 28 = 256 Amplitudenstufen wandeln. Ein
Signal von 1 V kann damit im Idealfall mit 40
mV aufgelöst werden. Dazu muss das Signal
mit 1 V den vollen A/D-Wandler-Bereich aussteuern. Das bedeutet, dass Signale, die nur
den halben Bildschirm füllen (wenn zwei
Signale übereinander dargestellt werden)
nur mit maximal 128 Stufen gewandelt werden. Inzwischen gibt es auch DSOs mit verbauten A/D-Wandler und einer Auflösung
von 12 Bit = 4096 Amplitudenstufen. Die
Auflösung eines A/D-Wandlers lässt sich mit
Bild 2: Die Definition eines Pulses nach dem Standard IEEE.
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
19
OSZILLOSKOPE // GRUNDLAGENWISSEN
Hilfe von Software mathematisch verbessern. Das wird als HiRes, ERES oder HDAuflösung bezeichnet. Allerdings hat das
Verfahren auch Nachteile. Da zur Erhöhung
der Auflösung dabei Abtastpunkte mathematisch verrechnet werden, geht die Bandbreite deutlich zurück. Problematischer ist,
dass diese Verfahren immer davon ausgehen,
dass es im Signal Rauschanteile gibt, die
spektral gleich verteilt sind (weißes Rauschen). Das gilt nicht immer oder nicht in
dem Bereich der Daten, die zusammen gefasst werden, damit sind die Ergebnisse deutlich schlechter als mit einer direkten Abtastung mit einem höher auflösenden A/DWandler.
Zeitmessung: Bei Zeitmessungen sind Oszilloskope wesentlich genauer. Der Anwender sollte allerdings einige wichtige Punkte
beachten. Zunächst betrachten wir die Anstiegszeit. Für eine korrekte Messung entscheidet die Definition eines Pulses nach
IEEE. Hier wird bei einem Puls zwischen
Base und Minimum sowie zwischen Top und
Maximum unterschieden. Ein Puls kann ei-
nen Über- oder Unterschwinger haben, der
für die Messparameter, wie die Anstiegszeit,
unberücksichtigt bleiben soll. Um den Baseoder Topwert korrekt zu berechnen, muss ein
Histogramm über die Amplitude gebildet
werden. Anhand dieses Histogramms kann
der Base- und Topwert bestimmt werden. Für
ein Histogramm müssen die Messgeräte viel
rechnen. Fehlt diese Histogramm-Bildung,
so werden Parameter wie Pulsbreite oder
Frequenz, die diese Top- und Basewerte als
Referenz benötigen, um die korrekten 50%
des Amplitudenwerts zu finden, falsche Werte liefern. Ein weiterer Schwachpunkt ist oft,
dass nur ein Teil der Kurve oder nur die Bildschirmpunkte zur Berechnung der Messwerte herangezogen werden.
Trigger: Nur durch den Trigger entsteht ein
stehendes Bild. Bereits Einstiegsmodelle
bieten Trigger auf Pulsbreiten oder digitale
Bitmuster an. Einen Blick auf die Triggerbandbreite des Flankentriggers im Datenblatt sollte man auch nicht vergessen. Vor
allem dann, wenn man sich ein DSO mit einer
Bandbreite über 1 GHz zulegen möchte. Die
Bild 3: Die minimale messbare Anstiegszeit hängt bei transienten Signalen auch von der Abtastrate ab.
Bild 4: Eine sinx/x-Interpolation verbessert nur bei genügend hoher Abtastrate das Ergebnis. Bei zu geringer Abtastrate wird das Signal verfälscht. Faustformel: Bei sinx/x mindestens drei Punkte auf der Flanke.
20
Bandbreite sollte ≥ der analogen Bandbreite
sein. Es wäre ärgerlich, wenn ein DSO mit 8
GHz ein Signal nicht sicher erfassen kann,
da die Triggerbandbreite auf 3 GHz begrenzt
ist. Je mehr Trigger-Funktionen, umso mehr
Chancen bei kniffligen Signalen das Problem
schnell zu lokalisieren. Nicht alle im Datenblatt aufgeführten Funktionen sind in Hardware realisiert. Oft sind es lediglich SoftwareTrigger. Sie überwachen das Mess-Signal
nicht mit einer Hardware in Echtzeit auf das
Triggerereignis, sondern durchsuchen die im
Speicher befindlichen Werte nach einem Ereignis und sind für sporadische Ereignisse
ungeeignet.
Abtastrate: Gibt an, mit welchem zeitlichen Abstand das Oszilloskop ein Signal
abtastet. Man unterscheidet zwischen der
Abtastrate für Einzelerfassungen (Single
Shot) und repetierende Erfassungen. Solche
werden als RIS = Random Interleave Mode
oder ET = Equivalent Timing Mode bezeichnet. Durch eine Mehrfachabtastung des Signals wird eine zeitlich feinere Auflösung als
bei einer Einzelerfassung ermöglicht. Dieser
Erfassungsmodus lässt sich nur für wiederkehrende Signale anwenden. Für die notwendige Abtastrate gibt es einen theoretischen
Wert, der sich aus dem Nyquist-Theorem
ableitet. Es reichen theoretisch zwei Abtastwerte pro Periode, um ein Sinussignal wiederherzustellen. Interessanter ist der praktische Ansatz, eine schnelle Signalflanke zu
messen. Gemessen wird im Beispiel (Bild 3)
eine Flanke mit einer Anstiegszeit von 350 ps
und das mit drei unterschiedlichen Abtastraten: Blau mit 10 GS/s, Rot mit 5 GS/s und
Gelb mit 2,5 GS/s. Werden die echten Abtastwerte dargestellt, so wird die Flanke mit 5
GS/s noch ausreichend dargestellt. Die Flanke bei 2,5 GS/s wird mit deutlich zu wenig
Punkten dargestellt. Auf die Messwerte bezogen, ist nur die Messung mit 10 GS/s (P3)
korrekt. Häufig besitzen die DSOs Funktionen wie sinx/x-Interpolation (Bild 4). Für
eine bessere Signaldarstellung lassen sich
die erfassten Punkte mit einer Sinusfunktion
verbinden. Selbst das mit 2,5 GS/s zu gering
abgetastete Signal sieht mit der Funktion
optisch gut aus. Um Fehlmessungen zu verhindern gilt als Faustformel, dass eine Flanke mit mindestens drei Punkten abgetastet
werden sollte. Für die Auswahl eines DSOs
gilt im Umkehrschluss, dass die Abtastrate
so gewählt werden sollte, dass diese Bedingung erfüllt ist. Für ein DSO mit einer Bandbreite von 1 GHz und einer Anstiegszeit von
350 ps ist eine Abtastrate von 350 ps/3 also
100 ps bzw. 10 GS/s ideal.
// HEH
Teledyne LeCroy
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
AKTUELLE PRODUKTE // MESSTECHNIK
MESSEN VON KLEINEN STRÖMEN
Ströme von 100 pA bis 10 A
Einen Analysator, der dynamisch
Ströme bis hinab zu 100 pA mit
einer Bandbreite von 200 MHz
misst, bringt Keysight Technolgies auf den Markt. Die Messgeräte tasten mit 1 GSa/s über einen
Dynamikbereich von 14 oder
16 Bit ab. Mit den Betriebsstromanalysatoren der Familie Keysight CX3300 lassen sich Geräte
mit hochfrequenten, transienten
Strömen charakterisieren. Die
Analysatoren bieten einen 14,1''
Multi-Touch-WXGA-Bildschirm
mit grafischer Benutzeroberfläche und sind mit Mess- und Analysesoftware ausgestattet.
Mit der Messlösung lassen sich
transiente Ströme sehr genau
messen, selbst wenn es sich um
sehr schmale Impulse <100 ns
handelt. Davon profitieren Entwickler von Halbleiterbauelementen oder hoch-entwickelten
Speicherbausteinen, weil sich
damit Signale visualisieren lassen, die bisher nicht messbar
waren. Zudem erfassen die Analysatoren den Zeitverlauf von
Betriebsströmen elektronischer
Geräte erfassen, ganz gleich, ob
sich das Gerät im Sleep/ Standby- oder aktiven Zustand befindet. Entwickler sind dadurch
besser in der Lage, die Stromoder Leistungsaufnahme ihrer
Produkte zu quantifizieren und
zu minimieren.
Keysight Technologies
INSTALLATIONSTESTER
Elektrische Anlagen überprüfen
Der Profitest Intro von Gossen
Metrawatt prüft auf Wirksamkeit
von Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen, wie sie in der
IEC 60364-6 (DIN VDE 0100-600)
und anderen länderspezifischen
Normen gefordert sowie in den
einzelnen Abschnitten der DIN
EN 61557 (VDE 0413) definiert
sind. Mit dem Messgerät wird die
Messkategorie 600 V CAT III /
300 V CAT IV garantiert und es
erlaubt zudem die Messung der
Berührspannung über Fingerkontakt. Zu den weiteren technischen Details gehört die Niederohmmessung für Schutz- und
Potentialausgleichleiter mit automatischer Polaritätsumkehr
sowie eine exakte Messung der
Netzinnen- und Fehlerschleifenimpedanz mit Offset-Management ohne RCD-Auslösung und
Spannungsfall.
Zudem prüft der Profitest Intro
RCD Typ A, AC, F, B, B+, EV, MI,
G/R, SRCDs und PRCDs mit kontinuierlich ansteigender Rampe,
Auslösezeit und Auslösestrom.
Eine Isolationsmessung mit ansteigender Rampe ist ebenfalls
möglich. Gewonnene Messdaten
lassen sich individuell im Messwertspeicher über sechs Ebenen
für ungefähr 50.000 Objekte/
Messwerte speichern.
Gossen Metrawatt
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
21
MESSBAR MEHR
BEGEISTERUNG.
Wie man höchste Zufriedenheit erreicht? Eigentlich ganz
einfach: Man bietet die größte Produktauswahl, die beste
Beratung und einzigartige Qualität.
Jetzt erfreuen lassen unter: www.datatec.de
Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte
MESSDATENERFASSUNG // GRUNDLAGENWISSEN
Die vertikale und horizontale
Skalierung bei einem Oszilloskop
Für brauchbare Messergebnisse mit einem Oszilloskop muss man sich
mit der vertikalen und horizontalen Auflösung auseinandersetzen. Dabei spielt auch die Auflösung des A/D-Wandlers eine wichtige Rolle.
DANIEL BOGDANOFF *
Bild 1: Eine unpassende Einstellung für die Zeitbasis bei einem Taktsignal von
100 kHz.
D
amit man aus einem Oszilloskop gute
Ergebnisse bekommt, sind einschlägige Fachkenntnisse notwendig.
Denn bei steigenden Geschwindigkeiten und
kleiner werdenden Spannungen werden die
Reserven für Signale ebenfalls kleiner. Dank
der digitalen Oszilloskope konnten viele bisher manuelle Messungen automatisiert werden. Für eine präzise Messung sind richtiges
Skalieren und die Bitauflösung entscheidend. Nach dem Einschalten des Scopes lässt
sich dieses feiner einstellen. Dazu werden
die Messparameter geändert, die Messkurve
mit einem Cursor abgefahren oder Statistikdaten der Messung angezeigt. Eine wesentliche Einstellung ist die Skalierung. Sie beeinflusst die Abtastrate und die Bitauflösung.
Horizontale und vertikale Skalierung haben
unterschiedliche Auswirkungen auf die Mes-
* Daniel Bogdanoff
... ist Produkt-Manager für Oszilloskope bei Keysight Technologies in
Colorado Springs.
22
Bild 2: Hier ist die Zeitbasis mit 1,2 µs/div besser eingestellt und es lassen sich
Informationen aus der Messung ziehen.
sung. Die horizontale Skalierung (Zeitbasis)
ist relevant bei zeitbezogenen Messungen.
Ändert man die Zeitbaiseinstellung, also die
Zeit pro Skalenanteil, wird auch die Erfassungszeit des Oszilloskops geändert. Und die
Erfassungszeit beeinflusst wiederum die
Abtastrate nach folgender Gleichung: Abtastrate = Speichertiefe / Erfassungszeit. Die
Speichertiefe ist ein fester Wert und die Erfassungszeit wird durch die Zeitbasiseinstellung des Oszilloskops festgelegt. Mit zunehmender Erfassungszeit muss die Abtastzeit
sinken, damit die erfassten Signaldaten noch
vollständig in den Speicher des Scopes passen. Vor allem für zeitbezogene Messungen
wie Frequenz, Impulsbreite oder Anstiegszeit
ist das wichtig. Möchte man bei einer Frequenz eines Taktsignals von 100 kHz messen,
erhält man bei einer Zeitbasis von 2 ms/s
erhält man für die Frequenz einen Messwert
von 99,6 kHz mit einer Standardabweichung
von 1,48 kHz. Die Abtastrate beträgt 100 MS/s
infolge der langsamen Zeitbasis. Wird das
gleiche Signal mit einer Zeitbasis von 1,2 µs/
div anstatt 2 ms/div gemessen, so beträgt die
durchschnittlich gemessene Frequenz
100,00 kHz bei einer Standardabweichung
von 1,53 Hz. Die Messunsicherheit beträgt
etwa 0,001%. Im Beispiel wurde ein Gerät
der Serie InfiniiVision 4000 X von Keysight
verwendet. Bei diesem beträgt im Beispiel
die Abtastrate 5 GS/s. Dank entsprechender
Horizontalablenkung lässt sich die Samplingfrequenz maximieren und die Standardabweichung um Faktor 1000 verbessern.
Der Einfluss der vertikalen
Skalierung auf die Messung
Die vertikale Skalierung (Eingangsempfindlichkeit) ist für Messungen wichtig, bei
denen es auf die Amplitude ankommt. Das
sind beispielsweise Spitze-Spitze, Effektivwert, Maximum oder Minimum. Als Beispiel
dient wieder das Signal mit 100 kHz. Gemessen werden soll die Spitze-Spitze-Spannung.
Bei 770 mV/div ergibt sich ein Messwert von
681 mV bei einer Standardabweichung von
18,1 mV. Ändert man die vertikale Skalierung,
erhält man einen Durchschnittswert von
512,5 mV bei einer Standardabweichung von
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
MESSDATENERFASSUNG // GRUNDLAGENWISSEN
Bild 3: Das Eingangs- und Ausgangssignal bei einem A/D-Wandler mit einer
Auflösung von 2 Bit.
1,2 mV. Wieso wirkt sich die vertikale Skalierung auf die Genauigkeit der Messung aus?
So wie die horizontale Messung die Abtastrate beeinflusst, wird sich die vertikale Messung auf die Auflösung des A/D-Wandlers
aus. Ein A/D-Wandler mit einer Auflösung
von 2 Bit (Bild 3) verfügt über vier vertikale
Quantisierungsstufen. Bei einem A/D-Wandler mit 3 Bit erbeben sich acht mögliche Stufen (23 = 8). Das analoge Signal wird wesentlich genauer umgesetzt (Bild: 4).
Ein Oszilloskop mit einer
Auflösung von 8 Bit
Viele Oszilloskope haben eine Auflösung
von 8 Bit. Die volle Höhe des Signalfensters
auf dem Bildschirm steht bei 256 Stufen. Ein
Digitaloszilloskop verwendet die quantisierte Kurvenform für seine Messungen. Die nu-
Bild 4: In diesem Graph sind die Eingangs- und Ausgangssignale eines A/DWandlers mit einer Auflösung von 3 Bit dargestellt.
merischen Messwerte sind umso genauer, je
besser der A/D-Wandler das Signal umsetzt.
Skaliert man das Signal so, dass die Auflösung des Oszilloskops maximal ausgenutzt
wird, erhält man einen erheblich genaueren
Vpp-Messwert. Misst man mit einem Kanal
den Strom und mit dem anderen die Spannung, muss man beide Kanäle auf die volle
Bildschirmhöhe aufziehen und darf sie nicht
untereinander darstellen. Das ist ein typisches Beispiel für eine Leistungsmessung.
Wird für beide Einzelmessungen nur die halbe Bildschirmhöhe verwendet, nutzt das
Scope nicht die volle Auflösung. Es sei angemerkt, dass die Auflösung eines Oszilloskops
nur ein Teil des gesamten Systems ist. Bezüglich der Auflösung muss immer der volle
Signalpfad beachtet werden. Darunter fallen
auch externe Faktoren wie Messwertaufnah-
me mit dem Tastkopf oder Störsignale des
Systems. Aber auch interne Faktoren wirken
sich aus, wie etwa das Grundrauschen des
Oszilloskops. Ist der Störpegel entsprechend
hoch, zeigt die höhere Auflösung nicht den
genaueren Messwert an, sondern mehr Rauschen.
Der Messtechniker sollte wissen, welche
Einstellungen das verwendete Oszilloskop
bietet. Denn nur mit korrekt eingestellten
Parametern erhält man valide Messdaten.
Und mit genaueren Messdaten hat der Entwickler eine gute Basis, um sein System zu
verifizieren und Fehler zu diagnostizieren.
Dazu gehören korrekte die Skalierung der
Abtastrate und der Auflösung eines Oszilloskops.
// HEH
Keysight Technologies
We connect the industry
Ihr Lösungspartner
• Designberatung
• Kostenoptimierung
• Bemusterung
• Serienfertigung
• Logistikleistungen
alles aus einer Hand
MC Technologies GmbH
Kabelkamp 2 – 30179 Hannover
Anspruchsvolle Kabelkonfektionslösungen zugeschnitten auf Ihre A
Anwendungen
d
–
zuverlässig, schnell und kostengünstig realisiert. Wir verwenden Steckverbinder
von namhaften Herstellern wie MOLEX, Binder, JST oder AMP Tyco
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
Tel. +49 (0)511 67 69 99 - 0
Fax +49 (0)511 67 69 99 - 150
www.mc-technologies.net
www.mct-shop.net
[email protected]
23
MESSDATENERFASSUNG // MIXED-SIGNAL-OSZILLOSKOP
Dekodierung und Protokollanalyse
von seriellen Bussen
Serielle Busse lassen sich mit dem PicoScope analysieren. Das MixedSignal-Oszilloskop wird über USB 3.0 an einem PC angeschlossen und
die Auswertung erfolgt über die mitgelieferte Software.
M
it seriellen Bussen lassen sich Kosten beim Design einsparen und sie
bieten einige Verbesserungen gegenüber parallelen Buskommunikationssystemen. Als erstens müssen weniger Signalleitungen auf einem PC-Board untergebracht
werden, so dass die PC-Boards kostengünstiger werden. Ferner ist die Anzahl an Ein-/
Ausgangsanschlüsse jedes Bauelements
geringer, so dass die Gehäuse der ICs als auch
der Boards einfacher in der Konstruktion und
kostengünstiger werden. Einige der Bussysteme sind differenziell ausgelegt und damit
besser gegen Rauschen geschützt. Es gibt
daher eine große Anzahl an seriellen Busprotokollen bzw. –systemen, jedes optimiert für
die einzelnen speziellen Betriebsbedingungen mit unterschiedlicher Komplexität, unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeiten, Leistungsverbrauch, unterschiedlicher Fehlertoleranz und natürlich den Kosten.
Obwohl serielle Busse ganz unterschiedliche Vorteile bieten, können sie bei der Fehlersuche einige Probleme bereiten. Der
Grund: Die übermittelten Daten, die in Datenpaketen oder -frames übertragen werden,
müssen nach dem verwendeten Bussystem
dekodiert werden, bevor der Anwender den
Informationsfluss interpretieren bzw. kontrollieren kann. Ein manuelles Auszählen des
Impulsstromes der binären Datenfolge ist
viel zu sehr fehlerbehaftet und kostet unnötig viel Zeit. Der Messtechnik-Hersteller Pico
Technology bietet eine Lösung an, um die
gängigsten seriellen Bussysteme zu dekodieren, damit Anwender die Vorgänge in ihren
Designs aufnehmen, Programmierfehler und
Timingfehler oder auch andere Signalverfälschungen erkennen oder um die Gesamtleis-
* Klaus Höing
... ist für die Öffentlichkeitsarbeit bei
dem Messtechnik-Distributor dataTec
in Reutlingen zuständig.
24
Bilder: dataTec
KLAUS HÖING *
Serielle Busse dekodieren und
analysieren: Mit dem PicoScope und
einem Rechner, auf dem die Software
PicoScope 6 läuft, lassen sich die
Datenpakete untersuchen.
tung des Systems optimieren bzw. verbessern
zu können. Mit allen Oszilloskopen lassen
sich die Busprotokolle aufnehmen; die Decodierung und Darstellung auf dem PC erledigt die Software Picoscope 6.
Wie sich die Messdaten dekodieren lassen
Die serielle Dekodierung ist in PicoScope
6 standardmäßig integriert. Die dekodierten
Daten lassen sich entweder als Graph, in einer Tabelle oder zusammen darstellen. Im
Bild 1 werden die dekodierten Daten zusammen mit der analogen Kurvenform über einer
gemeinsamen Zeitachse dargestellt, wobei
fehlerhafte Frames in rot gekennzeichnet
sind. In die Frames kann hineingezoomt werden und aufgenommene analoge Kanäle
können zeitsynchron dargestellt werden, um
Timing-Fehler oder Signalfehler zu identifizieren, die die Ursache von Datenfehlern
darstellen. Im Tabellenformat wird die Liste
der dekodierten Frames inklusive aller Daten, Flags und Identifizierungsmerkmale
aufgeführt. Es lassen sich Filterbedingungen
einrichten, damit nur die Frames angezeigt
werden, die von Interesse sind. Oder es kann
auf Frames mit spezifischen Eigenschaften
gefiltert werden oder es lässt sich ein Bitmuster suchen, ab dem das Programm die Datenfolge aufzeichnen soll.
Standardmäßig dekodieren die Geräte:
1-Wire, ARINC 429, CAN, DCC, DMX512, Ethernet 10Base-T and 100Base-TX, FlexRay, I²C,
I²S, LIN, PS/2, SENT (FAST / SLOW), SPI,
UART (RS-232 / RS-422 / RS-485) und USB.
Durch einen kostenfreien „upgrade“ können
in Zukunft weitere Busprotokolle vom Netz
geladen werden. Die Daten lassen sich in den
Zahlenformaten Hexadezimal, Binär, ASCII
oder im Dezimalformat darstellen. Für eine
bessere Lesbarkeit der Daten kann sie sich
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
MESSDATENERFASSUNG // MIXED-SIGNAL-OSZILLOSKOP
Bild 1: Eine typische Graph-Darstellung einer dekodierten Datenpaketfolge.
Bild 2: Das Suchergebnis nach den vom Anwender eingegebenen Suchkriterium; hier: C0 C0 C0.
Bild 3: Eine Selektion nach Datenfolge.
der Anwender durch einen „Link-File“ in
Klartext umwandeln. Beispielsweise die
HEX-Adresse 03DF in „Öl-Temperatur“. Mit
dem integrierten Speicher lassen sich hunderte oder tausende an seriellen Datenpaketen aufnehmen. Es gibt mehrere Möglichkeiten nach entsprechenden Paketen im Speicher zu suchen. Die Such-Methode: Es lässt
sich nach Datenpaketen suchen (Bild 2), die
den vom Anwender spezifizierten Werten
entsprechen. In der geteilten Display-Ansicht
lassen sich die Daten sowohl in Graph-Darstellung als auch in der Tabellendarstellung
anzeigen, so dass man den Bezug zur analogen Pulsfolge, den dekodierten Paketen, der
Zeitachse, und in der unteren Bildhälfte die
Position im tabellarischen Listing hat. Die
einzelnen Pakete, die das Filterkriterium er-
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
25
MESSDATENERFASSUNG // MIXED-SIGNAL-OSZILLOSKOP
Bild 4: Die Statistik-Methode gibt Aufschluss über die insgesamt aufgenommenen Datenpakete und stellt
die Messwerte beispielsweise der maximalen, minimalen und die Differenz der Amplitudenwerte als auch
die Paketstart- und -end-Zeiten wie auch die Paket-Dauer zusammen.
füllen, lassen sich aus dem im Speicher befindlichen Datenstrom für eingehende Untersuchungen selektieren.
Die Filter-Methode: In diesem Modus werden die Daten entsprechend dem vom Anwender definierten Datenwort gelistet, Bild
3. Als Kriterium für die Selektion ist hier der
Dateninhalt (Spalte „Daten“) eines Paketes
maßgebend. In der Liste sind alle Datenpakete mit dem im Filter definierten Dateninhalt aufgeführt. Die Statistik-Methode: Mit
dieser Methodenart, Bild 4, werden das Timing und die Spannungsamplitude jedes
Paketes untersucht. Es kann damit festgestellt werden, ob die Toleranzspielräume für
das Timing, dazu gehören Start/Ende und
Paket-Übertragungsdauer und die Spannungswerte Min, Max bzw. Spannungshub
und Rauschen, eingehalten werden. Damit
lässt sich die Zuverlässigkeit des Designs
über eine Vielzahl an Datenübertragungsperioden sicherstellen.
Durch den Link-File (Bild 5) werden die
hexadezimalen Feldgrößen in eine lesbare
Form gebracht, so dass sie sich wesentlich
leichter analysieren lassen. So könnte eine
Adresse wie „7E“ in der Tabelle als „Motordrehzahl“ ausgegeben werden. Der Link-File
kann direkt automatisch aus allen Adressen
erstellt werden, wobei die Bedeutung der
einzelnen Adressen manuell einmal eingegeben werden muss. Das Bild 6 zeigt eine
Möglichkeit, die Messdaten für die Dokumentation in Excel darzustellen.
// HEH
dataTec
Bild 5: Für das erste Datenpaket wird in der Tabelle unter ID „Key position“, was unter der Adresse „91 A2
B3 C0“ im Link File hinterlegt ist. In der oberen Display-Hälfte lassen sich in dem eingeblendeten gelblich
hinterlegten Feld auch die physikalischen Daten anzeigen.
Bild 6: Alle Daten lassen sich auch zu Dokumentation-Zwecken und einer späteren Offline-Analyse in eine
Excel-Datei speichern.
26
PicoScope der Serie
MSO 3000 im Detail
Die Serie MSO 3000 von PicoScope
sind Mixed-Signal-Oszilloskope mit
insgesamt 16 Logik-Kanälen (MSO),
um gemischte Schaltungen zu analysieren. Sie sind für USB 3.0 ausgelegt
und bieten eine analoge Bandbreite
bis zu 200 MHz. Alle Modelle verfügen über eine Sampling-Rate von
1 GS/s und unterstützen verschiedene Mathematik-, Statistik, automatische Mess- und Triggerfunktionen.
Zu den unterstützten Bussen gehören
CAN, LIN, I²C, RS232/UART, FlexRay,
SENT und SPI. In das Gerät in ein
Spektrum-Analysator integriert. Mit
der notwendigen Energie wird das
Gerät via USB (nur zwei Kanal) oder
externem Netzteil versorgt.
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
AKTUELLE PRODUKTE // MESSTECHNIK
HANDOSZILLOSKOP
Messwerte automatisch anzeigen
Das industrielle Handoszilloskop Fluke ScopeMeter der Serie
120B hilft dem Techniker bei der
Fehlersuche in komplexen elektromechanischen Systemen.
Ausgestattet ist das Messgerät
mit der Connect-and-View-Technik, die Signalmuster erkennt
und automatisch Triggerung,
Amplitude und Zeitbasis veranlasst. So entfällt das typische
Herumprobieren. Wenn die Signalform erfasst wurde, wählt die
IntellaSet-Messtechnik basierend darauf automatisch die
wichtigsten Messwerte und zeigt
sie beispielsweise als Veff und Hz
für Netzspannung oder VSpitzeSpitze und Hz für eine Rechteckwelle an. So lassen sich mögliche
Signalfehler einfach identifizieren und charakterisieren.
Die Serie 120B verfügt außerdem über eine Funktion, die
schwer zu erfassende Ereignisse
erfassen kann. Außerdem ist es
mit dieser Funktion möglich, in-
Ohne RFID kein Industrie 4.0!
MAGIC-PCB® – Leiterplatten mit
Embedded RFID
termittierende Ereignisse zu erfassen und solche Ereignisse
aufzuzeichnen, die eine zuvor
festgelegte Schwelle überschreiten. Techniker sehen wichtige
Ereignisse so noch schneller und
müssen sich nicht länger durch
große Datensätze arbeiten. Die
Serie ist Teil eines Systems für
drahtlose Messgeräte, die in die
Cloud geladen werden können.
Fluke
SOFTWARE-OSZILLOSKOP
Prozessdaten darstellen
Vor dem Hintergrund von Industrie 4.0 und Big Data gewinnt die
Datenerfassung an Maschinen
immer mehr an Bedeutung. Dabei müssen die Prozessdaten
über den Lebenszyklus der Maschine hinweg in zeitlich korrekter Reihenfolge, mit höchster
Performance und grafisch übersichtlich dargestellt und analysiert werden. Mit dem TwinCAT
3 Scope von Beckhoff Automati-
on lassen sich zeitliche Verläufe
bis zu Auflösungen im μs-Bereich
darstellen. Aufgrund seiner Multicore-Fähigkeit ist das TwinCAT
Scope auch für große Aufnahmen mit mehreren hundert Variablen geeignet. Anwenderfreundlich ist die Integration im
Microsoft Visual Studio.
Dem Maschinenentwickler
steht ein Charting-Tool zur Verfügung, mit dem das Engineering
während der Applikationsentwicklung, aber auch die Prozessüberwachung einfacher wird. In
Kombination mit den Softwaremodulen TwinCAT Analytics und TwinCAT IoT lassen
sich erfasste Prozessdaten lokal
oder in der Privat- bzw. PublicCloud analysieren. Die Darstellung der Signale erfolgt wahlweise in YT-, XY- oder in BalkenDiagrammen.
Besuchen Sie uns auf dem Gemeinschaftsstand Fertigungslinie „Future Packaging“
Halle 6
4A
Stand 43
Beckhoff Automation
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
27
www.pcb-pool.com
SPEKTRUMANALYSE // EMI-TEST
Brauchbare Messergebnisse auch
als EMV-Quereinsteiger
Hat Ihr Produkt die EMV-Zulassung nicht bestanden? Wir geben einen
Überblick über den Pre-Compliance-Test und zu EMI-Anforderungen,
Equipment und Messungen.
Bilder: Rigol
THOMAS ROTTACH *
für die erneute EMV-Zulassung ist bereits
bekannt. Im Folgenden Text geben wir Ihnen
einen Überblick über EMI-Anforderungen,
Equipment und Messungen, damit Sie auch
als EMV-Quereinsteiger brauchbare Messergebnisse erhalten.
Ein Überblick über das
Themengebiet EMV
Spektrum-Analysator DSA800: Für Quereinsteiger in das Gebiet der EMV eignen sich die Einstiegsgeräte
von Rigol, um brauchbare Messergebnisse zu bekommen.
E
ine nicht bestandene EMV-Zulassung
ist für ein Unternehmen aus der Entwicklung nicht nur teuer, da ein erneuter Zulassungsversuch ansteht, sondern es
verzögern sich auch neue Produkte, die auf
den Markt gebracht werden sollen. Der Zeitverlust ist zum einen bedingt durch das ReDesign und zum anderen dadurch, dass
EMV-Labore oft über Wochen ausgebucht
sind. Mit einem ordentlich ausgestatteten
Spektrum-Analysator mit integrierter EMITest-Option (DAS815) bietet Rigol eine günstige Lösung an. Denn die günstigen Kosten
* Thomas Rottach
... ist Application Engineer bei Rigol
Technologies in der europäischen Niederlassung Puchheim bei München.
28
bei der Anschaffung amortisieren sich, wenn
man gleich den Zulassungstest besteht. Um
eine konkrete Zahl zu nennen: Das Pre-Compliance-Test-Setup kostet, abhängig von der
Ausführung, zwischen 3000 und 5000 Euro.
Entwicklungslabore suchen aus der Not
heraus nach einem nichtbestandenen Test
nach einem geeigneten Testequipment. Die
Vertriebskanäle beraten entsprechend auf
Grundlage des durchgefallenen Test und
schlagen eine entsprechende Konfiguration
vor. Allerdings müssen entsprechende Messungen ausgeführt werden und da oft kein
EMV-Spezialist im Team ist, muss der Hardwareentwickler selbst ran. Also wird das
Setup aufgebaut, alles verkabelt und mit dem
Messen begonnen. Dementsprechende sehen die Ergebnisse aus: Sie sind nicht exakt
wie in einem EMV-Labor und das Ergebnis
Das Themengebiet der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) teilt sich auf in:
„ Abgabe von elektromagnetischen Störungen und
„ Störfestigkeit gegen elektromagnetische
Störungen.
Jeder der beiden Teilbereiche ist wieder
aufgeteilt in zwei Kopplungspfade wie Luft
und Leitung. So entstehen vier verschiedene
Testszenarien (Bild 1). Am häufigsten treten
Probleme bei der Messung von abgegebenen
Störungen auf. Zugekaufte, günstige Schaltnetzteile, welche in Systeme verbaut werden,
sind oft der Grund für Probleme mit leitungsgebundenen Störungen. Unvorsichtig verlegte Leiterbahnen, auf denen Taktsignale anliegen, wirken wie Antennen und strahlen
entsprechend Leistung ab, welche bei Messungen der Abstrahlung zu Tage treten.
Im Mittelpunkt der Messungen steht das
Messgerät. EMV-Testlabore verwenden für
Zulassungsmessungen ausschließlich EMVMessempfänger. Diese Geräte sind alle zu
CISPR 16 (EMC Messequipment-Normung)
konform. Ein Testreceiver zeichnet sich dadurch aus, dass er eine hohe Empfindlichkeit, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
der Messungen bietet. Mit den Spezifikationen steigt allerdings auch der Anschaffungspreis. Um empfindliche und genaue EMVMessungen ausführen zu können, muss eine
entsprechende Umgebung wie ein reflektionsfreier Raum vorhanden sein bzw. weiteres
normkonformes Equipment (Netznachbildung – LISN) zur Verfügung stehen. Da man
letztendlich nicht um eine Abnahmemessung im zertifizierten Labor herumkommt,
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
SPEKTRUMANALYSE // EMI-TEST
Alles
zuerst
online!
Bild 1: Die elektromagnetische Verträglichkeit wird in
zwei Bereiche unterteilt. Für
den anstehenden EMV-Test
gibt es insgesamt vier Testszenarien.
Der Spektrum-Analysator
und was er bieten sollte
Eine gute und günstige Möglichkeit bietet
ein Spektrum-Analysator mit integrierten
EMI-Filtern und dem Quasi-Peak-Detektor.
So eine Lösung ist beispielsweise die Serie
DSA800er von Rigol. Kombiniert man diesen
mit einer, an CISPR16 angelehnten Netznachbildung, lassen sich bereits gute Ergebnisse
für leitungsgebundene Störungen erzielen.
Um diese Ergebnisse absolut bewertbar machen zu können, müssen Korrelationsmessungen erfolgen. Im Idealfall hat man zwischen zwei bis drei Berichte von zertifizierten
Zulassungsmessungen (bestanden oder
durchgefallen) und kann exakt diese getesteten EUTs (Equipment Under Test) mit dem
Pre-Compliance-Testsystem im eigenen Labor nachmessen. So erhält man eine Aussage, wie weit das eigene Messergebnis von der
echten Messung im EMV-Labor entfernt ist
und kann das bei zukünftigen Messungen
mit einplanen. Auch für relative Messungen
können Spektrum-Analysatoren gut verwendet werden. Ein Beispiel hierfür ist die Echtzeit-Überprüfung von Entstörungsmaßnahmen. Dabei lassen sich leitungsgebundene
Störungen relativ einfach und gut selber
vormessen.
Wesentlich schwieriger wird es, wann man
die Abstrahlung messen möchte. Anstatt einer Netznachbildung, welche die leitungsgebundenen, hochfrequenten Störungen
auskoppelt, wird eine Antenne verwendet,
um die Abstrahlung zu erfassen. In einem
Raum ohne Unterdrückung der Reflexionen
wird die abgestrahlten Frequenzen mehrfach
empfangen (Reflexionen an den Wänden).
Zudem misst man ohne Abschirmung des
Raumes gegen Fremdeinstrahlung von außen jegliche Signale der Umgebung mit wie
Mobilfunk oder FM-Radio. Ohne entsprechende Vorkehrungen kann man kaum aussagekräftige Ergebnisse erzielen. Zumal noch
hinzukommt, dass ein Spektrum-Analysator
das ganze Spektrum auf einmal empfängt.
Das ist einer der kritischsten Unterschiede
zum Messempfänger. Der Empfänger hat einen schmalbandigen, abstimmbaren Bandpass vorgeschaltet, so dass nur kleine Teile
des Frequenzbandes den Empfänger erreichen und selektiv gemessen werden kann.
Im schlimmsten Fall wird der Eingang eines
& (( )& %
,&( %$
+% *
)(#
% &
)
,&( %
$
)
& &
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
%!
%((
) , % ( )
&()
() &+%
&&(% (
)&( +! %
%
& " -) & ) &
$
&
'
#
#&
#
##
##
# ##
& (!
##
#
&&#
#
#
#
#
#
#
&(
*%
& )
(
,& -)
)&(
& # #
)
)&(
&(
&(
%
&(
(%#
%*
(( (
&(
+%!
((-%
(-%(
!%
-)
(
)
(%(
%
%%( ) % (
(
%
)
() % (
,&(
% %( &&
"
"
)(-%
#
! % (% !
(
&(
(+
(+
&& (( %
#
&&"
) -)
)
& %"((
& )
&
$"
)
&(
) ,
&( "
(-+% (% & &+# &&( %&&#
# $
( (%
(%!
) ! #%!)
)( (%!
#%
(
(
#
# !%
GRFXPHQW
LQG
G & (%
(
&&
)(! &
(&%)
+% %(
)) ( ) ( *% (
# !(
G LQG
GRFXPHQW
Wussten Sie schon, dass alle
Fachartikel der ELEKTRONIKPRAXIS
Redaktion zuerst online erscheinen?
Bleiben Sie auf dem Laufenden und
verschaffen Sie sich einen
Informationsvorsprung mit
www.elektronikpraxis.de.
Sie finden dort außerdem:
Whitepaper
Webcasts
Business Clips
Firmendatenbank
Messeinterviews
Bildergalerien
u.v.m.
Schauen Sie doch mal rein!
Bild 2: Ein typisches TestSetup, um leitungsgebundene Störungen einfach
und gut selbst vorzumessen.
---> www.elektronikpraxis.de
29
www.vogel.de
07256
ist eine Investition in Messempfänger, Kammer oder LISN für viele Anwendungen nicht
zu empfehlen. Allerdings sollte man sich
vorab Gedanken um sogenannte Abschätzungsmessungen machen und nicht blind
zur EMV-Prüfung zu gehen.
www.elektronikpraxis.de
SPEKTRUMANALYSE // EMI-TEST
Bild 3: Bei kleinen Testobjekten (DUTs) ist es sinnvoll, eine TEM-Zelle zusammen
mit einem Spektrumanalysator einzusetzen. Im Bild ist hinter der TEM-Zelle das
Modell DSA815 zu sehen.
Spektrum Analysators von einem starken
Störer der Umgebung, außerhalb des gemessenen Frequenzbandes, das beispielsweise
FM-Radio-Sender umfasst, übersteuert und
der Eingangsverstärker generiert selbst Störungen, welche dargestellt werden. Diese
stammen allerdings nicht vom EUT. Es gibt
trotzdem Möglichkeiten, qualitativ eine Aussage über die Performance seines Messobjektes zu bekommen. Dazu gehören beispielsweise Freifeldmessungen mit EMVZelten. Eine weitere Möglichkeit bei kleinen
DUTs ist der Einsatz von TEM-Zellen. Ein
Beispiel ist die im Bild 3 zusammen mit dem
Rigol DSA815 dargestellte TEM-Zelle. Nahfeldsonden wie das NFP-3-Set von Rigol sind
ein weiterer Teil eines Pre-Compliance-Paketes. Die Sonden werden verwendet, um
aufgespürte Probleme aus Messungen mit
der TEM-Zelle einzugrenzen und punktgenau
die Quelle der unerwünschten Abstrahlung
zu finden.
Anschließend lassen sich auf Basis dieser
Messungen dort Entstörmaßnahmen einbringen. Bei einer normgerechten Messung
Bild 4: Die Nahfeldsonde NFP-3 ist ein Teil des Pre-Compliance-Pakets. EMVProbleme lassen sich mit ihr eingrenzen und punktgenau die Quelle der unerwünschten Abstrahlung finden.
Bild 5: Die Bildschirmdarstellung
für eine Beispielmessung. Die
EMI-Software unterstützt den Entwickler dahingehend, dass sie ihn
Arbeit abnimmt und den Gesamtbereich in kleinere Frequenzbereiche zerlegt. Zudem berechnet die
Software die Einzelscandauer und
übernimmt das Datenhandling.
ist der Frequenzbereich mit Start- und Stoppfrequenz, die Auflösung (Frequenzabstand
zwischen den Messpunkten), die Messzeit
pro Punkt, der Detektor und die zu verwendende Auflösebandbreite definiert. Des Weiteren sind in den verschiedenen Normen
auch die einzuhaltenden Grenzwerte definiert. Ein Messempfänger ist dazu optimiert
und entsprechend können diese Einstellungen direkt vorgenommen werden oder sogar
fertig integrierte Standards geladen werden.
Flexibles und bezahlbares Testsystem
für einen Pre-Compliance-Test
Mit dem Einsatz von Standard-Komponenten mit der entsprechenden Messtechnik ist es möglich, ein flexibles und
bezahlbares Testsystem für die EMVPrüfung zu konfigurieren, um damit einen Pre-Compliance-Test auch in einem
überschaubaren finanziellen Rahmen zu
halten. Man kann hier von einem mone-
30
tären Einsatz von weniger als 3300 Euro
rechnen. Verwendet man die Nah-FeldSonden von Rigol sowie der erweiterten
und einfach zu bedienenden EMI-PCSoftware, wird sich diese kompakte Lösung schnell rentieren. Interessant ist
das gerade für kleine und mittlere Unternehmen und Entwicklungsbüros.
Auch hier muss bei Messungen mit dem
Spektrum-Analysator besonders Rücksicht
genommen werden. Durch die Definition
Start- / Stoppfrequenz und dem Abstand zwischen den Messpunkten ergibt sich eine Anzahl von geforderten Messpunkten. Die Anzahl von Messpunkte kann leicht Werte von
10.000 und mehr erreichen. Einfache Spektrum-Analysatoren bieten nur zwischen 601
bis 3001 Messpunkte pro Scan an und es wird
hier auch keine Messdauer pro Punkt eingegeben, sondern nur die Zeit eines gesamten
Sweeps.
Um keine Lücken in der Messung zu haben
oder zu kurz zu messen, muss der Anwender
auf den Taschenrechner zurückgreifen und
den gesamten Scan in kleinere Bereiche aufteilen und auch auf Basis der Punkte und der
Messzeit pro Punkt die richtige Sweepzeit
berechnen. Als ein Beispiel nehmen wir eine
Messung der leitungsgebundenen Störungen. Die Vorgaben: Startfrequenz = 150 kHz,
Stoppfrequenz = 30 MHz, Auflösebandbreite
(RBW) = 9 kHz (EMI-Filter), Messzeit pro
Punkt = 10 ms, nach CISPR empfohlener Abstand der Punkte = RBW/2 (4,5 kHz). Daraus
ergibt sich eine Anzahl von Messpunkten von
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
SPEKTRUMANALYSE // EMI-TEST
PRAXIS
WERT
zuverlässige
kontaktierung
Spektrum-Analysatoren von Rigol
Die Serie der Spektrum-Analysatoren
DSA800 von Rigol und die höhere
Leistungsklasse DSA832/875 bieten
ein SSB-Phasenrauschen von -98
dBc/Hz bei einem Offset von 10 kHz.
Damit lassen sich Signale im Umfeld
von Modulationssignalen und dem
umgebenden Rauschen analysieren.
Vor allem bei der Fehlersuche und
bei Störfestigkeitstests von Sendeund Empfangssystemen ein wichtiges Messwerkzeug. Mit der Option
DSA800-EMI sind EMI-Filter und der
Quasi-Peak-Detektor für sogeannte
Pre-Compliance-Messungen verfügbar. Als Zubehör bietet bietet der Hersteller eine VSRW-Messbrücke bis 3,2
GHz. Der Frequenzbereich startet bei
1 MHz und reicht bis 3,2 GHz. Damit
lassen sich Eingangs- und Ausgangsspannungen an 50 Ohm beispielsweise eines Filters messen oder Antennen anpassen.
6334. Der verwendete Spektrum-Analysator
DSA815 bietet 601 Punkte pro Scan. Dazu
muss man den Gesamtsweep in 6634/601 =
11,04 Sub-Sweeps aufteilen. Daraus folgt:
Sub-Sweep 1: 150 kHz bis 2,8545 MHz; SweepTime = 6,01 s; Sub-Sweep 2: 2,8545 MHz bis
5,559 MHz; SweepTime = 6,01 s und so weiter.
Alle Werte händisch eingestellt ist sehr
fehleranfällig und zeitintensiv. Zusätzlich
muss man nach jedem Sweep die Daten separat speichern und hinterher manuell wieder zu einem Gesamtsweep zusammenkopieren. Um dem Anwender die Arbeit abzunehmen, hat Rigol eine EMI-Software für seine
Spektrum-Analysatoren entwickelt, welche
die Zerlegung des Gesamtbereichs in kleinere Frequenzbereiche, die Berechnung der
Einzelscandauer und das Datenhandling
übernimmt. Ferner können die aufgezeichneten Daten direkt im Graph gegen Standardlimits aufgetragen werden und einzelne
Spitzen automatisch gesucht und selektiert
werden. Das Bild 5 zeigt eine entsprechende
Beispielmessung, bei der die EMI-Software
den Anwender unterstützt.
// HEH
Rigol
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
Kontaktstifte für den
Kabelbaum- und Steckertest
→ Positionsbestimmung mit Schaltstiften
→ Lageprüfung mit Tellernadeln
→ Verrastprüfungen
MESSDATEN ERFASSEN // SENSORIK
MEMS-Sensoren überwachen die
Qualität von Raumluft
Bild: Erwin Wodicka - [email protected]
Bei einem Niedrigenergiehaus ist der Luftaustausch unterbunden. Für
entsprechende Zufuhr von Frischluft müssen verschiedene Gase detektiert werden. Hier helfen MEMS-gefertigte Gassensoren.
MEMS-Sensoren überwachen Raumluft: Bei einem Niedrigenergiehaus ist der Luftaustausch unterbunden.
Um die Zufuhr von Frischluft zu regeln, müssen Gase detektiert und Konzentrationen gemessen werden.
32
standteile des Probengemischs. Ein gravierender Nachteil dieser Halbleiter-Gassensoren ist jedoch ihre geringe Selektivität auf
einzelne Gase. Hier kann durch Kombination
mehrerer ähnlich reagierender Sensoren und
einer alternativen Auswertung ihrer Signale
Acht Sensoren analysieren
das Luftgemisch
Um die entsprechenden Daten aufnehmen
zu können, wird ein Array von insgesamt
acht Gassensoren, einem Temperatur- und
Luftfeuchtesensor sowie drei Drucksensoren
in einem Manifold eingebaut, durch das ein
Luftgemisch unter kontrollierten Bedingungen eingezogen und analysiert werden kann
(Bild 1) [3]. Die Daten werden mithilfe des
Interface von LabVIEW for Arduino aufgenommen (Kasten), ebenso die Steuersignale
für die Vakuumpumpe und die Ein-/Auslassventile generiert. Der Arduino wird per USB
mit einem Rechner verbunden. Die Datenaufnahme und -darstellung sowie die Steuerung übernimmt LabVIEW. Die Messdaten
werden anschließend in einen achtdimensionalen Vektor übertragen (Bild 2), der im
zeitlichen Verlauf ein wiederholbares Muster
erzeugt, dessen Form mit früher aufgenommenen Kurven verglichen und auf Ähnlichkeit untersucht werden kann [4].
Der gewählte vektorielle Ansatz erlaubt
unter Laborbedingungen eine Unterscheidung einzelner Gase. Eine beliebig scharfe
Trennung für alle in der Datenbasis vorhandenen Gase ist derzeit aber noch nicht mög-
Bilder: National Instruments
I
m Zuge der Energiewende geht der Trend
in der Bauwirtschaft hin zum sogenannten Niedrigenergiehaus, sowohl im privaten als auch im öffentlichen Sektor. Ein Teil
der Energieeinsparung wird hier durch eine
entsprechende Dämmung erzielt, was wiederum zu einer erhöhten Dichtigkeit gegenüber der Umgebungsluft führt. Der somit
unterbundene Luftaustausch führt beispielsweise zu einem Anstieg der Konzentration
von CO2 im Haus. Um die Zuführung von
Frischluft entsprechend regeln zu können,
müssen Gase detektiert und Konzentrationen
gemessen werden. Die Gasmessung mit
MEMS-Sensoren bietet hier einen vielversprechenden Ansatz.
Zur kontinuierlichen Überwachung der
Luftqualität vor Ort können MEMS-gefertigte
Gassensoren [1] als empfindliche Sensoren
eingesetzt werden. Dabei liegt das Interesse
primär auf der schnellen Reaktion und weniger auf der genauen Analyse der Einzelbe-
ein charakteristisches „Duftbild“ einer Probe
aufgenommen und durch Vergleich mit erlernten Duftbildern identifiziert werden [2].
Bild 1: Die schematische Darstellung des Sensormoduls.
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
MESSDATEN ERFASSEN // SENSORIK
lich. Aktuell wird diese Arbeit fortgesetzt mit
dem Ziel, den Hardwareaufbau auf die myRIO-Plattform zu übertragen und somit eine
flexiblere Messung vor Ort zu ermöglichen.
Der Beitrag ist dem Kongressband „Virtuelle Instrumente in der Praxis 2015“ entnommen. Autoren des Beitrages sind Marc Schriefers, Lasse Wagner, Jost Göttert, Tobias Kaltenecker und Georg Toszkowski vom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der
Hochschule Niederrhein – University of
Applied Sciences, Krefeld.
// HEH
Bild 2: Ein 3-D-Vektorpattern
von Methanol.
National Instruments
[1] SGX Sensortech: The MiCS-6814 is a compact
MOS sensor with three fully independent sensing elements on one package. SGX Sensortech,
CH-2035, Corcelles-Cormondrèche.
[2] P. Boeker:;Elektronische Nasen: das methodische Konzept und seine Problematik, Teil 1 und
2. In: Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft 70,
2010.
[3] L. Wagner: Grundlegende Untersuchungen zu
einem autonomen Sensormodul für die Luftüberwachung. Masterarbeit Hochschule Niederrhein, Krefeld, 2014.
[4] M. Schriefers: Vektorbasierte Auswertung von
Gassensor-Arrays. Bachelorarbeit Hochschule
Niederrhein, Krefeld, 2015.
LabVIEW-Interface zu Embedded-Plattformen
Mit LINX im LabVIEW MakerHub ist es
Entwicklern möglich, eine Schnittstelle zu gängigen Embedded-Plattformen
zu etablieren. Dazu gehören chipKIT,
Arduino und NI myRIO sowie häufig genutzte Sensoren, darunter Beschleunigungsmesser, Temperatursensoren und
Ultraschall-Abstandssensoren. Sobald
die gewünschten Daten in LabVIEW geladen sind, können Anwender diese mit
verschiedenen integrierten LabVIEW-Bibliotheken analysieren, Algorithmen zur
Steuerung unterstützter Hardware entwickeln sowie die Ergebnisse auf einer ausgefeilten Benutzeroberfläche darstellen.
Außerdem bietet LINX eine Firmware für
bekannte Embedded-Plattformen, die
als I/O-Engine dienen und ist über eine
serielle, USB- oder Ethernet-Anbindung
als Schnittstelle zu LabVIEW-VI.
xing.com/net/elektronikpraxis
youtube.com/elektronikpraxistv
twitter.com/redaktionEP
facebook.com/elektronikpraxis
gplus.to/elektronikpraxis
09231
Literatur
www.analog-praxis.de
MESSDATEN ERFASSEN // HF-MESSTECHNIK
Mit einem modularen Digitizer
HF-Signale messen
Mit der modular aufgebauten PCIe-Serie M4i lassen sich dank entsprechender Bandbreite und Auflösung auch Leistungen und quadraturmodulierte Signale messen. Wir zeigen, wie das geht.
Bilder: Spectrum Systementwicklung
OLIVER ROVINI *
Modulare Digitizer: Die Serie M4i von Spectrum eignet sich für Messungen von HF-Signalen und unteren Mikrowellenfrequenzen.
D
ie Serie M4i von Spectrum sind modular aufgebaute Digitzer auf Basis
von PCIe und eignen sich unter anderem auch für HF-Messungen und Messungen
im unteren Mikrowellenfrequenzbereich.
Wird beispielsweise ein hoher Messdurchsatz benötigt, dann lassen sich mit dem modularen Mehrkanal-Digitizer Daten mit bis
zu 3,4 GByte/s übertragen. Auch lange Signale, die über mehrere Stunden aufgezeichnet worden sind, lassen sich analysieren. Im
Zusammenspiel mit einem Computer bietet
die Messkarte ihre Vorteile: Die Fehlersuche
an Stromkreisen, Geräten oder innerhalb von
Prozessen und anschließender Analyse und
Verarbeitung der Messdaten.
Der Entwickler hat die Möglichkeit, über
mehrere Kanäle pro Karte und mehrere Karten pro System zu messen. Alle Kanäle sind
dabei vollständig synchronisiert. Modulare
Plattformen wie die Serie M4i ermöglichen
es, die Anzahl an Analog- und Digitalkanälen
zu erhöhen und die Möglichkeiten zur Erzeugung analoger Signale oder von Digitalpattern hinzuzufügen. Damit eignet sich die
Messkarte für MIMO- (Multiple-Input-Multiple-Output-) Studien sowie für MehrkanalKommunikationssysteme.
Worauf bei der Wahl eines
Digitizers zu achten ist
* Oliver Rovini
... ist Technical Director bei Spectrum
Systementwicklung in Großhansdorf
bei Hamburg.
34
Eine HF-Messung erfordert vom Digitizer
drei Haupteigenschaften: Die erste ist die
Bandbreite. Die Digitizer müssen einen Frequenzbereich unterstützen, der der beab-
sichtigten Messung gerecht wird. Als nächste folgt die Auflösung, die den Dynamikbereich der Messung bestimmt. Schließlich
noch die Datenübertragungsrate, die die
Aktualisierungsrate der Messung beeinflusst. In der Tabelle sind die Merkmale mehrerer PCIe-Digitizer des Herstellers Spectrum
aufgeführt, die für HF-Anwendungen in Betracht kommen. Jeder der modularen Digitizer ist über eine PCIe X8-Schnittstelle mit
seinem Hostcomputer verbunden. Die
Schnittstelle bietet eine Datenübertragungsrate von bis zu 3,4 GB/s. Andere DigitizerModelle bieten niedrigere Übertragungsraten.
Ein kurzer Blick auf die in Tabelle aufgeführten Spezifikationen offenbart einen
Kompromiss zwischen Auflösung und Bandbreite. Die Entscheidung für ein bestimmtes
Modell hängt von der jeweiligen Anwendung
ab. Wenn das gemessene Signal ein geringes
Verhältnis von höchster zu niedrigster Amplitude aufweist, ist ein Digitizer mit einer
geringeren Auflösung akzeptabel. Diese Art
von Anwendung, wie etwa die Charakterisierung eines übertragenen Radarsignals, stellt
nur geringe Anforderungen an den Dynamikbereich. Wenn ein Signal hingegen eine Mischung aus hohen und niedrigen Amplitudenanteilen aufweist, ist eine höhere Auflösung erforderlich. Anwendungen wie Software Defined Radio (SDR) und Echoortung
(Radar) erfordern einen großen Dynamikbereich. Das Bild 1 zeigt die aufgezeichnete
Signalform, wie sie nach Anschluss einer
einfachen Antenne an den Eingang der Karte M4i.4450-X8 mit einer Auflösung von 14
Bit durch die Software „SBench 6“ dargestellt
und verarbeitet wird. Abgebildet sind sowohl
der Zeit- als auch der Frequenzbereich der
Signalform.
Das im linken Diagramm dargestellte aufgezeichnete Signal hat eine Spitze-zu-SpitzeAmplitude von 38 mV. Obwohl die schnelle
Fourier-Transformation im rechten Diagramm wie Rauschen aussieht, zeigt sie, dass
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
MESSDATEN ERFASSEN // HF-MESSTECHNIK
Bild 1: Nach Anschluss einer Antenne an den Eingang eines 14-Bit-Digitizers
aufgezeichnetes Signal (linkes Diagramm) mit zugehöriger FFT mit einem Signalfrequenzspektrum von 0 bis 250 MHz (rechtes Diagramm).
der Dynamikbereich des Digitizers mehrere
HF-Quellen erfasst. Der größte Ausschlag ist
ein Signal von 145 MHz mit einer Amplitude
von etwa -36 dBFS (dB bezogen auf den Vollausschlag). Im UKW-Band von 88 bis
108 MHz findet sich ein Sender mit einer
Spitzenamplitude von -50 dBFS. Die Spitzenamplitude zwischen Maximal- und Minimalwert des Grundrauschens beträgt etwa -120
dBFS. Der 14-Bit-Digitizer hat einen Dynamikbereich von etwa 85 dB. Die große,
schnelle Fourier-Transformation (500.000
Punkte) bietet einen Vorteil für die Verarbeitung in Form des zusätzlichen Dynamikbereichs.
Die Software zum Auswerten
der Messdaten
Für die Auswertung der Messdaten lässt
sich die Herstellereigene Software „SBench
6“ verwenden. Software von Drittanbietern
wie MATLAB oder LABView eignet sich ebenfalls. Es kann auch eine kundenspezifische
Software für bestimmte Mess- und Analyseverfahren programmiert werden. In allen
Bild 2: Beispiel einfacher HF-Messungen und der Analyse mit der Software
„SBench 6“. Gemessen werden Frequenz, Amplitude, Impulswiederholungsrate
(Frequenz), Periode, Tastverhältnis und Breite des aufgezeichneten Signals.
Fällen ist eine Treibersoftware verfügbar. Die
aufgezeichnete Wellenform im Diagramm im
Bild 2 oben links ist eine pulsmodulierte
1-GHz-Sinuskurve, die für Radaranwendungen typisch ist. Das Signal wurde direkt an
den Digitizer übertragen, es kann auch über
einen Abwärtswandler gesendet werden,
wenn die Frequenz des Signals oberhalb der
Bandbreite liegt.
Die FFT im Diagramm unten links weist
das Spektrum der aufgezeichneten Wellenform auf. Die Software „SBench 6“ bietet
verschiedene integrierte Messfunktionen.
Die Analyse der Impulszeit erfordert eine
weitere Verarbeitung zur Extraktion der Signaleinhüllenden. Das erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wird die Wellenform durch
analoge Berechnung quadriert, um also die
aufgezeichnete Wellenform mit sich selbst
zu multiplizieren. Das quadrierte Signal wird
mit einem digitalen Tiefpassfilter mit einer
Grenzfrequenz von 10 MHz gefiltert. Dadurch
wird die Restträgerfrequenz von 1 GHz entfernt, wodurch die gewünschte Impulseinhüllende entsteht. Die Messergebnisse zu
Impulsfrequenz, Periode, Breite und Tastverhältnis werden im Info-Fenster zur entsprechenden Impulseinhüllenden dargestellt.
Die von Spectrum entwickelte Messsoftware bietet entsprechende Werkzeuge, um
eine quadratischen Detektion der amplitudenmodulierten Wellenform zu erzeugen,
wodurch direkte Messungen der Impulswellenform-Parameter ermöglicht werden. Mit
den Werkzeugen MATLAB und LABView
zusammen mit dem modularen Digitizer sind
komplexere Demodulationsprozesse möglich. Dadurch sind Frequenz- und Phasendemodulation von Radar-Chirp-Signalen und
Barker-Code-Signalen möglich.
Grundlegende Betrachtung bei
einer Leistungsmessung
Betrachten wir einige grundlegende Leistungsmessungen. Das Quadrat des aufgezeichneten Signals wird erneut verwendet,
um die Momentanleistung der Wellenform
zu berechnen. Die quadrierte Spannung wird
skaliert und durch den Widerstand von
50 Ohm dividiert, wodurch eine in Watt ka-
m revolutionärer
mit
OneTouch
Gestensteuerung
On
E
Extrem leistungsfähig
● Unglaublich
U
einfach
● 500
5 MHz – 4 GHz
●
teledynelecroy.com/wr8000
MESSDATEN ERFASSEN // HF-MESSTECHNIK
Bild 3: Berechnung der Momentan- und durchschnittlichen Leistung einer
digitalisierten Sinuskurve. Die Berechnung der Momentanleistung basiert auf
einer Skalierung des Quadrats des erfassten Signals und dem Dividieren des
Quadrats durch den Widerstand.
librierte Anzeige entsteht. Parameter, die auf
diese Wellenform angewendet werden, lassen sich zur Berechnung der durchschnittlichen Leistung des Signals verwenden. Die
aufgezeichnete Sinuskurve ist im linken Diagramm im Bild 4 zu sehen. Bei den Parametern auf der linken Seite sind die Spitze-zuSpitze- und die effektiven (RMS-) Amplituden des Sinussignals aufgeführt. Das Eingangssignal wird quadriert, indem erneut
die Multiplikationsfunktion der Berechnung
angewendet wird. Die Amplitude der resultierenden Wellenform wird dann durch Än-
Bild 4: Das Bild zeigt eine Aufzeichnung der I- und Q-Anteile des Basisbands
eines 16-QAM-Signals mit Cross-Plot (Statusübergangsdiagramm) der Signale,
die eine Phasen- und Amplitudenvariation sämtlicher sechzehn Datenzustände
aufweisen.
derung der Signaleinstellungen skaliert. So
kann der Benutzer die Anzeige mit benutzerdefinierten Einheiten skalieren. Die Daten
werden skaliert, indem die Werte der quadrierten Wellenform auf der Y-Achse durch den
Widerstand von 50 Ohm dividiert werden.
Auf der Y-Achse sind die Werte in Milliwatt
aufgetragen. Angezeigt wird die Momentanleistung der Quelle. Es wurden zwei Parameter auf die Messung der Wellenform angewendet. Der erste ist der Maximalwert. Hier
wird die gemessene Spitzenleistung aufgezeichnet. Der zweite ist der Durchschnitts-
MODELL
KANÄLE
AUFLÖSUNG
ABTASTRATE (MS/S)
BANDBREITE (MHZ)
M4i.2210-x8
1
8 Bit
1250
500
M4i.2211-x8
2
8 Bit
1250
500
M4i.2212-x8
4
8 Bit
1250
500
M4i.2220-x8
1
8 Bit
2500
1500
M4i.2221-x8
2
8 Bit
2500
1500
M4i.2223-x8
2
8 Bit
2500 (1 Kanal)
1250 (2 Kanäle)
1500
M4i.2230-x8
1
8 Bit
5000
1500
M4i.2233-x8
2
8 Bit
5000 (1 Kanal)
2500 (2 Kanäle)
1500
M4i.2234-x8
4
8 Bit
5000 (1 Kanal)
2500 (2 Kanäle)
1250 (4 Kanäle)
1500
M4i.4450-x8
2
14 Bit
500
250
M4i.4451-x8
4
14 Bit
500
250
M4i.4410-x8
2
16 Bit
130
65
M4i.4411-x8
4
16 Bit
130
65
M4i.4420-x8
2
16 Bit
250
125
M4i.4421-x8
4
16 Bit
250
125
Tabelle: Übersichtstabelle mit Digitizern von Spectrum, die sich für HF- und Mikrowellenmessungen eignen.
36
wert der Leistungswellenform. Das ist die
durchschnittliche oder mittlere Leistung. Die
Genauigkeit der Messungen hängt vor allem
von der Ebenheit des Frequenzgangs des Digitizers ab. Die meisten Breitband-Digitizer
versuchen, die Ebenheit des Frequenzgangs
innerhalb von 0,5 dB zu halten. Das entspricht einer Spannungsunsicherheit von 5%
beim Maximalwert. Sind größere Genauigkeiten notwendig, lässt sich das korrigieren.
Die Analyse der quadraturmodulierten Signale
Der Hochfrequenzbereich bietet zahlreiche
Möglichkeiten für die Mehrkanalanalyse.
Dazu gehört die Analyse der quadraturmodulierten Signale. Die In-Phase- (I) und Quadratur (Q)-Anteile des Basisbands werden
kombiniert, um eine HF-Trägerfrequenz zu
modulieren. Das kann eine einfache Phasenmodulation oder eine Kombination aus Phasen- und Amplitudenmodulation sein. Bild
4 zeigt die Aufzeichnung der I- und Q-Anteile eines quadraturamplitudenmodulierten
Signals mit 16 Zuständen (16-QAM). Das Modulationsverfahren kombiniert zwei serielle
Datenströme miteinander, um vier Datenzustände mit jedem der 16 übertragenen Symbolzustände zu übertragen. In den beiden
Diagrammen auf der rechten Seite sind die
I- und Q-Anteile dargestellt. Werden die Anteile in einem X-Y-Diagramm als Cross-Plot
aufgetragen, kann man die 16 Amplituden-/
Phasenzustände erkennen, die das Komplement dieser Signalcodierung sind. Es gibt 12
unterschiedliche Phasenzustände und vier
zusätzliche Zustände, die dieselben Phasen
bei 45, 135, 225 und 315° verwenden, jedoch
eine geringere Amplitude aufweisen.// HEH
Spectrum Systementwicklung
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
Impressum
REDAKTION
Chefredakteur: Johann Wiesböck (jw), V.i.S.d.P. für die redaktionellen Inhalte,
Ressorts: Zukunftstechnologien, Kongresse, Kooperationen, Tel. (09 31) 4 18-30 81
Chef vom Dienst: David Franz (df), Ressorts: Beruf, Karriere, Management, Tel. -30 97
Verantwortlich für dieses Sonderheft: Hendrik Härter (heh)
Redaktion München: Tel. (09 31) 4 18Sebastian Gerstl (sg), ASIC, Entwicklungs-Tools, Mikrocontroller, Prozessoren,
Programmierbare Logik, SOC, Tel. -30 98;
Franz Graser (fg), Prozessor- und Softwarearchitekturen, Embedded Plattformen, Tel. -30 96;
Martina Hafner (mh), Produktmanagerin Online, Tel. -30 82;
Hendrik Härter (heh), Messtechnik, Testen, EMV, Medizintechnik, Laborarbeitsplätze, Displays,
Optoelektronik, Embedded Software Engineering, Tel. -30 92;
Holger Heller (hh), ASIC, Entwicklungs-Tools, Embedded Computing, Mikrocontroller,
Prozessoren, Programmierbare Logik, SOC, Tel. -30 83;
Gerd Kucera (ku), Automatisierung, Bildverarbeitung, Industrial Wireless, EDA,
Leistungselektronik, Tel. -30 84;
Thomas Kuther (tk), Kfz-Elektronik, E-Mobility, Stromversorgungen, Quarze & Oszillatoren,
Passive Bauelemente, Tel. -30 85;
Kristin Rinortner (kr), Analogtechnik, Mixed-Signal-ICs, Elektromechanik, Relais, Tel. -30 86;
Margit Kuther (mk), Bauteilebeschaffung, Distribution, E-Mobility, Tel. -30 99;
Freie Mitarbeiter: Prof. Dr. Christian Siemers, FH Nordhausen und TU Clausthal; Peter Siwon,
MicroConsult; Sanjay Sauldie, EIMIA; Hubertus Andreae, dreiplus
Verantwortlich für die FED-News: Jörg Meyer, FED, Alte Jakobstr. 85/86, D-10179 Berlin,
Tel. (0 30) 8 34 90 59, Fax (0 30) 8 34 18 31, www.fed.de
Redaktionsassistenz: Eilyn Dommel, Tel. -30 87
Redaktionsanschrift:
München: Grafinger Str. 26, 81671 München, Tel. (09 31) 4 18-30 87, Fax (09 31) 4 18-30 93
Würzburg: Max-Planck-Str. 7/9, 97082 Würzburg, Tel. (09 31) 4 18-24 77, Fax (09 31) 4 18-27 40
Layout: Agentur Print/Online
Spezial-Newsletter
für Elektronik-Profis
Tages-
Wochen-
Themen-
Elektromobilität
Beschaffung
& SCM
Jobs &
Karriere
ELEKTRONIKPRAXIS ist Organ des Fachverbandes Elektronik-Design e.V. (FED).
FED-Mitglieder erhalten ELEKTRONIKPRAXIS im Rahmen ihrer Mitgliedschaft.
VERLAG
Vogel Business Media GmbH & Co. KG, Max-Planck-Straße 7/9, 97082 Würzburg,
Postanschrift:
Vogel Business Media GmbH & Co. KG, 97064 Würzburg
Tel. (09 31) 4 18-0, Fax (09 31) 4 18-28 43
Beteiligungsverhältnisse: Vogel Business Media Verwaltungs GmbH,
Kommanditistin: Vogel Medien GmbH & Co. KG, Max-Planck-Straße 7/9, 97082 Würzburg
Geschäftsführung: Stefan Rühling (Vorsitz), Florian Fischer, Günter Schürger
Publisher: Johann Wiesböck, Tel. (09 31) 4 18-30 81, Fax (09 31) 4 18-30 93
Verkaufsleitung: Franziska Harfy, Grafinger Str. 26, 81671 München,
Tel. (09 31) 4 18-30 88, Fax (09 31) 4 18-30 93, [email protected]
Stellv. Verkaufsleitung: Hans-Jürgen Schäffer, Tel. (09 31) 4 18-24 64, Fax (09 31) 4 18-28 43,
[email protected]
Key Account Manager: Claudia Fick, Tel. (09 31) 4 18-30 89 , Fax (09 31) 4 18-30 93,
[email protected]
Key Account Manager: Annika Schlosser, Tel. (09 31) 4 18-30 90, Fax (09 31) 4 18-30 93,
[email protected]
Marketingleitung: Elisabeth Ziener, Tel. (09 31) 4 18-26 33
Auftragsmanagement: Claudia Ackermann, Tel. (09 31) 4 18-20 58, Maria Dürr, Tel. -22 57;
Anzeigenpreise: Zur Zeit gilt Anzeigenpreisliste Nr. 51 vom 01.01.2016.
Vertrieb, Leser- und Abonnenten-Service: DataM-Services GmbH,
Franz-Horn-Straße 2, 97082 Würzburg, Carsten Lurz, Tel. (09 31) 41 70-4 88, Fax -4 94,
[email protected], www.datam-services.de.
Erscheinungsweise: 24 Hefte im Jahr (plus Sonderhefte).
Verbreitete Auflage: 37.801 Exemplare (IV/2015).
Angeschlossen der Informationsgemeinschaft zur Feststellung der Verbreitung von
Werbeträgern – Sicherung der Auflagenwahrheit.
Bezugspreis: Einzelheft 12,00 EUR. Abonnement Inland: jährlich 235,00 EUR inkl. MwSt.
Abonnement Ausland: jährlich 266,20 EUR (Luftpostzuschlag extra). Alle Abonnementpreise
verstehen sich einschließlich Versandkosten (EG-Staaten ggf. +7% USt.).
Bezugsmöglichkeiten: Bestellungen nehmen der Verlag und alle Buchhandlungen im In- und
Ausland entgegen. Sollte die Fachzeitschrift aus Gründen, die nicht vom Verlag zu vertreten
sind, nicht geliefert werden können, besteht kein Anspruch auf Nachlieferung oder Erstattung
vorausbezahlter Bezugsgelder. Abbestellungen von Voll-Abonnements sind jederzeit möglich.
Bankverbindungen: HypoVereinsbank, Würzburg (BLZ 790 200 76) 326 212 032,
S.W.I.F.T.-Code: HY VED EMM 455, IBAN: DE65 7902 0076 0326 2120 32
Herstellung: Andreas Hummel, Tel. (09 31) 4 18-28 52,
Frank Schormüller (Leitung), Tel. (09 31) 4 18-21 84
Druck: Vogel Druck und Medienservice GmbH, 97204 Höchberg.
Erfüllungsort und Gerichtsstand: Würzburg
Manuskripte: Für unverlangt eingesandte Manuskripte wird keine Haftung übernommen.
Sie werden nur zurückgesandt, wenn Rückporto beiliegt.
Internet-Adresse: www.elektronikpraxis.de www.vogel.de
Datenbank: Die Artikel dieses Heftes sind in elektronischer Form kostenpflichtig über die
Wirtschaftsdatenbank GENIOS zu beziehen: www.genios.de
EDA
VERLAGSBÜROS
Verlagsvertretungen INLAND: Auskunft über zuständige Verlagsvertretungen:
Tamara Mahler, Tel. (09 31) 4 18-22 15, Fax (09 31) 4 18-28 57; [email protected].
AUSLAND: Belgien, Luxemburg, Niederlande: SIPAS, Peter Sanders, Sydneystraat 105, NL-1448
NE Purmerend, Tel. (+31) 299 671 303, Fax (+31) 299 671 500, [email protected].
Frankreich: DEF & COMMUNICATION, 48, boulevard Jean Jaurès, 92110 Clichy,
Tel. (+33) 14730-7180, Fax -0189.
Großbritannien: Vogel Europublishing UK Office, Mark Hauser, Tel. (+44) 800-3 10 17 02,
Fax -3 10 17 03, [email protected], www.vogel-europublishing.com.
USA/Canada: VOGEL Europublishing Inc., Mark Hauser, 1632 Via Romero, Alamo, CA 94507,
Tel. (+1) 9 25-6 48 11 70, Fax -6 48 11 71.
Copyright: Vogel Business Media GmbH & Co. KG. Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck, digitale Verwendung jeder Art, Vervielfältigung nur mit schriftlicher Genehmigung der Redaktion.
Nachdruck und elektronische Nutzung: Wenn Sie Beiträge dieser Zeitschrift für eigene Veröffentlichung wie Sonderdrucke, Websites, sonstige elektronische Medien oder Kundenzeitschriften
nutzen möchten, erhalten Sie Information sowie die erforderlichen Rechte über
http://www.mycontentfactory.de, (09 31) 4 18-27 86.
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
37
www.vogel.de
TESTSYSTEME // HALBLEITER TESTEN
Verschiedene Testinstrumente
vereint in einem Testkopf
Die Testumgebung EVA100 integriert verschiedene Instrumente in
einem modularen Testkopf, um IoT-Halbleiterbausteine zu verifizieren.
Abgerundet wird die Testlösung von einer Software-Suite.
dvantest
Bilder: A
STEFAN DÖLLINGER *
Messsystem EVA100: Die Testlösung für IoT-Halbleiterbausteine verfifziert die Systeme. Im Bild ist das
Modell E (Engineering Modell) abgebildet.
D
as Internet der Dinge (IoT) stellt neue
Ansprüche an die Halbleiterindustrie,
insbesondere an den Test von Halbleiterbausteinen in der Entwicklung und
Produktion. Dem Markt für IoT-Bausteinen
wird von Marktforschern ein rasantes Wachstum vorausgesagt. So wurden beispielsweise
im Jahr 2013 Halbleiter im Wert von rund 15
Mio. US-Dollar in Wearables verbaut; im Jahr
2019 soll alleine dieses Marktsegment einen
Umsatz von 7 Mrd. US-Dollar erreichen.
Auch wenn die Möglichkeiten des IoT im
Moment noch sehr vage sind, so ergeben sich
bereits erste Basisanforderungen an die hierfür benötigten Halbleiterbausteine. Diese
müssen mit ihrer Umwelt interagieren, Zu-
* Stefan Döllinger
... arbeitet als Produkt-Manager bei
Advantest Europe in München.
38
stände messen und regeln und mit ihrem
Umfeld kommunizieren. Die Halbleiterbausteine müssen beispielsweise gewonnene
Daten einer Cloud zur Verfügung stellen und
Steuerbefehle empfangen können. Sie müssen den „smarten Produkten“ eine völlig
autonome Kommunikation ermöglichen, um
so etwa eine Schwarmintelligenz aufzubauen. Dazu muss in den Bausteinen ein sehr
hoher und immer bedeutender Anteil analoger Komponenten mit einem intelligenten
digitalen Core zur Steuerung integriert werden.
Verifikation und Test der
Halbleiterbausteine
Die Entwickler „smarter Produkte“ erwarten von den Halbleiterherstellern ausgereifte, kostengünstige und für ihre Produkte
maßgeschneiderte Lösungen. Die ständig
fortschreitende Entwicklung aufgrund immer neuer Produktideen für die „smarten
Anwendungen“ stellt die Halbleiterindustrie
vor große Herausforderungen. Neben dem
gewohnten Kostendruck sind auch sehr kurze Produktlebenszyklen der Halbleiterbausteine zu erwarten. Die Produkte müssen
möglichst schnell auf den Markt gebracht
und somit der Entwicklungszyklus, sprich
von der Idee bis zum fertigen Produkt, kurz
gehalten werden. Ein entscheidender Faktor
hierfür ist der Aufwand für die Verifikation
und den Test der Halbleiterbausteine. Eine
mögliche Lösung bietet Advantest mit dem
EVA100 E-Modell (Engineering Modell), um
IoT-Bausteine zu entwickeln und zu verifizieren. Das EVA100 P-Modell (Production
Modell) erweitert die Testlösung bis hin zur
Produktion.
Traditionell wurden von den Entwicklungsingenieuren zur Verifikation von Bausteinen konventionelle Rack-and-Stack- oder
PXI-Benchtop-Instrumente eingesetzt. Diese
Lösungen sind zwar universell einsetzbar,
erfordern aber erheblichen Zeitaufwand bei
der Integration im Labor und bei der Synchronisation der Instrumente während des
Testlaufs. Zur Ansteuerung einzelner Testgeräte und zur Durchführung wiederholbarer
Tests müssen von den Ingenieuren meist
eigene Software-Suiten entwickelt werden.
Die einzelnen Tests werden mühsam in C
oder anderen Programmiersprachen implementiert. Besonders bei zeitkritischen Projekten hat sich dies als schwerwiegender
Engpass erwiesen. Die Entwicklung eigener
Suiten ist nicht nur zeit- und kostenintensiv,
sondern bindet Ingenieur-Ressourcen. Das
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
TESTSYSTEME // HALBLEITER TESTEN
Temperaturmanagement
Industriekomponenten
Messtechnik
HF-/Mikrowellentechnik
Luftfahrtelektronik
Entwicklung und Service
...
Wir liefern Lösungen
www.telemeter.info
Bild 1: Die Testlösung EVA100 ersetzt bis zu sechs klassische Benchtop-Instrumente.
LIQUID
CRYSTALS
als Folien und
Thermometer
Bild 2: Sequenz zur
Messung der Schwellenspannung eines
MOSFET-Schalters.
Software-Lösung assistiert
den Prüfingenieur
Weder die Bedienung des Messsystems
noch die die Definition des Testablaufs setzen Programmierkenntnisse voraus. Bedient
wird das System mit der mitgelieferten Software-Suite „MeasurementAtelier“. Dank einer graphischen Benutzeroberfläche kann
sich der Testingenieur schnell einarbeiten.
Tests lassen sich schnell erstellen. Die Software bietet verschiedene Möglichkeiten, um
Messungen auszuführen. Einerseits lässt
sich mit den Ressource-Panels manuell messen. Andererseits lassen sich mit dem „SequenceEditors“ automatische Tests definieren, die auf einer Zeitachse dargestellt wer-
den (Bild 2). Eigene Auswertefunktionen
können über ein Java-Interface in den Test
eingefügt werden. Einzelne Sequenzen werden wiederum zu automatischen Testflows
zusammengefasst, die den Baustein voll automatisch testen. Das Produktions-Modell
und das Engineering-Modell verwenden beide den gleichen Testkopf, wobei das P-Modell bis zu vier Testköpfe parallel steuern
kann. Diese werden zu einem großen universalen Testkopf zusammengefasst. Die einzelnen Testköpfe des P-Modells und die dazugehörigen Pins werden synchron betrieben,
was den Testablauf flexibler gestaltet und die
Tester-Ressourcen optimal ausnutzt, um
möglichst viele Bausteine parallel zu testen.
Bedient und gesteuert wird „EVA100 P“
analog zum E-Modell über „MeasurementAtelier“, wobei die Software mit allen Modellen aus der EVA-Serie voll kompatibel ist.
Erweitert wurde die Software-Suite um vereinfachte, den Produktionsbedürfnissen
angepasste Bedienoberflächen. Werden bei
der Baustein-Entwicklung Rack-and-Stackoder PXI-Lösungen eingesetzt, müssen alle
Bausteintests für die vollautomatischen ATETestsysteme für die Serienproduktion neu
entwickelt und korreliert werden. Beim Einsatz der EVA100-Serie entfällt die kostenund zeitaufwendige Portierung.
// HEH
Advantest Europe
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
39
Der Weg zum
LabVIEW-Könner
n
nversio
den te
Mit S tu
D -R O M
C
f
u
a
2 0 13
10012
EVA100 „All-in-One-Konzept“ integriert verschiedene Instrumente in einem einzigen
Testkopf, der wegen seiner Kompaktheit
auch „Shoe-Box“ genannt wird. Der Testkopf
ist modular aufgebaut und kann je nach den
Testanforderungen mit verschiedenen Modulen bestückt werden. Die angebotenen
Module umfassen Stromversorgung, 4-Quadranten-DC-Signalmesseinheit, PatternGenerator, Logikanalysator, AWG-Signalgenerator, Digitizer und Oszilloskop. Die verschiedenen Module werden automatisch
synchronisiert. Der Testkopf ist luftgekühlt
und benötigt einen Standard-Stromanschluss von lediglich 230 V.
SPIRIG
www.celsi.com
Kostenlose Muster
auf Anfrage an
[email protected]
Reim, Kurt
LabVIEW-Kurs
Grundlagen, Aufgaben, Lösungen
280 Seiten, zahlr. Bilder,
1. Aufl. 2014,
ISBN 978-3-8343-3294-3,
29,80 €
Ein Fachbuch von
Weitere Informationen und
Bestellung unter
www.vbm-fachbuch.de
GRUNDLAGEN MESSTECHNIK // BUSSYSTEME
Die Wahl des Busses für ein
Mess- und Testsystem
Die Busse LXI und PXI bieten kombiniert für Mess- und Testsysteme
einige Vorteile. Wir stellen diese und weitere Bussysteme für die Messtechnik vor und zeigen entsprechende Anwendungen.
CHRISTIAN KORRENG *
S
Bilder: LXInstruments
owohl LXI als auch PXI haben sich etabliert. Systeme, die die Vorteile von LXI
und PXI kombinieren, sind im Trend,
da sie sowohl den Anforderungen der modernen Produktion als auch denen der Datenerfassungssysteme gerecht werden. Messgeräte mit LXI nehmen seit der ersten Stunde
eine wachsende Bedeutung beim sogenannten „Internet of Things“ ein. LXI ermöglicht
das einfache Vernetzen von Messinstrumenten über LAN. PXI(e) ist ein Einsteckkartensystem, das die Vorteile der schnellen Kommunikation zwischen Einsteckkarten nutzt.
Durch die geschickte Kombination der Bussysteme lassen sich moderne hybride Systeme mit hoher elektrischer Leistung, schneller
Signalverarbeitung, beispielsweise für Echtzeitanwendungen, parallelen Tests von Baugruppen bis hin zu räumlich verteilten Datenerfassungssystemen mit Zeitsynchronisierung realisieren.
Eine Übersicht der verfügbaren
Mess-Bussysteme
Modernes Bussystem: Das Bild zeigt
ein realisiertes LXI-System. LXI ergänzt
Ethernet durch die Definition einheitlicher Konzepte für die Konfiguration,
Triggerung, interaktive Bedienung
und automatisierte Steuerung der
Geräte.
Die Auswahl eines Bussystems für das Design eines Testsystems setzt detaillierte
Kenntnisse über die verfügbaren Systeme
und entsprechende Vorteile voraus: LXI (LAN
Extension for Instrumentation) wurde 2004
von Agilent Technologies (heute Keysight
Technologies) und VXI Technology (heute
VTI Instruments) gegründet. Was bei den
verfügbaren LAN-basierten Messgeräten bis
dato fehlte, war ein gemeinsamer Standard
für Instrumente verschiedener Hersteller. Die
Lücke füllte der LXI-Standard. LXI ergänzt
Ethernet durch die Definition einheitlicher
Konzepte für die Konfiguration, Triggerung,
interaktive Bedienung und automatisierte
Steuerung der Geräte. Das Konsortium ist
* Christian Korreng
... ist als Vertriebsspezialist für elektrische Sicherheits- und Funktionstests
bei LXinstruments am Standort in
Sindelfingen tätig.
40
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
GRUNDLAGEN MESSTECHNIK // BUSSYSTEME
Bild 1: Eine PXI-Karte
im Detail. Entstanden
ist diese Weiterentwicklung aus den parallelen
PCI-Bus. Der Standard
geht auf National
Instruments zurück und
ist seit 1998 offizieller
Industriestandard.
heute auf rund 50 Mitglieder gewachsen, die
bisher über 2700 Produktserien registriert
haben. Einzelinstrumente bieten den Vorteil,
dass die Gesamtfunktion des Instrumentes
sichergestellt ist. Jedes Instrument kann direkt an das Stromnetz angeschlossen werden
und bietet ein in sich geschlossenes Bedienkonzept. LXI erweitert dieses Konzept und
bietet weitere Vorteile:
„ Hohe Daten-Bandbreite durch Ethernet
(100 MBit und 1 GBit),
„ geringe Kosten aufgrund der hohen Verbreitung (Kabel, Switches),
„ einfaches Bedienen: Zusätzlich zu den
physikalischen Frontpanels lassen sich die
meisten LXI-Geräte über integrierte Webserver direkt über einen Webbrowser konfigurieren und bedienen,
„ unterstützt gängige Netzwerkprotokolle,
die die Instrumente im Netz selbstständig finden und in die Software integrieren
(mDNS, VXI-11 oder HiSLIP),
„ unabhängige Plattform: Obwohl für alle
Geräte fertige IVI-Treiber zur Verfügung stehen, lassen sich die meisten Instrumente
auf Wunsch unabhängig mit geringem Aufwand programmieren (SCPI-Befehle).
Welche Vorteile der
LXI-Bus bietet
Die Stärke von LXI ist die Vielseitigkeit.
Zwar bieten andere Standards unter anderem
höhere Datenraten und geringere Latenzzeiten, jedoch spielen diese bei genauer Betrachtung in vielen realen Einsatzgebieten
eine untergeordnete Rolle. Bei Anwendungen wie dem klassischen Funktionstest wird
oft zwischen vielen Messpunkten umgeschaltet. Die hierbei physikalisch auftretenden Schaltzeiten der eingesetzten Relais
liegen meist bei mehreren Millisekunden.
Auch Einstellungen wie Messfunktion und
-bereiche der Messinstrumente werden häufig für jede Messung verändert. Aufgrund
dieser Tatsache haben ein durchdachtes Systemdesign und eine gute Applikationssoft-
ware den größten Einfluss auf die tatsächliche Testzeit der Prüfobjekte.
Auch bei verteilter Datenerfassung kann
LXI für die Überbrückung von großen Distanzen seine Vorteile ausspielen: Eine räumliche Verteilung der einzelnen Messerfassungen verbessert einerseits die Signalqualität
der zu messenden Größe, da viel geringere
Kabelwege bei üblicherweise sehr kleinen
Sensorsignalen notwendig sind. Außerdem
wird der Messaufbau deutlich übersichtlicher, da von jeder Aufnahmestelle lediglich
eine Netzwerkverbindung weiter geführt
werden muss. Gerade bei Datenerfassungssystemen ermöglicht das Protokoll IEEE1588
die präzise Zeitsynchronisation aller Komponenten im Netzwerk und sichert auch bei
verteilten Systemen eine zeitlich korrelierte
Erfassung räumlich getrennter Messstellen.
Der LXI-Standard definiert solche und weitere Zusatzfunktionen wie Trigger und stellt
die gemeinsame Verwendung von Komponenten unterschiedlicher Hersteller sicher.
PXI und PXIe stehen für PCI(e) Extension
for Instrumentation. Es ist eine Weiterentwicklung des parallelen PCI und des schnellen, seriellen PCIe-Busses, der aus der Computerwelt bekannt ist. Der Standard geht auf
den Hersteller National Instruments zurück
und ist seit 1998 als offener Industriestandard mit vielen Mitgliedern und Produkten
verfügbar. Ein PXI(e)-System besteht aus
einem Mainframe mit integrierter Stromversorgung und Einschubplätzen für eine definierte Anzahl von PXI(e)-Modulen bzw.
Einsteckkarteninstrumenten. Häufig wird
der „Computer“ direkt als Controllereinschub in das Mainframe integriert. Alternativ
lässt sich der PCI(e)-Bus eines externen
Rechners mit sogenannten Bridges auf das
Mainframe erweitern. Die Kommunikation
zwischen Instrumenten und Rechner erfolgt
über eine gemeinsame Backplane. Wie auch
in der Computerindustrie gibt es die etwas
ältere, parallele PXI- und die neuere, serielle
PXIe-Architektur. Es gibt Mainframes, die
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
--> facebook.com/
elektronikpraxis
41
www.vogel.de
GRUNDLAGEN MESSTECHNIK // BUSSYSTEME
Bild 2: Ein Tisch-Oszilloskop des Herstellers GWInstek mit Vorder- und Rückseite. Am Gerät finden sich die USB-Anschlüsse USB-A und USB-B.
sowohl PXI, PXIe und gemischte Kartenbestückungen ermöglichen.
PXI(e) ergänzt den reinen Datenbus um
einen Referenztakt von 10 MHz und TriggerFunktionen, die für jedes Modul zur Verfügung stehen. Im Vergleich zu Einzelinstrumenten sind die Einsteckkarten wesentlich
kompakter, wodurch das Frontpanel entfällt
und auch die elektrische Leistung je Modul
limitiert ist. PXI(e) eignet sich aufgrund der
hohen Datenraten und der geringen Latenzzeiten für Systeme, die viele Daten erfassen
und verarbeiten müssen. Durch die hohe
Packungsdichte der Instrumente lassen sich
kompakte Messsysteme entwickeln, die aufgrund der integrierbaren Rechner vollständig ohne externe Bedienelemente auskommen oder sich durch den Einsatz von FPGAKarten auch für die Implementierung von
Echtzeiteigenschaften eignen.
Die Steuerung der Instrumente erfolgt über
mitgelieferte Treiber. Somit verschiebt sich
das „Frontpanel“ in die Software. Mit einem
entsprechenden Treiber wird ein HMI visualisiert. Die hohe verfügbare Daten-Bandbreite zusammen mit vielkanaligen Datenerfassungsmodulen macht PXI(e) bei der schnellen, zeitlich synchronisierten und präzisen
Datenerfassung von vielen Kanälen interessant. Hierbei können je nach Applikation
schnell Datenmengen von mehreren GByte
aufgenommen werden.
Weitere Schnittstellen bei
Messinstrumenten
Allgemeine Messinstrumente bieten häufig weitere Schnittstellen zum Anschluss an
einen Steuerrechner. GPIB (IEEE488) gehört
zu den älteren Schnittstellen, die in den
1960er Jahren von Hewlett-Packard zunächst
als proprietärer HP-IB entwickelt wurden. In
den 1970ern reichte HP den Bus zur Standardisierung bei IEEE ein, der sehr schnell als
General Purpose Interface Bus seinen Siegeszug durch die Messtechnik antrat. Bis heute
42
sind trotz überschaubarer Geschwindigkeit
und eingeschränkter Möglichkeiten viele
Instrumente mit dieser Schnittstelle ausgestattet.
Auch RS232 ist eine aus der Computerwelt
bekannte Schnittstelle, die aus den 1960er
Jahren stammt. Die Geschwindigkeit der
Schnittstelle ist verglichen mit anderen verfügbaren Schnittstellen die langsamste und
wurde bei Messinstrumenten wie in der Computerwelt nahezu komplett durch die USBSchnittstelle ersetzt. In der Messtechnik gibt
es ebenfalls komplette Messinstrumente, die
auf USB 2.0 und in Zukunft sicherlich auf
USB 3.x aufsetzen. Die hohe Datenrate des
aktuellen seriellen Busses ist eine günstige
Schnittstelle für räumlich begrenzte Messaufbauten. Die Messtechnik hat USB mit dem
Software-Protokoll USB TMC erweitert. Damit lassen sich USB-Instrumente auf die gleiche Art wie GPIB-Instrumente steuern. Häufig stellen GPIB, RS232 oder USB gute Alternativen dar, um LXI oder PXI basierte Systeme mit besonderen oder existierenden
Messgeräten zu ergänzen.
Zahlreiche Varianten aus dem
PCI-Standard
Bereits Anfang der 1990er Jahre wurde in
der PC-Technik der PCI- (Peripheral-Component-Interconnect-)Standard vorgeschlagen,
der bis Mitte der 1990er den zuvor vorherrschenden ISA-Bus ablöste. Bereits zu dieser
Zeit begann man, PC-Einschubkarten mit
messtechnischer Funktionalität zu entwickeln. Kleinere Aufgabenstellungen konnten
so schnell und kostengünstig realisiert werden. Aus dem PCI-Standard wurden zahlreiche Varianten entwickelt, so der PCI-X, PCCard/Cardbus für Notebooks. Für die Messtechnik relevant sind heute Compact-PCI
(cPCI) und PCI-Express (PCIe). Keiner dieser
Standards hat Bedeutung für komplexere
messtechnische Anforderungen. Einzig der
Ableger ATCA wurde weiterentwickelt und
wird in exotischen MTCA- und in AXIe-basierter Messtechnik eingesetzt. PXI(e) hat
sich als messtechnische Spezialisierung
auch für komplexe Aufgabenstellungen aus
dem PCI-Bus entwickelt.
Der VXI-Bus bietet eine
dynamische Adressierung
Der VME Extension for InstrumentationBus (VXI-Bus) war in der industriellen Messtechnik ein sehr verbreitetes Einschubsystem
mit Modulen. Er geht auf die Entwicklung
einiger Messtechnikfirmen aus dem Jahre
1985 für das US-Militär zurück. 1987 wurde
der Bus vom IEEE standardisiert und im Rahmen des VXI-Konsortiums vorangetrieben.
Der VXI-Bus stellt eine, für die Messtechnik,
modifizierte Version des VME-Busses dar.
Dieser war ursprünglich speziell für den Einsatz mit Motorolas 68000er Prozessoren entwickelt worden. Im Gegensatz zum VME-Bus
besitzt der VXI-Bus eine dynamische Adressierung mit manuellen Adress- und InterruptVergaben. Damit sollen Fehlfunktionen aufgrund von Doppeladressierungen vermieden
werden. Dieses Konzept wurde später auch
für PCs beim Wechsel vom ISA zum PCI-Bus
verfolgt. Heute sind noch einige VXI-Systeme
im Einsatz. Neue Systemplattformen werden
vermehrt auf allerdings Standards wie LXI
und PXI aufgesetzt.
Im Jahr 2009 kam der jüngste Messtechnikbus auf den Markt: Mit Advanced TCA
Extensions for Instrumentation and Test versuchte man, alles unter einen Hut zu bringen.
Grundsätzlich auf ATCA aufbauend, dürfen
PXI und LAN kombiniert werden, wobei die
Kartenstruktur und die Selbstbezeichnung,
als größerer Bruder von PXI, die Orientierung
vorgeben. Adressaten des ATCA sind speziell
die Märkte Aerospace Defense oder Halbleitertest, da beide besonders hohe Geschwindigkeiten fordern.
// HEH
LXinstruments
ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2016
11050
Begeben Sie sich auf Zeitreise!
In diesem Jahr feiert ELEKTRONIKPRAXIS 50. Geburtstag. Aus diesem Anlass berichten wir
in jeder Heftausgabe bis Frühjahr 2017 und online auf der Meilensteine-Webseite über die
führenden Unternehmen der Elektronikbranche. Was waren ihre wichtigsten Leistungen,
wo stehen die Unternehmen heute und wie sehen die Pioniere der Elektronik die Zukunft?
Entdecken Sie die ganze Geschichte unter
www.meilensteine-der-elektronik.de
Analog
EDA
Elektronik-Händler
Distribution
RTOS & Tools
Embedded
Messen & Veranstaltungen
Messen Steuern Regeln
Relais
Verbindungstechnik
Mikrocontroller
Schaltschränke/Klimatisierung
HF-Messtechnik
LED/Lighting
Displays
Stromversorgungen
Labormesstechnik
Power Management
Passive Bauelemente
EMS
Eine Serie von
SMART DEVICES
SMARTER
T ES T SYS T EMS
Klassische automatisierte Prüfsysteme lassen
sich nicht skalieren. Das macht sie unterm
Strich teuer. Um Smart Devices zu testen,
benötigen Sie noch smartere Testsysteme –
basierend auf NI PXI, LabVIEW und TestStand.
Mehr als 35.000 Unternehmen haben mit dem
plattformbasierten Ansatz von NI ihre Prüfkosten
gesenkt. Und was ist mit Ihnen?
Erfahren Sie mehr über modulare Testsysteme
unter ni.com/smarter-test
NI PXI, LabVIEW und TestStand
©2016 National Instruments. Alle Rechte vorbehalten. LabVIEW, National Instruments, NI, NI TestStand und ni.com sind Marken von National Instruments. 25198

Special 2015 Messtechnik im Bauwesen

Leiter Messraum (m/w)

Vertriebsingenieur im Außendienst (m/w) im Raum BaWü

Messtechniker/innen im Außendienst (1 Stelle zu

Praktikum ab März 2016 im Bereich Tribologie

faszination werkzeug. - Technische Hochschule Ingolstadt

Information und Anmeldung

PDF - Knipschild

Ingenieur/-in für Messtechnik bei Dauerlauf

Moderne und fertigungsnahe Messtechnik, 16. und 17. März 2016