Rechnergestützte Messtechnik Völlig neu: das rekonfigurierbare Oszilloskop

Das rekonfigurierbare Oszilloskop NI PXIe-5171R nutzt ein High-Speed-FPGA und kann mit seinen völlig frei definierbaren Triggervarianten im Zeit-, Frequenz- und Datenbereich punkten.
Das rekonfigurierbare Oszilloskop NI PXIe-5171R kann mit völlig frei definierbaren Triggervarianten im Zeit-, Frequenz- und Datenbereich punkten.

Das erste rekonfigurierbare Oszilloskop im PXI-Systembus-Formfaktor mit acht Kanälen wurde unlängst von National Instruments vorgestellt. In diesem Scope wird der einlaufende Messdatenstrom gleich nach dem A/D-Umsetzer kontinuierlich in High Speed verarbeitet.

Das rekonfigurierbare Oszilloskop im PXI-Systembus-Formfaktor von National Instruments trägt die Typenbezeichnung NI PXIe-5171R, und es verarbeitet den einlaufenden Messdatenstrom gleich nach dem A/D-Umsetzer kontinuierlich in High Speed. Gezeigt wurde vom Hersteller, wie mit einem grafisch programmierbaren „Waveform Trigger“ z.B. aus einem langen Datenstrom ganz bestimmte individuelle Kurvenformen völlig beliebiger Ausformung herausgefunden werden können.

Wir fragten zu den Details dieses neuen und auf modernen High-Speed-FPGAs basierenden Oszilloskop-Modells den Senior Product Manager für Oszilloskope bei National Instruments, Christian Gindorf.

In welcher Messaufbau-Konfiguration haben Sie das neue, Software-definierte Oszilloskop gezeigt?

Christian Gindorf: Für die Demo der Untersuchung von NFC-Signalen wurden verwendet ein PXIe-8133-Controller in einem PXIe-1082-Chassis, das Oszilloskop PXIe-5171R, ein PXIe-7976 FlexRIO für das Persistence Display des Real-Time Spectrum Analyzer sowie zwei Signalgeneratoren, PXIe-5154 und PXI-5421, für die NFC- und Rechtecksignale.


Kann man das Scope auch stand-alone betreiben – in einem PXI-Chassis?

Gindorf: Das funktioniert schon, denn es ist ja ein PXI-Express-Modul. Es dürfte aber in vielen Fällen doch eine Kombination mit anderen PXI-Modulen in Form eines umfangreicheren Messplatzes angebracht sein. Letztlich kann aber in einer Minimalkonfiguration das rekonfigurierbare Oszilloskop allein in einem PXIe-1073-Chassis mit integriertem Controller arbeiten.

Warum wurde das Scope als „Software-definiert“ vorgestellt? Wegen des FPGA-Einsatzes?

Gindorf: National Instruments hat 2012 mit dem Vektorsignal-Transceiver VST die Software-designten Messgeräte ins Leben gerufen und dieses Jahr fünf neue Geräte dieser Klasse vorgestellt. Auch wenn der vom Anwender programmierbare FPGA-Baustein eine zentrale Rolle spielt, gehört zu einem solchen Messgerät mehr, vor allem die Software. Alleinstellungsmerkmal dieser Geräteklasse ist die durchgängige Offenheit der Software von der Programmierschnittstelle (API) auf dem Host-PC bis hinunter zum FPGA, also direkt bis zu den Signalen der A/D- und D/A-Wandler und digitalen I/O-Leitungen. Dies bedeutet für den Anwender die Flexibilität, die Funktion seines Messgerätes genau auf seine Anwendung anpassen, es eben ‚designen‘ zu können, um sehr spezielle Aufgaben zu lösen oder Testzeiten dramatisch zu reduzieren.

War also der Vektorsignal-Transceiver VST das Vorbild?

Gindorf: Auf jeden Fall! Der Vektorsignal-Transceiver ist ein sehr erfolgreiches Produkt, mit dem viele Aufgaben gelöst wurden. Beispielweise hat die Firma Qualcomm Atheros die benötigte Zeit für die Charakterisierung von WLAN-Transceivern um den Faktor 200 reduziert, was bei der Entwicklung dieser Halbleiterprodukte einen großen Vorteil bedeutet. Diese Möglichkeiten wollen wir den Anwendern auch bei anderen Geräten bieten, also Oszilloskopen, HF-Analysatoren, seriellen High-Speed-Instrumenten und mehr.

Welche technischen Daten kann das neue rekonfigurierbare Oszilloskop eigentlich vorweisen?

Gindorf: Das Oszilloskop hat acht unabhängige Kanäle mit einer Abtastrate von 250 MS/s und einer Auflösung von 14 bit, eine analoge Bandbreite von 250 MHz mit einem 100-MHz-Aliasing-Filter, darüber hinaus 1,5 GB RAM. Es ist ein PXI-Express-Gen2-x8-Modul mit 3,2 GB/s zur Übertragung der Daten auf den Host-PC, ein Speichermedium oder ein weiteres FPGA-Modul. Zusätzlich verfügbar sind acht programmierbare digitale I/O-Leitungen, die direkt mit dem FPGA verbunden sind und z.B. zur Kommunikation mit einem Prüfling über SPI oder andere Bussysteme oder zur Synchronisation mit anderen Geräten genutzt werden können.

Welche besonderen Auswerte-/Erfassungs-Arten kann man damit realisieren, die mit einem herkömmlichen Scope nicht möglich sind?

Gindorf: Mit dem anwenderprogrammierbaren FPGA können alle erfassten Samples ohne Unterbrechung (Dead Time) analysiert werden. Dies unterscheidet das neue rekonfigurierbare Oszilloskop von herkömmlichen Oszilloskopen. Damit sind z.B. kontinuierliche und auch überlappende FFTs hoher Bandbreite möglich oder das Decodieren von HF-Signalen oder seriellen Bussen ohne Unterbrechung.Weiterhin können die erfassten Daten lückenlos über einen PXI-Express-Bus z.B. auf ein Speichermedium wie ein RAID Array gespeichert werden. Nicht zuletzt können Standard-Triggerfunktionen beliebig kombiniert (AND, OR, A-then-B, XOR usw.) und durch vom Anwender definierte Trigger ergänzt werden, wie beispielsweise der bei der Neuvorstellung gezeigte Waveform-Trigger (Bild B) oder Funktionen zum Erkennen von Bitmustern in Bussystemen.

Was sind letztlich die besonderen Alleinstellungsmerkmale des Oszilloskops?

Gindorf: Alleinstellungsmerkmale sind die hohe Anzahl von acht Eingangskanälen und vor allem der FPGA-Baustein, der eine kontinuierliche, unterbrechungsfreie Analyse von Signalen und das Erkennen von Triggerbedingungen ohne ‚Dead Time‘ ermöglicht. Neben Standard-Triggern kann der FPGA-Baustein auch für anwenderdefinierte Triggerbedingungen programmiert werden. Hier sind die Möglichkeiten grenzenlos: Es können Trigger im Zeitbereich, z.B. Pulslängen, Anstiegszeiten, Masken, im Frequenzbereich, z.B. das Überschreiten von Limits je nach Frequenz und auch im Datenbereich gesetzt werden. Hier kann man praktisch alle beliebigen Daten-Ereignisse als Triggerbedingungen nutzen. Natürlich kann man alle diese Möglichkeiten auch kombinieren.

Welche Software ist dafür nötig? LabVIEW?

Gindorf: Aktuell ist das rekonfigurierbare Oszilloskop mit LabVIEW FPGA und den Instrument Design Libraries IDL programmierbar. An der Unterstützung von Standard-Messgerätetreibern wie NI-Scope und IVI zur Verwendung des Oszilloskops ohne FPGA-Programmierung wird gerade gearbeitet.

 

Christian Gindorf, National Instruments: „Der wesentliche Unterschied zu traditionellen Oszilloskop-Konzepten ist, dass mit dem anwenderprogrammierbaren FPGA des Software-definierten Oszilloskops alle erfassten Samples ohne Unterbrechung (Dead Time) analysiert werden können.“

 

Bild B. Beispiel für die völlig frei definierbaren Triggervarianten: Hier wird auf einen abnormalen, treppenförmigen Übergang von der ansteigenden Flanke in den High-Pegel getriggert.