Ein kompaktes Elektroniklabor

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1 Virtuelle Instrumente in der Praxis VIP 2017 Kurzfassung Ein kompaktes Elektroniklabor Dr. Constantin Tomaras WEKA Fachmedien GmbH, Haar VirtualBench kombiniert ein Mixed-Signal-Oszilloskop, einen Funktionsgenerator, ein Digitalmultimeter, ein einstellbares Netzgerät und digitale I/O in einem einzigen Gerät, das sich mit dem PC oder ipad integrieren lässt. Im folgenden Praxisbericht wird gezeigt, wie VirtualBench sich einsetzen lässt. Abstract The VirtualBench All-In-One Instrument combines a mixed-signal oscilloscope with protocol analysis, an arbitrary waveform generator, a digital multimeter, a programmable DC power supply, and digital I/O. This paper shows how VirtualBench can be used in practice. Einleitung Seit zwei Jahren vertreibt National Instruments das kompakte Elektroniklabor Virtual- Bench. Ein (31 cm x 20 cm x 9 cm)-gehäuse unterhält Mischsignal-Oszilloskop, Funktionsgenerator, Spannungsquelle, Digitalmultimeter und digitale I/O. Der Praxistest stellt die unorthodoxe Vereinigung vor (Bild 1). Ein kompaktes Elektroniklabor Bild 1: Kompaktes Elektroniklabor VirtualBench Ein Laboringenieur erhält von seinen Fachkollegen für die VirtualBench (VB) leicht gute Ratschläge: Kaufen Sie Einzelmessgeräte! Da rauscht doch sicher der Signalgenerator ins Oszilloskop. Und wenn da mal was kaputt geht, muss das ganze Gerät getauscht werden. Keines dieser Vorurteile hielt im Praxistest stand. 129

2 Constantin Tomaras Im Gegenteil: Die Zusammenführung und zentrale Steuerung der Geräte erweist sich als mobile effektive Messstation für den professionellen Einsatz. Und wenn mal was kaputt geht? Wird eben ein Gerät in der Größenordnung des guten alten Hameg-Einschubrahmens getauscht. Das sollte innerhalb eines Arbeitstages machbar sein. Getestet wurde die leistungsstärkere VirtualBench VB-8034, deren Preis mit ca schon bei dem eines Preisleitungs-Mischkanal-Oszilloskops (300 MHz Bandbreite, 16+4 Digital- + Analogkanäle, 4 GS/s) liegt. Zwar fällt die Abtastrate mit 1 GS/s bei 350 MHz auf jedem Kanal wesentlich geringer aus, dafür kommt das Gerät mit mehr als doppelt so vielen (34!) Digitalkanälen maximaler Eingangsfrequenz 100 MHz, die innerhalb der VirtualBench-Software I 2 C, SPI und Parallelbus sprechen (Bild 2). Bild 2: VirtualBench-FrontEnd von links oben nach rechts unten: Mischsignal-Oszilloskop, Funktionsgenerator und Trigger, digitale I/O, DC-Stromversorgung, Digitalmultimeter Der Vorteil der VirtualBench: Bestenfalls ist im mobilen Einsatz nur ein Netzgerätestecker notwendig. Eine Probe, die in die Spezifikationen der VirtualBench fällt (z. B. Kleinleistungselektronik, Sensorik, usw.), ist binnen weniger Minuten kontaktiert und kann zentral über WiFi-Verbindung auf einem PC gesteuert und geprüft werden. Mit Einzelgeräten ist der mobile Einsatz wesentlich aufwendiger. Die kleine VirtualBech (100 MHz Bandbreite, 34+2 D+A-Kanäle, max. 1 GS/s Samplingrate) ist mit ca preislich fair: Vergleichbare Preis-Leistungs-Einzelgeräte-Ausstattung nötigt einen ähnlichen Betrag, allerdings bei nur 16+2 Oszilloskopkanälen. Erste Schritte Über USB-Anschluss bedeutet die VirtualBench für einen Windows-PC ein externes Laufwerk. Die Oberfläche kann per Autostart geöffnet werden, die letzte Messkonfiguration bleibt auf dem Gerät gespeichert. Es ist also keine Software- oder Treiberinstallation notwendig. Schade ist lediglich die fehlende Linux-Unterstützung. 130

3 Ein kompaktes Elektroniklabor Bild 3: VirtualBench-Standard-GUI Die Benutzeroberfläche ist intuitiv gestaltet: Alle Wechsel- und Gleichspannungsgeräte sind in Ober- und Unterdeck getrennt (Bild 3). Die Farbgestaltung erinnert ein wenig an die späten WinAmp-Versionen. Die Schaltflächendichte fällt angenehm gering aus, dafür sind alle Schalter im Laboralltag relevant: Der Screenshot-Button macht Aufnahmen im 1730x1045-png-Format, der Export-Button nutzt das csv-format. Über den WiFi-Button ist ein neues Firmwareupdate verfügbar, in der aktuellen Version ist auch xy-betrieb des Oszilloskops möglich (Bild 4). Bild 4: Firmware-Update über das Internet 131

4 Constantin Tomaras Die Offline-Hilfe erklärt grundlegende Funktionen und Fehlerquellen, die Verlinkung mit den Grundlagenvideos auf der NI-Webseite schafft schnelle Online-Einführung in die einzelnen Funktionsblöcke. Die vollständige VirtualBench-Dokumentation wird aus dem Hilfe-Menü heraus innerhalb von zwei Mausklicks erreicht: Hier erfährt der Nutzer die Sicherheits-Einschränkungen des Geräts. Mit dieser klaren Strukturierung reichen ein bis zwei Stunden völlig aus, um alle Aspekte der VirtualBench zu greifen. Die VirtualBench- Community ist nicht mehr sehr aktiv, eventuell ist der Nutzerfeedback-gesteuerte Verbesserungsprozess bereits konvergiert (Bild 5). Schönere VirtualBench Bild 5: VirtualBench Community-Forum. Leider steht nur ein alternatives Farbschema Hell zur Auswahl. Die VirtualBench-Oberfläche wirkt so wesentlich ruhiger und ist damit vor allem besser für die Präsentation mit Beamern geeignet. Auch fehlt die Möglichkeit, die Breite der Messgraphen oder deren Signalfarben (vgl. LTSpice) zu verändern (Bild 6). Bild 6: Alternatives Farbschema 132

5 Ein kompaktes Elektroniklabor Hardware-Test Der Funktionsgenerator Das Ausgangssignal wird über Schieblehre oder Zahlenwerte konfiguriert. Die Schieblehre wird im symmetrischen oder asymmetrischen Modus bedient (Bild 7). Bild 7: Schieblehren-Modi des Signalgenerators Der Funktionsgenerator wird zur ersten Messung mit dem Analogeingang verbunden (Bild 8). Bild 8: Der Signalgenerator wird mit dem analogen Eingang verbunden. Das Autosetup löst ein 5-V-20-MHz-Eingangssinussignal unmittelbar mit 80 mv Linienbreite auf. 133

6 Constantin Tomaras Bild 9: 20-MHz-Sinuseingangssignal mit 5 V Amplitude Bei Sinussignalen unter 50 Hz versagt das Autosetup, das Signal kann schnell mit Anpassung der Zeitskala über das Scrollrad der Maus wiedergefunden werden (Bild 9). Gegenüber der Steuerung gewöhnlicher Benchtop -Oszilloskope ist das sehr intuitiv. Formal unterstützt der Funktionsgenerator Rechteckssignale bis zu 5 MHz. Ein 10-kHz-Rechtecksignal geht einwandfrei, ab 100 khz wird eine Schwingung bemerkbar, die an der Bandkante noch akzeptabel ist (Bild 10). Bild 10: 100-kHz-Rechteckssignal des VirtualBench-Signalgenerators 134

7 Ein kompaktes Elektroniklabor Bild 11: Rechteckssignal an der Leistungsgrenze (5 MHz) des Signalgenerators Die Güte des Plateaus spielt beim Rechteckssignal ohnehin eine untergeordnete Rolle, technisch relevant ist vor allem die Anstiegszeit (Bild 11). Bei 5 MHz Rechteck mit 5 V Amplitude beträgt die Anstiegszeit 4,5705 ns (Bild 12). Bild 12: Die Messung der 0,1-0,9-Anstiegszeit eines 5-MHz-Rechteckssignal der VirtualBench ergibt 4,5705 ns. 135

8 Constantin Tomaras Für einen digitalen Generator mit 20 MHz Bandbreite ist das ein sehr guter Wert: Messung mit identischen Signalparametern am Rigol-DG4102-Signalgenerator (100 MHz Bandbreite 500 MS/s) mit dem VirtualBench-Oszilloskop ergibt 3,9033 ns Anstiegszeit (Bild 13). Bild 13: Die Messung der 0,1-0,9-Anstiegszeit eines 5-MHz-Rechteckssignals beim Rigol-DG4102- Signalgenerator (100 MHz Sinusbandbreite, 500 MS/s) ergibt 3,9 ns. Die Möglichkeit, beliebige Signalverläufe über eine txt-datei in den Generator einzugeben, ist sehr komfortabel: Wer die Antwort seiner Schaltung auf ein spezifisches Störsignal untersuchen möchte, kann den Signalverlauf in einer Mathematik-Umgebung (z. B. Mathematica, Maple, GNU Scientific Library) auf dem selben Rechner erstellen und an die VirtualBench übergeben. Mischsignal-Oszilloskop Zur Evaluierung des Mischsignal-Oszilloskops wurde der analoge Oszilloskopeingang mit dem Rigol DG4102-Generator (100 MHz, 500 GS/s) verbunden (Bild 14). Bild 14: Das VirtualBench-Oszilloskop wird mit dem Rigol-DG4102-Signalgenerator validiert. 136

9 Ein kompaktes Elektroniklabor Im empfindlichsten Bereich misst der analoge Eingang 5 mv pro Kästchen. Ein mit 1 khz weit von der Bandkante entferntes Sinussignal von 1 mv Amplitude kann bei 64 Mittelwerten ohne Weiteres aufgelöst werden (Bild 15). Bild 15: Mit 64 Samples kann ein 1-mV-Sinussignal (1 khz) anstandslos aufgelöst werden! Auch an der Grenze des Signalgenerators (100 MHz) ist das 1-mV-Signal bei 128 Mittelwerten klar erkennbar. Mit der Nachleuchtfunktion (hier eine Minute Nachleuchten) wird die Messpräzision verifiziert (Bild 16). Bild 16: Auch an der Bandgrenze des Rigol DG4102 (100 MHz) arbeiten beide Geräte einwandfrei. (Signalaufnahme unter einer Minute Nachleuchten). 137

10 Constantin Tomaras Ein 5-mV-10-MHz-Rechteckssignal kann mit 256 Mittelwerten aufgelöst werden (Bild 17). Bild 17: Oszilloskopmessung eines 5-mV-10-MHz-Rechteckssignals der Quelle Rigol DG4102 Das 1-mV-1-MHz-Rechteckssignal ist bei 128 Mittelwerten leicht verschoben (Bild 18). Bild 18: Oszilloskopmessung eines 1-MHz-1-mV-Rechteckssignals der Quelle Rigol DG4102 Die FFT-Funktion funktioniert einwandfrei, allerdings kann die Skala nur über das Untermenü konfiguriert werden, was ein wenig Zeit in Anspruch nimmt (Bild 19 und 20). 138

11 Ein kompaktes Elektroniklabor Bild 19: Schnelle Fouriertransformation mit der VirtualBench. Bild 20: Schnelle Fouriertransformation mit der VirtualBench Ohne BNC-Kopplung des internen Frequenzgenerators und des Oszilloskops war auch bei kleinen Frequenzen kein Rauschen auffindbar. Die Funktion der Digitalkanäle veranschaulicht das National Instruments Demoboard (Bild 21). Ein analoges Eingangssignal wird darauf digitalisiert und phasenverschoben über unterschiedliche Kanäle ausgegeben. 139

12 Constantin Tomaras Bild 21: Volles Analysepotenzial der VirtualBench Mit simultaner Überwachung aller Kanäle kann der softwareseitige Fehler auf dem Board in der Signalverarbeitung identifiziert werden (Bild 22 und 23). Bild 22: Fehlersuche in der digitalen Kommunikation des Prüflings 140

13 Ein kompaktes Elektroniklabor Bild 23: Die simultane Darstellung der Analog- und Digitalsignale erleichtert die Fehlerfindung wesentlich. Digitales Multimeter Das digitale Multimeter nach Cat-II-Standard mit 5,5 Stellen Genauigkeit arbeitet einwandfrei. Die Strom- und Spannungs-Messbereiche reichen von 10 ma bis 10 A und von 100 mv bis 300 V, somit können theoretisch noch 1 µa und 10 mv erfasst werden. Die automatische Widerstandsmessung und Durchlassprüfung gelingt tadellos. Bild 24: VirtualBench unterhält einen 5,5-Stellen-CAT-II-Multimeter. Auch beim Multimeter profitiert der Anwender sehr vom vereinheitlichten Interface (Bild 24). Im selben Blickfeld können das Zeitverhalten des Prüflings und die mit dem Multimeter geprüften Eigenschaften beobachtet werden (alle Messgenauigkeiten [1]. 141

14 Constantin Tomaras Digitale I/O Die Digitale Ein- und Ausgabe dient der Maschinenkommunikation. Zur Steuerung über bsp. GPIO-Befehle sollte die VirtualBench besser in LabVIEW eingebunden werden. Die Schaltzeit der digitalen I/O ist auf dem Oszilloskop nicht darstellbar. Zusammenfassung Wer gerade kein Elektroniklabor hat, darf ohne schlechtes Gewissen zur VirtualBench greifen. Für Kleinleistungsanwendungen bis 50 Watt, die sich auf die MHz-Frequenzskala beschränken, enthält die VirtualBench sämtliche relevanten Ein- und Ausgabegeräte. Die Vereinheitlichung in ein beamergroßes Gehäuse, auf eine einzige "Plug&Play"-Oberfläche, ist gleichsam benutzerfreundlich wie arbeitseffektiv. VirtualBench lässt sich über verschiedene Wege bedienen: schnell und intuitiv ohne Softwareinstallation von jedem Windows- PC, über eine App auf dem ipad, oder mittels API über LabVIEW. Mit LabVIEW werden benutzerdefinierte Anpassungen der Oberfläche oder Funktionalität realisiert. Literatur [1] [2] Erstveröffentlichung des Beitrags: C. Tomaras: Ein kompaktes Elektroniklabor. In: Design&Elektronik H. 1/2017, S [3] ein-kompaktes-elektroniklabor html [4] Alle Bilder: ct/weka Fachmedien GmbH 142