Grundlagen zur Auswahl des richtigen DAQ für Testssyteme
Test-Leitfaden
Was sind die richtigen Komponenten und Einstellungen, um die Genauigkeit eines Testsystems zu optimieren? Und wie halten Sie gleichzeitig Ihre Projekttermine und die Zeitfenster des Marktes ein? Das richtige Datenerfassungssystem (Data Acquisition System, DAQ) kann hier helfen.
Bild: Datatec AGWird ein Produkt oder ein Prozess überwacht, werden z. B. über mehrere Stunden regelmäßige Messungen im Minutentakt durchgeführt. Dies beinhaltet auch die Vorverarbeitung der Daten während der Aufzeichnung, um sie anschließend zu analysieren. Oft werden externe Überwachungseinrichtungen wie Alarmleuchten oder Warntöne getriggert, um entsprechende Korrekturmaßnahmen einleiten zu können. Soll ein Testprozess kontrolliert werden, müssen z.B. analoge Ausgangssignale zur Steuerung von Stellgliedern, Motoren etc. bereitgestellt werden, oder es werden Signale über ein Schaltmodul geleitet, um ein Device under Test (DUT) mit Strom und Testsignalen zu versorgen.
DAQ-Hardware
Die Messhardware besteht aus den Analog-, Digital- und Zählereingängen des DAQ. Analogeingänge erfassen typischerweise Gleichspannungen, die anschließend über einen Analog-Digital-Wandler in digitale Daten umgewandelt werden. Manche DAQ besitzen ein Digitalmodul, das ein digitales Bitmuster abtastet, um externe Testobjekte zu charakterisieren. Solche Module haben üblicherweise acht, 16 oder 32 Kanäle und können mehrere DUT oder Zustände überwachen. Datenlogger mit einem Zählermodul können externe Ereignisse wie z.B. die Anzahl digitaler Pulse, die Pulsdauer oder die Frequenz zählen. Der Output-Bereich eines DAQ bildet die Steuerungshardware und besteht im Wesentlichen aus den Analog-, Digital- und Schaltausgängen. Ein Digital-Analog-Wandler interpretiert die Befehle der Steuerungshardware und gibt sie als Gleichspannungen oder -strom aus. DAQ mit einem Digitalmodul wandeln Befehle in ein Bitmuster um. Ein Schaltmodul versorgt die externen Vorrichtungen durch Schließen eines Stromkreises mit Strom. Schaltmodule werden anstelle eines Digitalmoduls eingesetzt, wenn Schaltungen höhere Spannungen und Leistungen erfordern. Die Schaltnetzwerke des DAQ sind entweder integriert oder als separate Module einsetzbar. Die Schaltblöcke fungieren aber auch als Stimuli eines DUT, indem z.B. unterschiedliche Temperaturwerte bereitgestellt werden. Elektromechanische Reed-Relais kommen für Low-Speed-Anwendungen zum Einsatz. Vorteil ist ihre Fähigkeit, Hochspannungs- und Strompegel zu schalten. Nachteilig sind ihre Limitierung auf einige Hundert Kanäle pro Sekunde und die potenzielle Abnutzung ihrer Mechanik. Für High-Speed-Anwendungen werden daher elektronische Schalter wie Feldeffekttransistoren und Halbleiterrelais eingesetzt.
Störungen vermeiden
Geschirmte Twisted-Pair-Kabel können bei der Signalübertragung einem systembedingten Rauschen effektiv entgegenwirken, indem ein Übersprechen und elektromagnetische Interferenzen auf andere Adernpaare reduziert werden. Auch elektronische Geräte in der Umgebung wie Smartphones oder Laptops können Störstrahlung aussenden. Differenzielle Signaleingänge bieten gegenüber der Single-Ended-Signalisierung ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis. Sie reduzieren elektromagnetische Störungen sowie das Übersprechen auf benachbarte Kabel und übertragen Signale mit sehr niedrigen Spannungen im mV-Bereich, die besonders anfällig für Störrauschen sind. Zudem erlauben sie ein präzises Timing für digitale Signalübergänge oder Schaltvorgänge. Einige DAQ verfügen über integrierte, isolierte Eingänge, die eine Sicherheitsbarriere darstellen und den Anwender vor zu hohen Spannungen schützen. In Messsystemen können zudem Masseschleifen auftreten, z.B. durch eine ungünstig gewählte Massekontaktierung oder durch unsachgemäßes Anschließen des Messsystems. Durch Massen-Entkopplung liefern isolierte Eingänge eine höhere Messgenauigkeit. Aber auch die Stromleitungen des DUT und DAQ verursachen Rauschen. Einige Messsysteme verfügen daher über integrierende A/D-Wandler, die ein solches Netzleitungsrauschen mittels NMR unterdrücken (Normal-Mode Rejection). Dies geschieht durch Messung des durchschnittlichen DC-Inputs über eine bestimmte Integrationszeit, die einem ganzzahligen Wert des Netzzyklus (PLC) entspricht, sodass Fehler auf annähernd null gemittelt werden. Ist die Masse von Prüfling und Messgerät über eine gemeinsame Erdung verbunden, können Masseschleifen ein zusätzliches Rauschen begünstigen. Die auftretende Fehlerspannung zwischen den beiden Massebezugspunkten manifestiert sich als Messungenauigkeit. Eine Lösung bietet der Einsatz eines großen DAQ-Isolationswiderstands. Bei DC-Masseschleifen und niedriger Signalstärke hilft es außerdem, den Erdungspfad möglichst kurz zu halten. Die meisten Niedrigfrequenz-Anwendungen werden allerdings durch Erdschleifen aus dem AC-Stromnetz gestört. Hier hilft wiederum ein integrierender A/D-Wandler.
Messgenauigkeit, Auflösung und Geschwindigkeit
Die eingestellten Parameter für Auflösung, Rauschunterdrückung etc. beeinflussen die Messgeschwindigkeit. Die Auflösung beschreibt, wie viele Details mit einer Messung erfasst werden, d.h. wie viele signifikante Messpunkte pro Zeiteinheit aufgenommen werden. Die Genauigkeit ist ein Maß dafür, wie vertrauenswürdig die Messergebnisse sind. Eine höhere Auflösung bedeutet aber nicht per se eine höhere Genauigkeit. Ein 6,5-stelliges Voltmeter mit schlechter Genauigkeit ist nicht besser als ein 5,5-stelliges Voltmeter mit guter Genauigkeit. Die Empfindlichkeit eines Messgeräts ist die kleinste Änderung des gemessenen Signals, die erkannt werden kann. Sie hängt sowohl von der Auflösung als auch vom kleinsten Messbereich des Gerätes ab. Die Messgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der ein DAQ die Messdaten erfasst, bzw. die Zeitspanne zwischen den Proben. Mit zunehmender Abtastgeschwindigkeit nimmt die Auflösung des Messgeräts ab. Für die Designverifizierung müssen immer kleinere Ströme und gleichzeitig hohe Stromsprünge vom µA- bis in den A-Bereich gemessen werden. Hohe Scan-Raten sollen zudem den Durchsatz optimieren. Ein erfolgreiches Produktdesign hängt aber auch von der Reproduzierbarkeit der Messergebnisse ab. Das Datenerfassungs- und Schaltsystem DAQ970A von Keysight ermöglicht präzise Messungen im Niederstrom-Bereich (1µA DC, 100 µA AC) und bei Hochohm-Anwendungen (1.000M) mit einer Messgeschwindigkeit mit bis zu 5.000Rdg/s und einer Scan-Rate von 450 Kanäle/s. Ein integriertes 6,5-stelliges Digitalmultimeter mit Autokalibrierung sorgt für reproduzierbare Messergebnisse unabhängig von Zeit- und Temperatureinflüssen. Es stehen dreizehn Messfunktionen inkl. Dioden-Test und Kapazitätsmessung zur Verfügung.
DAQ-Hardware
Die Messhardware besteht aus den Analog-, Digital- und Zählereingängen des DAQ. Analogeingänge erfassen typischerweise Gleichspannungen, die anschließend über einen Analog-Digital-Wandler in digitale Daten umgewandelt werden. Manche DAQ besitzen ein Digitalmodul, das ein digitales Bitmuster abtastet, um externe Testobjekte zu charakterisieren. Solche Module haben üblicherweise acht, 16 oder 32 Kanäle und können mehrere DUT oder Zustände überwachen. Datenlogger mit einem Zählermodul können externe Ereignisse wie z.B. die Anzahl digitaler Pulse, die Pulsdauer oder die Frequenz zählen. Der Output-Bereich eines DAQ bildet die Steuerungshardware und besteht im Wesentlichen aus den Analog-, Digital- und Schaltausgängen. Ein Digital-Analog-Wandler interpretiert die Befehle der Steuerungshardware und gibt sie als Gleichspannungen oder -strom aus. DAQ mit einem Digitalmodul wandeln Befehle in ein Bitmuster um. Ein Schaltmodul versorgt die externen Vorrichtungen durch Schließen eines Stromkreises mit Strom. Schaltmodule werden anstelle eines Digitalmoduls eingesetzt, wenn Schaltungen höhere Spannungen und Leistungen erfordern. Die Schaltnetzwerke des DAQ sind entweder integriert oder als separate Module einsetzbar. Die Schaltblöcke fungieren aber auch als Stimuli eines DUT, indem z.B. unterschiedliche Temperaturwerte bereitgestellt werden. Elektromechanische Reed-Relais kommen für Low-Speed-Anwendungen zum Einsatz. Vorteil ist ihre Fähigkeit, Hochspannungs- und Strompegel zu schalten. Nachteilig sind ihre Limitierung auf einige Hundert Kanäle pro Sekunde und die potenzielle Abnutzung ihrer Mechanik. Für High-Speed-Anwendungen werden daher elektronische Schalter wie Feldeffekttransistoren und Halbleiterrelais eingesetzt.
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Dieser Artikel erschien in SPS-MAGAZIN 6 2019 - 12.06.19.Für weitere Artikel besuchen Sie www.sps-magazin.de
