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Rechnergestützte Messtechnik

Messkarten mit 16 bit Auflösung - ein Muss für den Anwender?

07. Mai 2013, 11:06 Uhr   |  Von Oliver Rovini


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Anschluss des Signals, Eingangsbereiche, Single-ended, differenziell

In der Regel hat man als Anwender ein paar Sensoren oder Ausgangssignale des Testgerätes, die einen definierten Ausgangspegel liefern. Auf der Erfassungsseite sollte man den Eingang möglichst an dieses Signal anpassen können, um die 16 bit Auflösung auch nutzen zu können. Idealerweise findet man einen Eingangsbereich, der den maximal zu erwartenden Signalhub abdeckt. Hier sind auf der Erfassungsseite viele in Hardware realisierte Eingangsbereiche von Vorteil; die neu vorgestellte M2i.49xx bietet z.B. sechs per Software einstellbare Bereiche zwischen ±200 mV und ±10 V.

Spannungsverhältnisse der Single-ended- im Vergleich zu differenziellen Eingängen
© Spectrum GmbH

Bild 3. Spannungsverhältnisse der Single-ended- im Vergleich zu differenziellen Eingängen.

Vom Oszilloskop bekannt ist die übliche Eingangsbeschaltung als Single-ended. Dank der relativ einfachen Beschaltung ist dieser Eingangstyp Standard auf den meisten Produkten. Bei Single-ended wird das Nutzsignal in Relation zu einer gemeinsamen Masse aufgezeichnet (Bild 3). Alle Störquellen, sei es im Signal, auf der Masse der Quelle, auf der Kabelmasse oder auch auf der Masse der Erfassungskarte, gelangen dann als Störanteil in das aufgenommene Signal. Eine bessere Schirmung gegen eingestreute Störquellen bietet der differenzielle Betrieb. Hier wird die Differenz zwischen zwei komplett differenziell geführten Eingangssignalen gemessen (siehe auch Bild 3). Störquellen koppeln sich auf beide Signalhälften zu annähernd gleichen Anteilen ein und ändern dadurch nichts an der Signaldifferenz. Häufig sind Messkarten - sofern sie denn überhaupt differenzielle Eingänge anbieten - zwischen Single-ended und differenziellem Betrieb umschaltbar.


Leider ist ein differenzieller Eingang nicht zwingend gleich einem anderen differenziellen Eingang. Die einfachste Form ist der Aufbau mit zwei separaten A/D-Wandlern, wobei die eigentliche Differenzbildung erst auf digitaler Seite stattfindet. Hier addieren sich natürlich die Nichtlinearitäten und Abweichungen der beiden Eingangsverstärker und der beiden A/D-Umsetzer. Einen großen Vorteil gegenüber Single-ended bietet dieser Aufbau daher nicht und sollte nur im Notfall genutzt werden.

Beim pseudodifferenziellen Betrieb wird der Masseeingang der Signalquelle getrennt von der Systemmasse als ein Eingang des A/D-Umsetzers verwendet. Hiermit werden Störungen auf der Masse des Erfassungssystems herausgehalten. Besser ist der sogenannte „True Differential“-Betrieb. Hierbei ist der komplette Vorverstärker differenziell aufgebaut und es wird ein komplett differenzielles Signal übertragen. Aus mangelndem Platz für Eingangsbuchsen an der Frontblende kann es beim differenziellen Betrieb - wie beim Kartentyp M2i.49xx - nötig sein, auf die Hälfte der Eingangskanäle zu verzichten. Einen alternativen Ansatz bietet hier z.B. die M2i.46xx-Serie. Hier kann jeder der acht 16-bit-Eingänge zwischen Single-ended und True Differential umgeschaltet werden. Die benötigten zwei Buchsen pro Kanal werden dabei mit den recht kleinen MMCX-Buchsen realisiert.

Vielfach werden leider durch den Anwender differenzielle Eingänge gleichgesetzt mit potenzialfreien Eingängen. Zwar ist jeder potenzialfreie zwingend auch ein differenzieller Eingang, doch umgekehrt gilt dieses nicht. Die sehr aufwendige Technik zur Potenzialtrennung bei Signalen im MHz-Bereich macht so eine Realisierung als reine PC-Technik nicht möglich. Einige wenige Produkte am Markt bieten hier einen Lösungsansatz mit abgesetztem ADC-Teil, allerdings zu einem Vielfachen der Kosten einer nicht potenzialfreien Lösung.

Mehr Kanäle

Reichen die auf der Karte vorhandenen Kanäle nicht aus, so bieten die meisten PCs Platz genug für vier bis fünf Karten. Beim Betrieb mehrerer Boards nebeneinander muss man sich allerdings Gedanken um die Synchronisierung machen. Zueinander passende Daten erhält man nur, wenn die Karten mit den exakt gleichen Takt- und Trigger-informationen arbeiten. Haben die Boards für beide Signale einen externen Eingang, so kann man zumindest mit zusätzlicher externer Hardware und zusätzlichen Software-Programmierungen eine Synchronität herstellen. Hier kann man allerdings auf den Daten basierende Triggerquellen nicht mehr verwenden. Das eingespeiste Triggersignal muss mit dem eingespeisten Takt synchronisiert werden, um Fehltriggerungen durch asynchrone Takt- und Triggersignale zu vermeiden.

Die interne Synchroni-sation mit „Star Hub“
© Spectrum GmbH

Bild 4. Die interne Synchronisation mit „Star Hub“.

Besser ist die durch einige Hersteller angebotene interne Synchronisierung, da hier weder externe Hardware benötigt wird noch zusätzliche Programmierung anfällt. Manche Hersteller haben hier eine Buslösung zur Synchronisation, die neben Einschränkungen bei der Triggerverteilung auch einen kleinen Taktversatz von üblicherweise ein paar 100 ps zwischen den synchronisierten Karten erzeugt. Die universelle Lösung ist ein Sternverteiler, wie er auch in Bild 4 gezeigt wird. Takt und Trigger werden hier sternförmig verteilt, und alle Triggerquellen der Karten können auf dem Sternverteiler verknüpft werden. Hiermit könnten z.B. bei einer Lösung aus 5 × M2i.4932-exp ein System mit 40 synchronen 30-MS/s-/16-bit- Kanälen alle Kanäle gleichzeitig auch Triggerquelle sein.

Neben der Erweiterung der Eingangskanäle bietet die interne Synchronisation auch die Möglichkeit, verschiedene Kartentypen miteinander zu verkoppeln, sofern der Hersteller hier zueinander passende Produkte hat. Bei Spectrum beispielsweise können alle Produkte der M2i-Serie mit dem Star Hub synchronisiert werden. Damit ergibt sich die Möglichkeit, analoge und digitale Aufzeichnungskarten mit analogen und digitalen Generatoren (Arbitrary-Waveform- und Pattern-Generatoren) zu kombinieren. So können auf einfache Weise Stimulus-Response-Systeme oder Record-Replay-Systeme aufgesetzt werden.

Mixed Mode aus Analog und Digital

Bei Oszilloskopen ist seit einigen Jahren das Stichwort „Mixed Mode“ vielfach zu lesen. Hierunter versteht man die gleichzeitige und synchrone Aufzeichnung von analogen und digitalen Daten. Neben der gerade vorgestellten Möglichkeit, analoge und digitale Aufzeichnungskarten zu synchronisieren, gibt es aber, zumindest bei Spectrum, noch eine deutlich einfachere und günstigere Lösung in Form eines kleinen Erweiterungsmoduls.

Der Mixed Mode mit universellen Digitaleingängen ist auch bei 16-bit-Karten realisiert
© Spectrum GmbH

Bild 5. Der Mixed Mode mit universellen Digitaleingängen ist auch bei 16-bit-Karten realisiert.

Bei diesen optionalen Digitaleingängen werden die nicht verwendeten Bits bei einer 12-bit- oder 14-bit-Karte und dem üblichen 16 bit breiten Speicher verwendet, um Digitalsignale mit aufzuzeichnen. Bei der vorgestellten M2i.3131 mit vier analogen 12-bit-Kanälen können so noch 16 Digitaleingänge mit aufgezeichnet werden (Bild 5).

Um diese gerne genommene Option auch bei 16-bit-Karten anbieten zu können, gibt es auch eine universelle, programmierbare Lösung. Basierend auf der Annahme, dass nicht jeder Entwickler acht synchrone Kanäle braucht und auch nicht jeder alle Kanäle mit voller Auflösung benötigt, kann für jeden A/D-Kanal programmiert werden, ob zwei oder vier Digitaleingänge bei reduzierter A/D-Auflösung mit aufgezeichnet werden oder ob sogar ein ganzer A/D-Kanal durch 16 Digitalkanäle ersetzt wird. Auf diese Weise können mit einer einzigen Karte Mixed-Mode-Systeme aus bis zu acht Analogkanälen und 32 Digitalkanälen aufgebaut werden.

Letztlich kann man feststellen, dass sich die 16-bit-A/D-Auflösung durchaus lohnt und dass man nur bei mangelnder Verfügbarkeit auf niedriger auflösende Produkte zurückgreifen sollte. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten und Optionen, die die Messaufgabe einfacher realisierbar machen. Treiber für verschiedene Systeme und Software-Pakete wie LabVIEW und Matlab bieten eigentlich alle Hersteller. Eine eigene Stand-alone-Software wie das hier gezeigte SBench 6 kann Laboraufgaben auch ohne Programmieraufwand lösen und hilft bei einem ersten Start mit der neu gekauften Hardware. Einem Kauf sollte also unbedingt eine ausgiebige Recherche nach der optimal passenden Karte vorausgehen.

Der Autor

Dipl.-Ing. (FH) Oliver Rovini
 hat Technische Informatik studiert und ist nach jahrelanger Hardware- und Software-Entwicklungsarbeit heute technischer Leiter bei dem deutschen Messtechnikhersteller Spectrum GmbH.
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2. Anschluss des Signals, Eingangsbereiche, Single-ended, differenziell

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