Architektur des PXIe-4081 FlexDMM mit 7 ½ Stellen

NI stellte das erste PXI FlexDMM im Jahr 2002 vor. Dieses Produkt bot Ingenieuren eine Lösung für die Herausforderungen, die herkömmliche Präzisionsinstrumente mit sich bringen – begrenzter Messdurchsatz und Flexibilität. Das FlexDMM half dabei, diese Herausforderungen zu meistern, indem es einen Messdurchsatz lieferte, der es mit höher auflösenden Digitalmultimetern (DMMs) aufnehmen kann, die oft mehrere tausend Dollar mehr kosten. NI hat die FlexDMM-Architektur seit ihrer Veröffentlichung kontinuierlich weiterentwickelt:

• Verdoppelung des Durchsatzes des schnellsten Messmodus
• Hinzufügen eines isolierten Hochspannungs-Digitizer-Modus mit 1,8 MS/s
• Veröffentlichung einer PCI-Version des PXI-4070
• Veröffentlichung des PXIe-4082 FlexDMM mit 6½ Stellen und LCR-Messgerät

Die neueste Innovation ist das NI PXIe-4081 7½-stellige FlexDMM. Das PXIe-4081 FlexDMM bietet eine Genauigkeit und Auflösung von 26 Bit, was eine 10-mal höhere Auflösung und eine um bis zu 60 Prozent höhere Genauigkeit als bei den bisherigen FlexDMM-Geräten bedeutet. Der PXIe-4081 bietet außerdem extrem weite Messbereiche, wie in Tabelle 1 dargestellt, sodass Sie Gleichspannungen von ±10 nV bis 1000 V, Ströme von ±1 pA bis 3 A und Widerstände von 10 µΩ bis 5 GΩ messen sowie Frequenz-/Perioden- und Diodenmessungen durchführen können. Das FlexDMM verfügt über einen isolierten Digitizer-Modus, in dem Sie DC-gekoppelte Signalverläufe mit Abtastraten von bis zu 1,8 MS/s in allen Spannungs- und Strommodi erfassen können. Dieses Dokument enthält einen detaillierten Vergleich der Analog-Digital-Wandler (ADCs) und Architekturen von FlexDMM und herkömmlichen DMMs.

Tabelle 1: FlexDMM-Eingangsvergleich

¹ Nur PXIe-4082. Erwägen Sie PXI-LCR-Messgeräte für weitere Optionen zum Messen von Induktivität und Kapazität.

Bei herkömmlichen DMMs liegt der Schwerpunkt in der Regel auf der Auflösung und Präzision und nicht auf der Fähigkeit, hohe Geschwindigkeiten zu erfassen. Natürlich gibt es eine gewisse Einschränkung bei der Rauschleistung im Vergleich zur Geschwindigkeit, was eine Funktion der grundlegenden Physik ist. Das Johnson'sche thermische Rauschen eines Widerstands ist ein Beispiel für eine theoretische Grenze, und die Halbleitertechnologie setzt einige praktische Grenzen. Aber es stehen Ihnen noch viele andere Optionen zur Verfügung, mit denen Sie die höchstmögliche Messleistung erzielen können. 

Einige spezialisierte hochauflösende DMMs locken mit einer höheren Auflösung und etwas höheren Geschwindigkeiten, aber sie sind sehr teuer – fast 8.000 USD – und nur in Full-Rack-Konfigurationen erhältlich, die viel Platz im System oder auf dem Prüfstand beanspruchen.
Eine weitere Geschwindigkeitsbeschränkung für DMMs wird durch die traditionelle Hardware-Plattform verursacht – den GPIB (IEEE 488) Schnittstellenbus. Diese Schnittstelle, die seit den 1970er Jahren verwendet wird, gilt oft als Standard, obwohl sie Kompromisse bei Geschwindigkeit, Flexibilität und Kosten eingeht. Die meisten herkömmlichen „Box“-DMMs verwenden diese Schnittstelle, obwohl alternative Schnittstellenstandards wie USB und Ethernet inzwischen als Option für herkömmliche DMMs erhältlich sind. Alle diese Schnittstellen kommunizieren mit dem DMM, indem sie Nachrichten an das Gerät senden und auf eine Antwort warten. Das ist von Natur aus langsamer als der registerbasierte Zugriff, der in den modularen PXI-Messgeräten verwendet wird.

Selbst bei den ersten Versuchen, von der GPIB-Schnittstelle wegzukommen, liegt die grundlegende Einschränkung bei DMMs in Bezug auf Geschwindigkeit und Präzision weiterhin bei den in diesen Produkten verwendeten A/D-Wandler. Um die verwendeten Technologien besser zu verstehen, müssen Sie genauer untersuchen, was sie in Bezug auf die Leistung bieten.

Dual-Slope A/D-Wandler-Technologie

Aus historischer Sicht ist eine der ältesten, aber häufigsten Formen der Präzisions-A/D-Wandlung der Dual-Slope-A/D-Wandler. Diese Technik ist seit den 1950er Jahren weit verbreitet. Es handelt sich im Wesentlichen um einen zweistufigen Prozess. Zunächst wird eine Eingangsspannung (die das zu messende Signal darstellt) in einen Strom umgewandelt und über das Schaltmodul S₁ an den Eingang eines Integrators angelegt. Wenn der Integrator mit dem Eingang verbunden ist (zu Beginn des Integrationszyklus oder der Apertur), läuft der Integrator bis zum Ende des Integrationszyklus oder der Apertur hoch, und zu diesem Zeitpunkt wird der Eingang vom Integrator getrennt. Jetzt wird ein präziser, bekannter Referenzstrom über das Schaltmodul S₂ an den Integrator angeschlossen und der Integrator wird heruntergefahren, bis er den Nullpunkt erreicht. Während dieser Zeit misst ein hochauflösender Zähler die Zeit, die der Integrator braucht, um vom Startpunkt herunterzufahren. Diese gemessene Zeit, relativ zur Integrationszeit und Referenz, ist proportional zur Amplitude des Eingangssignals. Siehe Abbildung 1.

Abbildung 1: Dual-Slope-Wandler Blockdiagramm

Diese Technik wird auch heute noch in vielen hochauflösenden DMMs verwendet. Sie bietet den Vorteil der Einfachheit und Präzision. Mit langen Integrationszeiten können Sie die Auflösung bis an die theoretischen Grenzen heran steigern. Die folgenden Einschränkungen beeinträchtigen jedoch letztlich die Leistung des Produkts:

• Die dielektrische Absorption des Integratorkondensators muss kompensiert werden, selbst bei hochwertigen Integratorkondensatoren, was komplizierte Kalibrierungsverfahren erfordern kann.
• Das Signal muss ein- und ausgeschaltet werden, ebenso wie die Referenz. Dieser Prozess kann zu einer Ladungsinjektion in das Eingangssignal führen. Die Ladungsinjektion kann eingangsabhängige Fehler (Nichtlinearität) verursachen, die bei sehr hohen Auflösungen (6½ Stellen oder mehr) schwer zu kompensieren sind.
• Die Auslaufzeit verschlechtert die Geschwindigkeit der Messung erheblich. Je schneller die Rampe herunterläuft, desto größer sind die Fehler, die durch Komparatorverzögerungen, Ladungsinjektion usw. entstehen.

Einige Topologien verwenden eine Transkonduktanzstufe vor dem Integrator, um die Spannung in einen Strom umzuwandeln, und verwenden dann „Stromsteuerungs“-Netzwerke, um die Ladungsinjektion zu minimieren. Leider führt dieser zusätzliche Schritt zu mehr Komplexität und möglichen Fehlern.

Trotz dieser konstruktiven Einschränkungen wurden Dual-Slope-Wandler in einer Vielzahl von DMMs eingesetzt, von den gängigsten Tools für den Labor- oder Außendienst bis hin zu hochpräzisen, messtechnisch hochwertigen DMMs mit hoher Auflösung. Wie die meisten integrierenden A/D-Techniken haben sie den Vorteil, dass sie eine recht gute Rauschunterdrückung bieten. Die Einstellung der Integrationsperiode auf ein Vielfaches von 1/PLC (Netzfrequenz) bewirkt, dass der A/D das Netzfrequenzrauschen unterdrückt – ein wünschenswertes Ergebnis.

Ladungsausgleich mit Auslauf-ADC-Technologie

Viele Hersteller überwinden die dielektrische Absorption und die Geschwindigkeitsprobleme, die mit Dual-Slope-Wandlern verbunden sind, indem sie die A/D-Technik mit Ladungsausgleich und Auslauf verwenden. Diese Technik ähnelt im Grunde der Dual Slope, wendet aber das Referenzsignal in quantisierten Schritten während des Integrationszyklus an. Dies wird manchmal als „Modulation“ bezeichnet. Jedes Inkrement steht für eine feste Anzahl von Endzählungen. Siehe Abbildung 2.

Abbildung 2: Blockdiagramm des Ladungsbilanzwandlers

Während dieser Integrationsphase, die in Abbildung 2 durch t_Öffnung dargestellt wird, wird S₁ eingeschaltet und V_x wird über R₁ angelegt, wodurch die Integrationsrampe beginnt. In regelmäßigen Abständen wird über die Schaltmodule S₂ und S₃ ein Gegenstrom angelegt. Dadurch wird die Ladung auf C₁ „ausgeglichen“. Jedes Mal, wenn S₅ an V_R angeschlossen wird, werden Messwerte erzeugt. Bei Messungen mit höherer Auflösung (längere Integrationszeiten) werden die meisten Zählungen während dieser t_Öffnungsphase erzeugt. Am Ende der Ladungsausgleichsphase wird ein Präzisionsreferenzstrom an den Integrator angelegt, wie dies auch beim Dual-Slope-Wandler der Fall ist. Der Integrator wird also heruntergefahren, bis er den Nullpunkt erreicht. Die Messung wird aus den während der Integration akkumulierten Zählungen berechnet und zu den gewichteten Zählungen addiert, die während des Rampdowns akkumuliert wurden. Die Hersteller verwenden zwei oder mehr Ramp-Down-Referenzen, was zu schnellen Ramp-Downs führt, um die Geschwindigkeit zu optimieren, und dann zu langsameren „letzten Steigung“ für die Präzision.

Obwohl Sie die dielektrischen Absorptionsprobleme Ihres Integratorkondensators mit dem Ladungsausgleich mit Auslauf-A/D erheblich verbessern können, bietet er ähnliche Leistungsvorteile wie der Dual-Slope-Wandler. (Tatsächlich verwenden einige Dual-Slope-Konverter mehrere Auslauf-Steigungen.) Die Geschwindigkeit wird stark verbessert, da die Anzahl der während der Ladeausgleichsphase erzeugten Zählungen die Bedeutung eines Auflauffehlers verringert, sodass das Auslaufen viel schneller sein kann. Wenn Sie mehrere Messungen durchführen oder ein Signal digitalisieren, bleibt jedoch immer noch eine erhebliche Totzeit, da der Integrator deaktiviert und erneut aktiviert wird.

Diese Art von A/D-Wandler, die seit den 1970er Jahren kommerziell verwendet wird, hat sich erheblich weiterentwickelt. In früheren Versionen wurde ein Modulator verwendet, der dem eines Spannungs-Frequenz-Wandlers ähnelte. Sie litten unter Linearitätsproblemen, die durch frequenzabhängige parasitäre Effekte verursacht wurden, und waren daher in der Umwandlungsgeschwindigkeit begrenzt. Mitte der 1980er Jahre wurde die Technik verfeinert, um einen „Konstantfrequenz“-Modulator zu integrieren, der noch heute weit verbreitet ist. Dadurch wurden sowohl die ultimative Leistung als auch die Herstellbarkeit dieser Konverter erheblich verbessert.

Sigma-Delta-Wandler-Technologie

Sigma-Delta-Wandler, oder rauschformende A/D-Wandler, haben historische Wurzeln in der Telekommunikation. Heute wird diese Technik weitgehend als Grundlage für kommerziell erhältliche A/D-Bausteine verwendet, die von mehreren Herstellern produziert werden. In den letzten zehn Jahren hat sich in diesem Bereich eine bedeutende Entwicklung vollzogen (angetrieben durch den wachsenden Bedarf an Konvertierung mit hohem Dynamikbereich im Audio- und Telekommunikationsbereich), und die Forschung ist noch nicht abgeschlossen. Einige modulare DMMs (PXI(e), PCI(e) und VXI) verwenden heute Sigma-Delta-A/D-Wandler als Herzstück des Erfassungssystems. Sie werden auch häufig verwendet, um Signale zu digitalisieren:

• Dynamische Signalanalyse (DSA)
• Kommerzielle und private Audio- und Sprachdienste
• Physikalische Parameter wie Vibration, Dehnung und Temperatur, bei denen eine Digitalisierung mit mittlerer Bandbreite ausreichend ist

Ein grundlegendes Diagramm eines Sigma-Delta-Wandlers ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3. Blockdiagramm des Sigma-Delta-Konverters

Die grundlegenden Bausteine eines Sigma-Delta-Wandlers sind der Integrator oder die Integratoren, der Ein-Bit-A/D-Wandler und der D/A-Wandler (Digital-Analog-Wandler) sowie der digitale Filter. Sie führen die Rauschformung durch, indem Sie die Integratorstufen und das digitale Filterdesign kombinieren. Sie haben zahlreiche Techniken, um diese Blöcke umzusetzen. Es gibt unterschiedliche Philosophien über die optimale Anzahl der Integratorstufen, die Anzahl der digitalen Filterstufen, die Anzahl der Bits in den A/D- und D/A-Wandlern und so weiter. Die grundlegenden operativen Bausteine bleiben jedoch im Wesentlichen dieselben. Ein Modulator, der aus einer ladungsausgleichenden Ein-Bit-Rückkopplungsschleife besteht, ähnelt dem oben beschriebenen. Der Ein-Bit-A/D-Wandler weist aufgrund seiner inhärenten Präzision und Monotonie den Weg zu einer sehr guten Linearität.

Die Verwendung handelsüblicher Sigma-Delta-Wandler bietet viele Vorteile:

• Sie sind ziemlich linear und bieten eine gute differentielle Nichtlinearität (DNL)
• Sie können das Signalrauschen sehr effektiv kontrollieren
• Sie sind von Haus aus selbstabtastend und nachführend (keine Abtasthaltekreis-Schaltung erforderlich)
• Sie sind im Allgemeinen kostengünstig

Allerdings gibt es einige Einschränkungen bei der Verwendung von handelsüblichen Sigma-Delta-A/D-Wandlern in hochauflösenden DMMs:

• Geschwindigkeitseinschränkungen, insbesondere bei Scan-Anwendungen, aufgrund von Pipeline-Verzögerungen durch den digitalen Filter
• Obwohl in der Regel linear und rauscharm, begrenzen die Herstellerangaben die Genauigkeit auf 5½ Stellen (19 Bit).
• Modulations-„Töne“ können in das Durchlassband eindringen und bei hohen Auflösungen Probleme verursachen
• Begrenzte Kontrolle über den Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Rauschen, Erfassungszeit usw.

Der FlexADC ist das Rückgrat der NI FlexDMM Familie (PXIe-4080, PXIe-4081, PXIe-4082). Der FlexADC bietet das Rauschen, die Linearität, die Geschwindigkeit und die Flexibilität, die für Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsmessungen erforderlich sind. Der FlexADC, der in Abbildung 4 dargestellt ist, basiert auf einer Kombination aus handelsüblicher Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandler-Technologie und einem speziell entwickelten Sigma-Delta-Wandler. Diese Kombination optimiert Linearität und Rauschen für eine Genauigkeit und Stabilität von bis zu 7½ Stellen und bietet gleichzeitig Abtastraten des Digitalisierers von bis zu 1,8 MS/s.

Abbildung 4: FlexADC-Konverter

Im Blockdiagramm in Abbildung 4 ist ein vereinfachtes Modell der Funktionsweise des FlexADC dargestellt. Bei niedrigen Geschwindigkeiten nutzt die Schaltung die Vorteile des Sigma-Delta-Wandlers. Der Rückführungs-D/A-Wandler ist für extrem geringes Rauschen und außergewöhnliche Linearität ausgelegt. Der Tiefpassfilter sorgt für die Rauschformung, die für eine effektive Leistung bei allen Auflösungen erforderlich ist. Es ist kein Ramp Down erforderlich, da der ultrapräzise 1,8 MS/s Modulator eine extrem hochauflösende Konvertierung ohne Auslaufen ermöglicht. Bei hohen Geschwindigkeiten sorgt der Modulator mit 1,8 MS/s in Kombination mit dem schnell abtastenden A/D-Wandler für eine kontinuierliche Abtastung der Digitalisierungsdaten. Der digitale Signalprozessor (DSP) sorgt für die Sequenzierung in Echtzeit, die Kalibrierung, die Linearisierung, die AC True-RMS-Berechnung, die Dezimierung sowie die gewichtete Rauschfilterung, die für die DC-Funktionen verwendet wird.

Der FlexADC hat mehrere Vorteile:

• Die einzigartige Architektur des FlexDMM bietet eine stufenlos einstellbare Leserate von 7 S/s bei 7½ Ziffern bis 10 kS/s bei 4½ Ziffern, wie in Abbildung 5 gezeigt.
• Sie können den FlexADC als Digitizer mit einer Abtastrate von bis zu 1,8 MS/s betreiben.
• Aufgrund des kundenspezifischen Sigma-Delta-Modulators wurden die Rauschformung und die digitale Filterung für den Einsatz in DMM- und Digitizer-Anwendungen optimiert.
• Im Gegensatz zu anderen A/D-Wandler-Umwandlungstechniken ist es nicht erforderlich, das Eingangssignal ein- und auszuschalten. So können Sie eine kontinuierliche, zusammenhängende Signalerfassung erreichen.
• Sie können eine direkte ACV-Umwandlung und Frequenzgangkalibrierung ohne die Verwendung eines herkömmlichen analogen AC-Trms-Wandlers und analoger „Trimmer“ zur Verstärkungsverlaufkorrektur durchführen.
• Sie können das Eingangssignalrauschen bei allen Funktionen mit geeigneten Rauschformungsalgorithmen erheblich reduzieren (siehe DC-Rauschunterdrückung).
• Sobald Sie die Signale digitalisiert haben, können Sie mit der NI LabVIEW-Software erweiterte Host-basierte Funktionen implementieren, was zu einer schier endlosen Liste von Signalcharakterisierungsoptionen führt (schnelle Fourier-Transformation, Berechnung von Impedanzen, AC-Crest-Faktor, Spitzenwert, AC-Durchschnitt usw.).

Abbildung 5: FlexDMM DC-Leseraten

In Tabelle 2 werden alle vier dieser A/D-Wandler-Architekturen miteinander verglichen.

Tabelle 2: Vergleich der A/D-Wandler-Architektur

Alle FlexDMMs verfügen über einige der stabilsten verfügbaren geräteeigenen Referenzen. Als Bezugsspannung verwendet das FlexDMM eine bekannte, ausgewählte, thermisch stabilisierte Referenz, die eine unübertroffene Leistung auf dem Markt bietet. Daraus ergibt sich ein maximaler Referenztemperaturkoeffizient von weniger als 0,3 ppm/ºC. Die Zeitstabilität dieses Geräts liegt in der Größenordnung von 8 ppm/Jahr. Kein anderes DMM in dieser Preisklasse bietet diese Referenzquelle und die damit einhergehende Stabilität. Aus diesem Grund bietet das FlexDMM eine zweijährige Genauigkeitsgarantie.

Widerstandsfunktionen beziehen sich auf einen einzigen hochstabilisierten 10-kΩ-Metallfolienwiderstand, der ursprünglich für anspruchsvolle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt entwickelt wurde. Diese Komponente hat einen garantierten Temperaturkoeffizienten von weniger als 0,8 ppm/ºC und eine Zeitstabilität von weniger als 25 ppm/Jahr.

Solid-State-Eingangssignalkonditionierung

Eine Hauptquelle für Messfehler bei den meisten herkömmlichen DMMs ist die elektromechanische Relaisumschaltung. Kontaktinduzierte thermische Spannungsoffsets können Instabilität und Drift verursachen. Die FlexDMM-Geräte eliminieren bis auf ein Relais im DCV-, ACV- und Widerstandspfad alle anderen. Eine spezielle Relaiskontaktkonfiguration hebt die thermischen Fehler in diesem einzelnen Relais auf. Dieses Relais wird nur während der Selbstkalibrierung geschaltet. Alle messtechnischen Umschaltungen zur Funktions- und Bereichsumschaltung erfolgen mit niederthermischer, hochzuverlässiger Halbleiterschaltung. Somit werden elektromechanische Relaisabnutzungsausfälle so gut wie eliminiert. Abbildung 6 zeigt eine Übernacht-Driftleistung des empfindlichsten Bereichs, des 100-mV-Bereichs. Jede Teilung beträgt 500 nV. Zum Vergleich ist in Abbildung 6 dieselbe Messung unter identischen Bedingungen mit einem herkömmlichen 6½-stelligen DMM und einem 8½-stelligen Full-Rack-DMM dargestellt.

Abbildung 6. Kurve mit FlexDMM (unten) 100 mV Bereichsstabilität bei kurzgeschlossenem Eingang im Vergleich zu einem herkömmlichen DMM (oben) – 500 nV/Division

Linearität

Die Linearität ist ein Maß für die „Qualität“ einer DMM-Übertragungsfunktion. Bei Anwendungen zur Charakterisierung von Umwandlungskomponenten ist es wichtig, eine DNL- und INL-Leistung (integrale Nichtlinearität) zu bieten, die wesentlich besser ist als die von handelsüblichen A/D-Wandler. Der FlexADC ist für hervorragende Linearität ausgelegt, sowohl DNL als auch INL. Die Linearität ist auch wichtig, weil sie die Wiederholbarkeit der Selbstkalibrierungsfunktion bestimmt. Im Diagramm in Abbildung 7 ist eine typische FlexDMM-Linearitätskurve dargestellt, die im 10-V-Bereich von -10 bis +10 V gemessen wurde.

Abbildung 7. Linearität des 10-VDC-Bereichs

Herkömmliche 6½- und 7½-stellige DMMs werden bei einer bestimmten Temperatur kalibriert, und diese Kalibrierung wird über einen begrenzten Temperaturbereich charakterisiert und spezifiziert, normalerweise ±5 ºC (oder in einigen Fällen sogar ±1 ºC). Wenn das DMM daher außerhalb dieses Temperaturbereichs verwendet wird, müssen seine Genauigkeitsspezifikationen um einen Temperaturkoeffizienten herabgesetzt werden, normalerweise in der Größenordnung von 10 Prozent der Genauigkeitsspezifikation/ºC. Bei 10 ºC außerhalb dieses angegebenen Bereichs können Sie also den doppelten angegebenen Messfehler haben, was ein ernstes Problem sein kann, wenn absolute Genauigkeit wichtig ist.

Wenn die Temperaturschwankungen diese Grenzen überschreiten und strenge Spezifikationen erforderlich sind, ist auch eine Neukalibrierung bei der neuen Temperatur erforderlich. Nehmen Sie zum Beispiel den 10-VDC-Bereich bei herkömmlichen 7½-stelligen DMMs. Ein DMM kann folgende Genauigkeit aufweisen:

Zwei-Jahres-Genauigkeit: (12 ppm Messwert + 0,5 ppm Bereich) für T = ±5 ºC von T_selfcal

Wenn Sie bei dieser Spezifikation 5 V an den Eingang anlegen, der zum Lesen eines 10-V-Bereichs programmiert ist, lautet der Fehler:

12 ppm von 5 V + 0,5 ppm von 10 V = 10 µV, für den durch die Temperatur bei der letzten Selbstkalibrierung bestimmten Temperaturbereich.

Gewährleistung der Präzision auf PPM-Niveau

Um durch diese Effekte verursachte Fehler zu mindern, enthalten alle FlexDMM-Geräte eine proprietäre Selbstkalibrierungsfunktion für Volt Gleichstrom (VDC), Widerstand, Diode und Digitizer-Modus. Diese Funktion ist aus folgenden Gründen von Bedeutung:

1. Die Selbstkalibrierungsfunktion korrigiert alle Signalpfad-Verstärkungs- und Offset-Fehler innerhalb des DMM zurück zu der zuvor beschriebenen präzisen, hochstabilen internen Spannungsreferenz.

2. Die Selbstkalibrierung berücksichtigt alle Widerstandsstromquellen-, Verstärkungs- und Offsetfehler. Beim Widerstand werden alle Fehler auf den einzelnen internen 10-kW-Präzisionswiderstand zurückkorrigiert.

3. Die Selbstkalibrierung dauert eine Minute und kalibriert alle Bereiche von Spannung, Widerstand und Digitizer-Funktionen vollständig neu. Bei herkömmlichen DMMs sind mehr als 10 Minuten erforderlich, um diese Funktion auszuführen.

Das Ergebnis ist ein hochpräzises, ultrastabiles DMM bei jeder Betriebstemperatur, weit außerhalb der herkömmlichen 18 bis 28 °C, mit Selbstkalibrierung. Für das obige Beispiel wäre der zusätzliche Fehler, der durch den Temperaturkoeffizienten unter Verwendung der Selbstkalibrierung eingeführt wird, vollständig in den 90-Tage- und Zwei-Jahres-Spezifikationen abgedeckt und würde wie folgt lauten:

tempco = (0,3 ppm des Messwerts + 0,01 ppm des Bereichs)/ºC, dann ist der zusätzliche Fehler:

22 ºC x tempco = (6,6 ppm des Messwerts + 0,22 ppm des Bereichs) oder 35,2 µV Gesamtunsicherheit. Dieser Fehler bei 50 ºC Umgebungstemperatur ist fast viermal schlimmer als die angegebene Ein-Jahres-Genauigkeit.

Dies stellt eine enorme Verbesserung der Genauigkeit über den gesamten Betriebstemperaturbereich des FlexDMM dar. In Tabelle 3 sind diese Ergebnisse zusammengefasst.

Tisch 3. Beispiel Zusammenfassung – Unsicherheitsanalyse, Messung von 5 V auf 10 V Bereich

Beachten Sie, dass die Verwendung des FlexDMM mit Selbstkalibrierung eine Genauigkeit von 50 ºC bietet, die mehr als siebenmal besser ist als bei herkömmlichen Methoden. In Tabelle 4 wird die Selbstkalibrierung mit der traditionellen „Werkskalibrierung“ verglichen.

Tabelle 4: Kalibrierungsvergleich

Es wurden keine Kompromisse eingegangen, um eine hochstabile DC- und AC-Spannungsfunktion der Metrologieklasse anzubieten. Mehrere Faktoren tragen dazu bei, dass FlexDMM diese Leistung erreicht:

• Die Verfügbarkeit und Qualität von oberflächenmontierbaren Hochleistungs-Präzisionskomponenten im Miniaturformat hat sich in den letzten 10 Jahren erheblich verbessert
• Kleinere, dicht angeordnete elektronische Gehäuse verbessern tatsächlich die Leistung, insbesondere die thermische Verfolgung zwischen Präzisionskomponenten
• Die Verwendung von FlexADC und DSP für die ACV-Berechnung und Frequenzgangkalibrierung vereinfacht die Aufbereitung des Eingangssignals in einen gemeinsamen Pfad, wodurch Komponenten, Komplexität und Schaltung reduziert werden
• Das Fehlen eines „Front-Rear“-Schaltmoduls (üblich bei Box-DMMs) vereinfacht das Eingangslayout, reduziert den Widerstand des kritischen Signalpfads der Schaltung und verbessert die Signalintegrität
• Die Stromversorgung, eine übliche Komponente in einem PXI-Systemchassis, nimmt keinen Platz auf dem Messmodul ein

Hochspannungsarchitektur

Mit dem NI PXI-4071 können Sie Effektivwerte von 1000 VDC und 700 VAC bei CAT-I-Pegeln messen. Um 1000 V in einem ultrakleinen PXI-Modul genau zu messen, müssen Sie den Komponentendurchbruch, den Spannungsabstand, das Dämpfungsdesign und die Einschränkungen der Verlustleistung in der Front-End-Schaltung berücksichtigen.

Einzelner 10-MΩ-Eingangsdämpfungsglied

Traditionell verwenden DMMs sowohl 1-MΩ- als auch 10-MΩ-Dämpfungsglieder in ihren Front-End-Signalkonditionierungsschaltungen. Ein 1-MΩ-Dämpfungsglied verbraucht mehr als 0,5 W, wenn es zur Bereitstellung der Signalkonditionierung für ein 700-VAC-Signal verwendet wird. Dies ist eine schwierige Anforderung für eine Miniatur-Präzisionskomponente. Die Kontrolle von durch Temperaturkoeffizienten verursachten Fehlern ist selbst für eine physisch große Komponente eine Herausforderung. Deshalb sollte die Notwendigkeit eines 1-MΩ-Dämpfungsglieds vermieden werden. Ein weiterer wichtiger Grund, warum 1-MΩ-Dämpfungsglieder in herkömmlichen DMMs verwendet werden, ist die große AC-Bandbreite. Herkömmliche 10-MΩ-Dämpfungsglieder können nicht das gleiche Niveau der AC-Bandbreite erreichen wie 1 MΩ-Dämpfungsglieder.

Das PXIe-4081 FlexDMM verfügt über ein innovatives skaliertes Bootstrap-Design, um die Dämpfungsgliedkapazität zu nullen, die traditionell die Breitbandleistung behindert. Dieser in Abbildung 8 gezeigte Bootstrap ist so konzipiert und sorgfältig ausgelegt, dass die Streukapazität, die den 100-kΩ-Dämpfungsgliedzweig des Eingangsdämpfungsnetzwerks RN belastet, minimiert wird. Mit dem Hinzufügen des skalierten Bootstrap, der durch R1-R4, C1 und U1 gebildet wird, wird eine flache Sprungantwort sichergestellt. Am wichtigsten ist, dass die erreichte charakteristische Reaktion sehr nahe an der eines einpoligen RC liegt, was für Digitalisierer und DC-Sprungantwort wichtig ist.

Abbildung 8: PXI-4071 Skalierter Bootstrap

Zweitens verwendet der PXIe-4081 die digitale AC-DSP-Verstärkungsverlaufkorrektur, um die Restdämpfungsgliedflachheit ohne die Verwendung von Kompensationskondensatoren zu kompensieren. Diese beiden Kompensationstechniken liefern eine Verbesserung um eine Größenordnung gegenüber dem, was ansonsten möglich wäre, vorausgesetzt, dass das einzelne Dämpfungsglied in der Lage ist, AC-_Effektivwert-, Präzisions-DC- und Digitizer-Signale durchzulassen.

Komponentenaufschlüsselung und Spannungsabstand

Einer der größten Bedrohungen für Hochspannungsmessungen ist der Ausfall des Bereichsumschalters (Relais). Traditionell werden in DMMs-Hochspannungsrelais verwendet. Das Schalten von Hochspannungsrelais und eine hohe Zuverlässigkeit lassen sich nicht einfach in einem Gehäuse zusammen erzielen, geschweige denn in einem miniaturisierten Gehäuse.

Um diese beiden Anforderungen zu erfüllen, implementiert der PXIe-4081 einen neuartigen, neuen Halbleiterbaustein für die Bereichsauswahl, der weit über 1000 V im ausgeschalteten Zustand standhalten kann. Dieses Gerät hat mit keinem der traditionellen Zuverlässigkeitsprobleme elektromechanischer Relais zu kämpfen, da es keine Kontakte gibt, die durch das Schalten von Hochspannung beschädigt werden könnten. Die Kontaktlebensdauer ist zudem nicht begrenzt. Der sekundäre Vorteil der Solid-State-Eingangssignalkonditionierung ist die hervorragende Wärmeleistung bei niedrigem Gleichstrom, eine unerhörte Kombination in einem 1000-V-DMM, das derzeit für weniger als 5.000 USD erhältlich ist.

Durch die Umstellung auf Festkörper-Hochspannungsschaltungen, die Eliminierung der Notwendigkeit eines 1-MOhm-Teilers und die Verwendung von DSP zur Eliminierung von Kalibrierungskomponenten können Sie die Anforderungen an den Spannungsabstand mit der erhöhten Verfügbarkeit von Platinenoberfläche und Bulk-Bereich erfüllen. Sie können das Layout jetzt anpassen, um die CAT I-Anforderungen für 1000-V-PXI-Instrumentierung zu erfüllen.

DC-Rauschunterdrückung

DC-Rauschunterdrückung ist eine exklusive NI-Funktion, die für DC-Messungen auf allen FlexDMM-Geräten verfügbar ist. Jeder vom FlexDMM zurückgegebene DC-Messwert ist eigentlich das mathematische Ergebnis mehrerer Hochgeschwindigkeits-Abtastungen. Durch Anpassen der relativen Gewichtung dieser Samples können Sie die Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Störfrequenzen anpassen. Es stehen drei verschiedene Gewichtungen zur Verfügung – normal, zweiter Ordnung und hoher Ordnung.

Normal

Wenn Sie normale DC-Rauschunterdrückung wählen, werden alle Samples gleich gewichtet. Dieses Verfahren emuliert das Verhalten der meisten herkömmlichen DMMs und bietet eine gute Unterdrückung von Frequenzen bei Vielfachen von f₀, wobei f₀ = 1/t_Öffnung, die für die Messung gewählte Öffnungszeit. In Abbildung 9 ist die normale Gewichtung und die daraus resultierende Rauschunterdrückung als Funktion der Frequenz dargestellt. Beachten Sie, dass eine gute Zurückweisung nur in der Nähe von Vielfachen von f₀ erreicht wird.

Abbildung 9: Normale DC-Rauschunterdrückung

Zweiter Ordnung

Für die Unterdrückung von DC-Rauschen zweiter Ordnung wird eine Dreiecksgewichtung auf die Messwerte angewendet, wie in Abbildung 10 dargestellt. Beachten Sie, dass in der Nähe von geraden Vielfachen von f₀ eine sehr gute Unterdrückung erzielt wird und dass die Unterdrückung mit der Frequenz schneller zunimmt als bei einer normalen Gewichtung der Proben. Beachten Sie auch, dass die Ansprechkerben breiter sind als bei normaler Gewichtung, was zu einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber leichten Schwankungen der Rauschfrequenz führt. Sie können die DC-Rauschunterdrückung zweiter Ordnung verwenden, wenn Sie eine bessere Unterdrückung von Leitungsrauschen benötigen, als Sie mit der normalen DC-Rauschunterdrückung erreichen können, aber Sie können es sich nicht leisten, langsam genug abzutasten, um die Vorteile der Rauschunterdrückung hoher Ordnung zu nutzen. Sie können die Blende zum Beispiel auf 33,333 ms für eine Netzfrequenz von 60 Hz einstellen.

Abbildung 10: Unterdrückung von DC-Rauschen zweiter Ordnung

Höhere Ordnung

Abbildung 11 zeigt die Gewichtung von Samples hoher Ordnung und die daraus resultierende Rauschunterdrückung als Funktion der Frequenz. Beachten Sie, dass die Rauschunterdrückung ab etwa 4f₀ gut und oberhalb von 4,5f₀ ausgezeichnet ist. Durch die Verwendung von DC-Rauschunterdrückung höherer Ordnung erreichen Sie bei jeder Frequenz über 4,6f₀ nahezu keine Empfindlichkeit gegenüber Rauschen. Ein FlexDMM mit DC-Rauschunterdrückung hoher Ordnung und einer Apertur von 100 ms (10 Messungen/s) kann bei jeder Frequenz über 46 Hz volle 6½-stellige Genauigkeit bei mehr als 1 V störendem Netzrauschen im 10-V-Bereich liefern. Dies entspricht einer Normalmodenunterdrückung von >110 dB und ist unempfindlich gegenüber Schwankungen der Netzfrequenz.

Abbildung 11: DC-Rauschunterdrückung hoher Ordnung

In Tabelle 5 sind die Unterschiede zwischen den drei Einstellungen zur Unterdrückung von DC-Rauschen zusammengefasst.

Tabelle 5. DC-Rauschunterdrückungseinstellungen

Wechselspannungsmessungen

AC-Signale werden in der Regel durch die Effektivwert-Amplitude charakterisiert, die ein Maß für ihre Gesamtenergie ist. RMS steht für root-mean-square (Effektivwert). Um den Effektivwert eines Signalverlaufs zu berechnen, müssen Sie die Quadratwurzel aus dem Mittelwert des Quadrats des Signalpegels ziehen. Obwohl die meisten DMMs diese nichtlineare Signalverarbeitung im analogen Bereich durchführen, verwendet das FlexDMM einen integrierten DSP, um den Effektivwert aus digitalisierten Abtastwerten des AC-Signalverlaufs zu berechnen. Das Ergebnis sind leise, genaue und schnell einschwingende AC-Messungen. Der digitale Algorithmus unterdrückt automatisch die Gleichstromkomponente des Signals, sodass der langsam abklingende Eingangskondensator umgangen werden kann. Zur Messung kleiner Wechselspannungen bei großen Gleichspannungsanteilen, wie z. B. der Restwelligkeit einer Gleichstromversorgung, bietet das FlexDMM den Standard-Wechselspannungsmodus, bei dem der Koppelkondensator den Offset eliminiert und das FlexDMM den empfindlichsten Bereich verwendet.

Der vom FlexDMM verwendete Effektivwert-Algorithmus benötigt nur vier Perioden (Kreisläufe) des Signalverlaufs, um einen ruhigen Messwert zu erhalten. So ist zum Beispiel eine Messöffnung von   ms erforderlich, um eine Sinuswelle von 1 kHz genau zu messen. Der Vorteil dieser Technik erstreckt sich auch auf die Systemleistung. Bei herkömmlichen DMMs müssen Sie warten, bis sich ein analoger Trms-Wandler einpendelt, bevor Sie eine Messung durchführen. Mit dem FlexDMM müssen Sie sich nicht mit einem Trms-Konverter abfinden. Das Ergebnis sind schnellere AC-Leseraten, und dieser Vorteil wird in Systemen mit Umschaltung realisiert.

Der digitale Ansatz zur Effektivwertberechnung bietet auch Vorteile bei der Genauigkeit. Der Algorithmus ist völlig unempfindlich gegenüber dem Scheitelfaktor und kann außergewöhnlich ruhige und stabile Messwerte liefern. Das FlexDMM garantiert eine AC-Genauigkeit von bis zu 1 Prozent des Skalenendwerts anstelle der 10 Prozent des Skalenendwerts, die herkömmliche DMMs bieten, und selbst unter 0,1 Prozent des Skalenendwerts sind brauchbare Messwerte möglich.

Die Erweiterung des dynamischen Bereichs für DMM-Strommessungen ist eine Voraussetzung, um der wachsenden Kundennachfrage nachzukommen. Am oberen Ende müssen Sie möglicherweise die Leistung von Batterien, Schaltkreisen oder elektromechanischen Geräten überwachen. Die integrierten elektronischen Geräte von heute benötigen mehr Strom. Daher steigt der Bedarf, diese Geräte bei Pegeln von mehr als 1 A zu testen oder zu charakterisieren. Am unteren Ende der Skala können viele Anwendungen, wie z. B. die „Aus“-Charakteristik von Halbleitergeräten, Mikroampere- oder Nanoampere-Werte aufweisen.

Der PXIe-4081 erfüllt beide Anforderungen, indem er eine neuartige Halbleiter-Strommesskonfiguration implementiert, die acht DC-Strombereiche von 1 µA bis 3 A und sechs AC-_{Effektivstrom}bereiche von 100 µA bis 3 A bietet. Der 1 µA-Bereich bietet eine Empfindlichkeit von bis zu 1 pA oder 10 ^-12 A. Die Bereitstellung beider Extreme erfordert einen einzigartigen Schaltungsentwurf. Die Herausforderungen des Hochspannungs- oder Stromüberlastungsschutzes und der Messung geringer Leckagen haben sich bisher gegenseitig ausgeschlossen. Beim FlexDMM kommt ein einzigartiger Designansatz zur Anwendung, der in Abbildung 12 dargestellt ist. Diese stark vereinfachte Abbildung zeigt drei der fünf Strombereiche, die im PXI-4071 verwendet werden.

Abbildung 12: Vereinfachte PXI-4071 Stromsignalaufbereitung

Die durchgängige Verwendung von Halbleitergeräten für die Strombereichsauswahl sorgt für höhere Zuverlässigkeit und besseren Schutz auf kleinem Raum. Darüber hinaus kommen zwei der Strombereichsauswahlvorrichtungen – Q3 und Q4 – bei Überlast zum Einsatz und schützen so die hochstabilen strommessenden Widerstände und bieten Robustheit für die anspruchsvollsten Anwendungen.

Das PXIe-4081 FlexDMM ist außerdem in der Lage, DC-gekoppelte Signalverläufe bis zu 1000 VDC und 700 VAC (1000 V_p) Eingang bei einer maximalen Abtastrate von 1,8 MS/s zu erfassen. Sie können die Auflösung des Digitalisierers von 10 bis 26 Bit variieren, indem Sie einfach die Abtastrate ändern. Mit der isolierten Digitalisierer-Fähigkeit kann das FlexDMM die Gesamtkosten des Testsystems minimieren, da der Kauf eines separaten Digitalisierers entfällt und die Größe der Testvorrichtung sowie die Wartungskosten reduziert werden.

Durch die Kombination der grafischen Entwicklungssoftware LabVIEW mit dem isolierten Digitalisiermodus des FlexDMM können Sie Transienten und andere nicht wiederkehrende Hochspannungs-Wechselstrom-Signalverläufe sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich analysieren. Kein anderes hochauflösendes DMM bietet diese Fähigkeit.

Eine gängige Anwendung in der Automobilindustrie ist zum Beispiel die Messung der Rücklaufspannung an einer Zündspule. Die Zündspule, welche die hohen Spannungen erzeugt, mit denen die Zündkerzen im Motor angetrieben werden, besteht aus einer Primärspule und einer Sekundärspule. Die Sekundärspule hat in der Regel viel mehr Drahtwindungen als die Primärspule, da das Windungsverhältnis mal der an die Primärspule angelegten Spannung die Ausgangsspannung bestimmt. Wenn der Strom plötzlich abgeschaltet wird, induziert der Zusammenbruch des Magnetfelds eine große Spannung (+20.000 V) auf der Sekundärspule. Diese Spannung wird dann an die Zündkerzen weitergeleitet.

Da die Spannungen an der Sekundärspule so hoch sind, werden die Tests eigentlich an der Primärspule durchgeführt. Die Flyback-Signalverlauf liegt normalerweise in der Größenordnung von 10 µs mit einer Spitzenspannung von 40 bis 400 V, je nach Zündspule. Die üblichen Messungen, die an diesem Signalverlauf vorgenommen werden, sind Spitzenzündspannung, Verweilzeit und Brenndauer. Mithilfe des FlexDMM-Digitalisierers und der LabVIEW-Analysefunktionen können Sie ein Flyback-Spannungsmesssystem aufbauen.

Vorteile eines isolierten Digitalisierers

Mit der Isolierung können Sie eine kleine Spannung in Gegenwart eines großen Gleichtaktsignals sicher messen. Die drei Vorteile der Isolation lauten:

• Verbesserte Unterdrückung – Die Isolierung erhöht die Fähigkeit des Messsystems, Gleichtaktspannungen zu unterdrücken. Gleichtaktspannung ist das Signal, das sowohl am positiven als auch am negativen Eingang eines Messgeräts anliegt, aber nicht Teil des zu messenden Signals ist. Zum Beispiel beträgt die Gleichtaktspannung einer Brennstoffzelle oft mehrere hundert Volt.
• Verbesserte Sicherheit – Die Isolierung schafft eine Isolationsbarriere, sodass Sie erdfreie Messungen durchführen können und gleichzeitig vor großen transienten Spannungsspitzen geschützt sind. Ein ordnungsgemäß isolierter Messkreis kann im Allgemeinen Spannungsspitzen von mehr als 2 kV standhalten.
• Verbesserte Genauigkeit – Die Isolierung verbessert die Messgenauigkeit, da Masseschleifen physisch verhindert werden. Erdungsschleifen, eine häufige Fehler- und Rauschquelle, sind das Ergebnis eines Messsystems mit mehreren Erdungen auf unterschiedlichen Potenzialen.

Das FlexDMM verfügt über eine ganze Reihe von Funktionen zur Widerstandsmessung. Es bietet sowohl 2- als auch 4-Draht-Widerstandsmessungen. Die 4-Draht-Technik wird verwendet, wenn lange Messkabel und Schaltvorgänge zu Widerstandsabweichungen in den Messleitungen führen, welche die Messung von niedrigen Widerständen erschweren. Es gibt jedoch Situationen, in denen Offset-Spannungen erhebliche Fehler verursachen.

Offset-kompensierter Ohm-Wert
Für diese Situationen bietet das FlexDMM Offset-kompensierte Widerstandsmessungen, die unempfindlich gegenüber Offset-Spannungen sind, die in vielen Widerstandsmessanwendungen vorkommen:

1. Schaltsysteme, die unkompensierte Reed-Relais verwenden (unkompensierte Reed-Relais können Offset-Spannungen von mehr als 10 µV aufweisen, die durch das an der Glasdichtung des Geräts verwendete Kovar-Leitungsmaterial verursacht werden)
2. In-Schaltung-Widerstandsmessungen (z. B. Messung des Widerstands von Stromversorgungsleitern, während der zu testende Stromkreis unter Spannung steht)
3. Messung des Quellwiderstands von Batterien, des dynamischen Widerstands von vorgespannten Dioden und so weiter

Im obigen Fall 1 wird ein Testsystem oft mit Schaltungen gebaut, die für andere Aufgaben als Widerstandsmessungen optimiert sind. Zum Beispiel sind Reed-Relais wegen ihrer vorhersehbaren Impedanzcharakteristik und hohen Zuverlässigkeit in RF-Testsystemen weit verbreitet. In einem solchen System möchten Sie vielleicht auch die Widerstände der zu testenden Geräte messen, und die Reed-Relais sind vielleicht schon im System vorhanden.

In Fall 2 wäre ein Beispiel die Messung des Widerstands einer Stromversorgungsleitung bei eingeschaltetem Strom. (Hinweis: Bei der Durchführung dieser Tests müssen Sie sehr vorsichtig vorgehen). Nehmen Sie an, der Widerstand liegt im Bereich von 10 mΩ. Wenn 100 mA durch diesen Widerstand fließen, beträgt der Spannungsabfall:

Ein DMM ohne Offset-Kompensation im 100er-Bereich interpretiert dies als 1 Ω, weil es denkt, dass diese Spannung von seiner internen 1-mA-Stromquelle erzeugt wird, die durch den Draht fließt, den Sie messen. Er kann den Unterschied nicht erkennen. Wenn das FlexDMM und die Offsetkompensation aktiviert sind, wird der Offset von 1 mV unterschieden und zurückgewiesen, und der korrekte Widerstandswert wird zurückgegeben. 

Abbildung 13. Erster Zyklus mit Strom EIN-Abbildung             Abbildung 14. Zweiter Kreislauf mit Strom AUS

Diese Messung umfasst zwei Kreisläufe. Einer wird mit eingeschalteter Stromquelle gemessen, wie in Abbildung 13 gezeigt. Die zweite ist mit ausgeschalteter Stromquelle, wie in Abbildung 14 gezeigt. Das Nettoergebnis ist die Differenz zwischen den beiden Messungen. Da die Offsetspannung in beiden Zyklen vorhanden ist, wird sie abgezogen und fließt nicht in die Widerstandsberechnung ein, wie unten gezeigt.

V_OCO = V_M1 - V_M2 = (I_SR_X + V_THERMAL) - V_THERMAL = I_SR_X

deshalb:

R_X = V_OCO/I_S

NI hat das leistungsstarke 3U PXI-4081 FlexDMM mit einem Steckplatz entwickelt, das auf seiner FlexADC-Technologie basiert. Viele der traditionell fehleranfälligen analogen Funktionen herkömmlicher DMMs wurden durch den Einsatz eines handelsüblichen Hochgeschwindigkeits-Digitalisierer der DSP-Technologie und der Leistung des Host-Computers ersetzt. Die Selbstkalibrierung bietet optimale Genauigkeit über den gesamten Betriebstemperaturbereich von 0 bis 55 ºC mit einem Kalibrierungszyklus von zwei Jahren. Kombiniert mit hochstabilen eingebauten Referenzelementen ist das Ergebnis das schnellste und genaueste PXI-DMM der Welt, mit kompromisslosen Funktionen und einer Leistung, die mit den meisten herkömmlichen DMMs konkurriert und diese sogar übertrifft.