Modulare, softwaredefinierte Messsysteme
Für alle (Mess-)Fälle gerüstet
Über den gesamten Entwicklungs-, Validierungs- und Produktionszyklus elektronischer Komponenten und Systeme hinweg ist eine Vielzahl von Messgeräten nötig. Durchgängige Lösungen bestehend aus modularen und software-definierten Messgeräte-Bundles wie die von National Instruments bieten sich dafür an.
Egal ob für die Automobil-, Konsumgüter-, Industrie- oder Medizintechnik – überall werden für die Entwicklung, Validierung und Produktionsprüfung von Komponenten und Systemen zahlreiche Mess- und Prüfgeräte benötigt. Diese müssen kompakt sein und eine hohe Performance aufweisen. Sie benötigen eine geringe Latenzzeit sowie eine hohe Kanaldichte und Bandbreite.
Außerdem können sich die Designanforderungen im Laufe der Zeit ändern, sodass die Modularität ein großes Plus für die Zukunftssicherheit des Systems darstellt. Oft handelt es sich bei den Messungen um sich wiederholende Tests oder um die Zusammenarbeit unter geografisch verteilten Teams, was das softwaredefinierte Testen zu einer praxisgerechten Funktion macht.
Eine mögliche Herangehensweise dazu ist es, mehrere konventionelle Messgeräte zusammenzustellen. Das kann jedoch zur Herausforderung werden: Die Systemintegration von Geräten verschiedener Hersteller einschließlich der Darstellung von Informationen auf mehreren Bildschirmen, der Softwarekompatibilität, der umfangreichen Verkabelung und des Platzbedarfs für zahlreiche Einzelgeräte kann Anwender vor Probleme stellen.
Stattdessen können Entwickler auf Pakete mit modularen Hochleistungsinstrumenten und anderen I/O-Modulen mit spezieller Synchronisierung und wichtigen Softwarefunktionen zurückgreifen, die von der Gerätevalidierung bis hin zu automatisierten Produktionstests reichen. Diese gebündelten Einheiten sind in einem kompakten PXI-Express-Messsystem mit fünf Steckplätzen erhältlich, das mit einem Laptop oder Desktop-Computer über einen Thunderbolt-USB-C-Anschluss gesteuert wird.
Betrachten wir einige der wichtigsten Aspekte, die bei der Wahl des Messansatzes wichtig sind.
Welche Art von Messung ist erforderlich?
Um zu bestimmen, welche Art von Messgerät benötigt wird, sind zunächst einige grundlegende Fragen zu klären:
- Ist das gemessene Signal ein Eingangssignal, ein Ausgangssignal oder beides?
- Handelt es sich bei dem Signal um Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC), und wenn es sich um Wechselstrom handelt, ist die Frequenz in Kilohertz (kHz), Megahertz (MHz) oder Gigahertz (GHz) angegeben?
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Anhand der Antworten auf diese Fragen lässt sich feststellen, ob das benötigte Instrument für Gleichstrom- und Stromversorgungsanwendungen, analoge Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit, analoge High-Speed-Anwendungen oder Hochfrequenz- und drahtlose Anwendungen geeignet ist.
Spezifikationen für analoge Instrumente
Nach der Bestimmung des allgemeinen Gerätetyps, der für eine Messaufgabe benötigt wird, ist es an der Zeit, die spezifischen Leistungsanforderungen zu ermitteln:
- Zu den Signalgrundlagen gehört es, sicherzustellen, dass der Signalbereich groß genug ist, um die erforderlichen Signale zu erfassen, er die Impedanz, die Belastung des Prüflings und die Frequenzanforderungen der Messung unterstützt und die Isolierung von der Erde die erforderlichen Ebenen der Störfestigkeit und Sicherheit unterstützt.
- Die Bandbreite in kHz, MHz oder GHz muss ausreichend sein, um die zu messenden Signale zu verarbeiten, und der Analog/Digital-Wandler (ADC) muss in Bezug auf die Abtastrate schnell genug sein, gemessen z. B. Kilosamples pro Sekunde (kSamples/s), Megasamples pro Sekunde (MSamples/s) oder Gigasamples pro Sekunde (GSamples/s), um die erforderlichen Signalnuancen zu erfassen.
- Auflösung und Genauigkeit sind ebenfalls wichtige Faktoren. Ist eine 8-bit-, 24-bit- oder eine andere Auflösungsstufe erforderlich? Wie hoch ist die maximale Fehlerquote in Prozent oder in Teilen pro Million, die tolerierbar ist? Wie hoch ist die erforderliche Empfindlichkeit in absoluten Einheiten wie Mikrovolt (µV) oder Nanovolt (nV), die benötigt wird?
Verschiedene Typen von Messgeräten erfordern unterschiedliche Eingangsisolations- und Impedanzbereiche, Eingangskopplungs- und Filterspezifikationen, Verstärkerempfindlichkeiten sowie Messauflösung und -genauigkeit.
Busse, Bandbreiten und Latenzzeiten
Die Messgeräte müssen an ein Steuergerät angeschlossen werden, um ein Prüfsystem zu bilden. Die Anforderungen an die Signalbandbreite und die Latenzzeit des Verbindungsbusses sind wichtige Faktoren. Die Bandbreite misst die Geschwindigkeit, mit der Daten übertragen werden, in der Regel in Megabyte pro Sekunde, während die Latenzzeit die Verzögerung bei der Datenübertragung angibt. Gängige Busse haben sehr unterschiedliche Kombinationen von Bandbreite und Latenzzeit. Ein weiterer Faktor ist die Übertragungsdistanz, die der Bus unterstützt. Der GPIB und der USB-Bus können zum Beispiel ähnliche Latenzzeiten aufweisen, aber USB bietet eine höhere Bandbreite. Gigabit-Ethernet wiederum hat eine mittlere Bandbreite und eine höhere Latenzzeit, kann aber über viel größere Entfernungen übertragen.
Bei der Entwicklung von Messsystemen kommen häufig PCI und PCI Express zum Einsatz. Sie sind für Kurzstreckenverbindungen bis zu etwa 1 m konzipiert und bieten eine hohe Bandbreite und eine geringe Latenzzeit (Bild 1). Ein wichtiges Merkmal von PCI Express ist, dass es jedem Gerät auf dem Bus eine eigene Bandbreite zur Verfügung stellt. Das macht PCI Express zum bevorzugten Verbindungsbus für leistungsstarke und datenintensive Anwendungen wie Messtechnik-Echtzeitsysteme, bei denen der Betrieb mehrerer Geräte integriert und synchronisiert werden muss.
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