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National Instruments

Die VirtualBench-Entwicklung

2. März 2017, 17:00 Uhr | Geoff Hargreaves

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Wenig spektakulär, aber wichtig!

Selten sind thermische Spezifikationen berücksichtigt, obgleich das verheerende Auswirkungen auf die Systemleistung haben kann. Eine zentrale Herausforderung beim VirtualBench-Projekt war die Regulierung der Betriebstemperatur bei Drift-anfälligen Messgeräten. In der ersten Version befand sich der Lüfter zur Kühlung des temperaturempfindlichsten Messgerätes direkt über dem Digitalmultimeter. Allerdings verursachte dort die Abwärme des Zynq-Chips in Ausnahmefällen Komplikationen. Zur hinreichenden Lösung waren weitere zeitintensive Tests in der Klimakammer notwendig. Die zweite Version arbeitete daher mit thermisch getrennten Bereichen.
Nach Einfügen einer Kunststoffblende um das Digitalmultimeter konnte dieser Bereich mit einem Wärmeelement reguliert werden. Ein Abluftventilator auf der Rückseite des Messgeräts regulierte mit einem Wärmeelement die Temperatur des Signalgenerators und Ozilloskops. Das Gesamtgerät (FPGA, Signalgenerator, Netzteil, usw.) erhielt Temperaturmonitore um den Lüfteralgorithmus für möglichst effizienten wie leisen Betrieb zu optimieren. Präzisionsmesssysteme sollten vor der Implementierung so umfassend und lange wie möglich in einer Klimakammer mit Temperatur- und Luftfeuchteregulierung getestet werden.
Dies ist wenig spektakulär, sicherte im Projekt aber maßgeblich die Zuverlässigkeit und Anwenderzufriedenheit.

EMV-Betrachtungen

Elektrostatische Entladung ist ein Standardproblem der Elektronikentwicklung. Die dichte Komponentenpackung steigerte den Schwierigkeitsgrad des VirtualBench-Projekts: Die Gehäuseerdung verursacht leicht Pfade, die Störsignale zwischen den sorgfältig abgeschirmten Messgeräten übertragen. Beim Erstentwurf lag der Netzteilausgang auf der unteren Platine neben den Oszilloskopschaltungen der oberen Platine. Eine wirksame Abschirmung gestaltete sich wegen der hohen Oszilloskopempfindlichkeit schwierig. Deshalb wurde das Netzteil neu ausgerichtet und ein zusätzlicher Kabelstrang leitet die Signale durch das Gerät zu den Bedienelementen. Ebenfalls angepasst wurden die Positionierung der Anschlüsse, der Massebezugspunkt für andere Subsysteme und die Richtung der elektrostatischen Entladung im Gerät: Die I/O liegt auf der Rückseite direkt neben der Gehäuseerdung. Dies reduziert den Rauschpegel, dem das Oszilloskop ausgesetzt ist, erheblich. Die naheliegendste Lösung ist eben selten optimal: Es lohnt, die ursprünglichen Entwurfsentscheidungen bei jeder Iteration zu hinterfragen. Der ganzheitliche Entwicklungsansatz reduzierte die Risiken beim Neuentwurf deutlich. Enge teamübergreifende Zusammenarbeit und Kommunikation verbesserte die Systemleistung und das mechanische Design innerhalb des Zeitplans.

Weg zur optimalen Lösung

Entwickler sind mit dem Ergebnis sehr zufrieden: Ein hochwertiges Messgerät aus kostengünstigen Komponenten. Der Entwicklungsprozess eröffnet neue Perspektiven auf Produktentwicklung und -Erfolg. Den Erfolg leistungsstarker Messgeräte kennzeichnet häufig die ppm-Fehlerrate und das Signal/Rausch-Verhältnis. Allerdings zeichnet sich ein erfolgreiches Gerät ebenso durch die Verhältnismäßigkeit geschäftlicher und technischer Aspekte aus. Technische Perfektion ist bei ungenutzten Funktionen irrelevant. Entwickler die bereits bei der Markteinführung mit ihrem Gerät zufrieden sind, hatten entweder sehr viel Glück oder betreten den Markt zu spät mit einem übertechnisierten Produkt. Softwaredefinierte Architekturen werden auch nach der Markteinführung weiter optimiert.
Die schnelle Veröffentlichung verkürzt unter Feedbackbildung den Entwurfsprozess bei einem stetig weiterentwickelten Produkt. Kurze Veröffentlichungszyklen tragen so zum kommerziellen Produkterfolg bei.