Messen mit USB-Datenerfassungsmodulen

Optimale Messergebnisse brauchen optimale Einsatzbedingungen

Trotz vieler Vorteile müssen beim Einsatz von USB-Geräten auch einige Punkte beachtet werden, um genaue Messergebnisse zu erhalten. Sind diese bekannt, dann lassen sich viele Probleme vermeiden. Im Gegensatz zu PCI-Karten, die eine kurze Masseverbindung zur Hauptplatine des PCs haben, weisen USB-Module eine lange Masseverbindung (bis zu 5 Meter) und aktive Schaltungen an beiden Enden auf. Wenn ein USB-Modul nicht sorgfältig entwickelt wurde, kann dies zum Systemstillstand, unberechenbarem Verhalten oder zu elektromagnetischen Störungen führen. Letztere stellen besonders bei empfindlichen Messungen ein Problem dar. Bei der Auswahl des richtigen USB-Datenerfassungsmoduls sollte daher nicht nur die Anwendung, sondern auch das Umfeld berücksichtigt werden. Dabei müssen folgende Fragen beantwortet werden:

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• Kann das Datenerfassungsmodul durch elektrostatische Entladungen (ESD), Funken oder Spannungsspitzen von Motoren, Schalteinrichtungen oder anderen Anlagen beeinflusst werden?
  
  
• Gibt es Spannungen mit unterschiedlichen Massepotentialen?
  
  
• Wird das Modul unter kontrollierten Einsatzbedingungen betrieben?

Falls die ersten beiden Fragen mit „Ja“ beantwortet werden, sollte eine ausreichende Isolierung des Systems sichergestellt werden. Diese Isolierung schützt den PC durch galvanische Trennung der elektrischen Verbindungen vor Schäden und gewährleistet die Integrität der Messdaten.

Eine derartige Isolierung kann mit Hilfe einer zusätzlichen Signalaufbereitung im System, die allerdings hohe Kosten verursachen kann, oder durch ein isoliertes USB-Datenerfassungsmodul erreicht werden. Je nach Anwendungsumgebung kann eine derartige Isolierung unterschiedliche Aufgaben haben.

Schutz vor elektostatischer Entladung, Funken und Überspannungen

Bild 1 zeigt ein typisches Anwendungsszenario, bei dem mittels eines Sensors die Spannung an einem Testobjekt gemessen wird.

Der Sensor ist mit einem USB-Datenerfassungsmodul verbunden, das wiederum an einen PC angeschlossen ist. Eine mögliche Gefahr bei nicht isolierten Modulen besteht darin, dass als Reaktion auf eine Spannungsspitze der PC abstürzt. In Test- und Messanwendungen ist ein derartiges Verhalten inakzeptabel. Im Gegensatz hierzu leiten isolierte Module die gefährlichen Ströme über die Masseverbindung des Moduls ab und schützen so das ganze System (Bild 2).

Auch wenn die Spannungsspitzen so klein sind, dass das System nicht beschädigt wird, kann dies besonders bei hohen Auflösungen zu fehlerhaften Daten führen. Beispielsweise ergibt die Messung eines Signals im Bereich von ±10 V mit einem USB-Modul mit 16 bit Auflösung einen LSB-Wert von 0,31 mV (Tabelle 1). Wenn das Modul nicht isoliert ist und eine Spannungsspitze auftritt, kann der Messwert um mehrere hundert Millivolt höher liegen.

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