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3-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik Die Nadel im

Messtechnik Die Nadel im Heuhaufen finden – zuverlässig und in Echtzeit Mit jeder Generation werden elektronische Systeme in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie der Konsumelektronik komplexer, vereinen mehr Schnittstellen in einem System und tauschen mehr Daten und Signale aus. Auf der einen Seite steigen dadurch die Anforderungen an Testsysteme, während auf der anderen Seite die Testzeiten und Testkosten gesenkt werden müssen. Eine wichtige Aufgabe in der Entwicklung und Fertigung ist das Aufspüren von fehlerhaften Signalen. Hierbei spielen die Trigger-Funktionen von Oszilloskopen eine zentrale Rolle, denn sie erlauben es, ein fehlerhaftes Signal in einem Strom von einwandfreien Signalen zu identifizieren. Anwender wünschen sich zunehmend flexiblere Trigger-Funktionen, um Effekte aufzuspüren, die nur unter speziellen Bedingungen auftreten. Außerdem sollten Trigger-Bedingungen möglichst schnell, das heißt ohne Totzeit, erkannt werden, um Testzeiten zu minimieren. Lesen Sie in diesem Artikel, wie diese Herausforderungen durch FPGAs in Messgeräten überwunden werden, indem benutzerdefinierte Algorithmen in Messgeräten die erfassten Daten in Echtzeit analysieren. Triggerfunktionen in traditionellen Oszilloskopen Aktuelle Oszilloskope bieten, neben Standardfunktionen wie Edge-, Hysterese-, und Window-Trigger, eine Vielzahl an weiteren Trigger-Möglichkeiten, Christian Gindorf Senior Product Manager für Oszilloskope National Instruments, Austin, Texas. www.ni.com Bild 1: Erfassung von Waveform-Paketen in traditionellen Oszilloskopen mit Totzeit zwischen den Paketen, in denen Trigger-Bedingungen unentdeckt bleiben. beispielsweise das Erkennen von Pulsbreiten (PWM, Glitch) oder auch Dateninhalte auf seriellen Schnittstellen wie I2C, SPI oder NFC. Entweder sind diese Funktionen vom Hersteller fest in ein Instrument integriert oder als Zusatzpaket verfügbar. Eine Möglichkeit für Anwender, eigene Algorithmen in Oszilloskope zu integrieren oder spezielle Funktionen von externen Quellen (Drittanbieter) einzubinden ist allerdings nicht bekannt. Die beschriebene Architektur basiert meist auf Software- Algorithmen, die auf Embedded- CPUs ausgeführt werden. Daher können die beschriebenen Trigger-Funktionen nicht in Echtzeit auf erfasste Daten angewendet werden, denn auch leistungsfähige CPUs sind nicht in der Lage, Datenströme von mehreren GSample/s zu verarbeiten, wie sie in Oszilloskopen üblich sind. Deshalb arbeiten Oszilloskope typischerweise, indem sie die erfassten Signale in Paketen, sogenannten Waveforms, von einigen tausend Samples verarbeiten und Samples zwischen diesen Paketen auslassen. Dies kann dazu führen, dass Trigger- Bedingungen verpasst werden, weil sie nicht zufällig in ein solches Paket gefallen sind. Dies kann wiederum zu längeren Testzeiten führen oder zu der Situation, dass fehlerhafte Signale Bild 2: Rekonfigurierbares Oszilloskop PXIe-5171R mit acht Kanälen, 250 MHz Bandbreite und einer Auflösung von 14 bit überhaupt nicht gefunden werden können. Einführung in softwaredesignte Messgeräte Seit vielen Jahren nutzen Ingenieure Softwarewerkzeuge wie LabVIEW, um die Funktionen von traditionellen Messgeräten zu erweitern und in Testsysteme zu integrieren. Dieser Ansatz ist flexibel und kann neueste PC-Technologie für die Signalverarbeitung nutzen, aber auch Prozessoren der neuesten Generation sind nicht in der Lage Datenmengen von Oszilloskopen in Echtzeit zu verarbeiten. Seit mehreren Jahren allerdings wird die FPGA-Technologie immer leistungsfähiger. FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) sind programmierbare Logikschaltkreise, welche – anders als universelle Prozessoren mit festen Befehlssätzen – für eine speziellen Aufgabe programmiert werden können. 30 hf-praxis 3/2015

Messtechnik CH_0 Signal Conditioning ADC Temperature @ ADC Temperature @ FPGA Temperature @ DRAM Board Temperature System Monitoring Power 3.3 V Power 12 V PXIe Gen2 x8 DRAM Bank 0 theken aufteilen in Funktionsblöcke für den FPGA im Messgerät selbst und Funktionen für den Host-PC. Selbstverständlich können auch Funktionen aus LabVIEW FPGA sowie VHDL- Code (etwa aus den Xilinx-Bibliotheken) eingebunden werden, um das Messgerät zu programmieren. AUX I/O CH_N Signal Conditioning CLK OUT CLK IN 8x PFI +3.3 V Onboard Clock PLL ADC Divide by 2 Divide by 2 Data Clock Time-to-Digital Converter PFI DIR FPGA Xilinx Kintex-7 DRAM Bank 1 SRAM Non-Volatile Mem.(EEPROM) Non-Volatile Mem. (Flash) PXI Triggers PXIe_DStarB PXIe_DStarC PXIe_Clk100 PXIe_DStarA PXI_Clk10 Größe: 90x120mm Bild 3: Blockdiagramm des rekonfigurierbaren Oszilloskops PXIe-5171R. Das anwenderprogrammierbare FPGA ist direkt in den Datenpfad integriert und hat Zugriff auf alle Steuerleitungen des Oszilloskops. PXI Express Backplane Benutzerdefinierte Trigger-Funktionen in rekonfigurierbaren Oszilloskopen Spezielle Trigger-Funktionen in einen FPGA im Oszilloskop zu integrieren ermöglicht es, ein Messgerät für eine sehr spezielle Aufgabe zu optimieren. Im Fertigungstest kann so z. B. die Notwendigkeit für eine Nachverarbeitung von Daten im PC entfallen, beispielsweise wenn ein Signal erst demoduliert werden muss, bevor auf die enthaltenen Daten getriggert werden kann. Beides lässt sich elegant FPGAs vereinen die Leistungsfähigkeit große Datenmengen zu verarbeiten mit der Flexibilität, beliebig oft auf neue Aufgaben programmiert werden zu können. Zusätzlich arbeiten FPGAs inhärent parallel. Die von National Instruments geschaffene Klasse der softwaredesignten Messgeräte vereint moderne Messtechnik mit der Leistungsfähigkeit von FPGAs, sodass Oszilloskope oder RF- Signalanalysatoren die erfassten Datenpunkte in Echtzeit kontinuierlich verarbeiten können. Dies ermöglicht dem Anwender, Daten schon während der Erfassung im Messgerät durch Algorithmen zu analysieren oder Trigger-Funktionen in das Gerät zu integrieren, um spezielle Signalformen oder Kombinationen in Echtzeit zu erkennen. Ebenso lässt sich der FPGA in einem Messgerät nutzen, um das Verhalten eines Geräts zu emulieren, beispielsweise um ein nicht mehr verfügbares Gerät zu ersetzen. Ein Beispiel für diese Geräteklasse ist das rekonfigurierbare Oszilloskop PXIe-5171R . Es bietet acht Eingangskanäle mit 250 MHz Bandbreite und einer Auflösung von 14 bit. Ein Kintex-7-FPGA von Xilinx ist direkt in den Datenpfad integriert und hat außerdem Zugriff auf alle Steuerleitungen im Gerät. Um die Funktion von softwaredefinierten Messgeräten zu programmieren stehen dem Anwender LabVIEW FPGA und Instrument Design Libraries (IDLs, Entwicklungsbibliotheken) zur Verfügung. Diese Instrument Design Libraries sind Softwarebibliotheken, die Gerätedetails und Kommunikation zwischen FPGA und Host-PC, ähnlich einem Gerätetreiber, abstrahieren und so dem Anwender die Low-Level-Programmierung abnehmen. Dennoch ist der Code dieser Bibliotheken offen und kann vom Anwender eingesehen oder verändert werden. In den IDLs stehen Funktionsblöcke für die Konfiguration des Messgeräts, die Erfassung von Signalen und den Datentransfer zur Verfügung, wobei sich die Biblio- m e s a s.urface m.ounted a. pplication e.lectronics GmbH RFID EMI Antennen 13,56MHz www.smae.de info@smae.de Zur Verbesserung der Sende und Empfangs- Eigenschaften von RFID-Tags und Antennen bietet TDK flexible Folien der Serien IFL10M, IFL12, IFL04 und IBF15 an. Sie eignen sich auf Grund ihrer hohen Permabilität µ´ für RFID-Lesegeräte und RFID-Antennen. Insbesondere bei metallischen Untergründen sorgen die Flexield Folien für eine optimale Bündelung des Magnetfeldes und erhöhen so Reichweite und Signalqualität. Die Folien lassen sich in beliebige Formen schneiden und sind selbstklebend. Auch komplette RFID-Antennen sind erhältlich. RFID-Tag Flexield high µ type IFL12 / IBF20 Metal sheet Metal surface of a device. s.m.a.e. GmbH Lise-Meitner-Straße 6, 40878 Ratingen Telefon: 02102 / 4248-0, Fax: 02102 /4248-23 hf-praxis 3/2015 31

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