Der Gerätereport
Aktuelle Trends in der Labormesstechnik
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Signalanalyse bis über 6 GHz
Als Messwerkzeug für die Überwachung und Analyse von Kommunikationssystemen wurden früher meist Spektrumanalysatoren eingesetzt. Heute sind jedoch neue Arten von Messinstrumenten mit höherer Leistung erforderlich, mit denen sich auch zunehmend komplexe Signale untersuchen lassen. Herkömmliche Spektrumanalysatoren reagieren nicht auf vorübergehend auftretende Störungen. Ihre maximale Erfassungsbandbreite liegt in der Regel bei etwa 40 MHz.
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Neue Konzepte für die digitale Signalverarbeitung ermöglichen nun die Entwicklung von Signalanalysatoren, mit denen Hochleistungsanalysen von Parametern wie Amplitude, Frequenz und Phasen-Zeit-Beziehungen mit einer Erfassungsbandbreite von bis zu 85 MHz in Echtzeit durchgeführt werden können.
Der in Bild 4 gezeigte Signalanalysator der Tektronix-RSA5000-Serie arbeitet beispielsweise mit dem pro-prietären Signalverarbeitungs- verfahren DPX und erzeugt eine farblich abgestufte „Live-Echtzeit“-Spektraldarstellung der untersuchten Signale. Zudem wird die Analyse durch spezielle Ablenkungs- und Triggerfunktionen beschleunigt. Darüber hinaus deckt die mit einem Aufzeichnungs-„Schuss“ erfasste Bandbreite von 85 MHz beispielsweise das gesamte 2,4-GHz-ISM-Band ab und erlaubt damit, die Frequenzen von Funksystemen wie Bluetooth, Zigbee, RFID und WLAN gleichzeitig zu beobachten, obwohl sie ein sehr breites Frequenzspektrum beanspruchen.
Diese Analysator-Geräteklasse eignet sich nicht nur für die Untersuchung komplexer Signale, sondern stellt mit +17 dBm IP3 (Intercept Point 3. Ordnung) und -154 dBm/Hz DANL (Displayed Average Noise Level, mittlerer angezeigter Rauschpegel) auch eine praxisgerechte Lösung für die konventionelle Spektrumanalyse dar. Darüber hinaus unterstützen die Geräte aufgrund ihrer guten Parameter bezüglich Phasenrauschen und DANL auch die Entwicklung und EMV-Fehlerdiagnose im niedrigen Frequenzbereich.
Neben der Spektrumanalyse kann dieser Analysator Signale auch im Hinblick auf Amplitude, Frequenz oder Phase in Abhängigkeit von der Zeit untersuchen. Die neuen Funktionen laufen dabei in hoher Geschwindigkeit ab: Bei Ablenkungszeiten von 20 µs oder weniger können bis zu 50.000 Kurvenzug-Analysen je Sekunde durchgeführt werden. Mit Hilfe spezieller Trigger-funktionen (z.B. DPX-Intensitäts-Triggerung und zeitlich qualifizierte Triggerung) erhöht sich die Anzahl der darstellbaren Spektrumsaktualisierungen pro Sekunde letztlich um einen vierstelligen Faktor. Dadurch lassen sich auch selten auftretende Anomalien erkennen, die mit herkömmlichen Spektrum-analysatoren nicht erfasst werden können.
Der schnellste 16-bit-A/D-Wandler für High-speed-Messaufgaben
Der AD9467 von Analog Devices ist derzeit einer der schnellsten auf dem Markt verfügbaren 16-bit-A/D-Wandler-Bausteine mit einer Abtastrate von 250 MS/s. Ihn setzt National Instruments in einem neuen High-speed-Digitizer-Modul der NI FlexRIO-Plattform für den PXI-Systembus ein, das für viele Aufgaben der Hochleistungs-Messtechnik genutzt werden kann, nicht zuletzt in der Datenkommunikation.
Diese FlexRIO-Module (Reconfigurable IO) charakterisieren sich durch zwei Hardware-Komponenten: ein I/O-spezifisches Adaptermodul und ein FPGA-basiertes Modul, das mit einem Virtex-FPGA von Xilinx bestückt ist. Durch letzteres hat der Anwender insbesondere ein hohes Maß an Konfigurationsfähigkeit für seine unterschiedlichen I/O-Aufgaben.
Das nun mit dem neuen 250-MS/s-Wandler bestückte PXI-Modul nennt sich NI 5762, es ist insbesondere optimiert für schnelle und auf 16-bit-Amplitudenauflösung angewiesene Messaufgaben in der Kommunikationstechnik. Vorgestellt wurde es jetzt zusammen mit vier weiteren universell einsetzbaren Vielkanal-Digitizern (Bild 5) mit 12 bzw. 14 bit Auflösung bis 120 MS/s (NI 5731/32/33/34) und einem Modul für Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O (NI 6587).
Die Module arbeiten mit der neuen NI-FlexRIO-Instrument-Development-Library, einer Zusammenstellung von Host- und FPGA-Code mit DRAM-Schnittstellen und Triggerlogik für die universelle Programmierumgebung NI LabVIEW, die vom gleichen Hersteller stammt und die für umfangreiche Systemdesign-Aufgaben in der allgemeinen Mess-, Steuerungs-, Regelungs- und Automatisierungstechnik verwendet werden kann.
Digitizer: Doppelte Zeitbasis löst viele Probleme
Eine segmentierte Datenaufzeichnung ist ein Standardmodus, den viele Hersteller für ihre Digitizer (und mittlerweile auch für Oszilloskope) anbieten. In diesem Modus wird der verfügbare Speicher segmentiert, bei jedem Triggerereignis wird ein spezielles Segment mit Daten gefüllt. Dieser Modus ist besonders geeignet für die Aufzeichnung wiederkehrender Signale. Der so genannte „Multiple Recording“-Modus von Spectrum arbeitet nach diesem Prinzip. Er bietet dabei eine sehr kurze Totzeit zwischen zwei Triggersegmenten von vier Samples (Serie M2i) bzw. 32 Samples (Serie M3i), so dass sichergestellt ist, dass keine Trigger-ereignisse verloren gehen. Andere Produkte im Markt haben hier häufig Re-Arm-Zeiten von mehreren 100 μs.
Manchmal muss aber auch der Signalverlauf zwischen den Segmenten überwacht werden, um langfristige Änderungen oder kleine Nebeneffekte zu erkennen. Da das Streamen aller Daten mit voller Geschwindigkeit auf dem Rechner eine extrem große Menge Daten erzeugt und hohe Ansprüche an die Geschwindigkeit der Schnittstelle sowie der Massenspeicher stellen würde, wäre das Handling von großen Datenmengen extrem zeitaufwendig.
So besteht durchaus die Notwendigkeit, Daten von „geringerem“ Interesse mit einer reduzierten Abtastrate zu speichern. Der für diese Zwecke nun von Spectrum entwickelte ABA-Modus offeriert zur Lösung dieses Problems eine doppelte Zeitbasis (Dual Time Base). Das eigentlich Datensegment um das Triggerereignis (Bereich B) herum wird mit hoher zeitlicher Auflösung, z.B. 10 ns, als Takt abgetastet, während die Daten zwischen den Segmenten mit einer reduzierten Auflösung von z.B. 100 μs aufgenommen werden (Bereich A).
Dabei kann das Verhältnis zwischen beiden Abtastraten (für Bereiche A bzw. B) programmiert werden. Die Aufzeichnung erfolgt mit Zeitstempeln mit einer Auflösung von einem Sample. Kombiniert man alle diese Betriebs-Modi, so erhält man ein exaktes Overlay-Bild der beiden Datenströme. Die Professional-Version der hauseigenen Messtechnik-Software SBench 6 führt übrigens die drei Datenquellen zusammen, wie im Screenshot in Bild 6 gezeigt, und erlaubt es, die „ABA“-Daten darzustellen, zu vermessen, Trigger-Segmente anzuzeigen sowie die Timestamps darzustellen.
Das ABA-Optionspaket mit dualer Zeitbasis und Timestamps wird für eine große Palette von Datenerfassungskarten sowie Digitizer angeboten. Die verfügbaren Modelle reichen von 100 -kS/s-16-bit-16-Kanal- bis hin zum 1-GS/s-8-bit-High-speed-Digitizer. Alle Kanäle auf den Karten sind dabei vollständig synchronisiert mit eigenem Vorverstärker sowie eigenem A/D-Wandler. Die Karten können intern synchronisiert werden, so dass Mehrkanalsysteme mit bis zu 256 synchronen Kanälen aufgebaut werden können. Dabei können alle oder einige der Karten den ABA-Modus nutzen, um „langsame“ Kanäle zu überwachen.
Ausgeliefert werden die genannten Karten mit Treibern für Windows XP, Vista und Windows 7, jeweils in der 32- und 64-bit-Version, sowie mit Linux-32/64-bit-Treibern, einem Satz von Programmierbeispielen sowie der Basisversion von SBench 6, der neu entwickelten Digitizer-Software. Für die Nutzung der dualen Zeitbasis ist die Professional-Version nötig. Beide Versionen sind für Windows, Linux KDE und Gnome verfügbar. Die SPCM-Treiber werden für die Programmierung der Karten verwendet und erlauben die flexible Anpassung an beliebige Applikationen; die mitgelieferten Beispiele umfassen Visual C++, Borland C++, Gnu C++, Visual Basic, VB.NET, Delphi, C# und J#.
- Aktuelle Trends in der Labormesstechnik
- Höhere Präzision, weniger Rauschen und genauere Frequenzgrenzen
- Signalanalyse bis über 6 GHz
- Jitter fast nicht mehr vorhanden
