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D&E EditorsLab: VirtualBench-Praxistest

Ein kompaktes Elektroniklabor

26. Januar 2017, 0:00 Uhr | Constantin Tomaras

National Instruments kompaktes Elektroniklabor VirtualBench.

Seit zwei Jahren vertreibt National Instruments das kompakte Elektroniklabor VirtualBench. Ein (31 cm x 20 cm x 9 cm)-Gehäuse unterhält Mischsignal-Oszilloskop, Funktionsgenerator, Spannungsquelle, Digitalmultimeter und digitale I/O. Der Praxistest stellt die unorthodoxe Vereinigung vor.

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D&E EditorsLab: VirtualBench-Praxistest

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Ein Laboringenieur erhält von seinen Fachkollegen für die VirtualBench (VB) leicht „gute“ Ratschläge: „Kaufen Sie Einzelmessgeräte! Da rauscht doch sicher der Signalgenerator ins Oszilloskop. Und wenn da mal was kaputt geht, muss das ganze Gerät getauscht werden.“

Keines dieser Vorurteile hielt im Praxistest Stand.

Im Gegenteil: Die Zusammenführung und zentrale Steuerung der Geräte erweist sich als mobile effektive Messstation für den professionellen Einsatz. Und wenn mal was kaputt geht? - Wird eben ein Gerät in der Größenordnung des guten alten Hameg-Einschubrahmens getauscht. Das sollte innerhalb eines Arbeitstages machbar sein.

Getestet wurde die leistungsstärkere VirtualBench VB-8034, deren Preis mit Ca. 6000 € schon bei dem eines Preisleitungs-Mischkanal-Oszilloskops (300 MHz Bandbreite, 16+4 Digital+Analogkanäle, 4GS/s) liegt. Zwar fällt die Abtastrate mit 1 GS/s bei 350 MHz auf jedem Kanal wesentlich geringer aus, dafür kommt das Gerät mit mehr als doppelt so vielen (34!) Digitalkanälen maximaler Eingangsfrequenz 100 MHz, die innerhalb der VirtualBench-Software I²C, SPI und Parallelbus sprechen.

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Der Vorteil der VirtualBench: Bestenfalls ist im mobilen Einsatz nur ein Netzgerätestecker notwendig. Eine Probe, die in die Spezifikationen der VirtualBench fällt (z. B. Kleinleistungselektronik, Sensorik, usw.), ist binnen weniger Minuten kontaktiert und kann zentral über WiFi-Verbindung auf einem PC gesteuert und geprüft werden. Mit Einzelgeräten ist der mobile Einsatz wesentlich aufwendiger.

Die kleine VirtualBech (100 MHz Bandbreite, 34+2 D+A Kanäle, max. 1 GS/s Samplingrate) ist mit Ca. 2000 € preislich fair: Vergleichbare Preis-Leistungs-Einzelgeräte-Ausstattung nötigt einen ähnlichen Betrag, allerdings bei nur 16+2 Oszilloskopkanälen.

Erste Schritte

Über USB-Anschluss bedeutet die VirtualBench für einen Windows-PC ein externes Laufwerk. Die Oberfläche kann per Autostart geöffnet werden, die letzte Messkonfiguration bleibt auf dem Gerät gespeichert. Es ist also keine Software- oder Treiberinstallation notwendig. Schade ist lediglich die fehlende Linux-Unterstützung.

Die Benutzeroberfläche ist intuitiv gestaltet: Alle Wechsel- und Gleichspannungsgeräte sind in Ober- und Unterdeck getrennt. Die Farbgestaltung erinnert ein wenig an die späten WinAmp-Versionen. Die Schaltflächendichte fällt angenehm gering aus, dafür sind alle Schalter im Laboralltag relevant: Der Screenshot-Button macht Aufnahmen im 1730x1045-png-Format, der Export-Button nutzt das csv-Format. Über den WiFi-Button ist ein neues Firmwareupdate verfügbar, in der aktuellen Version ist auch xy-Betrieb des Oszilloskops möglich.

Die Offline-Hilfe erklärt grundlegende Funktionen und Fehlerquellen, die Verlinkung mit den Grundlagenvideos auf der NI-Webseite schafft schnelle Online-Einführung in die einzelnen Funktionsblöcke. Die vollständige VB-Dokumentation wird aus dem Hilfe-Menü heraus innerhalb von zwei Mausklicks erreicht: Hier erfährt der Nutzer die Sicherheits-Einschränkungen des Geräts. Mit dieser klaren Strukturierung reichen ein bis zwei Stunden völlig aus, um alle Aspekte der VirtualBench zu greifen. Die VirtualBench-Community ist nicht mehr sehr aktiv, eventuell ist der Nutzerfeedback-gesteuerte Verbesserungsprozess bereits konvergiert.

Schönere VirtualBench

Leider steht nur ein alternatives Farbschema “Hell” zur Auswahl. Die VirtualBench-Oberfläche wirkt so wesentlich ruhiger und ist damit vor allem besser für die Präsentation mit Beamern geeignet. Auch fehlt die Möglichkeit, die Breite der Messgraphen oder deren Signalfarben (vgl. LTSpice) zu verändern.

Hardware-Test

Der Funktionsgenerator

Das Ausgangssignal wird über Schieblehre oder Zahlenwerte konfiguriert. Die Schieblehre wird im symmetrischen oder asymmetrischen Modus bedient.

Der Funktionsgenerator wird zur ersten Messung mit dem Analogeingang verbunden.

Das Autosetup löst ein 5 V 20-MHz-Eingangssinussignal unmittelbar mit 80 mV Linienbreite auf.

Bei Sinussignalen unter 50 Hz versagt das Autosetup, das Signal kann schnell mit Anpassung der Zeitskala über das Scrollrad der Maus wiedergefunden werden. Gegenüber der Steuerung gewöhnlicher „Benchtop“-Oszilloskope ist das sehr intuitiv. Formal unterstützt der Funktionsgenerator Rechteckssignale bis zu 5 MHz. Ein 10-kHz-Rechtecksignal geht einwandfrei, ab 100 kHz wird eine Schwingung bemerkbar,

die an der Bandkante noch akzeptabel ist:

Die Güte des Plateaus spielt beim Rechteckssignal ohnehin eine untergeordnete Rolle, technisch relevant ist vor allem die Anstiegszeit. Bei 5 MHz Rechteck mit 5 V Amplitude beträgt die Anstiegszeit 4,5705 ns.

Für einen digitalen Generator mit 20 MHz Bandbreite ist das ein sehr guter Wert: Messung mit identischen Signalparametern am Rigol-DG4102-Signalgenerator (100 MHz Bandbreite - 500 MS/s) mit dem VirtualBench-Oszilloskop ergibt 3,9033 ns Anstiegszeit.

Die Möglichkeit, beliebige Signalverläufe über eine txt-Datei in den Generator einzugeben, ist sehr komfortabel: Wer die Antwort seiner Schaltung auf ein spezifisches Störsignal untersuchen möchte, kann den Signalverlauf in einer Mathematik-Umgebung (z. B. Mathematica, Maple, GNU Scientific Library) auf dem selben Rechner erstellen und an die VirtualBench übergeben.

Mischsignal-Oszilloskop

Zur Evaluierung des Mischsignal-Oszilloskops wurde der analoge Oszilloskopeingang mit dem Rigol DG4102-Generator (100 MHz, 500 GS/s) verbunden.

Im empfindlichsten Bereich misst der analoge Eingang 5 mV pro Kästchen. Ein mit 1 kHz weit von der Bandkante entferntes Sinussignal von 1 mV Amplitude kann bei 64 Mittelwerten ohne weiteres aufgelöst werden!

Auch an der Grenze des Signalgenerators (100 MHz) ist das 1 mV Signal bei 128 Mittelwerten klar erkennbar. Mit der Nachleuchtfunktion (hier eine Minute Nachleuchten) wird die Messpräzision verifiziert:

Ein 5 mV 10-MHz-Rechteckssignal kann mit 256 Mittelwerten aufgelöst werden.

Das 1 mV 1-MHz-Rechteckssignal ist bei 128 Mittelwerten leicht verschoben.

Die FFT-Funktion funktioniert einwandfrei, allerdings kann die Skala nur über das Untermenü konfiguriert werden, was ein wenig Zeit in Anspruch nimmt.

Ohne BNC-Kopplung des internen Frequenzgenerators und des Oszilloskops, war auch bei kleinen Frequenzen kein Rauschen auffindbar.

Die Funktion der Digitalkanäle veranschaulicht das National Instruments Demoboard: Ein analoges Eingangssignal wird darauf digitalisiert und phasenverschoben über unterschiedliche Kanäle ausgegeben.

Mit simultaner Überwachung aller Kanäle kann der softwareseitige Fehler auf dem Board in der Signalverarbeitung identifiziert werden.

Digitales Multimeter

Das digitale Multimeter nach Cat-II-Standard mit 5,5 Stellen Genauigkeit arbeitet einwandfrei. Die Strom- und Spannungs-Messbereiche reichen von 10 mA bis 10 A und von 100 mV bis 300 V, somit können theoretisch noch 1 µA und 10 mV erfasst werden. Die automatische Widerstandsmessung und Durchlassprüfung gelingt tadellos.

Auch beim Multimeter profitiert der Anwender sehr vom vereinheitlichten Interface: Im selben Blickfeld können das Zeitverhalten des Prüflings und die mit dem Multimeter geprüften Eigenschaften beobachtet werden. (Alle Messgenauigkeiten)

Digitale I/O

Die Digitale Ein- und Ausgabe dient der Maschinenkommunikation. Zur Steuerung über bsp. GPIO-Befehle sollte die VirtualBench besser in LabView eingebunden werden. Die Schaltzeit der digitalen I/O ist auf dem Oszilloskop nicht darstellbar.

Fazit

Wer gerade kein Elektroniklabor hat, darf ohne schlechtes Gewissen zur VirtualBench greifen. Für Kleinleistungsanwendungen bis 50 Watt, die sich auf die MHz-Frequenzskala beschränken, enthält die VirtualBench sämtliche relevanten Ein- und Ausgabegeräte. Die Vereinheitlichung in ein Beamer-großes Gehäuse, auf eine einzige "Plug & Play"-Oberfläche, ist gleichsam benutzerfreundlich wie arbeitseffektiv. VirtualBench lässt sich über verschiedene Wege bedienen: Schnell und intuitiv ohne Softwareinstallation von jedem Windows-PC, über eine App auf dem iPad, oder mittels API über Labview. Mit LabView werden benutzerdefinierte Anpassungen der Oberfläche oder Funktionalität realisiert.