Schwerpunkte

Kompaktes Multiinstrument

Schneller mit MOKU:LAB

13. April 2021, 12:00 Uhr   |  Von Maximilian Dreher

Schneller mit MOKU:LAB
© Scientific Instruments | Shutterstock.com |

Das Kombimessgerät Moku:Lab vereint bis zu zwölf Messinstrumente und lässt sich schnell auf neue Messaufgaben umkonfigurieren. Der Entwickler spart Platz auf dem Arbeitstisch, ohne Kompromisse bei Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit einzugehen.

Die Komplexität elektronischer Geräte und Technologien nimmt seit Jahrzehnten stetig zu. Wurde ein Mobiltelefon vor einigen Jahren noch ausschließlich zum Telefonieren oder Verschicken von Kurznachrichten verwendet, sind heutige Smartphones wahre Multitalente. Diese Entwicklung vom dedizierten Spezialisten zum Alleskönner hat die Messtechnik noch nicht genommen – zumindest nicht in dem Maße wie die Smart­phones. Während sie Telefon, Diktiergerät, Kamera, Kompass, Gyroskop und Onlinewettervorhersage in sich vereinen, arbeiten deren Entwickler meist mit hoch spezialisierten Messgeräten. Diese Messgeräte bestehen trotz unterschiedlichster Spezialgebiete aus den gleichen Komponenten und werden mit sich überschneidenden Anforderungen entwickelt. Damit ist das technische Fundament vorhanden, um präzise Messgeräte als flexible Kombimess­geräte zu konstruieren.

Prinzip Funktionsvielfalt

Dieses Prinzip liegt dem Moku:Lab zugrunde. Es vereint bis zu zwölf Funktionen (Tabelle 1) in einer flexiblen, hochwertigen und gleichzeitig kompakten Hardware, die sich per Software innerhalb von einigen Sekunden selbst konfiguriert.

Funktionsumfang des Moku:Lab mit den relevantesten technischen Spezifikationen und Sekundärfunktionen
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Tabelle 1. Funktionsumfang des Moku:Lab mit den relevantesten technischen Spezifikationen und Sekundärfunktionen.

Jedes Moku:Lab stellt zwei Ausgangsbuchsen für DC bis 300 MHz bei max. 1 GSa/s zur Verfügung und zwei Eingangsbuchsen mit max. 500 MSa/s Abtastrate für Signale von DC bis 200 MHz. 12-bit-Analog-Digital-Umsetzer (ADU) an den Eingängen und 16-bit-Digital-Analog-Umsetzer (DAU) an den beiden Ausgängen in Verbindung mit einem Eingangsrauschen von weniger als 30 nV/√Hz sorgen für hohe Signalqualität. Zusammen mit einer wechselbaren Portimpedanz (50 Ω und 1 MΩ), einer AC-/DC-Kopplung und einer internen Zeitbasis mit Frequenzstabilität <500 ppb bietet das Multimessgerät die Leistung eines konventionellen Mittelklassegeräts.

Anwendungsbeispiel aus der HF-Technik

Der Vorteil des Moku:Lab liegt nicht darin, dass es in allen Messdisziplinen, die in der Tabelle genannt sind, Spitzenreiter ist, sondern in seiner Vielseitigkeit. Sie spart Kosten und reduziert den benötigten Platz und die Komplexität von Messaufbauten. In Bild 1 ist als beispielhafte Messaufgabe der Versuchsaufbau für die Funktionsprüfung und Charakterisierung eines AD831-Mischers gezeigt, einmal mit dedizierter Messtechnik und einmal mit dem Moku:Lab.

Vereinfachter Messaufbau zur Charakterisierung eines Mischers mit einem Moku:Lab. (b) Im konventionellen Aufbau werden vier Messgeräte benötigt: Spektrumanalysator, zwei Funktionsgeneratoren und Oszilloskop
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Bild 1. (a) Vereinfachter Messaufbau zur Charakterisierung eines Mischers mit einem Moku:Lab. (b) Im konventionellen Aufbau werden vier Messgeräte benötigt: Spektrum-analysator, zwei Funktionsgeneratoren und Oszilloskop. Die DUT-Versorgung ist in beiden Fällen nicht gezeigt.

Mischer oder Multiplizierer werden bekanntlich in der Kommunikationstechnik häufig verwendet, um Vielfache von Oszillatorfrequenzen zu erzeugen oder Datensignale auf deutlich höhere, für die Datenübertragung besser geeignete, Trägerfrequenzen zu modulieren und beim Empfänger wieder zu demodulieren. Um diese Funktionalität zu generieren, werden nichtlineare Kennlinien von Bauteilen (z. B. Dioden) ausgenutzt. Durch Multiplikation zweier Signale (Hochfrequenzsignal HF und Lokaloszillatorsignal LO) ergeben sich nach XHF ∙ XLO = cos(2∙π∙fHF∙t) ∙ cos(2πfLO∙t) und XHF ∙ XLO= 0,5∙[cos(2∙π∙(fHF-fLO)∙t) + cos(2∙π∙(fHF+fLO)∙t] zwei resultierende Signale mit der Summen- bzw. Differenzfrequenz, wobei letztere wie in Bild 1a und b als Niederfrequenz NF bezeichnet wird. Im Beispiel werden fHF und fLO zu je 100 MHz und 95 MHz eingestellt. Dies geschieht wie in Bild 2 gezeigt mittels Moku:Labs Funktionsgeneratorfunktionalität.

Einstellungen der Ausgangssignale des Moku:Lab als Funktionsgenerator mit grafischer Signaldarstellung (HF-Signal grün & LO-Signal violett)
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Bild 2. Einstellungen der Ausgangssignale des Moku:Lab als Funktionsgenerator mit grafischer Signaldarstellung (HF-Signal grün & LO-Signal violett).

Anschließend werden beide Ausgänge mit den Moku-Eingängen verbunden und das Gerät zum Oszilloskop umprogrammiert, um die Ausgangs­signale vor der Belastung des zu untersuchenden Mischers zu überprüfen und Beschädigungen am DUT (Device Under Test) auszuschließen. Die Umprogrammierung erfordert nur einige Sekunden und es bleiben die Einstellungen des Ausgangssignals erhalten, da die Oszilloskop-Funktion zwei integrierte Funktionsgeneratoren beinhaltet. Nach erfolgreicher Signalprüfung werden HF- und LO-Signale sowie Mischer und Ausgangssignal wie in Bild 1a verbunden und das Multiinstrument zum Spektrumanalysator rekonfiguriert. Dabei kann eines der Eingangssignale simultan mit einem T-Stück überwacht werden. Auch diesmal bleibt die Funktionsgeneratorfunktion mit deren Einstellungen als Sekundärfunktion erhalten.

Screenshot der Spektrumanalysator-Funktionalität mit dem Eingangsspektrum des HF-Signals zur Kontrolle (blau) sowie dem NF-Ausgangsspektrum des Mischers (rot). (Bild: Scientific Instruments)
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Bild 3. Screenshot der Spektrumanalysator-Funktionalität mit dem Eingangsspektrum des HF-Signals zur Kontrolle (blau) sowie dem NF-Ausgangsspektrum des Mischers (rot). (Bild: Scientific Instruments)

Wie anhand des roten Spektrums in Bild 3 zu sehen ist, funktioniert der Mischer einwandfrei und erzeugt das gewünschte NF-Signal bei 5 MHz sowie das in diesem Fall unerwünschte Mischprodukt bei 195 MHz, welches aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Zusätzlich sind weitere Linien höherer Misch- und Faltungsprodukte sowie Übersprechen zu verzeichnen. Das Testplatinen-Layout ist folglich optimierungsbedürftig. In blau ist das HF-Eingangsspektrum dargestellt.

Screenshot der Filterboxfunktion mit gefiltertem (blau) und ungefiltertem (rot) Mischerausgangssignal und FFT des gefilterten Signals in Orange
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Bild 4. Screenshot der Filterboxfunktion mit gefiltertem (blau) und ungefiltertem (rot) Mischerausgangssignal und FFT des gefilterten Signals in Orange.

Um das Spektrum des NF-Signals bei 5 MHz zu bereinigen, wird ein Tiefpassfilter nachgeschaltet. Das Filter kann als digitales Filter über ein weiteres Moku:Lab synthetisiert und mithilfe der integrierten Datenlogger-Funktion aufgezeichnet werden (Bild 4). Die am Ein- und Ausgang des Butterworth-Tiefpassfilters (Grenzfrequenz 7 MHz) gesetzten Messpunkte zeigen den hohen Einfluss des Filters auf die Signalqualität sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich. Als Ergänzung zur Spektralanalyse ist die Übertragungsfunktion des Mischers mittels Rekonfiguration und Frequenz­antwort-Analysefunktion ohne Neuverkabelung in wenigen Sekunden ermittelt.

Fernzugriff und Software-Tools

Zusätzlich zu den eben ausgeführten Messungen und Selbstchecks sowohl im Zeit- als auch Frequenzbereich ist eine Vielzahl weiterer Messungen mit nur einem Moku:Lab ohne aufwendiges Umstecken und Zusammentragen aller benötigten Messgeräte möglich. Einmal angeschlossen ist das Test-Set-up per Remote-Zugriff via W-LAN oder Ethernet und VPN (Virtual Private Network) an jedem Ort verfügbar. Beim Fern­zugriff bleibt der gesamte Funktions­umfang und die intuitive Bedienbarkeit mittels iPad- und Windows-(beta)-App vollständig erhalten. Messroutinen lassen sich in hohem Grad automatisieren und für die Datenauswertung kann Drittanbietersoftware mittels MATLAB-Toolbox, Python-Bibliothek und LabVIEW genutzt werden.

Verglichen mit einem traditionellen Kombigerät wie einem Oszilloskop mit integriertem Signalgenerator bietet Moku:Lab eine höhere Flexibilität. Eine zusätzliche Messfunktion kann online erworben und innerhalb von Stunden bereitgestellt werden. Eine Einsendung in eine Servicezentrale zur Hardware­nachrüstung ist nicht erforderlich. Entsprechend liefert das Gerät den größten Mehrwert im Allroundeinsatz, wo wechselnden Anforderungen gefragt sind oder auch bei Lehr- und Ausbildungszwecken. Seit Produkteinführung wurde die Anzahl der Messfunktionen von fünf auf zwölf erweitert. Für die Mitte dieses Jahres ist die nächste Erweiterung geplant: Über eine neue Programmierschnittstelle kann die Hardware vom Anwender selbst programmiert und auf seine MessanfMessanforderungen angepasst werden.

Der Autor

Maximilian-Dreher von Scientific-Instruments
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Maximilian-Dreher von Scientific-Instruments.

Maximilian Dreher

ist seit 2020 Vertriebsingenieur bei der SI Scientific Instruments in Gilching. Dreher
absolvierte ein duales Verbundstudium der Elektrotechnik mit inkludierter IHK-Ausbildung zum Elektroniker für Informations- und Systemtechnik sowie B.Eng. Electrical Engineering mit Schwerpunkt Kommunikationstechnik bei Rohde & Schwarz an der Hochschule München. Es folgten Werkstudententätigkeit und Masterarbeit bei R&S im Produktmanagement und in der Entwicklung HF-Signalgeneratoren.

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