Messtechnik, Sensorik und Test 1
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Sonderheft MeSStechnik, SenSorik und teSt i Wissen. Impulse. Kontakte. April 2014 www.elektronikpraxis.de Vorsicht bei hoher Leistung für das PXI-System Bei Leistungen von mehr als 20 Watt ist Vorsicht geboten: Die Integration des Netzteils in das PXI-Mainframe gestaltet sich dann schwierig. Sampling vs. Echtzeit-Oszilloskop Das Tablet in der Messtechnik Vertikale Auflösung für mehr Details Bei der Auswahl des passenden Oszilloskop-Typs ist nicht allein die Bandbreite entscheidend. Seite 20 Tablets und Smartphones eignen sich gut für Fernzugriff und Fehlersuche in der Messtechnik. Seite 30 Dank einer besseren vertikalen Auflösung kommen mehr Details im Mess-Signal zum Vorschein. Seite 36 D VERSA6N5 €! R E S O L KOSTENELLUNGEN ÜBER T DE KE Y. I G I D FÜR BES editorial Wie Messtechnik hilft, unsere Welt besser zu verstehen M esstechnik ist spannend, abwechslungsreich und manchmal sogar echt extrem! Ein Beispiel: In den ersten Momenten nach dem Urknall vor fast 14 Milliarden Jahren hat sich das Universum schlagartig ausgedehnt. Woher wissen wir, dass es so war, wie es auch Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hat? Wissenschaftler konnten die Gravitationswellen messen, die kurz nach dem Urknall entstanden sind. Das dafür verwendete Fernrohr BICEP2 ist ein hochempfindlicher Detektor für die Mikrowellenstrahlung. Gemessen wird hier die Wärme der Mikrowellenstrahlung, die in eine sehr kleine Spannung umgewandelt wird. Ein anderes Beispiel für extreme Messtechnik ist der Teilchenbeschleuniger am CERN. Hier haben Wissenschaftler im Jahr 2012 das Higgs-Boson nachgewiesen, das seit den 1960er-Jahren nur als theoretisches Modell existiert hatte. Pro Sekunde kollidieren dort eine Milliarde Protonen – aus dieser unvorstellbaren Anzahl konnten Wissenschaftler die Existenz des HiggsBosons nachweisen. Die beiden Beispiele veranschaulichen, wozu Messtechnik heute in der Lage ist. Allerdings geht es in den Entwicklungs- „Treffen Sie am 21. Mai Experten rund um das Thema Oszilloskop auf unserem Anwenderforum in Würzburg!“ Hendrik Härter, Redakteur [email protected] laboren oft weniger dramatisch zu. Der Alltag des Messtechnikers ist gekennzeichnet von Routine, denn Messungen wiederholen sich sehr oft, was zeigt, dass Messtechnik auch ganz unaufgeregt ist. Doch wissen Sie, wozu beispielsweise Ihr Oszilloskop in der Lage ist – arbeiten Sie gar mit einem aktuellen Gerät? Schaut man sich bei den großen MessgeräteHerstellern um, dann zeigt sich: Evolution geht vor Revolution. Die Scopes werden komplexer, aber die Bedienung vereinfacht sich. Wenn Sie sehen wollen, was messtechnisch möglich ist, dann besuchen Sie unser Anwenderforum Oszilloskope am 21. Mai in Würzburg. Nutzen Sie die Gelegenheit, um sich mit Experten auszutauschen und erkunden Sie die Welt der modernen Oszilloskope. Auch in Zukunft wird die Messtechnik bisher noch nicht Sichtbares für uns sichtbar machen! NÄHERUNGSSENSOREN Magneto-induktive Abstandssensoren zur berührungslosen linearen Wegmessung Wählbare Messbereiche bis 55 mm Hohe Grundempfindlichkeit und Temperaturstabilität Geeignet zur Drehzahlmessung Frei definierbare Schaltpunkte Verschiedene Sonderausführungen: Edelstahl | Kunststoff | OEM Herzlichst, Ihr SENSOR+TEST / Nürnberg 03.06.2014 - 05.06.2014 Halle 12 / Stand 337 www.micro-epsilon.de/mds ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 3 MICRO-EPSILON Messtechnik 94496 Ortenburg | Tel. 0 85 42/168-0 [email protected] INhALT PXi-meSSTeChNiK Bei hoher Leistung ist Vorsicht geboten PXI bietet in der Messtechnik zwei wesentliche Vorteile: zum einen das Preis/Leistungsverhältnis und zum anderen gibt es viele Hersteller auf dem Markt, deren Produkte auf das Format zugeschnitten sind. Diese definierte Größe macht es dem Messtechniker einfach, seine Prüfapplikation aufzubauen. Bei Gleichspannungsnetzteilen ist allerdings Vorsicht geboten: Ab einer Leistung über 20 Watt ist die Integration in das PXI-Mainframe nicht mehr trivial. 8 Schwerpunkte Mess- und Testsysteme TiTelThema 8 12 16 Vorsicht bei mehr leistung für PXi-Systeme Testsysteme auf Basis von PXI bieten eine definierte Größe. Doch bei Leistungen über 20 Watt ist eine Netzteil-Integration in das PXI-Mainframe schwierig. Den Radarstreuquerschnitt mit einem VNa ermitteln Eine Anleitung für Feldmessungen unter Verwendung der neuesten tragbaren Vektor-Netzwerkanalysatoren Der JTaG/Boundary Scan in der entwicklung Entwickler von elektronischen Baugruppen sind nicht nur für den Schaltungsentwurf verantwortlich, sondern zusätzlich sollen sie notwendige Testroutinen schreiben. 20 Sampling- vs. echtzeit-Oszilloskop Es kommt nicht nur auf die notwendige Bandbreite an, sondern auch welche Fehler man aufspüren möchte. Wir zeigen, worauf es bei der Auswahl des Oszilloskops ankommt. 24 Testlösung für iCs wird in die Cloud ausgelagert Indem Testprogramme in die Internet-Cloud ausgelagert werden, muss nur noch für das bezahlt werden, was der Testingenieur auch wirklich benötigt. 26 Plattform für umfangreiche audio- und Videotests Im Broadcast Test Center sollen sich nahezu alle Audiound Videoübertragungsverfahren testen lassen. 4 30 Wie ein mobiles endgerät in der messtechnik hilft Mobile Endgeräte sind sehr gut geeignet, um ein Mess-, Steuer- und Regelsystem aus der Ferne zu warten. Wir zeigen, wie ein solches System realisiert werden kann. 32 Die emV eines Prototypen dimensionieren An kritischen Bauteilen eines Prototypen sollten unbedingt die EMV-Anforderungen ermittelt werden. Bei großen Projekten ist es ratsam, den Hersteller mit ins Boot zu holen. 36 mehr Details im Signal dank vertikaler auflösung Mehr Details im Mess-Signal: Eine verbesserte vertikale Auflösung präzisiert nicht nur das Messergebnis, sondern auch die Darstellung des Messwertes. 40 Vorsicht beim Kalibrieren von messgeräten Kalibrierte Messtechnik ist Basis für aussagekräftige und genaue Ergebnisse. Doch was muss beim Kalibrieren beachtet werden, damit die Kosten nicht ins Uferlose laufen? 42 Probleme beim einsatz des passiven Tastkopfes Der passive Tastkopf gehört zum Lieferumfang eines modernen Oszilloskops. Doch Einflüsse wie verschiedene Masseverbindungen und Geräteimpedanzen beeinflussen das Messsignal. 44 Clever testen und energie zurück gewinnen Der Test von Wechselrichtern ist gekennzeichnet von einem hohen Energieverbrauch. Die Testlösung sollte nicht nur sparsam sein, sondern im besten Fall die Energie zurück gewinnen. ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 16x mehr 12 26 Den Radarquerschnitt mit einem VNA ermitteln Plattform für Audio- und Videotests 16 30 Auflösung 16x näher an Perfekt Der JTAG/Boundary Scan in der Entwicklung NEU! Mixed Signal Oszilloskope Mobile Endgeräte in der Messtechnik 48 Wie sich PXI-Schaltsysteme mit BIRST warten lassen Mit dem Built-In-Relay Self Test ist es möglich, Module zu testen, da sie über eine integrierte On-Board-Diagnosemöglichkeit und Selbsttestfunktion verfügen. 200 MHz – 1 GHz High Definition Oszilloskop 50 Den Differenzstrom in einem Rechenzentrum messen Für Betreiber von Rechenzentren stellt sich die Frage, wie Differenzstrommessung und Energie-Management zusammen gebracht werden können. 52 Damit Stromversorgung und Testanwendung passen Beim Einsatz einer Stromversorgung lohnt es, genauer hinzuschauen. Denn nicht alle Parameter stehen in den Datenblättern. 56 Stromsensor-Techniken für die Leistungsmessung Dank eines speziellen Designs der Leiterplatten erreicht ein Leistungsmesser einen geringen Phasenfehler. Die magnetischen Felder heben sich gegenseitig auf. 58 Digitales Oszilloskop und DAQ-System für Einsteiger Ein Einsteiger-Scope mit einer Bandbreite bis 300 MHz sowie zwei analogen Kanälen und einem modular aufgebauten DMM/Multiplexer mit bis zu 320 Kanälen. RubRiken 3 Editorial 41 Stellenanzeigen 55 Impressum & Inserentenverzeichnis ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 wermachtsowas? 5 teledynelecroy.com/hd4096 Tel. 0 62 21-8 27 00 Messtechnik // EvEnt Anwenderforum Oszilloskope am 21. Mai 2014 in Würzburg Sprechen Sie mit Experten und tauschen Sie sich vor Ort aus – unser Anwenderforum Oszilloskope am 21. Mai in Würzburg vereint aktuelle Messtechnik und Praxiswissen. S ie sitzen täglich im Labor an Ihrem Oszilloskop. Arbeiten Sie mit einem aktuellen Gerät oder hat es schon mehrere Jahre auf dem Buckel? Würden Sie gern einmal mit einem modernen Gerät arbeiten? Wir geben Ihnen die Möglichkeit. Auf unserem Anwenderforum Oszilloskope am 21. Mai in Würzburg haben Sie dazu die Gelegenheit. Warum? Die moderne Messtechnik wird immer vielschichtiger – Funktionen nehmen zu und damit werden auch die Geräte komplexer. Mit einem Oszilloskop lassen sich heute nicht nur Signale erfassen und darstellen, sondern vielfältige Analysen, Auswertungen und auch Dekodierfunktionen vornehmen. Und fragt man die Gerätehersteller, so sind viele Funktionen bei den Anwendern nur wenig oder kaum bekannt. Grundlagen sowie Tipps & Tricks der Hersteller Ist das Oszilloskop ein Buch mit sieben Siegeln? Wir schaffen mit unserem Anwenderforum eine Plattform, die zeigt, was mit moderner Oszilloskop-Messtechnik heute möglich ist. In praxisorientierten Lern- und Übungseinheiten können Sie mit den Herstellern in Kontakt treten und Ihre Fragen und Probleme beantworten lassen. Zusammen mit den Scope-Herstellern Teledyne LeCroy, Rohde & Schwarz, Tektronix und Yokogawa bieten wir am Vormittag nicht nur Grundlagen, sondern auch Themen aus dem Alltag des Messtechnikers an. Teledyne LeCroy wird beispielsweise zum Thema „Signale richtig messen, analysieren und auswerten“ referieren. Neben den Grundlagen wird Thomas Stüber Tipps und Tricks vermitteln, wie sich effektiv die volle Bandbreite der Oszilloskope nutzen lässt. Holen Sie mehr aus Ihren Geräten heraus. Guido Schulze von Rohde & Schwarz wird sich der Frage widmen, wie eine schnelle und einfache Fehlersuche an einem Embedded Design erfolgt. Denn moderne Mixed-SignalOszilloskope bieten neben analogen zusätzliche digitale Kanäle, um Zustände und Protokolldetails zu analysieren. In den Pausen 6 Messtechnik zum Anfassen: Auf unserem Anwenderforum Oszilloskope gibt es umfassendes Praxiswissen (Im Bild ein Oszilloskop von Teledyne LeCroy). haben Sie die Möglichkeit mit Herstellern und anderen Teilnehmern ins Gespräch zu kommen und sich dabei fachlich auszutauschen. Zudem diskutieren wir mit den Experten, wie sich die Messgeräte künftig entwickeln werden. Das Oszilloskop in der Praxis – Workaround am Nachmittag Sie haben konkrete Fragen oder vielleicht sogar ein messtechnisches Problem? Nehmen Sie im Vorfeld mit uns Kontakt auf! Wir prüfen, ob Ihre Frage für unsere Teilnehmer interessant ist. Denn Sie kennen die Praxis. Und genau hier wollen wir Sie unterstützen. Während des Workaround haben Sie bis zu 40 Minuten pro Hersteller Zeit, die Experten mit Fragen zu konfrontieren. Nehmen Sie sich diese Zeit, denn hier haben Sie die Möglichkeit, gleich vier bedeutende Gerätehersteller vereint zu haben. Und am Ende des Tages erhalten Sie ein Zertifikat, dass Sie erfolgreich an unserem Anwenderforum teilgenommen haben. Details dazu finden Sie auch auf unserer Kongress-Seite. // HEH Das Anwenderforum im Überblick Unser Anwenderforum Oszilloskope haben wir in zwei teile gegliedert. Am vormittag erfahren Sie Grundlagen und Praxiswissen von unseren Experten aus der Wirtschaft. Wir haben dazu kompetente vertreter von teledyne LeCroy, tektronix, Rohde & Schwarz und Yokogawa gewinnen können. neben einer spannenden Keynote und einem Ausblick auf die Messtechnik steht vor allem die Praxis im Mittelpunkt. Reichen Sie uns Ihre Fragen im vorfeld ein, damit wir am veranstaltungstag konkret auf Ihre Wünsche und Probleme eingehen können. nehmen Sie so viel Wissen wie möglich mit: Am nachmittag erleben Sie die Geräte in Aktion, sprechen mit den Experten und tauchen in die tiefen der Messgeräte ein. www.anwenderforum-oszilloskope.de ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und test April 2014 Mess- und TesTsysTeMe // PXI-Module TITELSTORy PXI in der Messtechnik bietet zwei wesentliche Vorteile: das Preis/leistungsverhältnis ist stimmig und viele unterschiedliche Hersteller bieten auf das Format zugeschnitten ihre messtechnischen lösungen an. und da die Zahl der verschiedenen Karten vielfältig ist, profitieren gerade Testingenieure vom PXI-Standard. Schnell ist eine passende Testlösung zusammen gestellt, ohne dass teure einzelgeräte angeschafft werden müssen. Änderungen an das gewünschte Testszenario lassen sich problemlos umsetzen. Kombiniert man ein PXI-System noch mit einem FPGA, so lassen sich Systeme erstellen, die bis auf den Physical layer herunter individuell zugeschnitten sind. 8 ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 Mess- und TesTsysTeMe // PXI-Module Vorsicht bei höherer Leistung für PXI-Systeme Testsysteme auf Basis von PXI bieten eine definierte Größe. Doch Gleichspannungsnetzteile dafür sind nicht trivial, denn bei Leistungen über 20 Watt ist eine Integration in das PXI-Mainframe schwierig. BOB ZOLLO uNd JOchEN ZImmERmANN * V iele moderne Testsysteme sind auf Basis von PXI aufgebaut, was „ein komplettes Testsystem in einem Gehäuse“ ermöglicht. Dabei liegen die Vorteile von PXI auf der Hand: es bietet Geschwindigkeit, geringe Baugröße, Interoperabilität zwischen Messgeräten vieler Hersteller und eine große Vielfalt verfügbarer Steckkarten. Allerdings lässt sich ein Gleichspannungsnetzteil nicht so einfach in einem PXI-Slot unterbringen. Dank kompakter Bauform und der internen Kommunikationsverbindung ist es bei geringen Leistungen von bis zu 20 Watt sinnvoll, die Spannungsquelle in das PXIMainframe zu bauen. Wird mehr Leistung benötigt, lässt sich die Spannungsquelle nur schwierig in ein PXI-Mainframe integrieren. * Bob Zollo und Jochen Zimmermann ... arbeiten als Applikationsingenieure bei Agilent Technologies. In der Tabelle (Seite 10) sind wesentliche Kennwerte eines PXI-Slots zu sehen. Auch eine Spannungsquelle mit hohem Wirkungsgrad kann nur einen Teil der vom PXI-Bus pro Slot zur Verfügung gestellten 30 Watt abgeben. Hinzu kommt, dass der Leistungsunterschied zwischen Eingangsleistung der Backplane und der DC-Ausgangsleistung als Wärme auf der PXI-Karte verloren geht. Da jeder Slot im PXI-Mainframe nur eine Wärmeleistung von 30 Watt abgeben darf, schränkt die maximal erlaubte Wärmeabgabe eine Spannungsversorgungskarte ein. Der Trend geht jedoch dahin, mehr Leistung aus einer PXI-Spannungsversorgungskarte herauszuholen. Hersteller von PXIKarten versuchen auf verschiedenen Wegen, die Beschränkung bezüglich Leistung und Wärmeabfuhr pro Slot zu überwinden. Ein Ansatz ist es, ein leistungsfähigeres PXIMainframe mit stärkerer Spannungsversorgung und besserer Wärmeabfuhr pro Slot zu bauen, in welches man Spannungsversorgungskarten mit höherer Ausgangsleistung einbauen kann. Allerdings geht das auf Kosten der Interoperabilität, da solche leistungsstarken und wärmeproduzierenden Spannungsversorgungskarten nur in diesen speziellen PXI-Mainframes funktionieren. das Problem mit der Ausgangsleistung Der nächste Ansatz ist es, den internen Bus des PXI-Mainframe von der Bereitstellung der Leistung zu entlasten und eine Spannungsversorgungskarte extern über die Frontplatte mit Gleich- oder Wechselspannung zu versorgen. Karten mit externer Wechselspannungsversorgung sind wenig verbreitet, da die Schaltung zur Konvertierung der Wechselspannung viel Platz in Anspruch nimmt. Meistens sind solche Karten daher mehrere Slots breit. Während dies das beschriebene Problem löst, büßt man den Modulare Stromversorgung: Agilent bietet mit der N6700 eine Lösung, die über 1 bis 4 Ausgänge verfügt und auf eine 1-U-Bauhöhe kommt. Jeder Ausgang kann zwischen 34 verschiedene Stromversorungskarten mit bis zu 500 Watt Abgabeleistung wählen. ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 9 Mess- und TesTsysTeMe // PXI-Module sloT-Typ MAxiMAle speiseleisTung pro sloT MAxiMAle WärMeAbfuhr pro 3u-sloT PXI express Peripherieslot 30 Watt 30 Watt PXI-1 Peripherieslot 25,6 Watt 30 Watt hybrider Slot 30 Watt 30 Watt Tabelle: Maximale Leistung und Wärmeabfuhr pro Slot (aus der PXI-Express-Hardwarespezifikation) Bild 1: Bestimmung der Ausgangsleistung abhängig vom Wirkungsgrad. Der maximal erlaubte Verlust pro Slot beträgt 30 Watt. Vorteil der geringen Baugröße ein. Eine verbreiterte Lösung ist es die Gleichspannungskarte mit einer externen Gleichspannungsquelle über die Frontplatte zu treiben. Die PXI-Karte stellt somit eigentlich einen programmierbaren Gleichstromwandler dar. Eine externe Gleichspannung von 24 und 48 Volt macht den Aufbau des Testsystems komplexer, da ein zusätzliches externes Netzteil neben dem PXI-Gehäuse benötigt wird, was des öfteren der Fall ist. Obwohl das auf den ersten Blick günstig erschient, muss man das Netzteil im Testsystem montieren, was ein weiteres Netzkabel erfordert. Das stellt zwar alles letztlich kein großes mechanisches Problem dar, aber man hat hinterher eben kein Kompakttestsystem in einem Gehäuse mehr. Führt man die Speiseleistung einer PXISpannungsversorgungskarte in Form von Gleich- oder Wechselspannung von außen zu, ist man die Leistungsbeschränkung des PXI-Busses los, aber nicht das Problem der Wärmeabfuhr. Die maximale Wärmeabgabe jedes Slots ist nach wie vor auf 30 Watt beschränkt. Der Wirkungsgrad einer Linear- spannungsversorgung beträgt typischerweise weniger als 50 Prozent, das begrenzt die Ausgangsleistung einer Spannungsversorgung auf maximal 60 Watt. Auch mit einem Schaltnetzteil, welches typischerweise einen höheren Wirkungsgrad hat, erreicht man nur eine Ausgangsleistung von 100 bis maximal 200 Watt. durch elektrische oder magnetische Emissionen eines leistungsfähigen Schaltnetzteils gestört. Zwar bieten die unterschiedlichen Hersteller Lösungen für einen höheren Leistungsbedarf an, doch muss man hier Kompromisse bezüglich der Baugröße, der Kosten pro Slot, der Interoperabilität, der mechanischen Komplexität oder der Effizienz von benachbarten Karten eingehen. Es gibt noch einen anderen Weg, ein System mit einer leistungsfähigeren Spannungsversorgung zu konfigurieren. Werden höhere Leistungen und verschiedene Spannungen benötigt, ist eine externe Lösung wie die modulare Spannungsversorgung N6700 von Agilent sinnvoll. Während eine ergänzende Lösung kein reines PXI-System mehr darstellt, unterliegt man nicht länger den Beschränkungen bezüglich Baugröße, Ausgangsleistung und Wärmeabgabe. Dedizierte Stromversorgungen wie das N6700 sind kompakt gebaut mit bis zu vier Gleichspannungsnetzteilen in einem Gehäuse bei einer Bauhöhe von 1U. Die Stromversorgungen liefern Leistungen bis zu 500 Watt pro Ausgang in einem leistungs- und kostenoptimierten Gehäuse. Auf diese Weise bleibt das PXI-Mainframe frei für die eigentlichen Messinstrumente, welche effizient als kleine PXI-Karten aufgebaut werden können und von der schnellen Kommunikation des PXI-Backplanes profitieren. // hEh Agilent Technologies +49(0)7031 4640 Eine leistungsfähigere Spannungsversorgung Baut man die Stromversorgung breiter als einen Slot, vervielfachen sich die mögliche Speiseleistung aus dem Bus und die mögliche Wärmeabgabe. Das löst das Versorgungsproblem und das Problem der Wärmeabfuhr. Allerdings vergrößert sich dadurch aber auch der Platzbedarf und die Kosten, da jeder belegte Slot anteilig kostet. Darüber hinaus muss auch beachtet werden, dass die Wärmeentwicklung der Spannungsversorgungskarte in danebenliegenden Karten einen Wärmedrift verursachen kann. Auch werden in einem engen, vollbestückten Gehäuse empfindliche HF-Karten möglicherweise „Die Familie N6700 von Agilent bietet ein geringes Rauschen, hohe Genauigkeit und lässt sich bis zu 50-mal schneller programmieren als andere Stromversorgungen.“ Der Vorteil von PXI in der Messtechnik der erfolg eines PXI-Systems (PCI extensions for Instrumentation) liegt in der einfachen und flexiblen Nutzung der verschiedenen einsteckkarten. Zudem prognostiziert der Marktforscher Frost & Sullivan bis 2015 ein durchschnittliches jährliches Wachstum von knapp 17 Prozent. Für den Messtechniker kommen zwei weitere entscheidende Fakten hinzu: PXIlösungen werden von vielen Herstellern angeboten und das Preis/ leistungsverhältnis sprechen für das PXI-System. Vereint man noch programmierbare FPGA-Module lassen sich spannende und individuelle lösungen entwickeln Jochen Zimmermann, Agilent Technologies 10 ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 Mess- und TesTsysTeMe // PXI-Module INTERvIEw mIT SIEgfRIEd gROSS NEU! DIGITAL & MIXED SIGNAL OSZILLOSKOP SERIEN Auf ein Wort: Siegfried Gross, Geschäftsführer von Agilent Technologies Deutschland und Vizepräsident Agilent Technologies, über Keysight Technologies. Künftig wird sich Agilent Technologies auf die Biowissenschaften und chemische Analysetechnik und Keysight Technologies auf die elektronische Messtechnik konzentrieren. Best-Preis: ab „Unser Name Keysight Technologies gibt den Kunden ein versprechen“ Ab november wird aus Agilent Keysight Technologies. Wie ist der name entstanden? Ab November 2014 wird Keysight ein eigenständiges unternehmen sein. Viele Veränderungen spielen sich intern ab, andere auf weltweiter Bühne. unsere Namensfindung war nicht einfach, soll er doch den Wert widerspiegeln, den wir unseren Kunden bieten möchten. der Sinngehalt von Keysight leitet sich aus zwei englischen Worten ab, Key und Insight. Key steht für unverzichtbar oder wesentlich, während Insight für das Sehen oder das Vorstellungs- und Wahrnehmungsvermögen steht. Abgerundet wird das logo von einer roten Wellenform, welche die elektronische Messtechnik symbolisiert. die unterzeile erinnert an das Jahr 1939, in dem Bill Hewlett und dave Packard eine Testgeräte-Firma gründeten. Aus HP ging 1999 Agilent hervor und wird 2014 von Keysight fortgeführt. sie erwähnten die beiden Gründer: Wie hat alles bei Hewlett-Packard begonnen? unser unternehmen baut auf einer Geschichte von weltweiten Innovationen auf. die Chronik begann schon in den frühen Tagen der Zusammenarbeit von Hewlett und Packard. Angefangen hat alles in der berühmten Garage im kalifornischen Palo Alto. die erste weltweite Innovation ist durch das uSPatent 2,268,872 dokumentiert, einen „Variable-Frequency-oscillation-Ge- DS1000Z 4-Kanal-Scope zum 2-Kanal-Preis! nerator“. das Herzstück war nach Bill Hewletts entwurf eine Glühlampe, die als temperaturabhängiger Widerstand in der Rückkoppelschleife eines Wienbrücken-oszillators diente. das war eine von zahllosen Ideen, die wir dem Ideenreichtum unserer Ingenieure zu verdanken haben. TECHNOLOGY • 70 oder 100 MHz Bandbreite • 12 Mpts Speichertiefe (Standard), 24 Mpts (Optional) • 1 GSa/s max. Sample Rate • 30.000 wfms/s max. Waveform Capture Rate • Großes 7" WVGA Display • Optional: Version DS1000Z-S mit intergriertem 2-Kanal-Arb-Generator Wie sieht die Zukunft aus, was wird bleiben, was sich ändern? Wir wollen weiterhin Technologieführer in der elektronischen Messtechnik bleiben. Wir bleiben die Nummer eins in der Kommunikation, der luft- und Raumfahrt und Verteidigung sowie Industrie, Halbleiter und Computer. unser Angebot und die weitere Produktentwicklung bleiben gleich. Auch unser intellektuelles eigentum, Patente und proprietäre ASIC-designs bleiben bei uns. dazu forschen unsere Measurement Research labs, die seit 2010 von den Agilent labs getrennt sind, an den Grenzen der Mess- und Prüftechnik. und schließlich bleibt unsere weltweite Präsenz mit dem größten Vertriebs- und Support-Team aller Messtechnik-Anbieter erhalten. Best-Preis: ab € 2.475,plus MwSt. MSO4000 Basierend auf der erfolgreichen DS4000 Serie: TECHNOLOGY • 100 bis 500 MHz, 2 oder 4 Kanäle, 4 GSa/s, 140 Mpts Speicher je 2 Kanäle • 16 digitale IO Kanäle (Logik Analyser) • 1 GSa/s pro Digital Kanal Abtastrate • 28 Mpts Speichertiefe je Digital-Kanal • Trigger Digital + Analog (inkl. Serial Bus Trigger Standard) • Interfaces: USB, LXI, RS232 Optional: GPIB • Großer 8" Bildschirm, 256 Graustufen Werfen sie einen Blick in die Zukunft. Wie geht es weiter? eine Tradition wird fortgeschrieben: erst HP, dann Agilent und nun Keysight. Wir treten das 75-jährige erbe mit dem Ziel an, neue Generationen von Innovationen zu schaffen und wieder die Pionier-Momente von damals aufleben zu lassen. ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 € 450,- plus MwSt. ! 11 NEUGIERIG? TESTEN UND VERGLEICHEN SIE. RIGOL Technologies EU GmbH Telefon +49 89 8941895-0 [email protected] www.rigol.eu Präzise Messen // Vektor-NetzwerkaNalysator Den Radarstreuquerschnitt mit einem VNA ermitteln Der Radarstreuquerschnitt (Radar Cross Section, RCS) gibt an, wie groß die Reflexion eines Flugobjektes zurück in Richtung der Quelle ist. Mit einem Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) lässt sich die RCS kalkulieren. Foto: Michael Hirschka/ pixelio.de und anritsu FERdINANd GERhARdES * Radarstreuquerschnitt: Die kleine Grafik zeigt den Plot eines Azimut-Schnitts bei einem Höhenwinkel von 0° (über dem Horizont des Flugzeugs). D er Radarstreuquerschnitt oder kurz RCS für Radar Cross Section ist ein Maß für die Fähigkeit eines Ziels, Radarsignale in Richtung eines Radarempfängers zu reflektieren. Eine Reihe unterschiedlicher Faktoren bestimmt, wie viel gestreute elektromagnetische Energie zur Quelle zurückkehrt. Somit können verschiedene Objekte gleicher Größe und Form einen vollkommen unterschiedlichen Radarstreuquerschnitt haben. Allgemein besteht für Konstrukteure die Aufgabe, den Radarstreuquerschnitt von Zivilflugzeugen und Schiffen zu maximieren, andererseits den ihrer militärisch genutzten Pendants zu minimieren. Das bedeutet, dass jede Methode, die schnellere oder exaktere RCS-Messungen mit sich bringt, einen hohen Mehrwert darstellen kann. Im folgenden Text wird beschrieben, mit welcher Genauigkeit RCS-Messungen mit * Ferdinand Gerhardes ... ist Program Manager Education, Research & Defence bei der Anritsu GmbH in München. 12 einem Messgerät durchgeführt werden können, das normalerweise nicht für diese Aufgabe zum Einsatz kommt: mit einem portablen Vektornetzwerkanalysator (VNA). Es wird gemeinhin angenommen, dass komplexe RCS-Messungen die Verwendung von Messgeräten in Tischgeräteausführung erfordern. Dieser Artikel liefert jedoch eine kurze Anleitung zum Messen von Streuparametern (S-Parametern), die im Außendiensteinsatz oder an auf Flugstrecken befindlichen Zielen von einem tragbaren VektorNetzwerkanalysator erfasst wurden und kann als Grundlage für eine RCS-Kalkulation genutzt werden. Das Messen des Radarquerschnitts von sowohl einfachen als auch komplexen Zielen ist ein schwieriges und anspruchsvolles Problem, das bereits seit der Erfindung des Radars besteht. Obwohl die Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen Theorie gut entwickelt sind, resultiert die Anwendung dieser Gesetzmäßigkeiten für eine Prognostizierung des RCS oftmals in komplexen und umfang- reichen Berechnungen. Daher besteht immer Bedarf, Theorien zu überprüfen bzw. zu validieren oder Vorhersagen zu verifizieren. Solche Prozesse werden am besten durch Prüfmessungen ausgeführt. Mathematisch ausgedrückt, ist der Radarstreuquerschnitt eines Ziels der projizierte Bereich einer elektrisch großen und ideal leitenden Metallkugel, die die gleiche Energie in dieselbe Richtung streuen würde, wie die des Ziels. Der Radarstreuquerschnitt wird gewöhnlich durch den griechischen Buchstaben σ dargestellt und hat Flächenmaßeinheiten m². Diese Größe hängt von drei Faktoren ab: Geometrischer Querschnitt Reflexionsvermögen (Reflectivity) Bündelung, Richtfaktor (Directivity) Diese drei Faktoren helfen die unverkennbare Form des bei den US-Streitkräften im Einsatz befindlichen Tarnkappenbombers zu erläutern, die darauf ausgelegt ist, sich der Entdeckung durch ein feindliches Radar zu entziehen: ein flaches Profil, um somit einen geringen geometrischen Querschnitt zu bieten, eine Beschichtung mit radarabsorbierenden Materialien, um weniger Energie zu reflektieren, und eine Struktur, die aus vielen kleinen, ebenen Flächen besteht, die verschiedene Einfallswinkel aufweisen, um die höchstmögliche Energie vom Empfänger weg zu reflektieren. Die Kugelform ist in Feld- und Labormessungen nützlich, da die Ausrichtung oder Anordnung der Kugel die Messung von Radarreflexionen nicht beeinträchtigt. Daher können solche Messungen als Referenz für Eichungen genutzt werden. Ziele, wie Schiffe und Flugzeuge sind jedoch sehr komplex und verfügen über eine Vielzahl reflektierender Elemente und Formen. Eine Berechnung des Radarstreuquerschnitts dieser Objekte ist daher nicht ohne Probleme möglich, so dass der Radarstreuquerschnitt durch Messen ermittelt werden muss. Dazu müssen effektive und exakte RCS-Messungen an re- ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, sensorik und test april 2014 Aus Agilents elektronischer Messtechnik, mit seinen 9.500 Mitarbeitern und 12.000 Produkten, wird Keysight Technologies. Weitere Informationen unter www.keysight.com Präzise Messen // Vektor-NetzwerkaNalysator reichsmodus S21(D) umgewandelt. Es muss sichergestellt werden, dass Reflexionen von Fremdobjekten sowie von der für das Ziel vorgesehenen Stützkonstruktion mindestens 20 dB unterhalb der Reflexion des kalkulierten Ziels liegen. Vor einer RCS-Messung das Ziel einmessen Bild 1: START-TOR auf 3,5 m eingestellt, STOP-TOR auf 4,5 m eingestellt; TOR-FUNKTION EIN; wenige Mehrweg-Hintergrundreflexionen sind sichtbar. alen Objekten wie an Flugzeugen vorgenommen werden. Gemessen wird der Radarstreuquerschnitt auf der Grundlage der S-Parameter. Der Vorteil: Messungen lassen sich mit einem Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) durchführen. Ein tragbarer VNA wie die MS202xC/MS203xC VNA Master-Baureihe ersetzt unhandliche, mit Wechselstrom betriebene und teure VNA-Tischgeräte. Die Serie bietet hardwareseitig einen Frequenzbereich von 5 kHz bis 20 GHz, kurze Sweepzeiten, die Verwendbarkeit bei Hohlleitern und fortschrittliche Time-Domain-Ressourcen. Die S-Parameter im Frequenzbereich messen Die Aufgabe des VNA Masters besteht darin, die S-Parameter im Frequenzbereich zu messen. Der zu messende Frequenzbereich wird so gewählt, dass er mit dem Radarfrequenzband von 8,2 bis 12,4 GHz für WR-90 X-Band-Wellenleiter übereinstimmt. Die Zeitbereichsfunktion des VNA überträgt die Frequenzbereichsmessung für die Streuparameter (Γ gegenüber Frequenz) in den Zeitbereich (Γ gegenüber Zeit bzw. Abstand). Zum besseren Verständnis kann ein TUT (Target under Test = Messziel), bestehend aus dem Flugzeug, das entweder auf einen Sockel mit geringer Reflexion montiert ist oder aus dem Flugzeug an sich, das sich auf einer Flugrou- 14 te befindet, gewählt werden. Jedoch ist vor dem Messen eines realen Flugzeugs eine Kalibrierung bzw. Referenzierung erforderlich. Um eine typische Messkonfiguration zu erhalten, wird die Sendeantenne an den Port 1 und die Empfangsantenne an den Port 2 des VNA angeschlossen. Das E-Feld beider Antennen zeigt in vertikale Richtung. Folgende Messanordnung liefert sinnvolle Ergebnisse: Beide Antennen sind, entweder in vertikaler oder horizontaler Ebene, so nah wie möglich zueinander angeordnet. Um die Polarisationsmatrix erstellen zu können, sollten sowohl Sende- als auch Empfangsantenne um 90° drehbar sein. Das Ziel sollte in einer Entfernung von D > AFR/2 > 20 λ und so angeordnet sein, dass sich das gesamte Ziel innerhalb des Antennenstrahls befindet (ARF = Alias Free Range = Eindeutigkeitsbereich). Die Abmessungen des Ziels sollten innerhalb von -1 dB Azimuth und Höhenwinkel des Antennenstrahls liegen. Um eine Bezugsebene für die RCS-Messungen zu definieren, wird eine vollständige 12-Term-Kalibrierung am Ausgang der Koaxialkabel durchgeführt. Es wird auf der Zielfläche eine S21(f)-Frequenzbereichsmessung durchgeführt. Die Streuparameterdaten S21(f) werden – unter Anwendung des Bandpassverarbeitungsmodus – in den Abstandsbe- Um eine RCS-Messung durchzuführen, lässt sich das System durch Einmessen eines Ziels mit bekanntem Radarstreuquerschnitt und durch Referenzieren aller anderen Ziele auf das bekannte Ziel kalibrieren. Für unsere Beispielmessung verwenden wir eine 6-ZollKugel als Bezugsobjekt. Erfüllt der Radius r dieser Kugel die Bedingung (2πr / λ) > 10, wird der Radarstreuquerschnitt RCS mit σ = π r² berechnet. Somit ergibt der RCS einer idealen 6-Zoll-Kugel zu 0,018 m². Nun wird eine S21(f)Std-Frequenzbereichsmessung mit dieser 6-Zoll-Kugel durchgeführt, und die Streuparameterdaten werden in den Zeitbereichsmodus übertragen. Ein entsprechendes Zeittor wird mittig in einem Abstand (D) zum Ziel angeordnet, wobei die Torbreite größer ist als die wahrgenommene Größe des Ziels. Hierdurch werden alle unerwünschten Reflexionen entfernt. Es wird die Magnitude des S21Std der „Kalibrier-Reflexion“ gemessen und stellt die Referenzgröße für die spätere RCS-Zielmessung dar. Wenn die Maßgabe eine Kugel mit einem Radarstreuquerschnitt von 1 m² wäre, so ergibt sich der Radarstreuquerschnitt des Ziels aus: E1: RCSTgt[dBsm] = RCSStd[dB] - RCSTgt[dB] E2: dBsm = 10 log10(RCSm²)[dB] Die Daten werden in dBm² ausgedrückt bzw. in Dezibel, bezogen auf einen Quadratmeter. Der Radarstreuquerschnitt in Quadratmeter kann mit Hilfe der Gleichung E 3 in die Einheit dBm² konvertiert werden. In Bild 2 wird der Pegel S21Std der KalibrierReflexion mit E3: gemessen und entspricht dem bekannten Radarstreuquerschnitt in m². Im nächsten Schritt wird das Kalibriernormal gegen eine 12-Zoll-Kugel ausgetauscht, die als Testziel (Target Under Test, TUT) fungiert. Anschließend wird der zurückgestreute Pegel S21Tgt erneut gemessen. Die Kugel wird regelmäßig gedreht, um die Azimuth-Abhängigkeit des Radarstreuquerschnitts zu erhalten. Schlussendlich wird die Differenz der Werte berechnet. Dabei hilft eine mathemaitsche Funktion des VNA Masters: Die Trace- ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, sensorik und test april 2014 Präzise Messen // VekTor-NeTzwerkANAlySATor Bild 2: Reflexion an Ziel bei einem Pegel von -62,54 dB von einer Kalibrierkugel mit Durchmesser 6 Zoll (σ = 0,018 m²). Math-Funktion (Speicher – Daten = S21Std S21Tgt). Mit Hilfe der Radarreichweitengleichung ist eine Ableitung des Radarstreuquerschnitts (RCS) des Ziels auf analytischem Wege möglich. wobei der Index Std den Radarstreuquerschnitt der Kalibrierungsnormalen einer 6-Zoll-Kugel bezeichnet. Tgt bezeichnet das Ziel selbst. Mit diesen beiden Werten können die beiden VNA-Messungen logarithmisch folgendermaßen ausgedrückt werden: Zur Berechnung des Radarstreuquerschnitts des Zielobjektes kann die folgende Beziehung verwendet werden: Die Pegeldifferenz von 5,2 dB ist gleich: Durch Auflösen der Gleichung nach der Variablen σTgt kommt man zu dem gleichen Ergebnis, wie bei unserer Herangehensweise über die Radarreichweitengleichung. Der theoretische Wert für eine 12-Zoll-Kugel beträgt 0,073 m² oder 0,77 dB in dBm². Die meisten Messabweichungen wurden auf kleine Bewegungen in der Stützkonstruktion des VNA und damit der Messantennen, die während der Messungen auftraten, zurückgeführt. Das beweist, dass der Einsatz hochleistungsfähiger tragbarer VNA im Außeneinsatz in Verbindung mit einem unkomplizierten Messaufbau zuverlässige und exakte Messungen des Radarstreuquerschnitts liefern können. In unserem Online-Beitrag finden Sie weiteres Bildmaterial. Alle Artikel aus diesem Heft finden Sie im Themenkanal Messtechnik. // hEh Anritsu +49(0)89 4423080 ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 15 Fertigung und test // TesTverfahren Der JTAG/Boundary Scan in der Entwicklung Entwickler von Baugruppen sind nicht nur für den Schaltungsentwurf verantwortlich, sondern sollen die notwendigen Testroutinen schreiben – schließlich wissen sie am besten, was an Tests nötig ist. MARIO BERgER * D nau hier setzt der JTAG/Boundary-Scan an, in dem er eine effektive Einsatzmöglichkeit bietet. Wie profitiert der Entwickler vom Testverfahren? Doch was ist nun das Außergewöhnliche an diesem Testverfahren, und wie profitiert man als Entwickler davon? Worauf muss man beim Design einer Leiterplatte achten, damit man Boundary Scan nutzen kann? Mit diesen Fragen beschäftigen sich die nachfolgenden Ausführungen. Wieso das denn? Reicht es nicht schon, dass man als Entwickler seine Bilder und Grafiken: Göpel electronic er JTAG/Boundary-Scan dominiert immer mehr die Entwicklungsabteilungen großer wie kleiner Unternehmen. Was ist der Grund? Die Ursache dafür liegt zum Einen in dem enormen Potenzial, welches das mittlerweile etablierten Testverfahren bietet. Zum Anderen lässt sich die Ursache in den Problemen erkennen, welche die immer kompakter werdenden Baugruppen und Bauformen bei Testmethoden mit benötigten mechanischem Zugriff mit sich bringen. Moderne BGA-Gehäuse wie auch High-Speed-Übertragungsstrecken verlangen nach neuen Lösungsansätzen. Und ge- Leiterplatte filigran und unter Beachtung einiger Restriktionen mit Testpunkten zupflastern muss? Soll man jetzt womöglich selbst noch die Tests schreiben? Wozu denn der Aufwand? Dazu muss man zuvor ein paar Dinge klären. Was wird für die Testgenerierung benötigt? Man muss zunächst einmal wissen, welche Bauteile welchen Typs sich auf der Leiterplatte befinden, und wie die einzelnen Pins der Bauteile untereinander verbunden sind. Den Bauteiltypen müssen dann noch entsprechende Modelle zugeordnet werden. So gibt es zu jedem BoundaryScan-fähigen Bauteil ein Modell, welches die Boundary-Scan-Struktur des ICs beschreibt. Das ist das sogenannte BSDL- (BoundaryScan-Description-Language-)Modell. Je nach Anbieter gibt es dann noch verschiedene Modelle, um die nicht Boundary-Scan-fähigen Bausteine, wie etwa RAM-Bausteine oder Treiber-ICs zu beschreiben. Das ist aber schon die einzige Voraussetzung, um Tests für eine Baugruppe generieren zu können. Warum der Entwickler die notwendigen Tests erstellt Die Modelle liefert das Testsystem, und die benötigten CAD-Daten beschränken sich auf eine Netz- und Bauteilliste. Die können aus dem Schaltplan gewonnen werden, der üblicherweise in einem sehr frühen Entwicklungsstadium einer Baugruppe vorhanden ist. Der Vorteil: Man kann Probleme, die bei der Testgenerierung möglicherweise auftreten, leicht beheben oder auch ein für die Testtiefe ungünstiges Design extrem schnell und einfach abändern. Aber das ist längst nicht alles. Die generierten Tests stehen bereits für den ersten Prototyp zur Verfügung. Der Prototyp Entwickleralltag: Der Entwickler einer elektronischen Baugruppe weiß am besten, welche Tests notwendig sind. Hilfe bekommt er vom JTAG/Boundary-Scan. 16 * Mario Berger ... arbeitet als Entwicklungs-Ingenieur bei Göpel electronic in Jena. ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, sensorik und Test april 2014 Fertigung und test // TesTverfahren zu einer effektiven Inbetriebnahme der Prototypen wie auch der 0-Serien unter Serienbedingungen. 3. Optimale Schnittstelle bei Lohnfertigung. Dazu wird das Testarchiv an den Lohnfertiger übergeben. Es besteht kein Abstimmungsbedarf für Testerstellung und Testumfang seitens des Lohnfertigers. Änderungen an den Tests sind schnell selbst realisiert. Der Testaufwand für den Lohnfertiger ist gering. Dieser muss lediglich das Testequipment bereitstellen, wodurch auch die Kosten minimal ausfallen. Insgesamt also eine nicht zu verachtende Anzahl an Vorteilen, von denen zum größten Teil der Entwickler profitiert. Das wiegt demnach den doch überschaubaren Aufwand für die Testerstellung mehr als auf. Exkurs: Was versteht man unter JTAG/Boundary Scan? Bild 1: In einem Bauteil integrierte Boundary-Scan-Zellen dienen dazu, einzelne Leiterbahnen zu stimulieren und zu messen. kann ab sofort mit exakt derselben Qualität geprüft werden wie die 0-Serie und letztlich das Serienprodukt; gleiche Testtiefe, gleiche Pin-genaue Fehleraussage. Da man den für Boundary Scan notwendigen Testbus auf dem Prüfling bereits adaptierbar gestaltet hat, beispielsweise über einen Steckverbinder, kann man über diese Schnittstelle die FPGAs oder CPLDs laden oder den Bootloader in den Programmflash ablegen. Die daraus resultierenden Einsparungen sind offensichtlich. Das hört sich gar nicht so schlecht an. Aber wieso soll nun ausgerechnet der Entwickler Bild 2: Die Testschritte bei einem Boundary-Scan-Test. 18 die Tests erstellen? Das ist doch die Aufgabe des Prüffelds inklusive aller damit verbundenen Probleme. Hier zeichnen sich hier drei wesentliche Punkte auf: 1. Keiner kennt die Baugruppe besser als der Entwickler. Denn dieser weiß, wie die Bauteilebezeichnungen lauten, wo die Brennpunkte liegen und ob ein hoher Testaufwand gerechtfertigt ist. 2. Bereits der erste Prototyp kann mit den gleichen Tests überprüft werden wie das Serienprodukt. Somit ergibt sich die gleich Testtiefe und es lässt sich eine Pin-genaue Fehleraussage treffen. Das wiederum führt Bei JTAG/Boundary Scan handelt es sich um ein das weltweit einzige standardisierte elektrische Testverfahren (IEEE 1149.x). Das Stimulieren und Messen der einzelnen Leiterbahnen einer Flachbaugruppe erfolgt nicht mehr über vorher festgelegte Testpunkte und der daran angeschlossenen Messtechnik, sondern über die im Bauteil integrierten Boundary-Scan-Zellen. Der Aufbau eines solchen Bauteils ist in Abbildung 1 dargestellt. Die notwendige Informationsübertragung zwischen dem Testsystem und den Boundary-Scan-Bauteilen erfolgt über einen standardisierten vierdrahtigen Testbus. Dieser muss im Layout der Leiterplatte berücksichtigt werden, und ersetzt sozusagen die Testpunkte, die für einen In-Circuit Test (ICT) oder Flying Probe Test (FPT) eingeplant werden würden. Ein Testsystem muss somit auch nur über einen Anschluss für diesen Testbus verfügen. Da man keine Testpunkte mehr benötigt, ergeben sich nicht die zunehmenden Probleme, vor denen der ICT wie auch der FPT stehen. Bei genauerer Betrachtung von Bild 1 wird man feststellen, dass sich die Boundary-Scan-Zellen zwischen dem Pin des Bauteils und dessen innerer Logik befinden. Die innere Logik spielt somit für das Testen der Leiterbahnen einer Flachbaugruppe keinerlei Rolle mehr. Es ist egal, ob es sich um einen Prozessor oder ein PLD handelt. Wie funktioniert ein Test mit Boundary Scan? Ein Blick auf Bild 2 soll das verdeutlichen. Begonnen wird damit, dass der Boundary-Scan-fähige Baustein in den externen Test Mode geschaltet (EXTEST) wird. Dies geschieht über ein Signalspiel an Test Clock (TCK) und Test Mode Select (TMS) sowie das Einschieben des entsprechenden Befehls ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, sensorik und Test april 2014 Fertigung und test // TesTverfahren Feature Jtag/boundary scan test (bst) Processor emulations test (Pet) chiP-embedded instruments (iJtag) embedded diagnostics test (edt) Testart strukturell funktional offen* funktional Testgeschwindigkeit statisch dynamisch offen* echtzeit Zugriff über Boundary-scan-schaltkreis Prozessor iJTaG-schaltkreis Prozessor fehlerabdeckung statisch dynamisch offen* dynamisch Diagnoselevel Pin netz/Pin offen* schaltkreis/netz Zugehöriger Ieee standard 1149x 1149.7 IsTO 5001 P1687 – Bild 3: Die verschiedenen Embedded-System-Access-Technologien und ihre Eigenschaften. über den Test Data Input (TDI). Ab diesem Moment wird die innere Logik des Bausteins von den Pins getrennt. Es ist nun einzig und allein die Boundary-Scan-Zelle für den Signalpegel am Pin des Bausteins verantwortlich. Wird diese mit 1 geladen, so wird ein HIGH-Pegel getrieben, bei 0 entsprechend ein LOW-Pegel. An jedem Pin befindet sich üblicherweise auch eine Boundary-ScanZelle zum Messen des anliegenden Pegels. Hierüber können die Testmuster entsprechend verifiziert und somit die Verbindungen überprüft werden. Bei Boundary Scan gibt es – wie bei anderen Testverfahren auch – Design-Regeln, die man beachten sollte. Lässt man den einen oder anderen Punkt außer Acht, so kann die erzielbare Testtiefe erheblich beeinträchtigt werden oder im Extremfall komplett verloren gehen. Und eine Baugruppe nur deshalb nicht testen zu können, weil eine einzige Verbindung fehlt, wäre bedauerlich. Angst vor möglicherweise vielen Designregeln ist allerdings nicht angebracht. Eine gute Soft- ware unterstützt diese Regeln. Es unterstreicht aber einmal mehr, dass es äußerst sinnvoll ist, die Testerstellung in eine sehr frühe Entwicklungsphase des Produktes zu legen. Denn steht das Layout einmal fest, so lassen sich die Dinge nur relativ schwer ändern. // heh göpel electronic +49(0)3641 68960 Was bietet mir der JTAG/Boundary Scan? JTaG/Boundary scan ist nicht nur ein effektives Testverfahren, um digitale Bausteine zu prüfen. es bietet insbesondere in der entwicklung eine reihe von vorteilen, die dem entwickler völlig neue Lösungsansätze und eine zuvor nicht erreichbare hohe Qualität ermöglichen. In diesem Zusammenhang sollten erwähnt werden: die vollwertige Prüfung bereits ab dem ersten Prototyp in serienqualität In-system Programmierung und Testen über ein und die selbe schnittstelle optimale schnittstelle zur Lohnfertigung Dagegen scheinen die anforderungen, die Boundary scan an equipment, Knowhow und Design-for-Testability stellt, fast schon verschwindend gering zu sein. Mit zunehmendem Trend zu immer kompakteren Gehäuseformen, die kaum noch mechanischen Zugriff auf Pins ermöglichen, sowie den steigenden Integrationsdichten, die keine Testpunkte mehr zulassen, gehört dem Boundary scan zweifelsohne die Zukunft. Maßgeschneiderte Lösungen und potentialfreie Messtechnik für den hochgenauen Labor- und Produktionstest We have the nstruments perfect Solution! the test solutions provider LAN GPIB US B RS232 485 Bernsteinstraße 41a | 84032 Altdorf | +49 871 93 15 55-0 | [email protected] | www.vxinstruments.com Labormesstechnik // Messdaten erfassen Sampling- vs. Echtzeit-Oszilloskop – worauf bei der Wahl zu achten ist Es kommt nicht nur auf die notwendige Bandbreite an, sondern auch, welche Fehler man aufspüren möchte. Wir zeigen, worauf es bei der Auswahl des geeigneten Oszilloskops ankommt. Bilder und Grafiken: datatec KLAuS HöINg * Echtzeit- oder Sampling-Oszilloskop: Das DSAX 93204A von Agilent ist ein Sampling-Scope, dessen Display ein Augendiagramm zeigt. D ie Wahl des richtigen OszilloskopTyps ist nicht nur eine Frage der nötigen Bandbreite, sondern auch eine Frage, welchem Fehler man in einem System auf der Spur ist. Wählt man den falschen Oszilloskop-Typ, so können Fehler retuschiert werden. Das bedeutet, dass man ihn nicht einmal erkennt. Auch mit den heutigen hochperformanten Systemen ist diese Entscheidung nicht immer klar. Es wird aufge- * Klaus Höing ... studierte Elektrotechnik in Stuttgart und ist bei dataTec für die PR zuständig. 20 zeigt, wie sich die Signalaufnahme und –verarbeitung unterscheiden und welche Fehlerarten sich am Besten mit welchem Oszilloskop-Typ beobachten bzw. finden lassen. Dazu sind nicht nur die unterschiedlichen Signalaufnahmen zu beachten sondern auch der Trigger-Verarbeitung kommt wesentliche Bedeutung zu. Das Echtzeit-Oszilloskop und das Signal Oft wird ein Echtzeit-Oszilloskop auch als sogenanntes Single-Shot-Oszilloskop bezeichnet. Zu einer definierten Triggerbedingung wird eine Signal-Aufnahme und -Digitalisierung gestartet und in zeitäquidistanten Abständen eine jeweilige Signalprobe aufgenommen, digitalisiert und in den Speicher geschrieben. Je kürzer die Folge der einzelnen Abtastungen ist, desto originalgetreuer kann das Signal auf dem Bildschirm dargestellt werden. Das bedeutet eine hohe Anzahl an Signalpunkten, die während einer Signalerfassung aufgenommen und verarbeitet werden müssen, bis der Speicher voll geschrieben ist. Diese Art der Datenerfassung erfordert einen sehr schnellen Analog-Digital-Wandler, wobei die Abtastrate die Aufeinanderfolge der Abtastzeitpunkte definiert, während die Speichertiefe die Anzahl der darstellbaren Messpunkte auf dem Display bestimmt. Und damit liegt schon eine Rand- ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, sensorik und test april 2014 Was immer Sie messen wollen, wir haben die Lösung! Datenerfassungsprodukte von National Instruments zählen zu den zuverlässigsten computergestützten Messgeräten und bieten herausragende Genauigkeit und Performance. Für NI-CompactDAQ-Systeme stehen mehr als 50 messspezifische Module und eine umfangreiche Auswahl an I/O zur Verfügung. Durch das Zusammenspiel der Hardware mit der Software NI LabVIEW und ihrer Analyse- und Signalverarbeitungsfunktionalität profitieren Sie vom Konzept des Graphical System Design, mit dem Sie Messsysteme schneller erstellen können. >> ni.com/measurements-platform/d 089 7413130 © 2014 | National Instruments, NI, ni.com, NI CompactDAQ und LabVIEW sind Marken der National Instruments Corporation. LabVIEW bietet leistungsstarke Analysefunktionen, vereinfacht das Entwickeln grafischer Benutzeroberflächen und ermöglicht es Ihnen, intuitiv zu programmieren. Labormesstechnik // Messdaten erfassen Bild 1: Ablauf einer Signalerfassung bei einem Echtzeit-Oszilloskop; td = Zeitverzögerung (Delay) zwischen dem Trigger-Schwellwert und dem ersten Abtastpunkt; ts = Zeitdauer zwischen zwei Samplingzeitpunkten. bedingung fest: die Abtastrate muss deutlich höher sein wie die Frequenz des zu messenden Signals. Bei heutigen Echtzeit-Oszilloskopen liegt die Samplerate bei einem Wert von 80 GSa/s, mit der Signale mit einer Bandbreite von 63 GHz erfasst werden können. Bei einem Echtzeit-Oszilloskop kann die Triggerung durch das Signal selbst erfolgen, wenn die Triggerbedingungen zuvor definiert sind. In den meisten Fällen wird ein Trigger ausgelöst, wenn die Amplitude eines Signals einen bestimmten und vorher definierten Schwellwert erreicht hat. Das ist dann der Zeitpunkt an dem das Oszilloskop unkorreliert und asynchron zur Datenrate des Eingangssignals die Messwertaufnahme startet, wobei die Abtastrate von einem internen Taktgenerator bestimmt wird. Der zu diesem Zeitpunkt aufgenommene Signalwert wird digitalisiert und im Speicher abgelegt. Da- nach erfolgt die nächste Datenaufnahme (Bild 1). Der Unterschied zu einem Sampling-Oszilloskop Bei diesem Oszilloskop-Typ wird im Gegensatz zu den Echtzeit-Oszilloskopen pro Trigger-Ereignis nur ein Amplitudenwert des Eingangssignals digitalisiert. Wird das Trigger-Ereignis ein weiteres Mal ausgelöst, so wird jeweils zum darauffolgenden Abtastzeitpunkt ein kleines Zeitinkrement dazu addiert. Dieses Vorgehen führt dazu, dass für n Abtastzeitpunkte auch n Zyklen des Eingangssignals benötigt werden, um das Eingangssignal zu digitalisieren und auf dem Display zu reproduzieren. Die Messbandbreite wird durch die Bandbreite der Abtasteinheit bestimmt, die derzeit bei über 80 GHz liegt. Es besteht ein wesentlicher Unter- Vor- und Nachteile der Oszilloskop-Typen Für das Echtzeit-Oszilloskop sprechen: es ist möglich, einmalige oder sehr selten vorkommende transienten darzustellen es wird bei solch einem Gerät kein expliziter trigger benötigt es muss kein periodisches eingangssignal vorliegen Messungen des Jitters sind Zyklus für Zyklus möglich es sind lange aufzeichnungen des eingangssignals möglich und nur abhängig von der speichergröße sehr gut geeignet zum erkennen von 22 singulären oder seltenen signalereignissen und signal-fehlabweichungen Für das Sampling-Oszilloskop sprechen: eine geringere abtastrate erlaubt eine höhere amplitudenauflösung beim analog-digital-Konverter Höhere Bandbreite Geringerer eigenjitter das sampling-Oszilloskop kann sowohl mit rein elektrischen eingängen als auch mit optischen eingängen bestückt werden. Ist typischer Weise ein günstigeres Investment. schied zwischen der Triggerung bei einem Sampling- und bei einem Echtzeit-Oszilloskop. Und der wichtigste Unterschied ist, dass für das Sampling-Oszilloskop ein expliziter Trigger notwendig ist. Denn dieser Trigger wiederum muss synchron mit dem Eingangssignal erfolgen. Typischer Weise wird der Trigger von Seiten des Anwenders zur Verfügung gestellt in selteneren Fällen kann der Trigger aus einem Modul zur Taktwiederaufbereitung herrühren. Der Messablauf geht folgendermaßen von Statten: Ein Triggerereignis initiiert eine Abtastung des ersten Wertes. Danach bereitet sich das Oszilloskop auf das zweite Triggerereignis vor, wobei diese Zeitspanne der Vorbereitung ungefähr 25 µs dauert. Trifft das zweite Triggerereignis ein, wird eine Abtastung vorbereitet, die aber um ein Zeitinkrement später erfolgt wie beim vorigen Abtastereignis. Das Zeitinkrement wird bestimmt durch die am Oszilloskop eingestellte Zeitbasis und durch die Anzahl der am Display dargestellten Punkte. Dieser Prozess läuft so lange weiter, bis der Speicher für eine Signaldarstellung auf dem Display voll ist (Bild 2). Wie sich das SamplingOszilloskop triggern lässt Es gibt zwei Möglichkeiten ein SamplingOszilloskop zu triggern, was sich in unterschiedlichen Darstellungsformen wiederspiegelt. Es ist einmal die Darstellung einer Bitfolge, zum anderen die AugendiagrammDarstellung. Bei der Darstellung einer Bitfolge kann der Anwender die Abhängigkeit des Bitmusters im System verfolgen. Der Trigger muss nur einmal pro Periode des Bitmusters erfolgen und muss sich für die nachfolgenden Bitmusterperioden an derselben relativen Stelle des Bitmusters befinden (Bild 3). Die andere Darstellungsart ist das sogenannte Augendiagramm, welches kein periodisches Signal erfordert. Es wird typischer Weise zur Messung von Jitter, Verzerrungen und zur Beurteilung der Signalqualität eingesetzt. Das Augendiagramm bietet einen statistischen Überblick der System-Performance, denn es legt unabhängig vom Bitzustand die einzelnen Pulse und Pulsfolgen übereinander. Der notwendige Trigger ist ein zum Bitstrom synchroner Takt. Bei jedem Trigger-Event, der auf die Vorbereitungszeit folgt, wird das Signal abgetastet und alle möglichen Kombinationen von „0“ und „1“ werden übereinander gelegt. Sowohl die Signaltaktrate als auch Bruchteile davon können als Trigger-Signal genutzt werden. Ist allerdings die Signal-Bitfolgenlänge ein Vielfaches der Taktfolge, so wird ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, sensorik und test april 2014 Labormesstechnik // MeSSdATen erfASSen Bild 2: Abtastung eines Signals mit einem SamplingOszilloskop. Bild 3: AbtastProzess eines periodischen Bitstromes mit dem SamplingOszilloskop. Bild 4: SamplingProzess bei der Darstellung eines Augendiagramms mit dem Sampling-Oszilloskop. nur ein Teil der Bitfolge für die Darstellung des Augendiagramms genutzt. Der fehlende Teil geht verloren und kann zur Beurteilung nicht herangezogen werden. Wird der Datenstrom als sein eigener Trigger verwendet, so mag das Augendiagramm als komplett erscheinen. Das Augendiagramm wird beispielsweise nur mit positiven Flanken des Datenstromes auf das Display geschrieben. Das ist zu vermeiden, um genaue Augendiagramm-Messungen durchzuführen. In Bild 4 ist der Triggerprozess für ein Augendiagramm durch ein Sampling-Oszilloskops dargestellt. Das Bild auf der Seite 20 oben zeigt das DSA-X 93204A, auf dessen Display ein Augendiagramm dargestellt ist. Auffällig bei diesem Augendiagramm ist, dass es Signalzustände gibt, die nicht die übliche Signalhöhe beziehungsweise nicht ganz auf den 0-Pegel gehen. Es ist zu erkennen, dass das Auge kleiner und schmaler wird. Für ein Übertragungssystem wird es schwieriger, die Signalzustände eindeutig nach Zeit und Amplitude zu interpretieren. Solch ein Augendiagramm lässt sich erzeugen, indem softwaremäßig aus dem abgetasteten Signal ein Takt regeneriert oder ein externer Takt zugeführt wird. Das aufgenommene Signal wird in gleich lange Teile aufgeteilt, entsprechend einer ganzen Anzahl an Taktperioden. Die gleichlangen Signalteile werden auf dem Display übereinander gelegt. // hEh datatec +49(0)7121 515050 ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 23 Instrumentation HÖCHSTE PRÄZISION GARANTIERT Zuverlässige Messtechnik für Antriebsstrang, Motorkühlung, Klimaanlagen, HVAC und vieles mehr. Täglich im Einsatz. Weltweit. Setzen Sie auf den internationalen Technologiepartner der Automobilindustrie. TesTen und Prüfen // IC-TesT Testlösung für ICs wird in die Cloud ausgelagert Indem Testprogramme in die Internet-Cloud ausgelagert werden, muss nur noch für das bezahlt werden, was der Testingenieur auch wirklich benötigt. Wir stellen den CloudTesting-Service von Advantest vor. Grafiken und Bilder: Advantest europe STEfAN DöLLINgER * CloudTesting-Service: Der Kunde bezahlt nur für das, was er tatsächlich nutzt. Die lokale Testhardware bekommt man kostenlos. I m Focus von ATE-Testsystemen (Automatic Test Equipment) stand und steht die IC-Massenproduktion. Moderne ATETestsysteme sollen möglichst viele Bausteine parallel in möglichst kurzer Zeit testen und die sogenannten Cost of Test pro Baustein so gering wie möglich halten. Der Kauf eines Testsystems ist ein erhebliches finanzielles Investment, verbunden mit hohen Unterhaltskosten für Stromverbrauch und Kühlung. Die Systeme bieten einen hohen Freiheitsgrad an Programmierung, um die wertvollen Testerressourcen optimal zu nutzen und die letzten Millisekunden an Testzeit zu optimieren. Der moderne Testingenieur ist nicht nur ein Spezialist im Testen von Bausteinen, er kennt sich auch bestens mit modernen Softwaretechnologien aus. Um einen jungen * Stefan Döllinger ... arbeitet als Produkt-Manager bei Advantest Europe GmbH. 24 Ingenieur zu einem IC-Testexperten zu machen, sind viele Trainings und eine lange Einarbeitungszeit notwendig. Die Halbleiterindustrie lebt von ihrer hohen Innovationskraft und den kurzen Produktlebenszyklen. Eine schnelle Verifikation der IC-Prototypen nach dem Design ist somit grundlegend. Die Anforderungen an die hierfür benötigte Messausrüstung unterscheiden sich deutlich von denen an die IC-Massenproduktion. Jedem Testingenieur sein eigenes Testsystem Idealerweise sollte jeder Ingenieur über ein eigenes, kompaktes und leicht zu bedienendes ATE-Testsystem verfügen. Zurzeit eingesetztes Testequipment reicht von Benchtop-Instrumenten bis zu messtechnischen Eigenentwicklungen. Die Anbindung an Electronic-Design-Automation-Tools oder kurz EDA ist meist mangelhaft. Doch ist es möglich, für jeden Testingenieur auch ein eigenes Testsystem bereitzustellen? Hier kam die Idee, ein auf Cloud basiertes System zu entwickeln. Der Tester soll die benötigte Performance, Signale und Features bei minimalen Investitions- und geringen Unterhaltskosten liefern, um einen großen Teil der Halbleiterprodukte zu adressieren. Der Test-Ingenieur kann sich schnell einarbeiten, ohne spezielle Programmierkenntnisse mitbringen zu müssen . Somit kann er sich auf den Bausteintest konzentrieren. Die drei wesentlichen Vorteile für den Anwender Der daraus entstandene CloudTestingService beruht auf drei Säulen: CloudTesting-Station: Das kompakte Testsystem wird in zwei Ausführungen angeboten und dem Kunden kostenfrei zur Verfügung gestellt. Die CloudTestingStation befindet sich nicht in einer Internet Cloud, sondern vor Ort beim Anwender. Als einmalige und geringe Investitionskosten fallen der Kontrollcomputer und das benötigte Zubehör (Hifix-Kabel) an. Die CTS Cloud: Sie stellt dem Kunden Testing-IPs zum Download bereit. TestingIPs sind fertige Tests, Algorithmen oder Tools. Für die Verwendung der Testing-IPs werden nach dem Nutzungskonzept ‚Pay per Use’ monatliche Kosten in Rechnung gestellt. Die Höhe der Kosten richtet sich nach den gewählten Testing-IPs. In der CTS-Cloud werden keinerlei Testprogramm spezifische Kundendaten gespeichert. Einfach bedienen: Jede Testing-IP verfügt über eine eigene grafische Benutzeroberfläche. Mit Hilfe der GUIs werden die Testparameter definiert. Programmierkenntnisse sind nicht erforderlich. Testpattern können von Electronic Design Automation Tools konvertiert werden. Zurzeit wird das STILFormat unterstützt, während die Unterstützung von VCD und EVCD noch in Entwicklung ist. Das System benötigt keine spezielle Kühlung und kann an das Stromnetz mit 220 V/50 Hz angeschlossen werden. Software zur Selbstdiagnose und Kalibrierung werden ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, sensorik und Test April 2014 TEsTEn und PrüfEn // IC-TeST Wir testen die Zukunft. QualifizierungsTestsysteme UniversalPrüfsysteme Analysesysteme Prüfstände Zentrales Kontrollzentrum: Die Software CTLab wird auf dem Kontrollcomputer ausgeführt. Dank der grafischen Benutzeroberfläche lässt sich das System recht einfach bedienen. mitgeliefert. Und im Falle eines Hardwaredefekts wird das Testsystem kostenfrei ersetzt. Das portable Testsystem wird in zwei Ausführungen angeboten. Die CloudTesting Station CX1000P umfasst zwei programmierbare Stromversorgungen (PPS), eine PMU (Programmable Measurement Unit), 32 Ein-/ Ausgangs-Kanäle, einen AWG (Arbitrary Waveform Generator) und einen Digitizer (DGT). Für die Steuerung von Anwenderapplikationen auf dem Testboard, das den Prüfling enthält, sind zusätzlich zwei Referenzspannungen, eine Stromversorgung und 16 Kontrollsignale vorhanden. Die Software als zentrales Kontrollzentrum Die CloudTesting Station CX1000D umfasst acht programmierbare Stromversorgungen (PPS), vier PMUs, 128 Ein-/AusgangsKanäle, vier AWGs, vier Digitizer und liefert die gleichen Signale zur Steuerung von Kundenapplikationen auf dem Testboard wie die CX1000P. Zwei CX1000D können miteinander gekoppelt und synchron betrieben werden. Durch das Koppeln wird die Anzahl der verfügbaren Testsystem-Ressourcen verdoppelt. Als Kontrollcomputer dient ein handelsüblicher Personal Computer oder Notebook mit dem Betriebssystem Windows 7 (64 Bit). Der Kontrollcomputer ist mit der CloudTesting-Station via USB-Kabel verbunden. Die Kontrollsoftware CTLab wird auf dem Computer installiert und die benötigten TestingIPs werden von der CTS Cloud heruntergeladen. Die Software CTLab dient als zentrales Kontrollzentrum, das auf dem Kontrollcomputer ausgeführt wird. Dank der grafischen Benutzeroberfläche lässt sich das System einfach bedienen. Und die Software bietet noch etwas mehr: Die Selbstdiagnose und Kalibrierung des Testsystems lässt sich genauso einfach ausführen wie die Festlegung und Ausführung des Testflows oder die Definition der Testbedingungen von TestingIPs. Die benötigten Testing-IPs werden von CTS online heruntergeladen und mit der Plugin Technologie in CTLab eingebunden. Jede Testing-IP verfügt über ihre eigene grafische Benutzeroberfläche, um die Testbedingungen wie Stromversorgung, Timing, Levels, Waveform oder Pattern festzulegen. Für den Anwender stehen bereits mehr als 60 TestingIPs in der CTS Cloud zum Download bereit. Testing-IPs lassen sich in drei Kategorien einteilen: Tests, Algorithmen und Tools. Die Test IPs dienen der elektrischen und funktionellen Verifikation des Bausteins. Sie reichen vom einfachen Kontakttest bis zur funktionellen Messung mit komplexem Testpattern. Mit Hilfe der Algorithmen lassen sich A/D-Umsetzer oder D/A-Umsetzer charakterisieren. Kenngrößen wie Nullpunkt-, Verstärkungs- oder Nichtlinearitätsfehler werden automatisch aus den gemessenen Daten berechnet und grafisch dargestellt. Bei den Tool IPs findet man alle wichtigen ATE-Werkzeuge zum Messen und Debuggen eines Bausteins. Die Liste beinhaltet Testing IPs wie Shmoo-Plot, Pattern Editor, Logic Analyzer oder Waverform Viewer. Ebenso werden Testing IPs zur Kontrolle von Handlern oder Probern mit GPIB angeboten. // hEh WarrantyTestsysteme Run-In/Screening Einrichtungen Automatische Prüfsysteme End-of-LinePrüfungen Inline Prüf- und Abgleichautomaten www.mcd-elektronik.de MCD Elektronik GmbH www.mcd-elektronik.de Advantest Europe +49(0)8075 170 [email protected] +49 (0) 7231 78 405 - 0 ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 25 Hoheneichstr. 52 - 75217 Birkenfeld www.issuu.com/mcdelektronik Messen und TesTen // Rundfunktestsystem Eine Plattform für umfangreiche Audio- und Videotests Im Broadcast Test Center vereint Rohde & Schwarz viel Know-how aus der Rundfunktechnik. Damit sollen sich nahezu alle Audio- und Videoübertragungsverfahren testen lassen. Wir stellen die Plattform vor. fotos: Rohde & schwarz RALPh KIRchhOff * Testumgebung: Das Broadcast Test Center R&S BTC ist eine All-in-one-Lösung für Ende-zu-Ende-Tests. Es erzeugt alle Audio/Video- und Rundfunksignale und bietet umfassende Analysefunktionen zur Beurteilung der Messobjekte. D ie Empfänger und Decoder heutiger Multimediageräte verarbeiten zahlreiche Audio- und Videoformate. Mit der Vielfalt dieser Formate wachsen auch die möglichen Fehlerquellen im Übertragungsweg. Entwickler von Empfängern und Decodern simulieren solche Fehler und untersuchen die Reaktion der Messobjekte. Hier * Ralph Kirchhoff ... arbeitet als Product Manager Broadcasting Signal Generators bei Rohde & Schwarz in München. 26 bietet sich eine komplette Testumgebung für nahezu alle Audio-, Video- und MultimediaAnwendungen. Diese ist vereint im R&S BTC von Rohde & Schwarz. Das Gerät generiert alle erforderlichen Signale, simuliert die Übertragung und analysiert die Audio/Video-Signale von Testobjekten (typischerweise Rundfunkempfänger) in Echtzeit. Unterstützt werden alle weltweit gebräuchlichen analogen und digitalen Fernseh- und Hörfunkstandards. Zudem ist die Geräteplattform modular und fein skalierbar. Es lassen sich vollständige Ende-zu-EndeTests über alle OSI-Schichten hinweg durch- führen. Dank der integrierten Testapplikation zusammen mit einer Ablaufsteuerung lassen sich die Messobjekte auch in einen komplett automatisierten Testablauf einbetten. Für den softwarebasierten Multimediagenerator sind mehrere Funktionen verfügbar. Er erzeugt aus vorhandenen Audio- und Video-Elementarströmen Audio- und VideoSignale. Mit der optionalen Rekorderfunktionalität sowie mit dem Bitstrom- und Elementarstrom-Player lassen sich Transportund Bitströme aufnehmen bzw. abspielen. Zudem kann der Multimediagenerator vorhandene, generierte oder von extern über ASI oder IP eingespeiste Transportströme modifizieren und zu einem neuen Multiplexsignal zusammenstellen. Dabei lassen sich gezielt Fehler eintasten. Der Sequenzer konfiguriert dynamische Umschaltszenarien und die dazugehörigen zeitlichen und inhaltlichen Abläufe. Dabei können Fehler auf Bit, Byte-, Paket- und Tabellen-Ebene unterbrechungsfrei in die MPEG-2-Transportströme eingetastet werden. So lassen sich kritische Testsequenzen für Decoder-Stresstests gezielt definieren und jederzeit reproduzieren. Der Remultiplexer generiert aus vorhandenen bzw. aus extern anliegenden Transportströmen ein neues Multiplexsignal und entsprechende neue Tabellen. Er unterstützt die ASI- und IP-Eingangsschnittstellen sowie den internen Bitstrom- und ElementarstromPlayer. Gateway-funktionalität – Zugriff auf alle Parameter Mit dem softwarebasierten T2-MI-Gateway können Anwender direkt im Gerät den für die jeweiligen Übertragungsparameter erforderlichen T2-MI-Strom online generieren und dem DVB-T2-Echtzeitcoder zuführen. Alle Parameter und Einstellungen der gesamten Übertragungskette sind jederzeit modifizierbar. Der softwarebasierte Multimediagenerator ist für zukünftige Gateways anderer Übertragungsstandards vorbereitet. ELEKTRONIKPRAXIS messtechnik, sensorik und test April 2014 Messen und TesTen // Rundfunktestsystem Für die analogen Übertragungsstandards steht ein Audio-Player zum Abspielen von WAV- und WV-Dateien zur Verfügung. Der Multimediagenerator kann auch analoge Signale erzeugen. Er generiert Testbilder für die Standards PAL, NTSC und SECAM und unterstützt damit die nach wie vor weltweit genutzten analogen Rundfunkstandards. Moderne Tuner, Empfänger-Chipsets und Endgeräte sind mit immer mehr integrierten Übertragungsstandards ausgestattet und die Ansprüche an die Übertragungsdatenraten für HD- oder 4k-Videoauflösungen sind ebenfalls gestiegen. Zudem gewinnen höhere Frequenzen in breitbandigen und noch wenig genutzten Frequenzbereichen an Bedeutung. Dies erfordert entsprechende HF-Qualitätsparameter der eingesetzten Empfänger. Dazu generiert der R&S BTC alle weltweit verbreiteten digitalen und analogen Standards für Kabel-, Satelliten- und terrestrisches Fernsehen sowie für den Hörfunk. Für interne Signale stellt der Signalgenerator zwei unabhängige Echtzeit-HF-Signalpfade mit jeweils einer Modulationsbandbreite von 160 MHz bereit. Extern zugeführte analoge I/Q-Signale können abhängig von der eingestellten Frequenz eine Bandbreite Bild 1: Mit dem Remultiplexer können Transportströme in Echtzeit unterbrechungsfrei modifiziert werden. Tabellenparameter, wie hier im Beispiel die Parameter einer NIT (Network Information Table), lassen sich auf einfache Weise verändern. bis 2 GHz haben. Bei den internen HF-Pfaden hat der Nutzer die Wahl zwischen 3 GHz oder 6 GHz als obere Frequenzgrenze. Auch gemischte Varianten mit 3 GHz und 6 GHz in einem Gerät sind verfügbar. Die beiden koppelbaren oder auch voneinander unabhängigen HF-Pfade lassen sich auch getrennt voneinander bedienen und konfigurieren. So können zwei unterschiedliche oder aber auch gleiche Übertragungsstandards in die FPGA-Echtzeitcoder geladen werden. Das SSB-Phasenrauschen liegt bei einem Wert von –135 dBc (1 Hz) und wird durch eine hervorragende Signalfilterung ergänzt. Das zeigt sich bei den generierten HF-Signalen: Ihre Werte hinsichtlich Schulterabstand und Modulationsfehler (MER) sind exzellent. Noch bessere SSB-Phasenrauschwerte bietet die Option Low Phase Noise mit bis zu –139 dBc (1 Hz). Der Pegel des Ausgangssignals wird mit der eingebauten elektronischen Eichleitung eingestellt, sie hat einen weiten Wo Leistung auf Präzision trifft PX8000 Precision Power Scope Zu sehen auf der PCIM Europe in Nürnberg - Halle 9 / Stand 338 Der PX8000 eröffnet eine neue Dimension in der hochgenauen, zeitbasierten Leistungsanalyse. Yokogawa´s Marktführerschaft in der Leistungsanalyse, kombiniert mit der langen Erfahrung in der Entwicklung von Oszilloskopen, spiegeln sich im neuen PX8000 mit zukunftssicherer Technik für die Ingenieure von heute wieder. Weitere Details unter: http://tmi.yokogawa.com/de oder unter +49 8152 9310-0 · Simultane, transiente Leistungsberechnung und Harmonischen-Analyse bis zur 500. Ordnung sowie FFT · Präzise Leistungsberechnung für jede Periode (Cycle-by-Cycle) · X/Y-Darstellung und Vektoranalyse · Intelligente Triggerfunktionen und History-Speicher für effiziente Fehlersuche · Grafische, mathematische und Cursor-Analysen an U-, I-, Leistungskurven und anwenderspezifischen Berechnungen Precision Making Test&Measurement Messen und TesTen // Rundfunktestsystem Bild 2: Simulation der Übertragungsfunktion von Eingangsdemultiplexer und Ausgangsmultiplexer (IMUX und OMUX) eines Satellitentransponders. unterbrechungsfreien Bereich. Die Ausgangsleistung pro HF-Pfad beträgt maximal 18 dBm und bietet damit für alle Rundfunksignale und Störsignalszenarien einen ausreichend großen Pegelbereich. Der gesamte physikalische Übertragungskanal Portable und mobile Endgeräte unterliegen Empfangsbedingungen, die sich ständig ändern. Mit den bordeigenen Rauschquellen, Vorverzerrung für die Sende- und Empfangsseite, einen für MIMO-Szenarien geeigneten Fading-Simulator sowie MehrfachARB-Generatoren deckt das Gerät eine Vielzahl an Möglichkeiten ab. Zudem können mit den beiden HF-Pfaden Gleichwellennetze (SFN) und Diversity-Szenarien simuliert werden. Signale diverser Rauschquellen mit breitbandigem oder bandbreitenbegrenztem Gaußschem Rauschen, Impulsrauschen und die Signale aus einer Option für 10 MHz breites Phasenrauschen lassen sich kombinieren und zum jeweiligen Nutzsignal addieren. Anwenderdefinierte Phasenrauschkurven werden am Touchscreen eingeben und das Gerät berechnet die neuen Koeffizienten sowie die Phasenrauschkurve. Die integrierte Bild 3: Der Mehrfach-ARB-Generator kann bis zu acht verschiedene Signalspektren zur Simulation unterschiedlichster Kanalbelegungen erzeugen. Vorverzerrung simuliert lineare und nichtlineare Vorverzerrungen auf Sende- und Empfangsseite. Satellitenübertragungsszenarien mit IMUX- und OMUX-Kurven lassen sich ebenfalls simulieren. Auch die Eingangseigenschaften von Tunern können mit dieser Funktionalität nachgebildet werden. Die FPGA-basierte Fading-Hardware bietet bis zu 40 Pfade pro HF-Kanal und deckt Tests für DAB-SFN oder DVB-T2-MISO ab. Für die Simulation von Szenarien mit 2 × 2 MIMO können die von zwei Fading-Baugruppen bereitgestellten jeweils 40 Fading-Pfade intern intelligent auf vier Übertragungswege aufgeteilt werden. Die beiden unabhängigen HFKanäle mit ihren Übertragungssimulationen eignen sich zudem für komplexe MehrfachDiversity-Szenarien, wozu die Oszillatoren der beiden Modulatoren bei Bedarf auch phasenstarr miteinander verkoppelt werden können. Die Herausforderungen für Empfängerchip- und Empfangsgerätehersteller, Zertifizierer und Testhäuser liegen heute hauptsächlich bei den Tests der Empfangseigenschaften breitbandiger und multistandardfähiger Endgeräte. Dabei spielen Störsignale oder Übertragungsstandards eine entscheidende Rolle. Alternativ zur Sig- Für wen der R&S BTC gemacht wurde dank seiner umfangreichen Ausstattung, einer Bandbreite von 160 mHz und einem frequenzbereich bis 6 GHz eignet sich das testsystem-Plattform R&s BtC für Anwender, die Chipsätze, tuner und Receiver herstellen. Hinzu kommen testhäuser, Qualitätssicherungen sowie Hersteller aus dem Automobilbau und professionelles satelliten-equipment, netzwerkbetreiber, messgeräteverleiher, Regulierungsbehörden sowie die A&d-Industrie. nalerzeugung mit den Echtzeitcodern können mit den flexiblen Mehrfach-ARB-Generatoren synthetische Signale mit einer Länge bis 1 GSample ausgespielt werden. Beide HFPfade sind mit je einem ARB-Generator ausgestattet, der bis zu acht voneinander unabhängige Störsignale generieren und komplexe Störsignale erzeugt. Breitbandige Satelliten- oder WhitespaceSignale lassen sich dank der großen Speichertiefe generieren und intern zum vorher vom Echtzeitcoder erzeugten Nutzsignal addieren. Einzelne Störsignale können innerhalb der Bandbreite von 160 MHz frei positioniert werden und der Pegel auf ein C/I-Verhältnis bis zu 60 dB einstellen. Die Software R&S WinIQSim2 simuliert Szenarien im Zusammenhang mit Digitaler Dividende oder Whitespace. Die I/Q-Signale werden generiert und zahlreiche zellulare Mobilfunkstandards unterstützt. Zusammen mit dem ARB-Generator werden passende Störsignale generiert und zum Nutzsignal addiert. Über die ASI- und ETI-Schnittstellen hinaus bieten die Echtzeitcoder für Rundfunkanwendungen zusätzlich eine IP-Schnittstelle, wie sie auch bei DVBT2, DVB-C2 und DVB-S2 beschrieben ist. Über diese können Audio, Video und Daten extern zugeführt werden. In der Chip- und TunerEntwicklung ist es erforderlich, die Datenrate und -formate von I/Q-Daten vielseitig nutzen zu können. Dafür stehen mehrere digitale I/Q-Schnittstellen zur Verfügung, die flexible Daten-Ein- und -Ausgabe und damit ideale Test- und Designmöglichkeiten bieten. // hEh Rohde & schwarz +49(0)8 45 30/45 87 28 ELEKTRONIKPRAXIS messtechnik, sensorik und test April 2014 Aktuelle Produkte // PXI-MesstechnIk WaveforM DIgItIzer für PXI 500 Vpp und potenzialfrei In Zeiten von Hybrid-Antrieben und höheren Boardnetzspannungen müssen im Produktionstest Signale mit Spannungen bis mehrere hundert Volt digitalisiert werden. Um hier und im Labor zusätzliche Signalkonditionier-Schaltungen zu vermeiden, wurde speziell der PXD731x High Voltage Waveform Digitizer von VX Instruments entwickelt. Signale mit Spannungen von bis zu 500 Vpp können hiermit digitalisiert werden. Die weitere Besonderheit liegt, wie bei fast allen Geräten der Firma VX Instruments, in der Potenzialfreiheit. Die Masse-Eingänge des Digitizer können mit einer Spannung von bis zu ±250 V Potenzialdifferenz gegenüber Erde beaufschlagt werden. Mit einer Abtastrate von 100 MS/Sekunde, einer Auflösung von 16 Bit und einer Gleichtaktunterdrückung (CMRR) von mindestens 90 dB werden die Signale digitalisiert. Eine integrierte 40-Bit-Timer/ Counter-Einheit sowie eine DVM Funktionalität runden das Gerät ab. Kundenspezifische Änderungen des Systems, die beispielsweise bei der Vermessung spezieller Bussignale wie FlexRay nötig sind, lassen sich je nach Bedarf in die Hard- und Software implementieren. VX Instruments vektorsIgnal-analysator Für Frequenzen bis 27 GHz Der Vektorsignal-Analysator M9393A von Agilent deckt einen Frequenzbereich von 9 kHz bis 27 GHz ab. Dabei bietet die auf PXI basierende Messlösung Analysebandbreiten bis zu 160 MHz. Zu seinen weiteren Leistungsmerkmalen gehört eine absolute Amplitudengenauigkeit von ±0,15 dB, ein Eigenrauschen (DANL) von –160 dBm mit Vorverstärker und eine TOI (ThirdOrder Intermodulation) von +30 dBm. Hinzu kommt eine Frequenzumschaltzeit von weniger als 150 Mikrosekunden. Auf dem PXI-System laufen die Messapplikationen der X-Serie und die VSA-Software 89600. Da der Code des M9393A kompatibel mit den Benchtop-Signalanalysatoren von Agilent ist, lassen sich vorhandene Testprogramme wieder verwenden. Mit der in die VSA-Software integrierte Stepped-Spectrum-Funktion ist es möglich, Ober- und Nebenwellenmessung mit einer Auflösung der Bandbreite von 10 kHz über den vollen Frequenzbereich von 27 GHz in weniger als einer Sekunde zu messen. Die Messapplikationen der X-Serie für modulare Messgeräte ermöglichen es, mit dem M9393A die Konformität von LTE-, WLANund anderen Standards durchzuführen. Agilent technologies DIE NEUE 33600A-SERIE. * Aktion gültig bis 31.08.14. Druckfehler, evtl. technische Änderungen und Irrtum vorbehalten. ARBITRÄRE FUNKTIONSGENERATOREN MIT MEHR MÖGLICHKEITEN, SIGNALTREUE UND FLEXIBILITÄT. bis zu 1 GSa/s Abtastrate bis zu 120 MHz Bandbreite gratis* BenchLink Pro-Software Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte Alle 1- und 2-Kanal-Modelle finden Sie unter www.datatec.de/trueform Messdaten überwachen // dezentrale Benutzerschnittstelle Wie ein mobiles Endgerät in der Messtechnik hilfreich sein kann Bilder: national instruments Mobile Endgeräte wie Smartphone oder Tablet sind sehr gut geeignet, um ein Mess-, Steuer- und Regelsystem aus der Ferne zu warten und es auf Fehler zu überprüfen. Wir zeigen worauf es ankommt, wenn ein solches System realisiert werden soll. Mobile Geräte: Sie lassen sich als dezentrale Benutzerschnittstelle in der Mess-, Steuer- und Regeltechnik einsetzen und bieten damit Vorteile für den Anwender. O bwohl die klassische Messtechnik immer leistungsfähiger wird, spielt sie sich doch zunehmend in den Entwicklungslaboren ab und oft sind die Geräte nur in einem Intranet miteinander vernetzt. Doch haben Smartphone und Tablet-PCs eine Entwicklung in Gang gesetzt, welche die Mess-, Steuer- und Regeltechnik vor neuen Aufgaben und Herausforderungen sieht. Gerade die ständige Mobilität ist es, auf die Anwender besonders Wert legen. Man muss jedoch auch die Grenzen der mobilen Systeme kennen, will man ihre Vorteile sinnvoll einsetzen. Letztlich ist es notwendig abzuwägen, wo und wie sich mobile Technologien einsetzen lassen. Das Ziel soll sein, Zeit und Kosten zu sparen und gleichzeitig Kunden und Anwender zu begeistern. Hier spielt auch der Aspekt mit, dass mobile Geräte privat benutzt werden und die Benutzung und die damit verbundenen Ansprüche gern auch mit ins Berufsleben übertragen werden. Im Fall mobiler Geräte sind 30 inzwischen formschöne, leistungsstarke Computer für eine breite Palette von Aufgaben auf dem Markt. So lässt sich beispielsweise das Online-Banking mit dem Smartphone erledigen. Jederzeit und von jedem Ort aus auf Daten zugreifen: das gehört zu den zentralen Erwartungen, die Benutzer an alle Systeme für den Konsumentenbereich stellen. Und das gilt künftig auch im industriellen Umfeld. Anforderungen an die Systemanwender Das Nest Learning Thermostat beispielsweise – ein über das Netzwerk verbundenes Thermostat, das die Gewohnheiten der Hausbewohner ermittelt, um sich selbst zu programmieren – senkt den Energieverbrauch und spart Kosten. Der Nutzer interagiert mit dem System zum einen über den Thermostat selbst. Zum anderen erfolgt die Interaktion des Nutzers dezentral über einen Webbrowser oder die App für Nest Mobile auf einen mobilen Gerät. Damit kann der Nutzer die Temperatur des Hauses überwachen und seine Gewohnheiten anpassen. Vorteil: Nutzer steuern mit den Geräten, die sie gerade zur Hand haben und von dem Ort aus, an dem sie sich gerade befinden. Diese über das Netzwerk verbundenen Benutzerschnittstellen mit mehreren Zugangspunkten sind Kennzeichen eines modernen Systems. Mobile Geräte sind aufgrund ihrer touchbasierten Oberflächen und ihrer erweiterten Grafikmöglichkeiten eine ideale Ausgangsplattform, um dezentrale Benutzerschnittstellen zu erstellen. Durch Fortschritte der Wireless-Technologie wie 4G-LTE-Netzwerke und das fast weltweit verfügbare WLAN wird der Einsatz mobiler Geräte als dezentrale Benutzerschnittstellen noch attraktiver. Übertragen auf Mess-, Steuer- und Regelsysteme bedeutet die moderne Benutzerschnittstellen-Architektur einen erheblichen Mehrwert. Anwender haben die Möglichkeit, dezentral und mobil auf ihre Daten zugreifen ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, sensorik und test april 2014 Messdaten überwachen // dezentrale Benutzerschnittstelle zu können. Für ein besseres Verständnis, ob sich die mobilen Geräte als dezentrale Benutzerschnittstellen eignen, lassen sich die Anforderungen in drei weit gefasste Gruppen von Systemanwendern einteilen: Bediener, Techniker und Manager. Kommunikation: Die verschiedenen Schnittstellen kommunizieren mit der Anwendersoftware im Mess- und Regelsystem. Die drei Gruppen der Systemanwender Der Bediener interagiert mit dem System in nächster Nähe, meist direkt am System selbst. Je nach sicherheitskritischen Aspekten kann eine Verbindung zwischen der Benutzerschnittstellenhardware und dem System über Kabel die am besten geeignete Lösung sein. Beispiele sind PCs oder Touchpanel-Computer, die als Hauptverarbeitungselement des Systems fungieren oder die mit anderen Mess-, Steuer- und Regelgeräten verbunden sind. Hinzu kommt ein Bildschirm, der an ein System mit Anzeigefunktion angeschlossen ist. Die Gruppe der Techniker ist für die Wartung eines oder mehrerer Systeme zuständig, wofür sie ein einziges tragbares Gerät verwenden. Dabei kann es sich um ein Laptop, einen Tablet-PC oder ein Smartphone handeln. Die Geräte führen die entsprechende Software aus, um den Status eines Systems abzulesen oder nach Fehlerursachen zu suchen. Techniker können die Geräte über USB, WLAN, RFID, Bluetooth, Bluetooth LE oder ein anderes drahtloses Netzwerk mit dem System verbinden. Wird eine Wireless-Verbindung genutzt, muss der Techniker genau wissen, mit welchem Gerät er verbunden ist. Hier sind RFID-Chips, Barcodes oder QRCodes hilfreich, welche die IP-Adresse oder eine andere Kennung des spezifischen Systems beinhalten. Für die Manager ist es wichtig, dass sich der Status eines oder mehrerer Systeme mit Hilfe einer Ferndiagnose feststellen lässt. Dabei spielt der Ort der Abfrage keine Rolle. Zu diesem Zweck ist eine auf einem Webbrowser ausgeführte Benutzerschnittstelle oder eine mobile Anwendung am besten geeignet. Eine weitere Voraussetzung ist, dass Geräte außerhalb des Firmennetzwerkes auf ein System innerhalb des Firmennetzwerkes zugreifen können. Hier bietet sich eine VPN- Verbindung an. Besser ist ein zwischengeschalteter Server, über den das System und die dezentrale Benutzerschnittstelle Daten austauschen können. Voraussetzung für ein System mit mobilen Geräten, die als dezentrale Benutzerschnittstelle dienen ist, dass der Systementwickler die verschiedenen Technologien überblickt und sich deren Vorund Nachteilen bewusst wird. Zu den Kriterien gehören auch die Anzahl der Anwender sowie die Leistungsanforderungen, die oft nicht bekannt sind. Ein softwarebasiertes Mess-, Regel- und Steuersystem ist die beste Wahl, wenn eine solche Architektur umgesetzt wird. Denn dieses System kann mit den unterschiedlichen Anbindungsarten eingesetzt werden, die erforderlich sind. Dazu muss die Software mit Schnittstellen ausgestattet sein, um dezentral das System zu überwachen, zu steuern und zu regeln. Zum Einsatz können Schnittstellen über Webdienste kommen, die bei der Bereitstellung von dezentralen Programmierschnittstellen Standard sind. Zu den zu unterstützenden Programmiersprachen gehören C++, JavaScript, ObjectiveC und G. Verteilte Anwendungen und Webbrowser stellen eine Verbindung über die Webdienste her, um das System zu überwachen und zu steuern. Entscheidend ist, was ein mobiles Endgerät von seiner verwendeten Software unterstützt. So ist für die entsprechende Anwendung entscheidend, mit welchen plattformspezifischen Tools für iOS, Android oder Windows RT sie umgesetzt wird. Wird eine breite Palette an Geräten mit dem System verbunden, ist eine plattformübergreifende Lösung wie HTML5 oder JavaScript am wahrscheinlichsten. Fällt die Palette kleiner aus oder wird Wert auf Leistung gelegt, dann lohnt sich auf alle Fälle ein plattformspezifischer Ansatz wie ObjectiveC für iOS und Java für Android. Der Beitrag ist nach Unterlagen von National Instruments entstanden. // hEh national Instruments +49(0)89 7413130 Vorteile eines dezentralen Systems eine moderne Benutzerschnittstellenarchitektur mit mehreren zugangspunkten – etwa dezentraler zugriff über ein mobiles endgerät – schafft einen Mehrwert für anwender von Mess-, steuer- und regelsystemen. Mit solch einem sys- ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, sensorik und test april 2014 tem ist möglich, mit nur einem endgerät verschiedene systeme zu überprüfen und Fehler zu beheben. techniker und entscheider müssen nicht persönlich vor Ort sein, wenn ein kritisches system überwacht werden muss. 31 Messtechnische GrundlaGen // EMV Wie sich die EMV eines Prototypen dimensionieren lässt An kritischen Bauteilen eines Prototypen sollten unbedingt die EMVAnforderungen ermittelt werden. Bei großen Projekten ist es ratsam, dazu die betroffenen Hersteller mit ins Boot zu holen. GuNTER LANGER * D ie EMV-Ziele bei der Geräte- oder Komponentenentwicklung zu erreichen wird schwieriger, da die Integrationsrate steigt, die Strukturbreiten von ICs kleiner werden und die Verarbeitungsgeschwindigkeiten steigen. Das macht sich vor allem bei der Pulsstörfestigkeit gegenüber ESDImpulsen bemerkbar. Die Entwicklungsziele in der Störfestigkeit werden nur mit mehr oder weniger hohem Entwicklungsaufwand und Zeitverlust erreicht. Es gibt Entwicklungen, bei denen die Entstörung über viele Monate läuft und bei denen man glauben könnte, überhaupt nicht mehr zum Ziel zu kommen. Die Modifikationen und Messungen an den Entwicklungsmustern laufen ins Uferlose. Mehrere aufeinanderfolgende Lay- Grafiken: Langer EMV * Gunter Langer ... ist der Geschäftsführer von Langer EMV-Technik in Bannwitz bei Dresden. outstände der Flachbaugruppen haben nicht zum Erreichen der EMV-Ziele geführt. Die Ursache für die Missstände liegt in der Vorgehensweise. Für die Entwicklung technischer Systeme haben sich allgemeingültige Strategien herausgebildet. Am Beispiel der Entwicklung einer Flachbaugruppe wie sie in Bild 1 zu sehen ist, wird das veranschaulicht. In der Elektrotechnik werden die Eigenschaften von Schaltungen durch das Dimensionieren von elektrischen Netzwerken aus Leitungen und Schaltelementen erreicht. Die Schaltelemente sind Widerstände R, Induktivitäten L, Kondensatoren C, Dioden oder Transistoren. Die Eigenschaften der Schaltelemente werden durch ihre Werte genau beschrieben. Wenn der Entwickler dieser Herangehensweise folgt, erhält er auf Basis von theoretischen Berechnungen eine praktisch funktionierende Schaltung. In der EMV-Technik sind die Bauteile R, L, C ebenfalls klar definiert. Der Wirkungsweg Bild 1: Wenn eine Flachbaugruppe entwickelt wird, muss dabei die EMV aller beteiligten Teile berücksichtigt werden. 32 einer Störgröße führt jedoch nicht wie in der Elektrotechnischen Anwendung über die angelegten Leitungsnetze. Die Störungen, die ebenfalls aus Strom und Spannung bestehen, folgen anderen Wegen. Sie führen über Kabelmäntel, Steckverbinder, die Layoutstruktur der Flachbaugruppe, ICs und Konstruktionsteile. Für die Störungen gibt es wenige prinzipielle Wege zur Störsenke. Die Störsenke ist meist ein IC. Er hat die höchste Empfindlichkeit und kann Funktionsfehler erzeugen. Diese können durch magnetische oder elektrische Kopplungen hervorgerufen werden. Am Beispiel der Flachbaugruppe aus Bild 2 nimmt die Störung einen anderen Weg, als wir es aus der Schaltungstechnik kennen: Weg 1: Der von außen eindringende Störstrom i1 erzeugt ein Magnetfeld B1, das Magnetfeld induziert eine Spannung in einer äußeren Leitung des ICs. Über diese Leitung und die IC-Pins wird von der induzierten Spannung ein Störstrom i2 in den IC getrieben. In Bild 2 erfolgt diese Induktion im Steckverbinder, sie kann aber auch im Layoutsystem der Baugruppe erfolgen. Weg 2: Der von außen eindringende Störstrom i1 erzeugt das Magnetfeld B1. Das Magnetfeld durchdringt den IC und induziert in seinen Leitungsnetzen Störspannung. Die über die Pins führenden Schleifen sind am größten und damit am wirkungsvollsten. Meist werden die Versorgungsschleifen Vdd und Vss gestört. Weg 3: Durch den Störvorgang bzw. durch den Störstrom i1 entstehen Spannungsdifferenzen auf Konstruktionsteilen, die elektrische Felder bewirken. Diese Felder können auf den IC einwirken und ihn beeinflussen. Weg 4: Die elektrischen Störfelder aus Weg 3 können auch auf eine äußere Leitung des IC auftreffen und über diese Störungen in den IC einleiten (nicht dargestellt). Aus den Wirkungswegen und Wirkmechanismen ist erkennbar, das die Bauteile: 1. Steckverbinder, 2. Layoutstruktur der Bau- ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 Messtechnische GrundlaGen // EMV DIGITAL-KOMPENDIUM MesstechnikGrundlagen Bild 2: Elektromagnetische Störungen einer Flachbaugruppe. Die Induktion erfolgt hier im Steckverbinder. Die Ableitung von EMV-Parametern an zwei Beispielen Für die genannten Bauteile sollen EMVParameter abgeleitet werden. Die Parameter der für die Anwendungen vorgesehen kritischen Bauteile wie Steckverbinder und IC müssen dem Entwickler zur Entwicklungsplanung zur Verfügung stehen. Dazu müssen die Bauteile vermessen werden. Die Ableitung von EMV-Parametern soll an zwei Beispielen gezeigt werden. 1. EMV-Parameter für Steckverbinder: Aus Bild 2 ist der Koppelmechanismus für den Steckverbinder ablesbar. Der Strom i1 erzeugt das Magnetfeld B2. Dieses Feld induziert im Signalkontakt eine Spannung, die am IC ansteht bzw. einen Störstrom 2 in den IC treibt. Strom oder Spannung können die Störschwelle des ICs überwinden und Funktionsfehler auslösen. Bei Störvorgang handelt sich um eine induktive Verkopplung des Schirm- oder Massesystems des Steckverbinders mit seinem inneren Si- " " gnalkontakt. Zur Ableitung der EMV-Parameters eines Steckverbinders wird dieser in ein vereinfachtes Steckverbindermodell umgewandelt Im Bild 3 ist das vereinfachte Modell dargestellt. Hier sind alle Massekontakte bzw. Schirmkontakte zu einem Leiter zusammengefasst. Der Steckverbinder besteht nur noch aus zwei Kontakten, dem Signal und dem Massekontakt. In Bild 3 ist die Flussverkettung zwischen Störstrom i1 und induzierter Spannung erkennbar: Uind = LK di1 / dt. Die Induktivität LK ist der gesuchte EMV-Parameter des Steckverbinders, der dem Entwickler bei der Planung seiner elektronischen Schaltung zur Verfügung stehen müsste. Die Induktivität LK wird nur von der metallischen Konstruktion des Steckverbinders bestimmt und ist mit speziellen Messgeräten messbar. Die Induktivität eines massiv geschirmten HFSteckverbinders liegt unterhalb des fH-Bereichs. Für Industrieanwendungen sind Steckverbinder mit Induktivitätswerten von einigen pH sehr gut und Steckverbinder mit einigen nH sehr schlecht. Die Anforderungen an den Steckverbinder gehen von der Anwendung aus, in die der Steckverbinder eingesetzt werden soll. Am Beispiel wird gezeigt, wie der Induktivitätswert für die praktische Anwendung abgeschätzt wird. Ein ESD-Generator liefert nach EN 61000-4-2 bei 6 kV Generatorspannung eine Entladestromspitze von 22,5 A. Die Anstiegszeit beträgt 1 ns. Damit erzeugt der Generator ein di / dt von 22,5 A/ns. Beim Einleiten des ESD-Impulses in das Steckergehäuse wird als Worst-Case-Fall angenommen, dass der gesamte Strom über die Masse/ Schirmkontakte fließt. Wenn im Signalkontakt durch Induktion nicht mehr als 1 Volt Störspannung entstehen soll, erfordert das eine Koppelinduktivität < 44 pH. Wenn ein Sicherheitsfaktor von 2 eingeplant wird sind ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 33 " # ( * 0( 0 *( '%+ 1 0( *( 0('* + *'#'*'* ( ! $ *! '*! ' !' (! ' (!'* (*!+''' (1!(!# +*1* ( '1+ %( %"% ( (.' 1+ '( ( !#/ + 0(' " (( $ " " ' " ((- (*"# ( "'$ "' (* '( +"'$ ' ( (( ( ((' $$ " " -' & " & al s Je t z t r eP ape ! le s e n "% "% "% " ((" " ' ( (*' -! ' ' ' #' '(#' ( '!''(# ( .(( # " (!* $ + . (* ( + .( '*, !* #1*! +(( " #) $ Grundlagenbeiträge Fachartikel Applikationsbeispiele Referenzdesigns Design-Tipps weiterführende Informationen als Online-Verlinkung 09861 gruppe und 3. IC entscheidenden Einfluss auf die EMV des gesamten Systems nehmen. EMV-Probleme lassen sich ingenieurtechnisch nur lösen, wenn Bauteile klare, relevante EMV-Parameter zugewiesen bekommen. Bis jetzt ist für Spezifikation von Steckverbindern oder IC nicht einmal eine Beschreibungsgröße definiert, geschweige denn enthalten. Ein EMV-technischer Dimensionierungsprozess beim Entwicklungsbeginn einer elektronischen Schaltung ist deshalb unmöglich. Eine Elektronikentwicklung wird heutzutage aus Bauteilen aufgebaut, deren relevante EMV-Eigenschaften völlig unbekannt sind. In der Praxis wird dann am Prototypen so lange probiert, bis er einigermaßen EMV-technisch funktioniert. Das Ergebnis ist bei dieser Herangehensweise mehr oder weniger Zufall. Die Katastrophen im Entwicklungsverlauf sind programmiert. Lesen Sie das gesammelte ELEKTRONIKPRAXIS-Wissen auf Ihrem PC, Laptop oder iPad und sichern Sie sich kostenlos Ihr gedrucktes Kompendium* unter --> www.elektronikpraxis.de/ messtechnik-kompendium *limitierte Auflage www.vogel.de Messtechnische GrundlaGen // EMV Feld (Bild 2, Feld E1) spezifizieren? Für die Ermittlung der Feldstörschwelle des ICs verwendet man eine Messanordnung, die ein definiertes Feld erzeugen kann (Bild 4). Je nach Aufbau der Messanordnung kann Pulsfeld mit Verläufen nach EN 61000-4-4, EN 61000-4-2 oder HF-Feld erzeugt werden. Der Test-IC befindet sich auf einer durchgehenden Massefläche. An der Feldelektrode wird gegen Masse die Prüf-Störspannung angelegt. Die wirksame Feldstärke ergibt sich aus angelegter Spannung pro 1 cm Abstand. Extrem empfindliche ICs haben ihre Schwellen bei 1 kV/cm, empfindliche liegen bei 4 kV/ cm, unempfindliche bei >9 kV/cm. Bild 3: Darstellung des vereinfachten Steckverbinders zur Ableitung seiner EMVParameter. Die Feldstärkewerte des ICs in der Praxis Bild 4: Messplatz zur Ermittlung der Feldstörschwelle von ICs. das ca. 20 pH. Die Störschwelle von 1 Volt wird von dem am Steckkontakt angeschlossenen IC vorgegeben. Zur Orientierung: ein kompletter RJ45-Steckverbinder kann im Mittel für Common Mode bei 750 pH und Differential Mode bei 20 pH liegen. Streuungen sind Belegungs- und Herstellerabhängig und relativ groß. Das heißt, dass das Ausmessen der für die Anwendung in Betracht kommenden Steckverbinder von Vorteil ist. Die im ersten Beispiel angenommene 1-Volt-Störschwelle ist die Störschwelle des angeschlossenen ICs. Diese Störschwelle ist bereits eine EMV-Eigenschaft des ICs, also ein gesuchter EMV-Parameter. Die pinbezogenen Störschwellen eines ICs liegen in der Praxis zwischen 0,5 und 1000 Volt. Man sollte allerdings die tatsächliche Schwelle des verwendeten ICs kennen. Die Schwellen von ICs sind messbar, aber momentan in keinem Datenblatt enthalten. Einige IC-Hersteller messen bereits die pinbezogenen Störschwellen ihrer ICs. Wie lässt sich ein IC für die Widerstandsfähigkeit gegen Elektrisches Die EMV kritischer Bauteile ermitteln Um die EMV-Nacharbeit an einem Prototyp gering zu halten, sollten für alle kritischen Bauteile EMV-Anforderungen ermittelt werden. Mit den ermittelten Kenntnissen ist es dann möglich, die für die Anwendung in Frage kommenden Bauteile am Markt zu recherchieren. 34 Bei großen Entwicklungsprojekten hat es sich bereits bewährt, Bauteile und ICs gemeinsam mit deren Herstellern entsprechend den Anforderungen zu verbessern. Über die Machbarkeit anspruchsvoller Entwicklungen entscheidet heute die EMV. Welchen Feldstärkewerten muss der IC in der Praxis standhalten? Die praktische Beeinflussbarkeit hängt davon ab, wie weit ein spannungsführendes Teil in der späteren Anwendung vom IC entfernt liegt. Spannungsführende Teile können auch auf Masse liegende Konstruktionsteile sein (Bild 2). Pulsspannungen können dann an stegartigen Teilen entstehen. Aus ESD-Generatoren treten unerwünschte Störfelder mit hohen Feldstärkewerten aus [1]. Bei der Prüfung kann der ESD-Generator am Kunststoffgehäuse der fertigen Anwendung anliegen. Hinter dem Gehäuse kann im Abstand von einigen Millimetern ein empfindlicher IC liegen. Er wird von diesen Störfeldern mit hoher Feldstärke belastet. Die Situation verschärft sich erheblich, wenn die ICs mit einem Kühlkörper ausgestattet werden müssen. Der Kühlkörper leitet die Störspannung direkt an den IC. Ohne Kühlkörper kann der Abstand zwischen IC und potenzieller Elektrode zwischen 1 und 10 cm liegen. Durch den Kühlkörper verringert sich der Elektrodenabstand zum IC auf ca. 0,5 mm. Der Kühlkörper bewirkt eine Feldstärkeerhöhung um Faktor 20 bis 100. Benötigt ein IC einen Kühlkörper, sollte er im IC-EMV-Test mit einem Feldelektrodenabstand von 0,5 mm getestet werden. Wenn eine Anwendung später nach einer Gerätenorm mit 6 kV getestet werden soll, muss die IC-Prüfspannung den gleichen Wert haben. Demgegenüber können empfindliche IC Störschwellen von < 100 Volt / 0,5 mm besitzen. // hEh langer eMV +49(0)351 4300930 Literaturhinweis [1] Die Störwirkung der ESD-Pistole Teil 1, Gunter Langer, ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 21 /2012 ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 Incircuit-Funktionstestsysteme und Adaptionen für Flachbaugruppen, Hybride, Module und Geräte Aktuelle Produkte // MeSSen und TeSTen Hub für uSb Bis acht Geräte einzeln schalten Einen schaltbaren USB2.0-Hub bietet MCD Elektronik. Die acht Downstream Ports lassen sich via USB einzeln ein- und ausschalten. Beim Ausschalten werden die Versorgungsspannung von 5 V und die Datenleitungen über Halbleiterschalter getrennt. Angesteuert wird über die PCSoftware „USB-Hub Monitor“. Jeder Port kann als StandardPort (SDP), ladefähiger Anschluss (CDP) oder als Ladegerätanschluss (DCP) konfiguriert werden und stellt bis zu 1,5 A bereit. Zusätzlich zu den USB-Ports besitzt der USB-Hub noch einen 8-kanaligen Relaismultiplexer, mit dem eine zentral zugeführte Spannung von maximal 48 V an jedem Port einzeln und unabhängig voneinander ein- und ausgeschaltet werden kann. Der Anschluss erfolgt über 4-mm-Bananenstecker. Ob und welche Ports nach dem Einschalten des Hubs aktiv sein sollen kann in einem nichtflüchtigen Speicher hinterlegt werden. Ein zentraler Schalter deaktiviert alle Ports bzw. stellt den vorherigen Schaltzustand wieder her. Der USB-Hub lässt sich über den MCD-TestManager oder Fremdsoftware wie LabView, Microsoft Visual Studio, C#, C++, Visual Basic, Microsoft Office oder Open Office fernsteuern. MCd elektronik HAndHeld-MeSSgeräT diagnosegerät mit touch Das batteriebetriebene FeldbusMessgerät CANtouch von Gemac wird über ein berührsensitives Farbdisplay bedient. Der Nutzer geht mit dem CANtouch direkt an seine CAN-Anlage, schließt es mit einem Kabel an und erhält seine Messergebnisse, ohne die Anlage anzuhalten. Das CANtouch ist spezialisiert für ServiceTechniker bei der Inbetriebnahme, Analyse, Überwachung und Wartung von CAN-, CANopen-, DeviceNet- und SAE J1939-betriebenen Anlagen. Das Handheld misst unter anderem die Gleichtaktspannung (Common-ModeVoltage). Dazu wird kontinuierlich der absolute Signalpegel aller CAN-Baugruppen relativ zu seiner Position überwacht und der größte Abstand der Signalpegel aller Teilnehmer zueinander bestimmt – die „absolute maximale Gleichtaktspannung“. Auch wenn moderne CAN-Transceiver Werte zwischen -7 und 12 V zulassen, können höhere Gleichtaktspannungen zu Kommunikationsfehlern oder letztlich zur Zerstörung der Transceiver führen. Vom CAN Bus Tester 2 wurden die physikalischen Messfunktionen sowie die Darstellung des logischen Datenverkehrs übernommen. Gemac ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 35 – mehr als 2700 gelieferte Testsysteme im Einsatz für Großserien, auch Inline, Kleinstserien, Instandsetzung und Entwicklung – Incircuit- und Funktionstest und Boundary Scan in einem Testdurchlauf – schnelle, praxisnahe und anwenderfreundliche Testprogrammerstellung über Programmieroberflächen – grafische Fehlerortdarstellung, auch im Boundary Scan-Test – breites Spektrum an Stimulierungs- und Messmodulen (Eigenentwicklung) – Feldbussysteme, Flash-Programmierung, externe Programmeinbindung – Auswertung von analog/digitalen Anzeigen, Dotmatrix, LCD/LED, OLED,… – CAD-Schnittstelle, ODBC-Schnittstelle, Qualitätsmanagement – manuelle und pneumatische Prüfadapter aus eigener Entwicklung – Prüfadaptererstellung in einem halben Tag mit Adapterkonstruktions- und Erstellungspaket – höchste Zuverlässigkeit und geringe Folgekosten, vorbildlicher Service REINHARDT System- und Messelectronic GmbH Bergstr. 33 D-86911 Diessen Tel. 08196 934100 Fax 08196 7005 E-Mail: [email protected] http://www.reinhardt-testsystem.de Messdaten erfassen // SignaldetailS Mehr Details im Signal dank vertikaler Auflösung Mehr Details im Mess-Signal: Eine verbesserte vertikale Auflösung präzisiert nicht nur das Messergebnis, sondern auch die Darstellung des Messwertes. Wir zeigen, warum ein 12-Bit-Oszilloskop Vorteile bietet. Präzisere Darstellung des Messsignals: Die Osziilloskope von Teledyne LeCroy bieten echte 12 Bit. Bei der 8-Bit-Technik nutzt nicht einmal der HighResolution-Modus, um das Ergebnis wirklich zu verbessern. B ereits seit einigen Jahren sind die traditionellen analogen Oszilloskope durch digitale Speicher-Oszilloskope ersetzt. Die jüngste Entwicklung der HighDefinition-Technologie verbindet jetzt 12 Bit A/D-Wandler hoher Abtastrate mit Eingangsverstärkern mit großem Signal-Rausch-Verhältnis und einer rauscharmen Signal-Architektur. Auf der horizontalen Achse haben die Messgeräte eine dramatische Verbesserung der Genauigkeit erfahren und damit einhergehend verbesserte Messergebnisse horizontaler Parameter wie Frequenz, Pulsweite, Duty-Cycle, Phase, Verzögerung oder Laufzeitunterschiede. Außerdem werden so weitergehende Untersuchungen wie des Jitters * Thomas Stüber ... ist Applikations-Ingenieur bei Teledyne LeCroy in Heidelberg. 36 möglich. Ein typisches analoges Oszilloskop besitzt eine horizontale Genauigkeit von ±3 Prozent (oder ±5 Prozent bei vergrößerter Darstellung). Digital-Oszilloskope boten dagegen eine horizontale Genauigkeit im Bereich von ±0,01 Prozent, eine deutliche Verbesserung von 300 mal gegenüber den bisherigen ±3 Prozent. Heute verfügen viele Oszilloskope über eine horizontale Genauigkeit von ±0,0005 Prozent oder besser. Die vertikale Genauigkeit eines digitales Scopes Die ersten digitalen Oszilloskope erschienen mit A/D-Wandlern und einer Auflösung von 6 Bit. Das bedeutet 26 = 64 diskrete Spannungsstufen. Nach einigen Jahren hatte sich dieTechnikgewandeltund8-Bit-A/D-Wandler mit 256 diskreten Spannungsstufen (28 = 256) wurden eingeführt. In den letzten 30 Jahren blieb der 8-Bit-Wandler der Standard und Verbesserungen konzentrierten sich auf hö- Bilder und grafiken: teledyne leCroy ThOmAS STübER * here Abtastraten zur Echtzeit-Erfassung immer schnellerer Signale. Während ein 8-BitWandler eine gute Leistung bei Standardmessungen bot, blieb der Wunsch bei der nachträglichen Analyse auch die Möglichkeit zu haben, feinere Details sichtbar machen zu können. Der traditionelle Weg, das zu erreichen, war die Mittelung über mehrere Erfassungen oder die Verwendung von mathematischen Methoden zur Erhöhung der Auflösung. Die Mittelung über mehrere Erfassungen bedeutet, das mehrere Kurvenzüge aufgezeichnet werden müssen, um dann einzelne Punkte einer Erfassung mit den entsprechenden Punkten der weiteren Erfassungen zu mitteln. Der Hintergrund ist, dass zufälliges Rauschen auf den Signalen herausgemittelt und eine bessere Messung der vertikalen Spannung durch zusätzliche effektive Bits möglich wird. Das gemittelte Signal im Bild 1 zeigt deutlich eine Signalverbesserung beim Vergleich des gelben Originals mit der roten 16-fach gemittelten Kurve. Noch deutlicher wird es in der unteren vergrößerten Darstellung. Leider ist nicht alles so einfach. Zum Beispiel zeigen manche Oszilloskope keine Vergrößerung der gemittelten Kurve, sondern lediglich der letzten Einzel-Erfassung. Eine weitere Einschränkung ist, das diese Art der Mittelung nicht bei einzelnen, sich nicht wiederholenden Signalen möglich ist, wie Einund Abschaltvorgänge, PRBS- (Pseudo-Random-Binary-Sequence-)Signale oder einfache serielle Bussignale. Jedes sich nicht wiederholende Signal kann nicht gemittelt werden, ohne eine Resultat ohne Bezug zum Original zu erhalten. Das Bild 2 zeigt ein serielles Bussignal (gelbe Kurve), während die 16-fach gemittelte rote Kurve keinerlei Sinn mehr ergibt, da die Mittelung den Informationsgehalt zerstört hat. Klar ist, dass man eine Mittelung bei einer Seriellen-Bus-Analyse oder jedem anderen sich nicht wiederholenden Signal nicht verwenden darf, auch wenn aufgrund ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und test april 2014 09649 Messdaten erfassen // SignAldeTAilS Bild 1: Beispiel für eine Mittelung eines kontinuierlichen Rechtecksignals. des Rauschen des Busses ein recht dickes Signal erscheint, wie man an der gelben Kurve oben sehen kann. Bei diesen Methoden wird eine verbesserte vertikale Auflösung durch einen nachträglichen mathematischen Filter erreicht, der mehrere Werte innerhalb des Signals nutzt. Der Vorteil ist, dass so ein 8-Bit Oszilloskop in ein 11- oder 12-Bit Oszilloskop mit der entsprechenden zusätzlichen Auflösung verwandelt werden kann. 11 Bit bedeuten 2048 und 12 Bit 4096 diskrete Spannungsstufen, deutlich mehr als die 256 Stufen des eigentlichen 8-Bit A/DWandlers. Allerdings hat die zusätzliche Auflösung einen Preis und dieser ist eine reduzierte Bandbreite. Erschwerend kommt hinzu, dass die reduzierte Bandbreite nicht ein fester Wert ist, sondern von der AusgangsAbtastrate abhängt. Diese wiederum hängt vom verfügbaren Erfassungsspeicher und der eingestellten Zeitbasis ab. Mit höhere Zeitbasis kann sich die Abtastrate reduzieren, wenn der verfügbare Speicher für eine schnellere Abtastung nicht mehr ausreicht. Verfügt ein Beispiel-Oszilloskop auf dem Papier über eine ausreichende Abtastrate, so sollte man man die resultierende Bandbreite bei aktiviertem Enhanced- bzw. High-Reso- lution-Filter betrachten. Hier sieht man deutlich die Konzessionen, die für eine verbesserte vertikale Auflösung notwendig sind. Entscheidend ist, wie viel Erfassungsspeicher zur Verfügung steht und welche Zeitbasis gewählt wurde. Diese Faktoren haben Einfluss auf die Abtastrate eines Oszilloskops. Bei einer langen Zeitbasis ist immer mehr Erfassungsspeicher erforderlich, um die erfassten Datenpunkte aufzuzeichnen. An einem bestimmten Punkt ist die maximale Speichergröße erreicht und die Abtastrate muss reduziert werden, damit der komplette Erfassungszeitraum abgebildet werden kann. Die digitale Bandbreite muss reduziert werden. Manche Oszilloskope zeigen die aktuelle reduzierte Bandbreite auf dem Bildschirm an, andere jedoch nicht. Trotz einer verbesserten 8-Bit-Auflösung der Oszilloskope mit Enhanced- bzw. High-ResolutionModus war klar, dass aufgrund der Einschränkungen dieser Verfahren eine echte Verbesserung der Auflösung notwendig sein wird. Zurzeit verwenden die meisten Oszilloskop-Hersteller mathematische Verfahren, um die 256 diskreten Spannungsstufen auf 4096 zu vergrößern. Dazu sind umfangreiche nachträgliche Berechnungen notwendig, 2 . – 3 . Juni 2 0 14 , Wür zburg Seminartag mit folgendem Kongresstag Begleitend zum Kongress findet eine Ausstellung statt. Geplante Themenschwerpunkte 2014: Anwendungsmöglichkeiten und Trends bei der OLED-Beleuchtung EMV-Eigenschaften eines LED-Treibers Wie die LED intelligent wird Best-Practice-Lösungen FRÜHBUCHER- RABATT BIS 25.04.2014 Programm SICHERN! und weitere Informationen n unter Bild 2: Das Beispiel einer Mittelung eines seriellen Bussignals. --> www.LED-Praxis.de VERANSTALTER ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 37 www.vogel.de Messdaten erfassen // SignaldetailS Bild 3 a/b: Erfassen von Abschaltvorgängen. Links mit einem 8-Bit- und rechts mit einem 12-Bit-Scope. Bild 4 a/b: Mit einem 12-Bit-Oszilloskop (rechts) sind schlichtweg mehr Details zu erkennen. was mit Nachteilen verbunden ist. Teledyne LeCroy bietet verschieden Produktreihen von echten 12-Bit-Oszilloskopen wie HRO 6Zi, HDO 4000 und HDO 6000 mit Bandbreiten zwischen 200 MHz und 1 GHz. Mit den Messlösungen ist es möglich, präzise hochaufgelöste Messungen durchzuführen, ohne die Einschränkungen der Mittelung bzw. des Enhanced oder High-Resolution-Modus. Das Eingangssignal lässt sich bei voller Abtastrate und Bandbreite betrachten. Es besteht keine Notwendigkeit, das Rauschen des Signal mathematisch zu reduzieren, da die hohe Auflösung der 12-Bit-Oszilloskope verbesserte, rauscharme Eingangsverstärker und eine entsprechende Signalarchitektur erfordern. Es lässt sich kein brauchbares 12-Bit-Oszilloskop bauen, wenn lediglich ein 12-Bit-A/D-Wandler in ein vorhandenes 8-BitOszilloskop eingebaut wird. Für ein 8-Bit- Oszilloskop ergibt sich ein theoretischer Dynamikbereich von 48 dB (ca. 6 dB pro Bit), während dieser bei einem 12-Bit-Oszilloskop bei 72 dB liegt. In der Praxis ist das SignalRausch-Verhältnis bei einem 8-Bit-Oszilloskop bei <40 dB. Sehr gute 8-Bit-Geräte verfügen über Eingangsverstärker und eine Signalarchitektur mit einem SNR von etwas mehr als 40 dB. Ein einfacher A/D-Wandler mit 12 Bit verbessert in einem 8-Bit-Scope nicht die Messergebnisse. Die High-Definition-Oszilloskope machen es notwendig, dass eine rauscharme Technologie für den Eingangsbereich und die Signalverarbeitung zusätzlich zu einem leistungsfähigeren A/DWandler zum Einsatz kommt. Dadurch lässt sich die Dynamik um mehr als 15 dB im Vergleich zu 8-Bit-Oszilloskopen verbessern. Der SNR liegt bei einem Wert von 55 dB. Weiterhin verfügen die 12-Bit-Oszilloskope über Warum doch lieber ein 12-Bit-Oszilloskop? ein echtes 12-Bit-Oszilloskop bietet eine 16-fach höhere vertikale auflösung und eine bessere genauigkeit. auch wenn viele Hersteller von 8-Bit-geräten den High-Resolution-Modus empfehlen, so wird dadurch die auflösung auf Kosten der Bandbreite erhöht. Höheres Rauschen und eine geringere genauigkeit bleiben trotzdem erhalten. Zudem stehen diese mathematischen Verfahren auch bei aktuellen 12-Bitgeräten zur Verfügung, so dass eine auflösung von 13, 14 oder 15 effektiven Bits möglich ist. alle Komponenten sind aufeinander abgestimmt, wodurch bestmögliche ergebnisse in genauigkeit, darstellung und Messung erreicht werden können. eine verbesserte DC-Genauigkeit von ±0,5 Prozent gegenüber ±2 Prozent bei 8-Bit-Geräten. Auf die effektiven Bits bezogen eine Verbesserung um 2,5 Bit. Das verbessert die Signale sowohl in der Zeit- als auch in der Frequenzebene. Verbessert werden konnte ebenfalls die statistische Betrachtung, da das reduzierte Rauschen bei der Erfassung die Suche nach Abweichungen und Grenzwerten der Messparameter weniger beeinflusst. Der Anwender kann das Signal mit sehr viel geringerem Einfluss von der SignalerfassungArchitektur des Oszilloskops untersuchen. Wenn selbst kleine Details besser sichtbar werden In den Bildern 3 a/b sieht man den erfassten Abschaltvorgang. Das linke Signal wurde mit einem 8-Bit, das rechte mit einem echten 12-Bit-Oszilloskop erfasst. Deutlich zu sehen: Schärfere Signale ohne nachträglich zu Mitteln oder den High-Resolution-Modus zu verwenden. Bild 4a/b zeigt den Vorteil der 12-Bit-Architektur im Vergleich mit einem 8-Bit-Oszilloskop. Obwohl ein großer vertikaler Messbereich ausgewählt werden musste, um das Signal komplett darstellen zu können, lassen sich mit einem echten 12-BitOszilloskop durch dessen höhere Auflösung selbst kleine Details auf dem Rechtecksignal deutlich besser erkennen, als es mit dem 8-Bit-Oszilloskop möglich wäre. // hEh teledyne LeCroy +49(0)6221 8270 38 ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und test april 2014 (0& Aktuelle Produkte // MeSSen und TeSTen (0&& ( '5 5$â(. ' 48$/,7< ,1 (/(&75,&$/ (1*,1((5,1* VerneTzTeS MeSSSySTeM Über den eigenen Webserver &2168/7,1* (1*,1((5,1* 7(67,1* 02',),&$7,21 &(57,),&$7,21 */2%$/ $33529$/ 75$,1,1* 6(0,1$56 &2168/7$176 7(&+1,&$/ (;3(576 $&&5(',7(' 7(67 /$%25$725,(6 &(57,),&$7,21 ,167,787( &( 127,),(' %2'< (0& 577( &$% 7&% &$1$'$ -$3$1 86$ werden, über die der Anwender Bedienaktionen wie Starten, Stoppen, Trigger auslösen kann. Sind die Geräte untereinander verbunden, ist es ratsam, die Kommunikation zwischen Messystem und Endgerät abzusichern. Dazu unterstützt der Webserver das weit verbreitete httpsProtokoll, um Daten zu verschlüsseln. (0&& 48$/,7< ,1 (0& 6,1&( (0&& '5 5$â(. %RHOZLHVH (EHUPDQQVWDGW *HUPDQ\ 7 ) LQIR#HPFFGH ZZZHPFFGH (0& 5$',2 7(/(&20 (19,5210(17 6$)(7< imc Messsysteme Fit für die Automation FlAchbAugruppen Nadelbettadapter erstellen Mit dem AAE-CNC 2 und einem Testsystem von Reinhardt lassen sich innerhalb eines halben Tages Nadelbettadapter erstellen. Zusammen mit der ATSGERBGerberbearbeitungssoftware können aus den CAD-Gerberdaten die erforderlichen Koordinaten für die gefederten Kontaktstifte, Fangstifte und Ausfräsungen generiert werden. Mit diesen Daten werden die Bohrungen für Schiessle, Edmund gefederte Kontaktstifte mit 100 mil, 75 mil und 50 mil und Platinenzentrierungen mit einer Präzision von 10 bis 20 µm erstellt. Die gefederten Kontaktstifte werden mit einer Präzision von 100 mil und 75 mil eingepresst und ebenso die Platinenzentrierungen. Durch das automatische Setzen wird die Tiefe der Nadeln reproduzierbar. Eine Flachbaugruppe kann mit SMDBauteilen und Durchsteckbauteilen bestückt sein. Die gefederten Kontaktstifte haben einen begrenzten Arbeitsbereich. Dadurch müssen manche Hülsen mit den gefederten Kontaktstiften tiefer gesetzt werden. Das Tiefersetzen ist notwendig, wenn auf eine Lötstelle von einem bedrahteten Bauteil kontaktiert werden muss, das 3 oder 4 mm über die Platine hinausragt. Industriesensorik Automation, Messtechnik, Mechatronik 596 Seiten, zahlr. Bilder 1. Auflage 2010 ISBN 978-3-8343-3076-5 29,80 € E-Mail: [email protected] Telefon: 0931 418-2419 www.vogel-buchverlag.de Tages-Newsletter die Nachrichten der letzten 24 Stunden Temperaturmanagement Jetzt Industriekomponenten Messtechnik HF-/Mikrowellentechnik en Luftfahrtelektronik anmeld Entwicklung und Service 07283_01 reinhardt testsystem ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 39 09786 Messgeräte mit eigenem Webserver: imc Messsysteme stattet auf Wunsch Messgeräte mit dem imc REMOTE Webserver aus. Damit hat der Nutzer Zugriff auf die Messumgebung mit Smartphone, Tablet oder Laptop. Smartphones oder Tablets können somit als mobiles Messgeräte-Display fungieren, um vernetzte Prüfstände innerhalb des Firmennetzes zu kontrollieren. Es lassen sich auch entlegene Windenergieanlagen via Internet aus der Ferne überwachen. Zur schnellen und einfachen Erstellung der MessgeräteHomepage verfügt der Webserver über einen eigenen Web-Designer-Wizard. Fertige Anzeige- und Bedienelemente werden über den Designer per Drag & Drop platziert und mit Messkanälen oder Funktionen verknüpft. Neben der reinen Datendarstellung können Bedienelemente wie Knöpfe und Schalter verwendet 70 www.elektronikpraxis.de/newsletter ... Wir liefern Lösungen www.telemeter.info Allgemeine messtechnik // Dienstleistungen Was beim Kalibrieren von Messgeräten zu beachten ist Kalibrierte Messtechnik ist Basis für aussagekräftige und genaue Ergebnisse. Doch was muss beim Kalibrieren beachtet werden, damit die Kosten nicht ins Uferlose laufen? Bilder: livingston OLIvER LANz * tigt, kann es zu Fehlern bei der Kalibrierung kommen. Die beim Kalibrieren verbundenen Gemeinkosten können dann höher ausfallen und die Zeitspanne, kalibrierte Instrumente zurückzubekommen, kann länger als angenommen sein. Besserer Service beim Kalibrier-Dienstleister Messgeräte kalibrieren: Für genaue Messergebnisse müssen die Geräte kalibriert werden. Im Vorfeld müssen dabei aber nicht nur technische, sondern auch logistische Faktoren berücksichtigt werden. B ei der Kalibrierung wird mit einem zu testenden Instrument eine Messung durchgeführt und diese mit bekannten Bezugswerten verglichen. Der Anwender erhält damit Gewissheit, dass Messungen nach der Kalibrierung ein bestimmtes Maß an Genauigkeit aufweisen. Heute werden immer * Oliver Lanz ... hat Hochfrequenz-Übertragung an der Fachschule Darmstadt studiert und ist Director von Livingston Deutschland in Darmstadt. 40 mehr Testpraktiken angewendet, die zudem immer komplexer werden. Mit dem Zusammenwachsen der Testhardware und einem sich rasch entwickelnden wirtschaftlichen Umfeld hat das zur Folge, dass sich für heutige Kalibrierungsabläufe neue Anforderungen ergeben. Im folgenden Beitrag wird diese Herausforderung und die Herangehensweise an eine anspruchsvolle Kalibrierung beschrieben. Bei der Kalibrierung müssen sowohl technische als auch logistische Faktoren berücksichtigt werden. Werden diese beiden Aspekte nicht vollständig berücksich- Eine der wichtigsten Entscheidungen ist die Kalibrierung beim Gerätehersteller oder bei einem Anbieter von Kalibrier-Dienstleistungen (Kalibrierstelle). Der Gerätehersteller bietet hier sein gesamtes technisches Knowhow über seine Modelle. Muss ein Unternehmen mit verschiedenen Herstellern in Kontakt treten, kann der Verwaltungsaufwand hingegen ziemlich hoch sein. Bezüglich der Kosten kann dann keine vollständige Transparenz mehr gewährleistet werden. Die Zusammenarbeit mit einem KalibrierDienstleister kann dann eine bessere Alternative darstellen, da ein maßgeschneiderter und einheitlicher Service bereitgestellt wird. Wird diese Strategie verfolgt, muss geprüft werden, ob ein akkreditierter oder nicht akkreditierter Kalibrier-Dienstleister genutzt werden soll. Akkreditierte Kalibrierungsstellen sind über entsprechende Einrichtungen zugelassen und bieten das erforderliche technische Know-how, die Messungen fachgerecht durchzuführen. Jedes Land verfügt über seine eigenen Zulassungsstellen: im Vereinigten Königreich ist das der United Kingdom Accreditation Service (UKAS), in den USA das National Institute of Standards & Technology, in Frankreich das Comité Français d'Accréditation (COFRAC) und in Deutschland die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS). Allgemein wird davon ausgegangen, dass eine akkreditiere Kalibrierungsstelle automatisch besser ist, aber das ist nicht wirklich der Fall. Ein akkreditierter Kalibier-Dienstleister kann nur die Messparameter kalibrieren, für die er auch akkreditiert ist. Eine Kalibrierstelle ohne Akkreditie- ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, sensorik und test April 2014 Allgemeine messtechnik // Dienstleistungen rung kann einen gleich guten Service wie ein akkreditierter Kalibrier-Dienstleister bieten, zum Beispiel dann, wenn dieser nicht die Parameter abdeckt, die ein Kunde benötigt oder wenn sie einfach nur besser ist. Die Akkreditierung betrifft nur das Qualitätssicherungssystem, das vom Kalibrierdienst entsprechend den Standards BS EN ISO 9001:2008 oder ISO/IEC 17025:2005 angewendet wird. Die technischen Bestandteile werden nicht abgedeckt. Bevor sich ein Unternehmen für einen Kalibrier-Dienstleister entscheidet, sollte eine sorgfältige Prüfung vorgenommen werden. Dabei werden die Prüfeinrichtungen, die zur Kalibrierung herangezogen werden und das technische Know-how genau untersucht. Viele Messgeräte und unterschiedliche Hersteller Die technische Weiterentwicklung der Messgeräte wirkt sich auf die Kalibrierung aus. In der Hochfrequenz-(HF-)Technik hat der Dynamikbereich von Instrumenten stark zugenommen. Früher mussten Testingenieure mit einem Grundrauschen von 80 bis 90 dBC rechnen. Heute liegt der Wert bei 120 bis 130 dBC. Auch das Phasenrauschen muss berücksichtigt werden, da es heute einen größeren Anteil am Gesamtrauschen einnimmt. Bei der drahtlosen Kommunikation kommt erschwerend hinzu, dass ein Betrieb mit geringen Leistungsbudgets erfolgt. Die Testgeräte müssen somit einen schlechteren Signal-Rauschabstand handhaben. Andere Geräte wie GPS-Ausrichtungsinstrumente, die bei der Installation und Wartung von Ba- Kalibrier-Dienstleister: Bei verschiedenen Geräte-Herstellern kann der Aufwand, die Geräte zu kalibrieren, sehr hoch werden. Hier bietet der Dienstleister eine willkommende Alternative. sisstationen eingesetzt werden, sind sehr spezielle Einrichtungen, die Expertenwissen erfordern. Und obwohl neue Geräte längere Zeitspannen bis zur nächsten Kalibrierung erlauben, besteht seitens des Kunden oft das Verlangen nach kürzeren Kalibrierungszyklen. Gerade in großen Unternehmen mit vielen Instrumenten von unterschiedlichen Herstellern müssen mögliche Abweichungen in den jeweiligen Kalibrierabläufen berücksichtigt werden. Dazu zählen unterschiedliche Bearbeitungszeiten, verschiedene Kostenmodelle (einige Anbieter berechnen zum Beispiel Transport- oder Zertifizierungskosten, andere wiederum nicht) und unterschiedliche Standards, die zu erfüllen sind. Hinzu kommt, dass die Ausfallzeit entsprechend überbrückt werden muss und nicht allzu große Nachteile für den Kunden, im Betrieb oder sogar Umsatzausfälle auftreten. Dafür ist ein großer Zeit- und Personalaufwand erforderlich. Eine Art Management-Software für die Kalibrierungsunterstützung wäre hilfreich. Jedoch ist eine selbst entwickelte Software aus verschiedenen Gründen nicht sinnvoll (Entwicklung, Personal-/Zeitaufwand und Wartung der Software). Die Zusammenarbeit mit einem Kalibrier-Dienstleister und Zugriff auf die Software des Dienstleisters ist kostengünstiger. // HEH livingston Deutschland +49(0)6151 360410 Software-Entwickler (m/w) für die Hardware-Ansteuerung Software-Entwickler (m/w) für Touchscreen-GUIs Quality Manager (m/w) Automobilelektronik Standort: München Standort: München Standort: Raum München Kurzbeschreibung: in dieser Position arbeiten sie an der entwicklung modernster HF-Messgeräte zur elektrotechnischen netzwerkanalyse mit und entwerfen dabei Konzepte zur Ansteuerung der Baugruppen die sie auch umsetzen. Kurzbeschreibung: n dieser Position entwerfen sie grafische Benutzeroberflächen für modernste HFMessgeräte mit touch-Bedienoberfläche. Dabei begleiten sie die Projekte in allen Phasen der entwicklung von der Anforderungsanalyse bis zur integration. Kurzbeschreibung: sie verantworten die Durchführung der Qualitätsvorausplanung neuer elektronikprodukte (Anwendung von Reifegradmodellen wie z. B. CMM oder spice) für einen Weltmarktführer von Klimatisierungsgesamtlösungen im Omnibus. Mehr Informationen unter: www.semica.de/job/2416 Mehr Informationen unter: www.semica.de/job/2417 Mehr Informationen unter: www.semica.de/job/2382 ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, sensorik und test April 2014 41 OszillOskOp // Messdaten erfassen Probleme beim Einsatz des passiven Tastkopfes vermeiden D ie meisten Ingenieure nutzen für ihre messtechnischen Aufgaben einen passiven Tastkopf mit einer Teilung von 10:1. Denn so ein Tastkopf gehört zum Standardzubehör der meisten Oszilloskope. Auch Teledyne LeCroy bietet seine Oszilloskope mit 500-MHz-Tastköpfen an, die über eine breite Auswahl an Messspitzen und Masseanschlüssen verfügen. Im folgenden Text sollen die Auswirkungen von verschiedenen Masseverbindungen und Geräteimpedanzen auf das Messsignal untersucht werden. Der Eingangswiderstand und die Kapazität für jeden passiven Tastkopf kann aus dem Datenblatt entnommen werden. Typische Werte für einen 500-MHz-Tastkopf sind C = 9,5 pF und R = 10 MOhm. Nicht im Datenblatt zu finden ist die Leitungsinduktivität der Masseverbindung, da es eine Vielzahl von Möglichkeiten gibt, wie der Anwender die Tastköpfe mit der Signalmasse verbinden kann. Typisch ist eine lange Masseleitung mit Krokodilklemmen. Doch das kann zu einer Masseschleife mit einer Induktivität größer als 200 nH führen, was die Leistung des Tastkopfes erheblich beeinträchtigt. Im Bild 1 ist ein Ersatzschaltbild für einen solchen Tastkopf dargestellt. Bilder: teledyne LeCroy Der passive Tastkopf gehört standardmäßig zum Lieferumfang eines modernen Oszilloskops. Doch Einflüsse wie verschiedene Masseverbindungen und Geräteimpedanzen beeinflussen das Messsignal. Ersatzschaltbild: eine lange Masseleitung mit Krokodilklemme. Die Induktivität der Masseschleife beträgt im Beispiel 200 nH. Messdaten mit passiven Probes erfassen: Was muss ich beim messen beachten, damit die Messwerte nicht verfälscht werden? (Im Bild das HDO-MS-Oszilloskop von Teledyne LeCroy) Spannungsquelle Vs. Sie berechnet sich aus der Impedanz des Kondensators geteilt durch die Summe aller Impedanzen. Was die Übertragungsfunktion genau aussagt Der Eingangswiderstand von 10 MOhm ist so groß, dass er in den meisten Fällen vernachlässigt werden kann. Betrachten wir die Stromschleife Iground und schauen, welche Auswirkungen unterschiedliche Induktivitäten auf diese Schaltung haben und wie Messungen von so einem Tastkopf beeinflusst werden. Die Spannung über dem Kondensator ist der Wert, der vom Oszilloskop gemessen wird, und die Ausgangsspannung der Wechselstromquelle ist das tatsächlich zu messende Signal. Um eine Vorstellung der unterschiedlichen Spannungen zu bekommen, muss man sich die Übertragungsfunktion der RLC-Schaltung anschauen. Die Übertragungsfunktion ist das Verhältnis der Spannung über den Kondensator Vc zur 42 mit möglichst niedriger Induktivität hergestellt werden. Wird eine Kupferfolie auf einem IC aufgeklebt, lässt sich eine Masseverbindung herstellen, damit Länge und Induktivität möglichst klein bleiben (siehe Bild nächste Seite). Eine zusätzliche Induktivität auf das System Durch Auswählen einiger optimaler Werte für R und L sieht man die Bandbreite von 500 MHz, die mit dem Tastkopf im Idealfall erreicht werden kann. Ähnliche Ergebnisse können mit der Ground Plane von Teledyne LeCroy oder mit der Massefeder aus dem Tastkopfzubehör erreicht werden. Beide verfügen über eine Induktivität von 10 bis 20 nH. Dabei muss die ganze Masseschleife betrachtet werden und eine Verbindung zu einem nahe gelegenen Massepunkt am Messobjekt Oft wird aber als Masseverbindung die lange Krokodilklemme verwendet. Doch welche Auswirkung hat diese Masseleitung auf die Bandbreite und den Frequenzgang des Tastkopfes? Mit dieser Masseleitung hat die Masseschleife eine Länge von mindestens 25 cm. Mit 20 nH pro 2,5 cm als Faustregel lässt sich hier eine Induktivität von rund 200 nH annehmen. Als Beispiel dient das Ausgangssignal eines ArbStudio-Funktionsgenerators, der eine Ausgangsimpedanz von 50 Ohm hat. Die zusätzliche Induktivität hat die Bandbreite von -3 dB des Tastkopfes von über 500 MHz auf 175 MHz reduziert. Zusätzlich wird ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, sensorik und test april 2014 OszillOskOp // MeSSdATen erfASSen Vergleichende Messung: Testadapter mit niedriger Induktivität (oben) und mit Standard-Federhaken und Standard-Masseleitung mit Krokodilklemme (unten). Die Spannungsmessung zeigt eine um 40% zu hohe Spitzenspannung an. Vergleich Testadapter vs. Standard-Federhaken Um den Fehler unter 10 Prozent zu drücken, muss die Frequenz auf 35 MHz reduziert werden. An einem praktischen Beispiel wird deutlich, wie sich das Modell in der Wirklichkeit verhält. In diesem Beispiel wird das gleiche Signal zum Vergleich einmal mit einem Testadapter mit niedriger Induktivität und einmal mit dem Standard-Federhaken und der Standard-Masseleitung mit Krokodilklemme gemessen (siehe Bild oben „vergleichende Messung“). Das Signal wird vom Teledyne LeCroy-ArbStudio-Funktionsgenerator erzeugt und mit einem BNC-T-Stück auf die beiden Tastköpfe verteilt. Das Sinussignal mit einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz hat diesem Fall 65 MHz. Das obere gelbe Signal auf Kanal 1 ist das der Sonde mit dem Testadapter mit niedriger Induktivität und das untere rote Signal auf Kanal 2 zeigt das Signal der Sonde mit der langen Masseleitung. Kupferfolie auf dem IC: Die Masseverbindung und die Induktivität bleiben klein. Diese Effekte können schon bei Signalen mit sehr viel niedrigeren Frequenzen auftreten. Viele impulsförmige Signale wie serielle Datensignale haben eventuell niedrige Signalfrequenzen oder Bitraten, dafür aber sehr schnelle Anstiegszeiten der Signalflanken. So hat ein Signal mit nur 125 kBit/s einen Frequenzgehalt, der hoch genug ist, um diesen Peaking-Effekt zu zeigen. Dieser Effekt zeigt sich bei Rechtecksignalen oder schnellen Flanken als Nachschwingen. Die Dämpfung des Nachschwingens hängt von der Impedanz der Signalquelle ab. Massekabel-Induktivität und der passive Tastkopf Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Passiv-Tastköpfe sehr kritisch in Bezug auf die Massekabel-Induktivität und die Impedanz der Signalquelle sind. Das muss berücksichtigt werden, wenn man ein Signal an einen Tastkopf anschließt. Werden die Werte für die Massekabel-Induktivität und der Impedanz der Signalquelle lediglich abgeschätzt, lassen sich die Übertragungsfunktion berechnen. Dann erhält man eine Vorstellung, welches Ergebnis man vom Tastkopf zu erwarten hat. Bei Messobjekten mit sehr hoher Ausgangsimpedanz bildet der Tastkopf einen RC-Filter. Bei einer Ausgangsimpedanz von 10 kOhm verringert sich die Bandbreite auf 1,67 MHz.. Der Beitrag ist nach Unterlagen von Teledyne LeCroy entstanden. Zusätzliche ergänzende Grafiken finden Sie im Themenkanal Messtechnik. // hEh Teledyne leCroy +49(0)6221 82700 ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 43 07693_ep 693_ep die Resonanzfrequenz in den Bandbreitenbereich der Sonde auf 115 MHz verschoben. Bei einer Frequenz von 65 MHz ist immer noch ein Fehler von 40 Prozent zu sehen. Alle Ausgaben in einer App! Mit der Kiosk App von ELEKTRONIKPRAXIS können Nutzer des Apple iPad digitale Ausgaben direkt auf ihr iPad herunterladen. Einfach „ELEKTRONIKPRAXIS“ im App-Store eingeben und los geht’s. Messen und TesTen // TesTsysTem Clever testen und Energie zurück gewinnen Der Test von Wechselrichtern ist gekennzeichnet von einem hohen Energieverbrauch. Die Testlösung sollte nicht nur sparsam sein, sondern im besten Fall die Energie zurückgewinnen. BERNd HAuPTmANN * D er Funktionstest von Leistungselektronik wie Motorsteuerungen, Netzteilen und Wechselrichtern macht es erforderlich, dass elektrische Energie und deren Management hoch Verfügbar sind. Bei diesen Applikationen ist es besonders wichtig, sich Gedanken über die Energieeinsparung und deren Rückgewinnung zu machen, um die enormen Energiekosten beim Testen zu redu- zieren. Mit dem Compact-Multi-Funktionstester von Seica steht dem Anwender eine Standardlösung zur Verfügung, die allen spezifischen Anforderungen Applikation gerecht wird und darüber hinaus die zum Testen benötigte Energie bis zu 80 Prozent zurückgewinnt und wieder ins Netz einspeist. Der Compact-Power-Tester wurde für den Funktionstest von Einzel-Phasen und DreiPhasen-Motorwechselrichtern entwickelt und basiert auf der Compact-Multi-Standardarchitektur. Das System besteht aus einem Input-AC-Generator, der in der Lage ist, die Eingangsspannung und Frequenz zum Prüfling zu verändern. Zudem bietet das System ein Strom- und Phasenmeter, um Parameter wie aktive und reaktive Leistung oder Verzerrung anzuzeigen. Hinzu kommen Module für die Signalgenerierung- und Signaldatenerfassung. Um mechanisch bewegliche Teile zu vermeiden, werden die Tests durch eine elektronische Lastsimulation implementiert. Für Kurzschlusstests werden TRIAC-Module und mechanische Schalter für Tests mit hoher elektrischer Leistung verwendet. Jeglicher Bedienerkontakt mit geladenen Kondensatoren wird minimiert. Dazu ist ein Entladeschaltkreis mit Konstantstrom verfügbar, der programmiert werden kann, um den Inverter-Spannungsbus zu entladen. Im detail – wie das Test-System aufgebaut ist Das System besteht aus zwei separaten Teilen. Der erste Teil ist die Elektronik, die für das Testen benötigt wird, während der zweite Teil alle kundenspezifischen Elemente enthält, um die Testspezifikationen implementieren zu können. Das IFUN-Modul enthält neben multiplen Kundenspezifikationen zusätzlich 16 Digital/ Analog-Wandler. Es managt die Hard- und Software-Synchronisierung neben den Wechselrichter testen: Die Compact-Power-Tester von Seica sind nicht nur sparsam im Energieverbrauch, sondern führen die Energie auch wieder zurück. 44 Foto : se ica * Bernd Hauptmann ... ist Geschäftsführer bei der Seica Deutschland. ELEKTRONIKPRAXIS messtechnik, sensorik und Test April 2014 Messen und TesTen // TesTsysTem Schaltkreisen, die involviert sind in die Spannungsmessungen bis zu 500 Volt. AC Gruppe: ist das ManagementModul für die Systemsicherheitskreise und die Power-Befehle per statischen Schalt-Kontakter. Es ist mit thermischen Magneto- und Differentialschaltern ausgerüstet. Frequenz-Konverter: besteht aus programmierbaren Spannungsnetzteilen mit einer Ausgangsleistung von 10 KVA Einzelphase oder 30 KVA Dreiphase mit selektierbarer Frequenz von 50/60 Hz und einer programmierbaren Spannung von 50 bis zu 280 VAC, welche mit einer verzögerten Dreiphasenspannung bis zu 480 VAC korrespondieren. Die Leistung wird via Übertrager dem Prüfling zugeführt, welcher die Messung und Anzeige der Spannung und des Stroms aller benutzten Phasen ermöglicht. Lastensimulator: die Last am DUTAusgang ist in einem statischen System implementiert, um die Rotation mechanischer Teile zu vermeiden. Die Last wurde in einem sinusoiden Reformer implementiert, einem Isolationsübertrager und drei PFC(Power-Factor-Correction-)Absorbern, welche das Verhalten des Motors simulieren. Wandler: implementiert mit Isolationsverstärkern. Sie überwachen und erfassen die drei Phasen des Input/Outputs des Motors. Stellglieder: die TRIAC-Stellglieder simulieren mögliche Lecks bzw. Kurzschlüsse gegen GND und zwischen den Phasen. Die Lösung wird ergänzt durch einem Receiver und passenden Test-Adapter. Diese sind ge- Kühlsystem wird eingespart: Es wird nicht nur Energie zurück ins System gespeist, sondern auch indirekt eine Kühlung gespart. zuverwerten. Das führt dann zum doppelten Effekt der direkten Energieeinsparung im System: Über 80 Prozent der benötigten Leistung wird wiederverwertet. Zudem wird indirekt auch das Kühlsystem eingespart. Das wäre notwendig, die Abwärme abzuführen, die durch die Last entsteht. Wichtige Sicherheitsanforderungen berücksichtigt nau abgestimmt auf die unterschiedlichen zu testenden Produkte. Die Schutzabdeckung enthält einen Sicherheitsschalter und ein transparentes Sicherheitsfenster. Ein nicht ganz unwesentlicher Kostenfaktor ist die benötigte Energie des Systems. Der verbaute Wechselrichter ist in der Lage, den größten Teil der benötigten Energie wieder- Das Testsystem wurde gemäß den wichtigsten Sicherheitsanforderungen entwickelt und gebaut. Damit entspricht es den Vorschriften bezüglich der elektromagnetischen Kompatibilität und elektrischer Sicherheit. Die Übereinstimmung mit den oben genannten Richtlinien minimiert die Risiken für den Operator nicht nur während des normalen Testbetriebs, sondern auch während der Wartungsarbeiten. Dementsprechend ist das gesamte Testsystem mit magnetischen und thermischen Sicherheitsschaltkreisen und einem Differentialausgleich ausgestattet. Da einige Tests sehr besondere Anforderungen haben ist es möglich, spezifische externe Geräte in den Compact-Power-Tester zu integrieren. Dazu gehören das Modul für elektrische Sicherheitstests, welches konfigurierbar für Hochspannungstests ist. Dieses Modul befindet sich in einem 19-Zoll-Rack. Zudem ist die gesamte Architektur für zusätzliche Module erweiterbar, erlaubt eine einfache Integration und ist für zukünftige Anforderungen und Teststrategien gewappnet. // heh seica +49(0)8857 6976742 elektromobilität PRAXIS ...von den Rahmenbedingungen zum technischen Fachwissen ...vom Leistungshalbleiter zur Ladeinfrastruktur Mit Themen aus 08691 Forschung | Entwicklung | Konstruktion | Fertigung Markt | Politik | Gesellschaft | Umwelt ---> www.elektromobilität-praxis.de www.vogel.de Leistungsmesstechnik // messtechnische GrundlaGen Harmonics und Flicker – Theorie und Konformität Mit Wirkung zum 2. Januar 2014 wurde die IEC61000-4-15:2003 für die Leistungsmesstechnik verbindlich. Neben der Theorie wollen wir auf die neuesten Standards eingehen. Bild und : Grafiken caltest FRANcOIS EPP uNd STuART chAPPELL * tät des Testsystems. Wenngleich der Schwerpunkt im Text auf der Konformität des Analyzers liegt, sollte nicht unerwähnt bleiben, dass das komplette Testsystem die anspruchsvollen Genauigkeitsanforderungen der Norm erfüllen muss. Dazu gehören neben dem Power Analyzer auch eine geeignete ACQuelle und das verwendete Impedanznetzwerk. Für normkonforme Messungen muss der Power Analyzer die Bedingungen nach den neuen Standards erfüllen. In der Tabelle 1 sind die ersetzten Standards rot und die jetzt gültigen neuen Normbezeichnungen in schwarz gekennzeichnet. Welche Änderungen der IEc61000-4-15 gibt es? Normkonforme und zukunftssichere Mess-Systeme: Die Präzisions-Leistungsmessgeräte-Serie PPA55x1 für Oberschwingungs- und Flicker-Tests. D ie Analyse von Harmonics (Oberwellen) und Flicker gemäß IEC61000 ist ein Thema, welches für ausführliche und technische Diskussionen unter Ingenieuren jede Menge Stoff bietet. Wir beleuchten einige Kernthemen der neuesten Norm, um dem potenziellen Anwender eine Hilfestellung bei der Auswahl von normkonformen Mess-Systemen zu geben. Neben der Theorie wird dabei auf die Einhaltung der neuesten Standards eingegangen. Obwohl Harmonics und Flicker oft in einem Atemzug genannt werden sind es doch * Francois Epp ... ist Geschäftsführer bei der Caltest Instruments in Achern. Stuart chappell ... ist Geschäftsführer Newtons4th in Loughborough, UK. 46 zwei sehr verschiedene Messungen. IEC61000-3-2 beschreibt die Messung der harmonischen Verzerrungen der Strom-Wellenform, wogegen IEC61000-3-3 Grenzwerte für Spannungsänderungen, Fluktuation und Flicker festlegt, die der Prüfling im Netz verursachen darf. Newtons4th Ltd (N4L) bietet normkonforme Harmonics- und Flicker-Testlösungen an, einschließlich Impedanznetzwerk, Software und den Harmonics- und Flicker-Analysatoren. Vielen Ingenieure sind die Änderungen der letzten Jahre hinsichtlich der Harmonischen geläufig, insbesondere die Änderungen bei der Gruppierung der Zwischenharmonischen in der Version von 2006. Weniger bekannt scheinen dagegen die Änderungen zu sein, die der Flicker-Standard (IEC61000-4-15) erfahren hat, einschließlich der spezifischen Pinst- und Pst-Tests zum Beweis der Konformi- Im Jahr 2011 wurde eine neue Version der IEC61000-4-15 veröffentlicht, die die IEC61000-4-15:2003 ersetzt. Ab diesem Zeitpunkt hatten Anwender und Hersteller bis zum 2. Januar 2014 Zeit, um sich auf den neuen Standard einzustellen. Pinst, bekannt als momentane Flickerempfindung oder auf Englisch Instantaneous Flicker Sensation, beschreibt das Maximum im Lampe-Auge-Gehirn-Ansprechverhalten und ist jetzt ein vorgeschriebener Messwert des Flicker-Messgeräts (siehe Punkt 4.7.3 der IEC61000-4-15:2011). Der Hauptgrund, warum dieser Parameter eingeführt wurde ist, dass damit die Konformität des Messgeräts nach dem neuen Standard nachgewiesen wird. Ohne diesen Nachweis darf sich ein Harmonics- und Flicker-Messgerät nicht mehr normkonform nennen. Die Norm empfiehlt exemplarische Typprüfungsprotokolle und genau solche Protokolle werden von Newtons4th verwendet. Newtons4th ist beim UKAS (United Kingdom Accreditation Service, dem britischen Äquivalent zur Deutschen Akkreditierungsstelle DAkkS) nach ISO17025 zur Kalibrierung von Leistung und für Harmonics und Flicker nach IEC61000-3-2 sowie IEC61000-3-3 zerti- ELEKTRONIKPRAXIS messtechnik, sensorik und test april 2014 LeIstungsmessteChnIk // MeSSTechniSche GrundlAGen sChwankende harmonIsChe FLICker ursprünglich iec 555 part 2 – 1987 ursprünglich iec 555 part 3 – 1987 iec 61000-3-2 – consol. ed. 2.1 – 2001 iec 61000-3-3 – consol. ed. 1.1 – 2001 iec 61000-4-15 ed. 1.1. – 2003 Jetzt ersetzt durch en 61000-3-2/ iec 61000-3-2 Grenzwerte – iec 61000-3-2:2006 + A2 2009 Messtechnik – iec 61000-4-7:2002 Jetzt ersetzt durch en 61000-3-3/ iec 61000-3-3 Grenzwerte – iec 61000-3-3:2008 Messtechnik – iec 61000-4-15:2011 Alles zuerst online! Tabelle 1: Die Tabelle zeigt die ersetzten Standards (rot) und die jetzt gültigen neuen (schwarz). IeC 61000-4-15 tabeLLe 1a (sInusFörmIg) Pinst max www.elektronikpraxis.de IeC 61000-4-15 tabeLLe 2a (reChteCkFörmIg) f hz du/u % du/u % Pinst max 0.5 2.325 0.509 1.5 1.067 na 3.5 na 0.342 8.8 0.250 0.196 18.0 na 0.446 20.0 0.704 na 21.5 na 0.592 25.0 1.037 0.764 28.0 na 0.915 30.5 na 0.847 33.333 2.128 1.671 & (( )& % ,&( %$ +% * )(# % & ) ,&( % $ ) & & %! %(( ) , % ( ) &() () &+% &&(% ( )&( +! % % & " -) & ) & $ & ' # #& # ## ## # ## & (! ## # &&# # # # # # # &( *% & ) ( ,& -) )&( & # # )&( )&( &( % &( (%# %* (( ( &( +%! ((-% (-%( # $ ( (%! (%! ) )( (%! #%!) #% ( ( # !% # GRFXPHQW LQG G & (% ( && )(! & (&%) +% %( )) ( ) ( *% ( # !( G LQG Tabelle 2: Ein BeispielProtokoll wie von der IEC61000-4-15 empfohlen. Wussten Sie schon, dass alle Fachartikel der ELEKTRONIKPRAXIS Redaktion zuerst online erscheinen? Bleiben Sie auf dem Laufenden und verschaffen Sie sich einen Informationsvorsprung mit www.elektronikpraxis.de. <-0.49%> <-0.17%> <-0.25%> <+0.14%> <+1.55%> <+1.26%> <-0.72%> <+0.52%> <-0.10%> <-0.80%> <-0.56%> <-0.70%> <+0.39%> <-1.03%> <-0.80%> spec uncert [8.00%] [8.00%] [8.00%] [8.00%] [8.00%] [8.00%] [8.00%] [8.00%] [8.00%] [8.00%] [8.00%] [8.00%] [8.00%] [8.00%] [8.00%] (0.16%) (0.22%) (0.16%) (0.22%) (0.17%) (0.22%) (0.22%) (0.17%) (0.22%) (0.16%) (0.22%) (0.22%) (1.00%) (0.16%) (0.22%) Sie finden dort außerdem: Whitepaper Webcasts Business Clips Firmendatenbank Messeinterviews Bildergalerien u.v.m. Tabelle 3: Die Tabelle zeigt einen Teil der Oberwellen- und Flicker-Kalibrierung, die N4L durchführt. Schauen Sie doch mal rein! fiziert. Angeboten wird eine umfassende Kalibrierung, deren Umfang und Genauigkeit auf der UKAS-Website eingesehen werden kann (Tabelle 3). Caltest Instruments bietet neben dem Harmonics- und Flicker-(Power-) dev 0.995 0.998 0.998 1.001 1.016 1.013 0.993 1.005 0.999 0.992 0.994 0.993 1.004 0.990 0.992 GRFXPHQW measured Pinst max 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 !% -) ( ) (%( % %%( ) % ( ( % ) () % ( ,&( % %( && " " )(-% # ! % (% ! ( &( (+ (+ && (( % # &&" ) -) ) & %"(( & ) & ) $" &( ) , &( " (-+% (% & &+# &&( %&&# applied 2.3250% 0.5090% 1.0670% 0.3420% 0.2500% 0.1960% 0.4460% 0.7040% 0.5920% 1.0370% 0.7640% 0.9150% 0.8470% 2.1280% 1.6710% VerIFy response to sIne/square moduLatIon OK: 50.00 hz 230.0 V 0.5000 hz sin OK: 50.00 hz 230.0 V 0.5000 hz squ OK: 50.00 hz 230.0 V 1.5000 hz sin OK: 50.00 hz 230.0 V 3.5000 hz squ OK: 50.00 hz 230.0 V 8.8000 hz sin OK: 50.00 hz 230.0 V 8.8000 hz squ OK: 50.00 hz 230.0 V 18.000 hz squ OK: 50.00 hz 230.0 V 20.000 hz sin OK: 50.00 hz 230.0 V 21.500 hz squ OK: 50.00 hz 230.0 V 25.000 hz sin OK: 50.00 hz 230.0 V 25.000 hz squ OK: 50.00 hz 230.0 V 28.000 hz squ OK: 50.00 hz 230.0 V 30.500 hz squ OK: 50.00 hz 230.0 V 33.300 hz sin OK: 50.00 hz 230.0 V 33.300 hz squ Analyzer auch geeignete AC-Quellen der Firma Pacific Power an. // hEh ---> www.elektronikpraxis.de Caltest Instruments +49(0)7841 6829300 ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 47 www.vogel.de 07256 230 V/50 hz TesTsysTeme // Schaltmatrix Wie sich PXI-Schaltsysteme besser mit BIRST warten lassen Mit dem Built-In-Relay Self Test lassen sich Module direkt testen, da sie über eine integrierte On-Board-Diagnosemöglichkeit und eine Selbsttestfunktion verfügen. Wir stellen die Lösung vor. Grafiken: Pickering interfaces MATThIAS vON BASSENhEIM * eine Testbedingung dar. Viele Relais- bzw. Kontaktfehler treten durch Herstellungsfehler auf und sind während des Fertigungsprozesses nur sehr schwer zu lokalisieren. Die meisten Fehler zeigen sich bei der Integration eines Testsystems, wenn Kabel oder Softwarefehler Kurzschlüsse erzeugen. Ein Relais übersteht möglicherweise eine kurze Überlast, hat aber durch die Beschädigung des Kontaktmaterials einen verkürzten Lebenszyklus. Selbst wenn ein System fehlerfrei arbeitet, können Fehler des Prüflings ähnliche Stressbedingungen hervorrufen. Fehlerdiagnose und System-Level-Tests BIRST-Diagramm: Jedes Relais wird auf seine Funktion getestet, sei es auf Kurzschluss, auf offenen Kontakt oder erhöhtem Kontaktwiderstand. S chaltsysteme gelten als der Schlüssel eines Testsystems. Sie ermöglichen auf unterschiedlichste Weise, das TestEquipment an den Prüfling nach den gegebenen Anforderungen anzuschalten und dadurch die Anzahl der notwendigen Geräte für den Testprozess zu reduzieren. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Schaltsystem ausfällt, liegt nicht in erster Linie an seiner Zuverlässigkeit. Vielmehr liegt es an der Tatsache, dass während der Entwicklungsphase eines Testprogramms Fehlfunktionen auf Seiten des Anwenders verursacht werden. Im folgenden Text wollen wir auf die Gründe eingehen und mögliche Diagnosemöglichkeiten aufzeigen. Schaltsysteme haben eine * Matthias von Bassenheim ... ist Geschäftsführer der Pickering Interfaces. 48 begrenzte Lebensdauer. Sie ist bei heutigen Relais sehr hoch und beträgt bei elektromechanischen Relais (EMRs) etwa 100 Millionen Schaltzyklen bei geringer Last. Reed Relais, die kleinste Lasten schalten, erreichen etwa 1 Milliarde Schaltoperationen. Den größten Einfluss auf die Lebensdauer haben die Lastcharakteristik sowie das Öffnen und Schließen eines Kontakts unter Last, dem sogenannten Hot Switching. Am Kontakt selbst erzeugt das Signal beim heißen Schalten einen Lichtbogen, der das Kontaktmaterial verändert oder sogar zerstört. Daher verwundert es nicht, wenn mit einem Faktor 1000 in Bezug auf Lebensdauer und Schaltzyklen zwischen minimaler oder maximaler Last gerechnet werden muss. Daher sind Entwickler bemüht, ein Hot Switching zu vermeiden. Leider ist das in der Realität nicht immer möglich. Die Gründe sind vielfältig: Testzeiten müssen gering gehalten werden oder das Schalten unter Last stellt Die Anfälligkeit eines Schaltsystems erfordert einen System-Check, um die Funktionalität zu überprüfen und zu gewährleisten. Wenige Plattformen wie etwa VXI haben Relaisselbsttestfunktionen integriert, da die Hauptkunden aus Militär und Luftfahrt das von Beginn an forderten und die Baugröße von VXI es auf einfache Weise ermöglichte. Bei PXI mit seinem kleineren Formfaktor wird der Selbsttest im Normalfall weggelassen, damit Kosten gespart und der Platz für höhere Packungsdichte genutzt werden kann. Nun versuchen viele Hersteller die Relaislebensdauer durch das Zählen von Schaltvorgängen zu kalkulieren, um damit den Selbsttest zu umgehen – eine Methode, die immer wieder falsch verstanden wird und zu unzuverlässigen Ergebnissen führt. Die Software zählt die Schaltvorgänge und empfiehlt nach Erreichen einer gewissen Grenze den Austausch eines Relais, eine begründet schlechte Methode weil: sich je nach Lastbedingung die Relaislebensdauer um ein vielfaches verkürzt und die Software keine Information der Last mit einbezieht – es wird schlicht nur gezählt. sie keine Fehler, die durch den Prüfling verursacht (Kurzschlüsse) werden, mit einbezieht. Relais immer gewissen Qualitätsschwan- ELEKTRONIKPRAXIS messtechnik, Sensorik und test april 2014 TesTsysTeme // SchAlTMATrix Defekt erkannt: Beim BIRST-Test wird die PXI-Matrix mit einer integrierten On-Board-Diagnosemöglichkeit und Selbstfunktion ausgestattet. kungen im Fertigungsprozess unterliegen, welche die Lebensdauer beeinflussen. Die Auswirkungen zeigen sich darin, dass reale Schaltsysteme eine völlig andere Lebenszeit aufweisen, als Zählvorgänge von Relaisschaltoperationen. Die Fehlerbandbandbreite fällt eher größer aus als ein paar wenige Prozent. Die Situation verschlechtert sich sogar, wenn aufgrund der Fehlinformation aus dem Zählen von Schaltoperationen als Präventivmaßnahme Relais getauscht werden, die gar nicht getauscht werden müssten. Präventives Tauschen erhöht das Risiko, dass Leiterplatten beschädigt werden, insbesondere beim Einsatz von SMT Relais. Vieles spricht für die Philosophie „wenn es funktioniert, dann ändere nichts bevor Du nicht einen guten Grund dafür hast“. Systemintegratoren installieren überwiegend Systemselbsttests, in denen die Überprüfung des Schaltsystems beinhaltet ist. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn ein DMM Signalpfade überprüft. Der Aufwand und die Kosten für einen Selbsttest können neben der Komplexität sehr hoch sein. Der Integrator muss das Routing inklusive der Verkabelung bis hin zum eigentlichen Schaltsystem verstehen und wird sicherlich die meisten Fehler identifizieren, doch bleibt es schwierig oder gar unmöglich, einen einzelnen, fehlerhaften Relaiskontakt zu lokalisieren. Es stellen sich immer wieder dieselben Fragen: welches Relais ist eigentlich defekt oder ist es doch die Verkabelung? Der Built-In-Relay Self Test oder kurz BIRST ist die erste Generation PXI-MatrixSchaltlösungen, die eine integrierte OnBoard-Diagnosemöglichkeit und Selbsttestfunktion besitzen. Es ist als kompakte Messeinheit auf dem PXI-Modul realisiert. Zudem lassen sich mit einer Auflösung von wenigen mOhm die Pfadwiderstände einer Matrix messen. Jedes Relais wird auf seine Funktion getestet, sei es auf Kurzschluss, auf offenen Kontakt oder erhöhtem Kontaktwiderstand. Gleichzeitig kann seine Position in der Matrix und auf der Leiterplatte gefunden werden. Der Anwender muss die Frontverkabelung zum Schaltmodul lösen und die beigefügte BIRST-Software starten. Bei einer Testgeschwindigkeit von etwa 30 ms pro Matrixkreuzungspunkt wird ein Matrixmodul überprüft und die Ergebnisse wahlweise grafisch oder als Textinformation dargestellt. Da Pickering durchkontaktierte Relais einsetzt, ist ein Austausch defekter Relais mit handelsüblichem Werkzeug einfach und ohne Garantieverlust. BIRST ergänzt jeden Systemtest und löst das eigentliche Problem der unvollständigen Testabdeckung bei älteren Selbsttestsystemen sowie bei der Methode des Schaltvorgangzählens. // hEh --> facebook.com/ elektronikpraxis Pickering Interfaces +49(0)89 125953160 ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 49 www.vogel.de Messen und Prüfen // EnErgiEvErwaltung Den Differenzstrom in einem Rechenzentrum messen Für Betreiber von Rechenzentren stellt sich die Frage, wie Differenz­ strommessung und Energiemanagement zusammen gebracht werden können. Einen interessanten Ansatz stellen die Stromverteiler dar. RALf PLOENES * B etreiber von Rechenzentren müssen mit Blick auf die Energieverwaltung viele gesetzliche Hürden meistern. Darunter fällt auch die Stromüberwachung, welche die Arbeit zusätzlich erschwert. Es muss jederzeit gemäß dem Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) gehandelt werden, wozu Vorgänge im Data Center überwacht werden müssen. Ein Ansatz ist es, den Differenzstrom permanent zu überwachen. Der Differenzstrom chenzentren nach einer Möglichkeit der Differenzstrommessung zeigen, dass das Interesse wächst. Gängige Messmethoden oder Lösungsansätze erzeugen oft weitere Probleme. Denn Server erzeugen allein durch ihre Schaltnetzteile Differenzströme. fi-Schalter sind im Rechenzentrum nicht sinnvoll Foto: raritran * Ralf Ploenes ... ist Geschäftsführer bei Raritan Deutschland GmbH in Essen. ist nach Definition die vektorielle Summe der Ströme aller aktiven Leiter an einer bestimmten Stelle einer elektrischen Anlage. Genau an dieser Stelle wird der Differenzstrom gemessen. Vom Gesetzgeber wird in verschiedenen Verordnungen die Messung vorgeschrieben. Dabei soll verhindert werden, dass durch Spannung, die an berührbaren Teilen der Anlage anliegt, Schaden entstehen kann. Da sich die über die Anschlussleitung in das Gerät hinein- und herausfließenden Ströme ausgleichen sollten, ist der Differenzstrom idealerweise gleich Null. Fehlerströme entstehen beispielsweise durch schadhafte Isolierung oder Ableitströme. Dadurch ergeben sich Abweichungen vom Idealwert. Anfragen von Betreibern der Re- Differenzstrom messen: Eine intelligente Power Distribution Unit (iPDUs) misst direkt. 50 Aufgrund der zahlreichen Elektroinstallations-Vorschriften wäre es eigentlich erforderlich, Serverräume mit Fi-Sicherheitsschaltern auszurüsten, was aber praktisch nicht machbar ist. Denn größere Rechenzentren verfügen über zu viele Server, wodurch der Differenzstromwert in der Summe zu hoch werden kann. Es könnten grundlos FiSchalter ausgelöst werden und den Ausfall der gesamten IT zur Folge haben. Allerdings kann auf Fi-Schutzschalter nur dann verzichtet werden, wenn: Für Steckdosen sichergestellt werden kann, dass sie ausschließlich durch Elektrofachkräfte oder elektrotechnisch unterwiesene Personen überwacht werden und Laien die Steckdosen nicht benutzen können (in elektrischen Betriebsstätten nach DIN VDE 0100-731 (VDE 0100-731)) Steckdosen, die von Laien und zur allgemeinen Verwendung bestimmt sind, ständig messtechnisch überwacht werden (RCMs) und sichergestellt ist, das Fehler und Schäden rechtzeitig erkannt werden. Schäden müssen durch eine Elektrofachkraft sofort behoben werden, auch an den angeschlossenen elektrischen Geräten, Verbrauchsmitteln und Betriebsmitteln. Dazu müssen Maßnahmen zur Fehlerbehebung organisiert werden. Die Differenzstrommessung mit iPDUs (Power Distribution Unit oder auf Deutsch Stromverteilereinheit) ist ein völlig neuer Ansatz. Intelligente PDUs umfassen PDUs mit und ohne Schaltfunktion, mit Messfunktion und in die Stromversorgung integrierte Mess-PDUs. Der Vorteil: Durch die perma- ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und test april 2014 Messen unD PRüfen // EnErgiEvErwAlTung Folge mir und Du erhältst die wichtigsten Nachrichten kompakt und in aller Kürze. Jederzeit im Blick: Der Differenzstrom wird permanent gemessen und das Personal sieht die Messwerte jederzeit auf der Nutzeroberfläche. nente Messung mit direkter Anzeige in der Nutzeroberfläche hat das Data Center-Personal die Zahlen stets griffbereit – ohne zeitintensive Berechnungen und vor allem wesentlich granularer. PDUs ermöglichen, den Stromverbrauch jedes beliebigen Servers, jeder Speichereinheit sowie jedes anderen IT-Geräts zu überwachen. Darüber hinaus verfügen sie über zahlreiche Funktionen für das Umgebungsmanagement, mit denen sich alle zugehörigen Energiedaten effektiv erfassen, überwachen und verwalten lassen. Nicht zuletzt hilft der Einsatz von iPDUs, das Vorhandensein von Redundanzen zu überwachen, so dass auch bei Ausfall einer Komponente das System weiter zuverlässig arbeiten lassen. Wenn das Troubleshooting vor Ort geschieht Bei der Differenzstrommessung über PDUs können Werte in der browserbasierten Management-Oberfläche der PDU angezeigt werden. Basierend auf vorher festgelegten Schwellenwerten werden Alarmsignale ausgelöst, sobald der Differenzstrom Schwellenwerte überschreitet. Die Lösung benachrichtigt den RZ-Betreiber via E-Mail oder SNMP. Die gemessenen Daten lassen sich mit SNMP, Modbus oder über eine Web-API an Management- und Monitoring-Systeme übertragen werden. Daraus folgt, dass RZ-Betreiber bzw. Administratoren die Ursache eines Fehlerstroms unmittelbar auf die an die PDU angeschlossenen Geräte zurückführen können. Auch das Troubleshooting kann direkt vor Ort an der PDU erfolgen und mit unmittelbarer Rückkopplung über den Fehlerstrom am Gerät. Durch die Netzwerkfähigkeit der iPDUs können die Werte via SNMP remote ausgelesen werden. Auch die entsprechenden Schwellenwerte passt der Verantwortliche zukünftig aus der Ferne an. Generell können diese Schwellenwerte aufgrund der höheren Granularität zukünftig enger gesetzt werden. Der Test der Differenzstrommessung (vergleichbar mit dem Testknopf am Fi-Schalter) ist ebenfalls remote aktivierbar. Theoretisch können so vollautomatische Tests kompletter Großanlagen durchgeführt und ausgewertet werden. Den Differenzstrom immer im Blick behalten Differenzstrommessung und Energiemanagement können ineinandergreifen. Betreiber von Rechenzentren müssen zahlreiche energiebezogene Gesetze berücksichtigen, wovon das EnWG nur eines davon. Zudem muss die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) eingehalten werden, wozu unter anderem der Betrieb von überwachungsbedürftigen Anlagen zählt. Darüber hinaus müssen die Berufsgenossenschaftlichen Vorschriften (BGV), insbesondere die Unfallverhütungsvorschriften für elektrische Anlagen und Betriebsmittel (BGV A3), vom Betreiber eines Rechenzentrums eingehalten werden. Wird der Differenzstrom über PDUs permanent gemessen, bewertet und dokumentiert, ist das in den Augen von RZ-Betreibern, -Beratern und -Planern ein möglicher Lösungsansatz. // hEh twitter.com/redaktionEP twitter.com/steckerkongress twitter.com/hardwaredesign twitter.com/esoftwarenews Raritan Deutschland +49(0)201 747980 ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 51 www.vogel.de Messen und TesTen // Spezifikationen Damit Stromversorgung und Testanwendung zusammen passen Beim Einsatz einer Stromversorgung lohnt es, genauer hinzuschauen. Denn nicht alle Parameter wie beispielsweise Leistungshüllkurve oder Design-Topologie stehen in den Datenblättern. RObERT GREEN, JAmES NIEmANN uNd QING d. STARKS * eine Stromversorgung als genaue Spannungsquelle für den Test einer Schaltung über den gesamten Betriebsspannungsbereich oder als Kalibrierquelle genutzt wird, muss geprüft werden, ob die angegebene Genauigkeit der Stromversorgung auch am Eingang der zu prüfenden Schaltung zur Verfügung steht. Solche Anwendungen erfordern eine detaillierte Untersuchung der technischen Daten einer Stromversorgung. Ein blick auf die Leistungshüllkurve Stromversorgung: Zweikanalige programmierbare DC-Stromversorgung Modell 2220-30-1 und dreikanalige programmierbare DC-Stromversorgung Modell 2230-30-1. V iele Elektronikingenieure glauben, dass sie die Funktionsweise von Stromversorgungen gut verstehen, da dies relativ einfache DC-Geräte mit nur einer einzigen Funktion sind und nur die Ausgangsspannung steuern. Obwohl die Spezifikationen einer Stromversorgung die Funktionalität für die meisten Anwendungen ausreichend beschreibt, wäre eine umfassende Spezifikation jedes möglichen Geräteverhaltens oder eines anderen Instruments zu zeitaufwändig und zu kostspielig. Im Zuge des Auswahlprozesses sollte die Spezifikation einer Stromversorgung immer genau betrachtet werden, allerdings gibt es * Robert Green, James Niemann und Qing d. Starks ... arbeiten bei Keithley Instruments, einer Tochter von Tektronix. 52 noch andere interessante Charakteristika. Aus der Perspektive eines Anwenders ist besonders die Leistungshüllkurve einer Stromversorgung wichtig. Sie zeigt, ob die Stromversorgung die Leistung mit der erforderlichen Spannung und dem Strom für die entsprechende Anwendung liefern kann. Für die Entwicklung, Charakterisierung und das Testen von Schaltungen, die kleine Signale generieren oder messen, ist die Auswahl der Design-Topologie der Stromversorgung sowie die Aufmerksamkeit des Gleichtaktstroms wichtig. Damit lässt sich sicherstellen, dass dieser nicht das Schaltungsverhalten beeinflusst. Ebenso ist es für die Entwicklung eines Geräts mit mehreren potenzialfreien Schaltungen entscheidend, dass die Stromversorgung nicht die Potenzialfreiheit des Testobjekts gefährdet. Wenn Die wichtigste Entscheidung besteht darin sicherzustellen, dass eine ausreichende Leistung für die Versorgung des Testobjekts (DUT) zur Verfügung steht. Obwohl es ziemlich offensichtlich ist, sollte man sich im Klaren sein, dass verschiedene Arten von Stromversorgungen und Quellen unterschiedliche Leistungshüllkurven haben können. Beispielsweise gibt es Geräte mit einer rechteckigen Leistungshüllkurve. Diese können die Last bei jeder Spannung mit einem beliebigen Strom versorgen (Bild 1a). Dies ist sicher die vielseitigste Leistungshüllkurve. Eine zweite Art von Stromversorgungen hat mehrere rechteckige Hüllkurven für mehrere Bereiche (beispielsweise zwei rechteckige Leistungshüllkurven, wie in Bild 1b). Der Vorteil dieser Leistungshüllkurve ist, dass ein Parameter auf Kosten des anderen Parameters höhere Werte erreichen kann. So ist zum Beispiel ein höherer Strom bei einer niedrigeren Spannung möglich. Andere Stromversorgungen verfügen über eine hyperbolische Leistungshüllkurve (Bild 1c), die anstatt mehrerer Bereiche einen kontinuierlichen Übergang aufweist. Hier verhält sich ein Parameter umgekehrt proportional zum anderen. Sehr leistungsfähige Stromversorgungen arbeiten meist entweder mit mehreren Bereichen oder mit einer hyperbolischen Leistungshüllkurve. Zu überlegen ist welche Art von Hüllkurve die jeweilige Anwendung benötigt, um sicherzustellen, dass die aus- ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und test april 2014 Messen und TesTen // SpezifikATionen gewählte Stromversorgung die erforderlich Leistung mit den jeweiligen Spannungs- und Stromwerten für den Test auch zur Verfügung stellen kann. Was Gegentakt- und Gleichtaktstörungen unterscheidet Bei Schaltungen mit sehr kleinen Spannungen oder Strömen können Störungen von externen Quellen Probleme verursachen. Solch eine Schaltug kann ein ein Messumformer sein, der Millivolt- oder MikroampereSignale aufnimmt. Dabei ist die Stromversorgung selbst eine Störquelle und die Störungen lassen sich in zwei Kategorien aufteilen: Gegentakt- und Gleichtaktstörungen. Gegentaktstörungen liegen parallel zu den Ausgangsanschlüssen der Stromversorgung an und werden von der internen Schaltung der Stromversorgung generiert. Gleichtaktstörungen sind Störungen mit Massebezug, die über die Netzleitung und Streukapazitäten über den Haupttransformator entstehen. Für empfindliche Anwendungen sind daher lineare Stromversorgungen normalerweise besser geeignet, da die Gegentaktstörungen am Ausgang deutlich geringer sind als bei getakteten Stromversorgungen. Dafür erreichen aber lineare Stromversorgungen einen niedrigeren Wirkungsgrad als Schaltnetzteile und sind meist sperriger und schwerer. Schaltnetzteile bieten normalerweise mehr Ausgangsleistung bei kleinerer Baugröße. Eine lineare Stromversorgung erzeugt nur ein Fünftel bis ein Zehntel der Störungen (5 mVpp gegenüber >50 mVp-p) eines Schaltnetzteils. Wenn Gegentaktstörungen ein Problem sind, dann sollte eine lineare Stromversorgung verwendet werden, wie beispielsweise die ein- oder vielkanalige Stromversorgung der Serie 2200 von Keithley. Lineare Stromversorgungen haben normalerweise niedrigere Gleichtaktstörungen als getaktete Stromversorgungen. Gleichtaktstörungen entstehen, wenn Spannungsänderungen wie AC-Spannungen oder Transienten (dv/dt) auf der Primär- oder Sekundärseite eines Transformators einen Strom über die voneinander isolierten Wicklungen induzieren. Ein auf der Primärseite (oder Sekundärseite) generierter Störstrom muss auf die Primärseite (Sekundärseite) zurückkommen, um die Schaltung vollständig zu durchlaufen. Sobald dieser Strom durch eine Impedanz fließt, wird eine Störspannung generiert, die das Verhalten der Last oder des Testobjekts (DUT) beeinflussen oder eine Messungenauigkeit verursachen kann. Der Absolutwert der Störung ist direkt von der Spannungsanstiegszeit und der Streukapazität des isolierten Transformators der Strom- versorgung abhängig. Zu den anderen Ursachen von Gleichtaktstörungen gehören Spannungsspitzen durch das Ein- und Ausschalten von Gleichrichterdioden (auf der Sekundärseite) aber auch Spannungsschwankungen der 50/60Hz-Netzspannung oder kurzzeitige Spannungsänderungen auf der Primärseite von Schaltnetzteilen. Streukapazität zwischen Primär- und Sekundärseite Die Qualität des Transformators, wie eine ausreichende Schirmung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen, kann die Streukapazität zwischen Primär- und Sekundärseite reduzieren. Bei einer minimalen Kopplungskapazität ist der Einfluss des Störstroms, der durch die Last fließt, sehr gering und wirkt sich meist nicht auf die Last oder die Messungen an der Last aus. Wenn die Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators nicht ausreichend gegeneinander abgeschirmt sind, dann kann die Kopplungskapazität sehr groß sein und ein Strom von einigen Milliampere in die Last fließen. Dies kann zu Funktionsproblemen und Messfehlern beim Laststrom führen. Für Bauteile, Module oder Endprodukte, die mit geringer Leistung arbeiten oder empfindlich sind, sollte die verwendete Stromversorgung im Hinblick auf niedrige Gleichtaktstörungen überprüft werden. Bei den Geräten der Serie 2200 von Keithley liegen die Gleichtaktstörungen unter 10 µA. In der Randbox finden Sie weitere Details zur Messung der Gleichtaktstörungen einer Stromversorgung. Die Isolation gegenüber Erde überprüfen Ein weiteres Kriterium für die Qualität einer Stromversorgung ist die Isolation des Ausgangs gegenüber dem Stromnetz. Eine Stromversorgung mit hoher Isolation minimiert die Störungen am Ausgang der Stromversorgung. Eine gute Isolation wird bei mehr als 1 GOhm parallel zu weniger als 1 nF und einer ausreichenden Schirmung erreicht, so dass der Gleichtaktstrom niedriger als 5 µA ist. Leider erfüllen nur wenige Instrumente diese Anforderungen. Designs, die mit einer niedrigen Frequenz von 60 Hz arbeiten, erreichen zwar den geringen Gleichtaktstrom, zeigen aber Schwächen beim DCWiderstand und Kapazitätswert. Schaltnetzteile haben dagegen einen geringeren Kapazitätswert und eine höhere DC-Isolation aber einen zu hohen Gleichtaktstrom. Es gibt Anwendungen in denen eine hohe Impedanz besonders wichtig ist, beispielsweise wenn die Stromversorgung eine Schaltung versorgt, die von einem linearen Verstärker an- ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 xing.com/companies/ elektronikpraxis youtube.com/ elektronikpraxistv twitter.com/redaktionEP facebook.com/ elektronikpraxis gplus.to/elektronikpraxis www.analog-praxis.de 53 www.vogel.de Messen und TesTen // Spezifikationen gesteuert wird. In diesem Fall ist die Stromversorgung Teil der Last des linearen Verstärkers, dann kann ein hoher Kapazitätswert der Stromversorgung zu Stabilitätsproblemen beim Verstärker führen. Aber auch eine Stromversorgung, die einen WiderstandsSpannungsteiler mit einer niedrigen Spannung versorgt oder ein Messschaltung für sehr niedrige Ströme können einen geringen Gleichtaktstrom erfordern, allerdings spielt hier die Isolationsimpedanz keine Rolle. Im Allgemeinen gilt, je höher die Isolation, desto geringer ist die Einkopplung von Störungen durch die Stromversorgung aus dem Wechselstromnetz. Das Problem wird komplexer, wenn die Anwendung weitere Instrumente beinhaltet. In diesem Fall kann eine ungenügende DC-Isolation in der Stromversorgung einen Leitungspfad für einen hohen Gleichtaktstrom von einem Instrument zum anderen ermöglichen. Bei allen Anwendungen sollte der Einfluss des Isolationswiderstands und des Kapazitätswerts der Stromversorgung auf das Testobjekt eingehend betrachtet werden. Dies gilt auch für den Pfad oder die Schleife, in denen die Primärund Sekundär-Gleichtaktströme fließen. Hier ist zu bestimmen, ob eine Störspannung (Gleichtaktstrom × Impedanz) entsteht und ob diese Störspannung zu hoch ist. Bild 1a: Stromversorgung mit rechteckiger Leistungshüllkurve. Bei jeder Spannung ist ein beliebiger Strom möglich. Das Problem des Spannungsabfalls lösen Bild 1b: Mehrbereichsausgang. Dieses Merkmal erlaubt höhere Spannungen bei kleineren Strömen und höhere Ströme bei niedrigeren Spannungen. Ausreichende Isolation zwischen den Kanälen Wenn das Testobjekt mit potentialfreien Spannungen versorgt werden muss, dann können entweder mehrere Stromversorgungen oder eine Stromversorgung mit mehreren potentialfreien Kanälen verwendet werden. Bei einer mehrkanaligen Stromversorgung muss immer sichergestellt werden, dass die Isolation zwischen den Kanälen größer ist als die zwischen den Schaltungen des Testobjekts erforderliche Isolation. Jedoch ist dies nicht immer einfach dem Datenblatt der Stromversorgung zu entnehmen (auch bei der zu prüfenden Schaltung ist dies nicht immer ganz eindeutig). Manche Stromversorgungen haben keine potentialfreien Kanäle. Die zweikanalige programmierbare DC-Stromversorgung Modell 2220-30-1 und die dreikanalige programmierbare DC-Stromversorgung 2230-30-1 von Keithley haben zwei bzw. drei potentialfreie Kanäle. Wenn eine Isolation zwischen den Schaltungen bei einem Testobjekt wichtig ist, dann sollte die Isolation der Stromversorgung zwischen den Kanälen gemessen werden. Wenn es auf eine genaue Regelung der Spannung an der Last für die Bauteilcharakterisierung oder den Produktionstest ankommt, dann sollte die Ausgangsgenauigkeit 54 der Last entspricht. Der Grund dafür ist, dass die Stromversorgung normalerweise die Spannung nur an den Ausgangsanschlüssen regelt. Die Spannung sollte aber am Testobjekt geregelt werden und nicht am Ausgang der Stromversorgung. Die Stromversorgung und die Last sind über Leitungen verbunden, die einen Widerstand (RLead) aufweisen. Dieser ist abhängig von der Länge der Leitungen, der Leitfähigkeit des Leitungsmaterials und der Geometrie der Leitungen. Ohne Remote Sensing ergibt sich an der Last die folgende Spannung: VLoad = VProgrammed - 2 * VLead = VProgrammed - 2 * ILoad * RLead Bild 1c: Hyperbolische Ausgangscharakteristik. Die maximalen Spannungs- und Stromwerte folgen einer Kurve. und Rücklesefunktion der Stromversorgung sorgfältig betrachtet werden. Die Genauigkeit kann allerdings beeinträchtigt werden, wenn die Stromversorgung die Spannung nur an den Ausgangsklemmen misst. Die Stromversorgung muss über entsprechende Messeingänge (Remote Sensing) verfügen, die mit dem Einspeisepunkt der Spannung am Testobjekt verbunden werden. Dadurch lässt sich die wirklich am Testobjekt anliegende Spannung messen und die Stromversorgung kann den Spannungsabfall auf den Verbindungsleitungen problemlos kompensieren. Unabhängig davon, wie genau der Ausgang der Stromversorgung ist, kann nicht garantiert werden, dass die programmierte Ausgangspannung auch der Spannung an Wenn die Last einen hohen Strom benötigt, dann kann der Spannungsabfall VLead aufgrund des hohen Ausgangsstroms ILoad einige Zehntel Volt betragen. Das gilt besonders bei langen Stromversorgungsleitungen wie in automatischen Testsystemen. Die Spannung an der Last kann ohne weiteres 80 bis 160 mV niedriger sein, als die geforderte Spannung (wenn 2 A bis 4 A durch eine 1,5 m lange Leitung mit 0,013 Ohm/m fließen). Das Remote-Sensing-Verfahren löst das Problem des Spannungsabfalls in den Leitungen, indem die Rückkopplungsschleife der Stromversorgung bis zum Eingang der Last verlängert wird. Dazu werden zwei Messleitungen von der Stromversorgung mit dem Eingang der Last verbunden. Diese Sense-Leitungen sind Spannungsmessleitungen, die zu einer hochohmigen Messschaltung in der Stromversorgung führen. Auf Grund des hohen Eingangswiderstands ist der Spannungsabfall in den Sense-Leitungen vernachlässigbar. Die Spannungsmessschaltung ist somit Teil der Regelung der Stromversorgung. Die wirklich an der Last anliegende Spannung wird über die SenseLeitungen zurück zur Stromversorgung gemeldet. Die Stromversorgung kann so die Ausgangsspannung erhöhen und den Spannungsabfall in den Stromversorgungsleitungen ausgleichen, bis gilt: VLoad = VProgrammed. Mit Remote Sensing erreicht die Genauigkeit der Stromversorgung damit auch die Last. Weitere Informationen und das komplette Bildmaterial finden Sie im Themenkanal Messtechnik. Hier lesen Sie auch, wie sich die Isolation einer Stromversorgung charakterisieren lässt. // hEh Keithley Instruments +49 (0)89 84930740 ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und test april 2014 Inserenten Impressum Agilent Technologies................................................................ 13 dataTec GmbH..........................................................................29 Digi-Key Corp........................................................... 1.US, 2.US, 7 EMCCons DR. RASEK GmbH & Co. KG........................................39 Glyn GmbH & Co. KG................................................................. 15 IPETRONIK GmbH & Co. KG ....................................................... 23 MCD Elektronik GmbH .............................................................. 25 MF Instruments GmbH.............................................................. 31 Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG ................................3 National Instruments Germany GmbH....................................... 21 Reinhardt System und Messelectronic GmbH............................ 35 Rigol Technologies EU GmbH .....................................................11 Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG......................................... 4.US SPEA Systeme f. Professio- nelle Elektronik und Automation GmbH.................................................................... 35 Teledyne LeCroy GmbH...............................................................5 Telemeter Electronic GmbH ......................................................39 VX Instruments GmbH .............................................................. 19 W. L. Gore & Associates GmbH.................................................. 17 YOKOGAWA Deutschland GmbH Niederlassung Herrsching Test- und Messtechnik ............................................................. 27 Wie hoch ist eigentlich ein Angebot, das man nicht ablehnen kann? Redaktion Chefredakteur: Johann Wiesböck (jw), V.i.S.d.P. für die redaktionellen Inhalte, Ressorts: Zukunftstechnologien, Kongresse, Kooperationen, Tel. (09 31) 4 18-30 81 Chef vom dienst: Peter Koller (pk), Tel. (09 31) 4 18-30 98 Verantwortlich für dieses Sonderheft: Hendrik Härter (heh), Tel. -30 92; Redaktion München: Tel. (09 31) 4 18David Franz (df), Beruf, Karriere & Management, Tel. - 30 97 Franz Graser (fg), Prozessor- und Softwarearchitekturen, Embedded Plattformen, Tel. -30 96; Martina Hafner (mh), Produktmanagerin Online, Tel. -30 82; Hendrik Härter (heh), Messtechnik, Testen, EMV, Medizintechnik, Laborarbeitsplätze, Displays, Optoelektronik, Embedded Software Engineering, Tel. -30 92; Holger Heller (hh), ASIC, Entwicklungs-Tools, Embedded Computing, Mikrocontroller, Prozessoren, Programmierbare Logik, SOC, Tel. -30 83; Gerd Kucera (ku), Automatisierung, Bildverarbeitung, Industrial Wireless, EDA, Leistungselektronik, Tel. -30 84; Thomas Kuther (tk), Kfz-Elektronik, E-Mobility, Stromversorgungen, Quarze & Oszillatoren, Passive Bauelemente, Tel. -30 85; Kristin Rinortner (kr), Analogtechnik, Mixed-Signal-ICs, Elektromechanik, Relais, Tel. -30 86; Margit Kuther (mk), Bauteilebeschaffung, Distribution, E-Mobility, Tel. (0 81 04) 6 29-7 00; Freie Mitarbeiter: Prof. Dr. Christian Siemers, FH Nordhausen und TU Clausthal; Peter Siwon, MicroConsult; Sanjay Sauldie, EIMIA; Hubertus Andreae, dreiplus Verantwortlich für die Fed-news: Dr. Stephan Weyhe, FED, Alte Jakobstr. 85/86, D-10179 Berlin, Tel. (0 30) 8 34 90 59, Fax (0 30) 8 34 18 31, www.fed.de Redaktionsassistenz: Eilyn Dommel, Tel. -30 87 Redaktionsanschrift: München: Grafinger Str. 26, 81671 München, Tel. (09 31) 4 18-30 87, Fax (09 31) 4 18-30 93 Würzburg: Max-Planck-Str. 7/9, 97082 Würzburg, Tel. (09 31) 4 18-24 77, Fax (09 31) 4 18-27 40 Layout: Michaela Deppe, Joachim Haselmann, Meike Herkersdorf, Sigrid Rau, Elena Anetzberger eLektRonikPRaXiS ist organ des Fachverbandes elektronik-design e.V. (Fed). Fed-Mitglieder erhalten eLektRonikPRaXiS im Rahmen ihrer Mitgliedschaft. VeRLag Vogel Business Media GmbH & Co. KG, Max-Planck-Straße 7/9, 97082 Würzburg, Postanschrift: Vogel Business Media GmbH & Co. KG, 97064 Würzburg Tel. 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Der Gehaltsreport für die Elektronikbranche 2014 Jetzt teilnehmen und erfahren, was Ihnen die Branche bietet www.ingenieur-und-gehalt.de 09197 Copyright: Vogel Business Media GmbH & Co. KG. Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck, digitale Verwendung jeder Art, Vervielfältigung nur mit schriftlicher Genehmigung der Redaktion. Nachdruck und elektronische Nutzung: Wenn Sie Beiträge dieser Zeitschrift für eigene Veröffentlichung wie Sonderdrucke, Websites, sonstige elektronische Medien oder Kundenzeitschriften nutzen möchten, erhalten Sie Information sowie die erforderlichen Rechte über http://www.mycontentfactory.de, (09 31) 4 18-27 86. ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, Sensorik und Test April 2014 55 Messdaten erfassen // Messprinzip Stromsensor-Techniken für breitbandige Leistungsmessungen Dank eines speziellen Designs der Leitplatten erreicht ein Leistungsmesser einen geringen Phasenfehler: Die magnetischen Felder, erzeugt durch den Stromfluss, heben sich gegenseitig auf. Grafiken: Caltest FRANcOIS EPP uNd STuART chAPPELL * PWM-Treibersignal: Auf der linken Seite ist ein pulsweitenmodulierter Träger zusammen mit einer Grundschwingung zu sehen. Auf der rechten Seite die Grundschwingung und die Oberwellen. D ie Nachfrage des Markts und einschlägige Vorschriften haben zur Folge, dass sich der Druck zur Steigerung der Energieeffizienz verstärkt. Stromrichter für den Industrie-, Luft- und Raumfahrt-, Automotive- und Hausgerätemarkt werden deshalb zunehmend getaktet und mit hoher Schaltfrequenz implementiert. Beispiele hierfür sind Schaltnetzteile oder elektronische Lampenvorschaltgeräte, die bei höherer Schaltfrequenz mit kleineren gewickelten Bauelementen bestückt werden können. In Anwendungen, die nach variabler Drehzahl verlangen (beispielsweise Waschmaschinen, Aufzüge, Elektrofahrzeuge oder Elektrowerkzeuge), bietet außerdem die PulsweitenModulation (PWM) die Möglichkeit zum Verstellen der Drehzahl. Der Trend zu nicht sinusförmigen Stromund Spannungsverläufen führt zwangsläufig *Francois Epp ... ist Geschäftsführer bei der Caltest Instruments in Achern. Stuart chappell ... ist Geschäftsführer Newtons4th in Loughborough, UK. 56 dazu, dass sich das Frequenzspektrum der Signale vergrößert. Leistungsmessgeräte, die bei der Entwicklung und Prüfung moderner Leistungselektronik-Produkte zum Einsatz kommen, sollten deshalb so ausgelegt sein, dass sie über eine große Bandbreite hinweg eine hohe Messgenauigkeit bieten. die Konsequenzen für die Leistungsmessung Illustrieren lässt sich dies am Spannungsverlauf und am Frequenzspektrum eines PWM-Treibersignals. Die Grundschwingung, mit der der Motor angesteuert wird, ist hier nur ein Teil eines komplexen, stark verzerrten Signals (Bild oben). Hierbei wird deutlich: Wenn die Gesamtleistung exakt quantifiziert werden soll, müssen alle Frequenzkomponenten berücksichtigt werden. Während die Verzerrung in einer PWMApplikation hauptsächlich auf die Spannung bezogen ist, lassen sich Komponenten der Schaltfrequenz sowohl im Spannungs- als auch im Stromverlauf finden. Um Leistungen über ein breites Frequenzband präzise messen zu können, müssen der Strom- und der Spannungs-Eingang des Messinstruments über ihren gesamten spezifizierten Frequenzbereich hinweg einen geringen Phasenfehler aufweisen. Da die Wirkleistung aus den phasengleichen Spannungs- und Stromkomponenten berechnet, wird die Leistungsmessung fehlerhaft, sobald sich in den Strom- oder den Spannungseingang ein Phasenfehler einschleicht. Spannungsabschwächer weisen stets eine hohe Impedanz bei relativ geringer Kapazität auf. Ihr Phasenfehler ist deshalb vernachlässigbar gering. Deutlich höhere Anforderungen stellen dagegen Shunt-Widerstände für die Strommessung, denn ihr ohmscher Widerstand ist zwangsläufig gering, damit die aus der Messung resultierende Belastung ebenso minimiert wird wie die Erwärmung. Aufgrund des niedrigen ohmschen Widerstands machen jegliche parasitären Induktivitäten des Strom-Shunts einen großen und mit der Frequenz zunehmenden Teil der Gesamtimpedanz aus. Aus diesem Grund sollten Präzisions-Leistungsmessgeräte, die mit Strom-Shunts arbeiten, idealerweise Strommesskanäle von sehr geringer Induktivität aufweisen. Im Diagramm auf Seite 57 sind die Phasenverschiebungen von drei Strom- ELEKTRONIKPRAXIS Messtechnik, sensorik und Test April 2014 Messdaten erfassen // Messprinzip Shunts über einen Frequenzbereich von 1 Hz bis 1 MHz aufgetragen. Die beiden als Vergleichsmaßstab dienenden Shunts sind Messwiderstände in Instrumentenqualität und mit geringer Induktivität. Die Phasenfehler sind deshalb – wie das Bild zeigt – bis 1 kHz vernachlässigbar gering. Wenn man jedoch die Grundschwingung und die Trägerfrequenz samt ihrer jeweiligen Oberwellen als Balkendiagramm einfügt, wird deutlich, dass beide Referenz-Shunts infolge des PWM-Trägers erhebliche Phasenfehler, und demzufolge auch Leistungsmessfehler, verursachen. Diagramm: Die Grundschwingungs- und die Träger-Frequenzen in Hertz sind in Abhängigkeit des Phasenfehlers in Grad eingetragen. Shunt-Designs mit extrem geringer Induktivität Es gibt eine Vielzahl von Shunt-Designs, mit denen angestrebt wird, die Induktivität durch gegenseitige Aufhebung der magnetischen Felder zu minimieren. Im vorliegenden Fall aber sorgen die Konstruktion der Leiterplatte, die Ausrichtung der SMD-Widerstände und die Einbindung der Stromabtastpunkte in die Leiterplattenlagen dafür, dass das Design eine niedrigere Induktivität und eine stabilere Gesamtimpedanz an den Tag legt als jede vergleichbare Lösung. Mit der Umsetzung des bekannten Prinzips der gegenseitigen Aufhebung von Magnetfeldern hat N4L ein Design entworfen, das geringere parasitäre Induktivitäten aufweist als jeder vergleichbare Strom-Shunt und somit die Entwicklung von Leistungsmessgeräten mit herausragender Breitband-Genauigkeit gestattet. // heh Caltest Instruments +49(0)7841 6829300 xing.com/net/elektronikpraxis youtube.com/elektronikpraxistv twitter.com/redaktionEP facebook.com/elektronikpraxis gplus.to/elektronikpraxis 09231 Aus dem Phasen-Frequenz-Diagramm lässt sich ablesen, dass die äußerst induktivitätsarme Konstruktion eines Strom-Shunts des Herstellers N4L im Vertrieb von Caltest bis weit über die Frequenzkomponenten des Trägers hinaus einen geringen Phasenfehler beibehält. Erreicht wird das mithilfe eines ausgeklügelten Leiterplatten-Designs, bei dem sich die Felder, die durch den Stromfluss von und zu den oberflächenmontierten Widerständen entstehen, gegenseitig aufheben. www.analog-praxis.de Messdaten erfassen // Labormesstechnik Digitales Oszilloskop und DAQ-System für Einsteiger Ein Einsteiger-Scope mit einer Bandbreite bis 300 MHz sowie zwei analogen Kanälen und einen modular aufgebauten DMM/Multiplexer mit bis zu 320 Kanälen bietet der Messtechnik-Anbieter Rigol. Trigger-Funktionen und Funktionsgenerator Das Analog-Frontend ist rauschärmer und bietet eine vertikale Auflösung von 500 µV/ div bis 10 V/div über die gesamte Bandbreite. Die Geräte-Familie nutzt die Rigol eigene Ultra-Vision-Technologie aus der DS6000Serie. Es handelt sich um ein Zusammenspiel von Hard- und Software. Ziel ist es, die Belastung der CPU so gering wie möglich zu halten. Jede Tätigkeit des Controllers vergrößert die Blindzeit und verkleinert im Gegenzug die Kurven-Wiederhol-Rate. Es lassen sich bis zu 50.000 Signalzüge innerhalb einer Sekunde erfassen und auf dem 8-Zoll-Display intensitätsabhängig in 256 Stufen darstellen. An Trigger-Funktionen sind an Bord: Runt, Step-hold, Windows, Nte Flanke und automatische Messfunktionen mit Statistik. Die Geräte bieten zudem serielle Bus-Trigger und verschiedene Mathematik-Funktionen. Optional decodieren sie I²C, SPI, RS-232 und CAN-Bus. Als Option werden die Oszilloskope mit einem eingebauten 2-Kanal-Arbiträr-Funktionsgenerator mit einer Bandbreite von 25 MHz geliefert. Die Zwischenstufe eines externen Generators oder eine PC-Software entfällt. Die erfassten Mess-Signale lassen sich einfach herunter laden und anschließend zur Stimulation und Signalerzeugung ausgeben. Für die Aufnahme der Mess-Signale bietet Rigol verschiedene aktive und passive Tastköpfe und weiteres Zubehör. Der serielle Bus-Trigger ist Standard, während das Decoding eine kostenpflichtige Zusatzoption ist. Wenn Daten erfasst oder geloggt werden sollen, bietet sich das System M300 an. Das DAQ (Data Acquisition) verbindet ein DMM mit einem Messstellenumschalter und lässt sich mit bis zu fünf Einsteckkarten erweitern. Dazu gehören 10 verschiedene Umschaltkarten und Steuerkarten von 2-poligen Schaltern bis zu Matrixkarten. Optional ist auch ein DMM mit 6½ Stellen verfügbar. DMM/Multiplexer-System mit bis zu 320 Kanälen Zum direkten Anschluss an PC oder Notebook stehen Schnittstellen wie LAN (LXI), USB, RS232 und GBIP-Interface zur Verfügung. Das modulare System mit 16 bis maximal 320 Kanälen in einer Single-Box verbindet exaktes Messen und die Möglichkeit, flexibel Signale an unterschiedliche Testund Prüfanwendungen anzupassen. Über ein softwarebasiertes Web-Interface erfolgt ein Fernzugriff auf das System. Daten lassen sich via USB oder im internen Speicher ablegen. Zum Lieferumfang gehört die Software UltraAcquire, um das System auch ohne Rechner bedienen zu können. Gegen Aufpreis ist die erweiterte Software UltraAcquire-Pro erhältlich. // hEh rigol bilder: rigol T estzeiten reduzieren und Projekte schneller auf den Markt bringen, das sind entscheidende Kriterien für einen Entwicklungsingenieur. Um dem gerecht zu werden, bietet Rigol eine neue Familie von Oszilloskopen. Die Familie DS2000A-(S) spricht speziell Einsteiger oder den mittleren Leistungsbereich an. Die Bandbreite startet bei 70 MHz und reicht über 100, 200 bis zu 300 MHz. Mess-Signale lassen sich über die zwei analogen Kanäle oder über 16 digitale Kanäle aufnehmen. Dabei liegt die Abtastrate bei 2 GS/s und einem Kanal und 1 GS/s wenn beide Kanäle verwendet werden. Oszilloskop-Familie und Datenlogger: Rigol bietet mit der Familie DS2000A ein digitales Oszilloskop mit integriertem 2-Kanal-Arbiträr-Funktionsgenerator. Das Datenerfassungs-/Datenlogger-System M300 (links) bietet bis zu 320 Kanäle. 58 ELEKTRONIKPRAXIS messtechnik, sensorik und test april 2014 09766 PARTNER Mit den besten Geräten knif flige Messprobleme lösen Anwenderforum Oszilloskope 21. Mai 2 014, Vogel Convent ion Center Wür zburg Die moderne Messtechnik wird immer vielschichtiger und die damit einhergehende Funktionalität der Geräte komplexer. Diesem Thema widmet das Anwenderforum Oszilloskope einen ganzen Tag, bei dem sich Theorie und Praxis abwechseln: Morgens erhalten Sie Grundlagen und Lösungsansätze. In dem nachmittags stattfindenden Workaround, können Sie sich mit konkreten Schwierigkeiten an verschiedene Hersteller wenden. Programm-Highlights Signale richtig messen, analysieren und auswerten mit dem Oszilloskop Thomas Stüber |Teledyne LeCroy Schnelle und einfache Fehlersuche an Embedded Designs mit dem Oszilloskop FRÜHBUCHERPREIS BIS 25.04.14 Guido Schulze und Sylvia Reitz | Rohde & Schwarz Leistungsmessung mit dem Oszilloskop – Ein Widerspruch? Anna Krone |Yokogawa Jetzt anmelden. Nicht verpassen! ---> www.anwenderforum-oszilloskope.de Kontakt: Julia Karg · Tel. +49 931 418-2511 [email protected] www.vogel.de VERANSTALTER: Basisband & HF MIMO & Fading Rohde & Schwarz SMW 200A Der neue Vektorsignalgenerator für breitbandige Kommunikationssysteme Einziger Generator mit Basisband, Signalberechnung, Fading, MIMO, AWGN und HF-Erzeugung in einem Gerät. Zwei Pfade bis 6 GHz. Volle Modularität. Und eine Touch-Bedienung, mit der Sie die komplexesten Signale souverän beherrschen. In 3G- und 4G-Szenarien wie auch im Aerospace & Defense-Bereich. 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