Was spricht für die Oszilloskope von NI?

Inhalt

Übersicht

Herkömmliche Stand-alone-Oszilloskope sind auf die Anforderungen von Entwicklungsingenieuren abgestimmt, die diese Messgeräte vor allem interaktiv nutzen und Eigenschaften wie der Zeitspanne bis zum ersten Messeinsatz, Visualisierung des Signalverlaufs sowie Anbindung an vielfältige Sonden Priorität geben. Zwar weiten neuere Stand-alone-Oszilloskope diese Anwendungsoptionen durch weitere Funktionen wie höhere Bandbreite und schlüsselfertige Software zur Analyse von Busprotokollen aus, doch eignen sie sich nur selten für die Anforderungen von Ingenieuren, die automatisierte Prüfsysteme oder Messsysteme mit großer Kanalanzahl und hoher Geschwindigkeit erstellen. Diese Ingenieure müssen große Datensätze in automatisierter Form erfassen und analysieren und in der Regel priorisieren sie Aspekte wie die Integration anderer Messgeräte, Größe, Programmiererfahrung und Datendurchsatz oder Ausführungszeit. Aufgrund dieser sehr speziellen Anforderungen tendieren viele Anwender in Richtung einer modularen Plattform, die ihnen die Messleistung herkömmlicher Stand-alone-Oszilloskope in einem Formfaktor bietet, der für ihre Anwendung optimiert ist.

 

NI bietet das größte Sortiment an modularen Oszilloskopen innerhalb der PXI-Plattform. Dadurch lassen sich Systeme hinsichtlich Kosten, Kanaldichte, Messauflösung oder Abtastrate optimieren. In Abbildung 1 sind Abtastrate und Auflösung verschiedener Oszilloskope von NI dargestellt. Die blauen Punkte stehen für die softwaredefinierten Oszilloskope, die mithilfe des Messgerätetreibers NI-SCOPE programmiert wurden. Die gelben Punkte stellen die FPGA-basierten Oszilloskope dar, die die RIO Architecture (rekonfigurierbare I/O) nutzen.

 

Abb. 1: Oszilloskope von NI sind in verschiedenen Kombinationen von Auflösung und Abtastrate verfügbar.

 

Abbildung 2 liefert Details zu einigen Spezifikationen der Oszilloskope, die oben durch die blauen Punkte repräsentiert werden. Diese Oszilloskope stellen die Messfähigkeiten bereit, die Anwender von einem herkömmlichen Messgerät erwarten, etwa wählbare Eingangsbereiche, Eingangskopplung und Impedanz, Filter sowie rückführbare Kalibrierung. Sie unterstützen darüber hinaus Soft-Frontpanel und werden mit Gerätetreibern programmiert, die vorgefertigte Funktionen beinhalten, sodass gängige Oszilloskopmessungen wie Anstiegszeit, Frequenz und Impulsdauer möglich sind oder sie definieren die Funktionalität über die Software.

Abb. 2: Anwender können aus einem umfangreichen Portfolio an Oszilloskopen wählen.

 

Die FPGA-basierten Oszilloskope, die als gelbe Punkte in Abbildung 1 darstellt sind, verbinden eine hohe Abtastrate mit einem anwenderprogrammierbaren FPGA, sodass sie sich besonders für die Onboard-Signalverarbeitung, die Echtzeitanalyse und die Implementierung benutzerdefinierter Trigger eignen.

 

Abb. 3: Die Ein- und Ausgänge können durch Austauschen des Adaptermoduls an die jeweilige Anwendung angepasst werden.

 

NI stellt Anwendern eine breite Palette von Oszilloskopen auf PXI-Basis und FPGA-basierten Oszilloskopen bereit, die für automatisierte Prüfsysteme mit hoher Kanalanzahl und Mixed-Signal-Tests konzipiert wurden. Zwar unterscheiden sich die Spezifikationen für hohe Auflösungen und hohe Geschwindigkeiten, doch haben Oszilloskope von NI etliche gemeinsame Merkmale, die sie für diese Anwendungen besonders auszeichnen. Dazu gehören:
 

  • eine hohe Integration und Synchronisation mit anderen Messgeräten
  • die Möglichkeit, große Datenmengen zu speichern und zu übertragen
  • eine hohe Kanaldichte
  • benutzerdefinierte Triggerung und Onboard-Signalverarbeitung
  • eine umfangreiche Software zur zügigen Durchführung von Messungen, Programmierung und Fehlerbehandlung

 

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Synchronisation und Integration für Mixed-Signal-Systeme oder Systeme mit hoher Kanalanzahl

Mixed-Signal-Systeme bestehen aus vielen verschiedenen Komponenten, darunter Signalquellen, Messgeräte und Schaltmodule. Oszilloskope von NI auf PXI-Basis erlauben eine hohe Integration und Synchronisation mit anderen Messgeräten, indem sie Vorteile der PXI-Plattform mit patentierten NI-Technologien verbinden. Mit einem PXI-System und modularen Messgeräten von NI können Anwender nicht nur ein umfassendes Prüfsystem in einem einzigen, kompakten PXI-Chassis erstellen, sondern auch die Messqualität und Reproduzierbarkeit gewährleisten, denn die im Chassis befindlichen Module können mit einer Genauigkeit von Picosekunden synchronisiert werden.

 

 

Abb. 4: Für die PXI-Plattform sind zahlreiche modulare Messgeräte verfügbar.

 

Durch Synchronisation können Zeitbasis und Trigger mehrerer Messgeräte desselben Typs zum Zweck der Kanalerweiterung aufeinander abgestimmt oder die Ein- und Ausgänge verschiedener Messgeräte eng korreliert werden. Grundlegende Synchronisationsmethoden beinhalten die gemeinsame Nutzung von Triggern und Sample-Takten. Die erweiterte Synchronisation umfasst das Abgleichen mehrerer Sample-Takte unterschiedlicher Geschwindigkeiten und das Anpassen von Phasenverschiebungen zwischen Takten und Triggern. Die PXI-Architektur eignet sich für einige dieser Herausforderungen, da sie Trigger und Sample-Takte gleichmäßig über die Backplane des PXI-Chassis verteilt (siehe Abbildung 5).

 

Abb. 5: Die PXI-Express-Backplane vereinfacht Timing und Synchronisation.

 

Des Weiteren verfügen Oszilloskope von NI über die sogenannte SMC-Technologie (Synchronisation and Memory Core), die auch von Messgeräten wie Signalgeneratoren und Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O genutzt wird. Diese patentierte Technologie setzt ein separates Taktdomänensignal ein, um so das Auslösen und Empfangen von Triggern zwischen verschiedenen Messgeräten sowie eine Synchronisation mit der Genauigkeit von einigen zehn Picosekunden zu ermöglichen. Dieser Trigger, Trigger Clock (TClk) genannt, sorgt für eine erheblich bessere Leistung als die bloße Verknüpfung des Sample-Takts mit dem 10-MHz-Referenztakt.

 

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Hoher Datendurchsatz

Im Zusammenhang mit der effizienten und genauen Prüfung von Produkten entstehen Unternehmen erhebliche Unkosten. Neben den anfänglichen Ausgaben für die Prüfausstattung haben auch Faktoren wie die Prüfzeiten einen großen Einfluss auf die Prüfkosten. Obwohl jede Anwendung einzigartig ist und spezielle Anforderungen stellt, haben automatisierte Prüfsysteme immer einige Gemeinsamkeiten. Bandbreite und Latenz sind zwei der wichtigsten Faktoren für ein automatisiertes Prüfsystem, da ihre Kombination die Gesamtgeschwindigkeit des Messsystems vorgibt.

 

Abb. 6: Busbandbreite und Latenz gängiger Messgerätebusse

 

Latenz bezeichnet die Zeit, die ein Gerät braucht, um auf einen dezentralen Befehl, z. B. eine Messanfrage, zu reagieren. Die Bandbreite bezieht sich hauptsächlich auf die Durchsatzkapazität des Datenbusses, der das Messgerät mit dem Host-PC oder Controller verbindet. Verfügt der Bus über eine hohe Bandbreite, führt das zu kürzeren Prüfzeiten, gleichgültig ob die Anwendung eine große Datenaufzeichnung auf einmal oder kleinere Datenaufzeichnungen mehrmals hintereinander übertragen muss. Die PXI-Plattform, auf der Hochgeschwindigkeits-Oszilloskope von NI aufbauen, bietet über den PCI- und PCI-Express-Bus hohe Geschwindigkeiten für eine große Auswahl von Anwendungen mit hoher Bandbreite sowie geringer Latenz. PXI Express, eine auf dem PCI-Express-Bus beruhende Version von PXI, erzielt je nach Chassis und Controller einen Systemdurchsatz von mehreren GB/s. Die Durchsatzraten von PXI und PXI Express sind wesentlich höher als die von GPIB, USB, LAN und anderen gängigen Bussen für automatisierte Prüfsysteme (Tabelle 1).

 

Tab. 1: Datenübertragungsraten des NI PXIe-5185/86 im Vergleich zu einem über Gigabit-Ethernet gesteuerten LXI-kompatiblen Oszilloskop

 

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Kompaktheit

Oszilloskope von NI auf PXI-Basis sind kompakter als herkömmliche Stand-alone-Messgeräte am Prüfplatz. Mit ihnen lassen sich automatisierte Mixed-Signal-Prüfsysteme mit einer Größe erstellen, die nur einem Bruchteil der Prüfgeräte für die Rackmontage entspricht. Ein Prüfsystem mit geringen Abmessungen spart wertvollen Platz in Produktionsbereichen sowie in Charakterisierungslaboren und vereinfacht durch geringeres Gewicht und geringere Größe den Transport. Oft werden sogar die Kosten der Anlagen und erforderliche Testinfrastrukturen geringer ausfallen, da auch die Anforderungen an die Energieversorgung und Kühlung herabgesetzt werden.

 

Abb. 7: Oszilloskope von NI und weitere Messgeräte lassen sich zu kompakten automatisierten Prüfsystemen kombinieren.

 

Die Kanaldichte bei Oszilloskopen ist besonders dann wichtig, wenn Daten von mehr als vier Kanälen gleichzeitig erfasst werden, denn bei den meisten herkömmlichen Stand-alone-Oszilloskopen liegt das Maximum bei vier Kanälen. Da letztere für Laboranwendungen mit geringer Kanalanzahl ausgelegt sind, verfügen sie über viele Drehknöpfe und große Anzeigen für das Erfassen und Darstellen von Daten. Durch den Platz, den die Frontpanels dieser Messgeräte beanspruchen, sind sie für die Kombination zu einem System mit höherer Kanalanzahl eher ungeeignet.

 

PXI-Oszilloskope verfügen nicht über redundante Komponenten wie einzelne Anzeigen, große Drehknöpfe, Netzgeräte und Lüfter, die typischerweise mit einem traditionellen Messgerät assoziiert werden. Verarbeitung, Datenübertragung, Kühlung und Leistungsversorgung werden vom PXI-Chassis und -Controller übernommen. Der Anwender steuert das Messgerät über Software und die Daten werden auf einem alleinstehenden Monitor angezeigt. Mit der PXI-Plattform und Oszilloskopen von NI können Anwender Systeme mit bis zu 136 Kanälen in einem einzigen 4-HE-PXI-Chassis (19") erstellen.

 

Abb. 8: Bis zu 68 oder 136 Oszilloskopkanäle in einem einzigen PXI-Chassis (19", 4 HE)

 

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Softwaredesignte Messgeräte

Der Großteil heutiger Prüfgeräte verfügt über FPGAs mit festgelegter Firmware, über welche die Funktionen des Geräts implementiert wurden. Die softwaredesignten Oszilloskope von NI bieten einen offenen FPGA, mit dem Anwender komplexe Algorithmen auf dem Messgerät ausführen können. Dadurch reduziert sich die an den Host zu übertragende Datenmenge deutlich. Dieses Beispiel zeigt, wie eine Anwendung zu entwerfen ist, die gängige Berechnungen (SFDR, SNR und SINAD) auf dem FPGA des Geräts durchführen kann.

 

Abb. 9: Das FPGA-Blockdiagramm veranschaulicht die Architektur für die Berechnung von SFDR, SNR und SINAD auf dem FPGA.

 

Der Abschnitt zum Thema hoher Datendurchsatz bezieht sich sowohl auf höhere Bandbreite als auch geringere Latenz. Die Vorteile sind noch viel deutlicher beim Einsatz der offenen FPGA-Architektur, wie sie die softwaredesignten Oszilloskope definieren. Ein besonderes Merkmal der NI-FlexRIO-FPGA-Module für PXI Express besteht darin, dass sie Daten zwischen mehreren Modulen mit Raten von 3 GB/s übertragen können, ohne dass Daten zurück an den Host-Prozessor gesendet werden müssen. Bis zu 16 solcher Datenstreams werden unterstützt, was die komplexe Kommunikation zwischen mehreren FPGAs erleichtert, ohne die CPU-Ressourcen des Hosts zu belasten. Weitere Informationen zu dieser Technologie bietet das Whitepaper Einführung in das Peer-to-Peer-Datenstreaming.

 

Abb. 10: Als Bestandteil eines Prüfgeräts kann ein offener FPGA für mehr Funktionalität sorgen, etwa Triggerung und Nachbearbeitung.

 

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Programmierung des Messgeräts

Häufig wird übersehen, dass ein Oszilloskop auch Software bietet, mit der das Gerät für automatisierte Mess- und Prüfanwendungen gesteuert und programmiert werden kann. Das kann ein entscheidendes Versehen sein, da Software stark mit der Entwicklungszeit der Anwendung zusammenhängt. Oszilloskope von NI bieten eine Vielzahl von Softwarewerkzeugen, mit denen die Produktivität gesteigert werden kann. Anwender können Daten zügig erfassen, Anwendungen auf Fehler untersuchen, die Datenerfassung automatisieren und eine Synchronisation mit anderen Messgeräten ausführen.

 

Erste Schritte mit dem Soft-Frontpanel NI-SCOPE

Dieses interaktive Programm ähnelt der Anzeige eines herkömmlichen Oszilloskops und bietet damit eine leicht zu handhabende Benutzeroberfläche. Es gewährt Anwendern nicht nur Zugriff auf die grundlegenden Funktionen aller Oszilloskope von NI, sondern stellt auch Echtzeitmessungen sowie die Fähigkeit bereit, Daten zur Nachverarbeitung und Analyse in eine Datei zu speichern. Dank dieser Oberfläche kann problemlos innerhalb weniger Sekunden mit der Durchführung von Messungen mit einem Oszilloskop von NI begonnen werden.

 

Abb. 11: Mithilfe des Soft-Frontpanels NI-SCOPE Messungen zügig durchführen

 

Programmierung mit dem Treiber NI-SCOPE und Beispielprogrammen

Um die gesamte Leistung eines PC-basierten Messgeräts ausschöpfen zu können, muss sein Verhalten programmatisch definiert und gesteuert werden. Alle Oszilloskope von NI können über den Messgerätetreiber NI-SCOPE gesteuert werden, der sowohl High-Level-Funktionen für die schnelle Inbetriebnahme als auch maschinennahe Steuerung für den Zugriff auf alle Funktionen eines Oszilloskops zur Verfügung stellt. Des Weiteren beinhaltet der Treiber über 50 vorgefertigte Beispielprogramme, die vermitteln, wie die komplette Funktionalität jedes Oszilloskops von NI optimal genutzt werden kann. Der Messgerätetreiber NI-SCOPE erlaubt Zugriff über eine Reihe von Programmiersprachen, darunter G in LabVIEW, C++ und Visual Basic. Programmierbeispiele stehen für alle diese Sprachen bereit.

 

Abb. 12: Ein benutzerdefiniertes Programm mit dem Treiber NI-SCOPE erstellen

 

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Synchronisation mit NI-TClk

Die Synchronisation mehrerer Geräte ist eine Schlüsselanforderung vieler Anwendungen, welche die Softwareentwicklungszeit oftmals in die Länge zieht. Oszilloskope von NI, die auf der SMC-Architektur basieren, können jedoch NI-TClk nutzen, um genaue Synchronisation mit minimaler Entwicklung zu erzielen. NI-TClk bietet eine High-Level-Schnittstelle zur Programmierung der Synchronisation mehrerer Oszilloskope von NI, Signalgeneratoren und High-Speed-Digital-I/O-Geräte. Darüber hinaus stehen vielfältige fertige Beispiele für die Durchführung dieser Art von Synchronisation zur Verfügung, welche die Inbetriebnahme noch weiter vereinfachen. Unten werden die drei Funktionen gezeigt (niTClk Configure for Homogeneous Triggers, niTClk Synchronize, niTClk Initiate), die für die Durchführung einer homogenen Synchronisationen von mehreren PXI-Oszilloskopen benötigt werden, die in der LabVIEW-Umgebung programmiert wurden.

 

Abb. 13: Synchronisation der Oszilloskope von NI mithilfe von drei Funktionen in LabVIEW oder LabWindows™/CVI

 

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Produktiver arbeiten mit Oszilloskopen

Oszilloskope von NI bieten die Messleistung herkömmlicher Stand-alone-Oszilloskope in einem Formfaktor, der für automatisierte Prüfanwendungen und Anwendungen mit hoher Kanalanzahl optimiert wurde. Mit Oszilloskopen auf PXI-Basis und FPGA-basierten Oszilloskopen können Anwender ihr System im Hinblick auf Dichte, Auflösung, Bandbreite und Abtastrate optimieren. Darüber hinaus bieten softwaredesignte Messgeräte einen bislang unerreichten Grad an Flexibilität, indem sie es ermöglichen, das Messgeräte mithilfe des LabVIEW FPGA Module benutzerdefiniert anzupassen. Oszilloskope von NI stellen nicht nur einsatzfertige Softwarewerkzeuge zur zügigen Durchführung von Messungen und zur Fehlerbehandlung von Anwendungen bereit, sondern ermöglichen auch das Erstellen vollständig automatisierter Testprogramme sowie das Implementieren benutzerdefinierter Algorithmen auf der Hardware. Sie bieten die optimale Kombination aus Hard- und Software zum produktiveren Entwickeln automatisierter Prüfsysteme und Systeme mit hoher Kanalanzahl.

 

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Nächste Schritte

 

 

 

 

The mark LabWindows is used under a license from Microsoft Corporation. Windows is a registered trademark of Microsoft Corporation in the United States and other countries.

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