Labormesstechnik Mathematik als nützliches Messtechnik-Tool

Messtechnik-Tool für Oszilloskope
Moderne Oszilloskope bieten heute eine praxisgerechte Vielfalt an nützlichen Mathematik-Tools.

Für die Entwicklung energiesparender Geräte sind Messgeräte erforderlich, die nicht nur die reine Datenerfassung erledigen, sondern auch zusätzlich weitere Leistungsgrößen berechnen. Wie Mathematikfunktionen in einem Transientenrecorder dabei helfen können, zeigt dieser Beitrag.

Energieeinsparungen sind in den vergangenen Jahren zu einem aktuellen Thema geworden, und Elektrogeräte sowie Industrieausrüstungen und Elektroniksysteme aller Art werden auf Verbesserung des energetischen Wirkungsgrades hin (weiter-)entwickelt. Bei der Entwicklung elek-tromechanischer Systeme werden zusätzlich Messgeräte nötig, die über die rein elektrischen Größen Spannung und Strom hinaus auch - mit speziellen Sensoren - weitere (primär nicht-elektrische) Parameter wie z.B. Drehzahl oder Drehmomente von Motoren als elektrische Signale aufzeichnen. In diesem Zusammenhang sind auch beispielsweise Messgrößen-Skalierungen oder Integrationen durchzuführen - also mathematische Berechnungen, die sinnvollerweise gleich das Messgerät (und nicht ein zusätzlicher PC) erledigen sollte. Am Beispiel des Transientenrecorders DL850 (ScopeCorder) von Yokogawa wird hier gezeigt, welche Pluspunkte praxisgerechte Mathematikfunktionen mit sich bringen.

Mathematik: gleich nach der Datenerfassung

Bei dem DL850 (siehe Aufmacherbild ) handelt es sich um ein Gerät zum Messen und Aufzeichnen elektrischer Signale mit acht Steckplätzen für Einschubmodule, die es ihrerseits in 17 verschiedenen Varianten für unterschiedliche Signal-/Sensor-Konfigurationen gibt. Die Eingangssignale werden vom A/D-Wandler digitalisiert und über die „GIGAZoom Engine 2“ , einen Datenverarbeitungsbaustein, zum Akquisitionsspeicher geschickt. Die „GIGAZoom Engine“ stellt fest, ob ein Triggersignal vorhanden ist, und speichert gegebenenfalls nur die wirklich erforderlichen Signalteile vor und nach dem Triggersignal im Akquisitionsspeicher. Sie hat einen speziellen Prozessor zur Kurvenanzeige und kann somit Kurvenverläufe mit hoher Geschwindigkeit ausgeben. Diese Funktion ermöglicht dem ScopeCorder, alle Messkurven auch bei voller Speicherkapazität von 2 Mrd. Punkten schnell anzuzeigen.

Die neu entwickelte Echtzeit-Mathematikfunktion ist zwischen dem Einschubmodul und der „GIGAZoom -Engine 2“ angeordnet ( Bild 1a ). Die Funktion kann für jeden Kanal aufgerufen werden - unabhängig davon, ob die Daten jedes Einschubmoduls direkt im Akquisitionsspeicher abgelegt werden, wie sie sind, oder ob sie erst nach der Verarbeitung durch den Echtzeit-Mathematik-Baustein im Speicher abgelegt werden. Sind alle Datenpfade der Echtzeit-Mathematikfunktion zugewiesen, können die Daten von bis zu 16 Kanälen gleichzeitig verarbeitet werden.

Der Vorteil, die Daten erst zu verarbeiten und dann im Akquisitionsspeicher abzulegen, besteht darin,  dass die Berechnung nicht durch die Kapazität dieses Speichers beschränkt ist. Auch bei der Trigger-Erkennungsschaltung wird das zuvor errechnete Ergebnis für die Abfrage des Triggers verwendet. Anschließend wird die Akquisition der Daten auf Grundlage des errechneten Ergebnisses bewertet, so dass eine sehr effiziente Speicherung der Daten erfolgen kann. Eine gleichzeitige Akquisition der Mess- und Rechendaten erreicht man durch das „Übertragen“ der Daten: In diesem Fall werden die verarbeiteten Daten auf einen anderen Kanal übergeben, in dem kein Einschubmodul eingesteckt ist, und anschließend neu aufgezeichnet.

Struktur des Mathematikbausteins

Die Einheit für die Echtzeit-Mathematik ist durch einen zweckbestimmten Hardware-Mathematikbaustein für extrem schnelle Datenverarbeitung realisiert.

Bild 1b zeigt ein Blockdiagramm des Echtzeit-Mathematikbausteins, der aus zwei Einheiten besteht: Digitalfilter und Rechenbaustein. Beide Einheiten können unabhängig voneinander operieren und jeweils die Verarbeitung für 16 Kanäle gleichzeitig ausführen. Im Digitalfilter-Baustein können Tiefpass, Hochpass und Bandpass vom Typ „Finite Impulse Response“ (FIR) oder „Infinite Impulse Response“ (IIR) oder aber Gauß-Filter und Filter mit gleitendem Mittelwert gewählt werden. Die Verarbeitungszeit des Digitalfilters beträgt bis zu 1 MS/s in 16 Kanälen gleichzeitig, das ist mehr als das 10-fache der Leistung im früheren Modell DL750.

Am Rechenbaustein kann eine der 35 internen Rechenfunktionen für jeden Kanal gewählt werden. Dabei handelt es sich um die Grundfunktionen wie die vier Grundrechenarten, Wurzel- und logarithmische Funktionen, Integration, Differentiation sowie anwendungsbezogene Funktionen wie die Berechnung der elektrischen Leistung und des elektrischen Phasenwinkels, der Periodendauer, Pulsweite oder Frequenz. Die Ergebnisse der Echtzeit-Berechnungen können in andere Berechnungen eingefügt werden. Somit sind komplexe Operationen durch Kombination mehrerer Rechenfunktionen möglich. Alle Algorithmen sind Hardware-mäßig implementiert, wodurch schnelle Berechnungen bis zu 10 MS/s mit 16 Kanälen gleichzeitig möglich sind; das ist ein Wert, der um etwa das 100-fache besser ist im Vergleich zum früheren DL750-Recorder.