Eckdaten

Die PC-USB-Oszilloskope haben sich als ernstzunehmende Alternative zu Benchtop-Geräten etabliert, I/O-Boxen wie die Redlabs können in einfacheren Applikationen durchaus Messkarten ersetzen. Aber auch im industriellen Echtzeit-Bereich lassen sich Geräte einsetzen, die eine eigene Prozessor-Intelligenz und neben USB noch viele weitere Schnittstellen zur Anbindung an den PC bieten.

Bei USB-Messgeräten gibt die Hardware den Rahmen vor, die Software bestimmt, zum Beispiel als virtuelles Instrument, das Benutzerinterface und die Funktionen. USB-Messgeräte sind sowohl von der Software als auch von der Hardware so ausgelegt, dass sie ein klassisches Messinstrument (Oszilloskope, Multimeter und weitere) nachbilden und ersetzen. Immer mehr wird dabei die Flexibilität dieses Konzepts genutzt und mehrere Funktionen integriert. Per Software-Updates besteht zudem die Möglichkeit, Funktionen nachzurüsten oder zu verbessern, das System veraltet also nicht so schnell.

Das USB-Messlabor Labjack T7 mit zusätzlichem LAN/WLAN.

Das USB-Messlabor Labjack T7 mit zusätzlichem LAN/WLAN.Meilhaus Electronic

Die Leistung solcher PC-Modular-Instrumente, beispielsweise aktueller Oszilloskope, steht den Benchtop-Geräten bis zu einer gewissen Leistungsklasse in nichts mehr nach. So ist es letztendlich den persönlichen Präferenzen des Anwenders überlassen, ob er die Haptik eines Benchtop-Gerätes oder die modulare PC-Lösung bevorzugt. Vor allem die Übertragungsgeschwindigkeit der USB-Verbindung bestimmt die Grenzen dieser durch Software dominierten Lösungen. Da die Daten zur Darstellung am PC erst per USB übertragen werden müssen, ergeben sich hier Einschränkungen. Dank immer schnelleren Schnittstellen wie USB 3.0 nähern sich die Gerätetypen in der Leistung zunehmend einander an.

Einfache USB-I/O-Boxen

USB-Messmodul der Redlab-20x-Serie.

USB-Messmodul der Redlab-20x-Serie.
Meilhaus Electronic

Einfache USB-I/O-Boxen bieten I/O-Kanäle für allgemeine Anwendungen. Sie stellen sozusagen die nächste Generation der Messkarte dar, extern über USB abgesetzt. Daher sind die Eingänge meistens wie bei Messkarten für Spannungen in den gängigen Bereichen ±10 oder ±5 V ausgelegt. Für den Anschluss von Sensoren ist die Signalanpassung für Temperatursensoren zum Teil schon integriert oder extern erweiterbar. Wie bei den Messkarten vereinen die USB-I/O-Boxen oft Analogeingänge und -ausgänge sowie digitale Steuerkanäle in einem Produkt. Bekannte Vertreter dieser Kategorie sind die Serien Labjack oder Redlab von Meilhaus Electronic. Die neusten Modelle der Redlab-Modul-Serie sind Redlab-201 und Redlab-204. Bei einer Abmessung von 118 × 83 × 29 mm³ bieten die kleinen Messboxen acht symmetrische Analogeingänge mit einem Bereich von ±10 V und einer Abtastrate von 100 kSamples/s (Redlab-201) oder 500 kSamples/s (Redlab-204) bei einer Auflösung von 12 Bit. Ein externer Triggereingang sowie ein A/D-Timer-Ausgang für eine Synchronisierung stehen zur Verfügung. Acht TTL-Digital-I/O-Kanäle sind bitweise als Ein- oder Ausgänge programmierbar. Ein 32-Bit-Ereigniszähler mit maximal 1 MHz rundet die Funktionen ab. Die Signale werden über Schraubklemmen angeschlossen. Mit dem PC werden die Module über USB 2.0 verbunden. Zum Software-Umfang gehört Tracer DAQ für das Erfassen und Anzeigen. Es ist nicht erforderlich, selbst zu programmieren. Zudem gehört auch die Universal-Library mit Treibern und Beispielen für gängige Entwicklungsumgebungen unter Windows/.NET dazu.

USB-Datenlogger

Datenlogger kurz Logger, Recorder oder auch Linienschreiber sind Geräte, die in Intervallen über eine bestimmte Zeit hinweg Messwerte aufnehmen und aufzeichnen. Diese Messwerte lassen sich dann zum Beispiel (ähnlich wie bei einem Linienschreiber) in einem Diagramm über die Zeit darstellen. Eine der einfachsten Anwendungen ist die Langzeitmessung und Aufzeichnung von Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit. Im Idealfall umfasst der Datenlogger sämtliche Komponenten für das Messen, Aufzeichnen und Speichern der Daten, und zum Teil auch den Sensor mit der Signalanpassung. Diese Geräte arbeiten stand-alone und werden über USB lediglich konfiguriert und ausgelesen.

Die kompakten USB-Datenlogger von Pico arbeiten in Kombination mit einem PC und der Software und erfassen zum Beispiel Temperaturen von angeschlossenen Thermoelementen.

Die kompakten USB-Datenlogger von Pico arbeiten in Kombination mit einem PC und der Software und erfassen zum Beispiel Temperaturen von angeschlossenen Thermoelementen.Meilhaus Electronic

Viele Hersteller bezeichnen jedoch die Messvorrichtung alleine schon als Datenlogger, wenn zum Beispiel der PC oder Laptop per Software die Aufzeichnung der Daten übernimmt. So bietet Meilhaus Electronic USB-Datenlogger von Pico, die in Kombination mit einem PC und der Software arbeiten. Sie erfassen zum Beispiel Temperaturen von angeschlossenen Thermoelementen. Andere Modelle, wie Geräte aus der Redlab-Serie, arbeiten nach der Konfiguration über USB autonom und legen die erfassten Daten auf einer Speicherkarte ab, die dann über USB ausgelesen wird. Die Datenlogger-Serie ME-Xpert schließlich, die als Komplettgerät oder OEM-Karte erhältlich ist, erweitert das Prinzip des reinen Datenloggers: Neben dem Aufzeichnen der Daten ermöglichen diese Geräte dank zusätzlicher Digitalkanäle und Prozessoreigenintelligenz unter anderem auch eine Reaktion auf die Messwerte, unabhängig vom PC.

USB-Oszilloskope als Alternative zu Benchtop-Geräten

Die aktuelle Version des kompakten Pocketscopes bietet verbesserte Leistungsdaten.

Die aktuelle Version des kompakten Pocketscopes bietet verbesserte Leistungsdaten.Meilhaus Electronic

PC-USB-Oszilloskope haben sich mittlerweile als ernstzunehmende Alternative zu Benchtop-Geräten in den unterschiedlichen Leistungsklassen etabliert. Meilhaus stellte bereits im Jahr 2002 die erste Version des USB-Oszilloskops Pocketscope vor. Die aktuelle Version dieses kompakten Geräts kostet 378 Euro (zuzüglich Mehrwertsteuer) und bietet verbesserte Leistungsdaten: So erreicht das Scope jetzt Bandbreiten bis 5 MHz (Pocketscope 1 bisher 250 kHz) und Abtastraten bis 60 MSamples/s (bisher 1 MSample/s). Übernommen wurde das Gehäuse sowie die drei BNC-Buchsen für Kanal A und B und ein umschaltbarer Trigger-Eingang oder Kompensationsausgang. Die maximale Eingangsspannung beträgt ±50 V. Durch die mitgelieferte Software für Windows kann das Pocketscope 2 als Oszilloskop, Datenlogger, Spektrumanalysator sowie als Volt- und Frequenzmeter arbeiten. An den PC oder Laptop wird das Gerät über USB 2.0 (fullspeed) angeschlossen. Es ist 116 × 30 × 100 mm³ groß und wiegt ohne Kabel 160 g.

Bezüglich Leistung erweitert die Cleverscope-Serie, die modulare PC-Oszilloskope für USB oder Ethernet/LAN umfasst, die Pocketscopes nach oben. Je nach Modell beträgt die Auflösung 10, 12 oder 14 Bit bei 100 MSamples/s Abtastrate und einer Bandbreite von 100 MHz. Durch die nachrüstbaren Optionen sind die Geräte sehr flexibel. So können acht Digitaleingänge für den Mixed-Signal-Betrieb ergänzt werden.

Eine neue Option ist der isolierte Signal-Generator CS701. Wahlweise lässt sich der Generator nachrüsten oder ab Werk integrieren. Der Signal-Generator erzeugt Sinus-, Rechteck- und Dreiecksignale. In 10-mV-Schritten zwischen 0 und 4 V (Spitze-Spitze) kann die Amplitude variieren. Der Offset ist in 10-mV-Schritten zwischen -4 und +4 V einstellbar und der Generator kann FSK- und PSK-moduliert werden. Außerdem sind Frequenz-Sweeps möglich, die für Transfer-Response-Messungen mit dem Spektrumanalysator im Cleverscope synchonisiert werden können. Der Frequenzbereich des Generators beträgt 0 bis 65 MHz mit 14 Bit Auflösung. Mit maximal 4096 Samples bei 167,772 MHz Abtastrate oder 4096 Samples bei 838,860 kHz Abtastrate arbeitet die Erzeugung von Arbiträrsignalen. Bis 300 Veff, Class III reicht die Isolation des Generators.

Das Pico-8-Kanal-USB-Scope.

Das Pico-8-Kanal-USB-Scope.Meilhaus Electronic

Das obere Ende des Leistungsbereichs markieren die Oszilloskope der Picoscope-Serie 3000D, die mit einer Bandbreite von bis zu 200 MHz, zwei oder vier analogen Kanälen und 16 digitalen Kanälen bei den Mixed-Signal-Modellen (MSO) sowie Speichern von 64 bis 512 MSamples ausgestattet sind. Sie bieten eine Echtzeitabtastrate von bis zu 1 GSamples/s und verfügen über eine USB-3.0-Schnittstelle und einen integrierten Generator für anwenderdefinierte Wellenformen (AWG). Der 512-MSamples-Pufferspeicher lässt sich segmentieren, um bis zu 10.000 einzelne Wellenformsegmente aus 50.000 Abtastungen zu erfassen, wobei die Rückstellzeit zwischen den einzelnen Segmenten weniger als 1 µs beträgt. Weiterhin kann man das Oszilloskop so konfigurieren, dass es bei jedem Paket triggert und die Lücken, die nicht von Interesse sind, überspringt.

Serienmäßig bieten die Oszilloskope zahlreiche, erweiterte Funktionen wie die serielle Entschlüsselung von Bus-Signalen, Maskengrenzprüfungen, Rechenkanäle und leistungsstarke Filter und sie verfügen über einen Spektrumanalysator. Zu den erweiterten Triggern zählen Impulsbreite, Intervall, Fenster, Fensterimpulsbreite, Ebenen- und Fensteraussetzer, Runt-Impuls, variable Hysterese und Logik. Für einen geringen Jitter, hohe Genauigkeit und eine Spannungsauflösung von einem LSB sorgt die vollständig digitale Triggerung. MSO-Modelle (Mixed-Signal-Oszilloskop) kombinieren diese Trigger mit Flanken- und Mustertriggern an den digitalen Eingängen. Zum weiteren Funktionsumfang zählen Farb-Persistenzmodi, automatische Messungen mit Statistik, programmierbare Alarme und die Entschlüsselung von I2C-, UART/RS232-, SPI-, CAN-Bus-, LIN-, Flexray- und I2S-Signalen. Ein neuer, schneller Persistenzmodus bietet eine Aktualisierungsrate von 100.000 Wellenformen pro Sekunde, wobei für die Rechenkanäle jetzt auch konfigurierbare Filter verfügbar sind.

Ein kostenloses Software Development Kit (SDK) ermöglicht die Steuerung der Oszilloskope über Industriestandard-Anwendungen und -Programmiersprachen. Beispielprogramme in C, C++, Excel, Labview und Matlab enthält das SDK und es kann mit jeder Programmiersprache eingesetzt werden, die C-Aufrufkonventionen unterstützt. Picoscope-Software und SDK sind mit Microsoft Windows XP bis Windows 8 kompatibel, Beta-Versionen gibt es für Linux und Mac OS X. Beta-Treiber sind außerdem für das ARM-basierte Beaglebone Black und Raspberry Pi verfügbar.

Spezielle USB-Automotive-Oszilloskope

Speziell für den Einsatz in der Automobilelektronik eignen sich die Automotive Picoscopes. Erhältlich sind sie als Zweikanalversion 4225 oder Vierkanalmodell 4425. CAN- und Flexray-Signale erfasst das Picoscope 4425 mit bis zu 400 Millionen Abtastungen pro Sekunde. Intermittierende Probleme bleiben durch die Kombination eines 250 Millionen Bit tiefen Speichers pro Kanal und umfangreichen Triggerfunktionen nicht mehr unentdeckt. Leistungsfähige Zoom-Funktionen ermöglichen hohe Geschwindigkeiten und lange Datenerfassungszeiten. Modell 4425 besitzt einen Eingangsspannungsbereich von ±200 V, um steigende Einspritzdüsenspannungen direkt zu messen, ohne dafür Abschwächer einsetzen zu müssen. Wie bei allen Modellen der 4000-Serie werden die Signale mit 12 Bit Auflösung im Normalmodus und 16 Bit im Enhanced-Modus mit einem Fehler von ±1 % aufgenommen. Unabhängig voneinander schwebende Eingänge, die man sich als vier separate Einkanal-Oszilloskope in einem Gehäuse vorstellen kann, teilen sich alle dieselbe Zeitbasis und die Steuerfunktionen. Das bedeutet, dass alle Eingänge im differenziellen Modus genutzt werden können (zum Beispiel CAN-H- und CAN-L-Signale), oder über nicht geerdete Komponenten wie 12-V-Einspritzdüsen oder für den Test des Spannungsabfalls mit einem einzigen Ausgang eingesetzt werden können. Mit Connectdetect besitzt das Modell 4425 eine Funktion, die feststellt, ob man an schwierig zu erreichenden Orten auch eine gute Verbindung zwischen Messgerät und Prüfling erreicht hat. Dazu wird der Zustand der Verbindung auf dem Bildschirm und an der Front angezeigt. Das Zweikanalmodell 4225 hat den gleichen Speicher und Leistungsfähigkeit wie das Vierkanalmodell aber geringere Kosten und eignet sich damit auch für Werkstätten mit begrenztem Budget.

Basismodelle der USB-Scopes

Die Modelle der Picoscope 2000A-Serie runden die Picoscope-Oszilloskope leistungsmäßig nach unten ab. Sie haben eine Abtastrate von 1 GSamples/s, einen einstellbaren Analog-Offset über den gesamten Eingangsbereich hinweg und ein schnelles USB-Streaming mit bis zu 1 MSamples/s zur Erfassung von Wellenformen mit bis zu 100 Millionen Abtastungen.

Als Standard-Signalgenerator (Sinus, Rechteck, Dreieck und andere Signale) mit programmierbarem Sweep-Modus oder als voll funktionaler Generator für anwenderdefinierte Wellenformen mit 12 Bit und 20 MSamples/s lässt sich die integrierte Signalquelle verwenden. Unter anderem bieten die kompakten Zweikanal-Oszilloskope einen FFT-Spektrumanalysator, einen segmentierten Speicher für bis zu 48.000 Abtastungen bei schnellen Aufzeichnungen, Rechenkanäle, automatische Messungen, eine Persistenzanzeige in Farbe, erweiterte digitale Triggerung, Maskengrenzprüfungen und serielle Entschlüsselung (CAN-Bus, LIN-Bus, Flexray, SPI, I2C, I2S, UART). Im Lieferumfang ist ein kostenloses SDK mit Beispielcodes enthalten, mit dem es möglich ist, eigene Anwendungen in Sprachen wie C, Microsoft Visual Basic, National Instruments Labview und Mathworks Matlab zu entwickeln. Pico Technology liefert kostenfreie Software-Aktualisierungen.