Multi-Messinstrument Elf Messgeräte auf der Hardwareplattform Moku:Pro

Ein Gastbeitrag von Maximilian Dreher*

Anbieter zum Thema

Das Multi-Instrument Moku:Pro vereint elf konventionelle Messgeräte auf nur einer softwarekonfigurierbaren Hardware. Dem Anwender eröffnen sich vielfältige, neue Möglichkeiten, während er gleichzeitig Platz und Ressourcen spart.

Moku:Pro: Elf konventionelle Messgeräte sind auf einer softwarekonfiguierbaren Hardware vereint.
Moku:Pro: Elf konventionelle Messgeräte sind auf einer softwarekonfiguierbaren Hardware vereint.
(Bild: SI Scientific Instruments)

Elektronische Geräte entwickeln sich seit Jahrzehnten rasant weiter. Dabei nimmt deren Komplexität stetig zu und immer mehr Funktionalitäten, die vorher einzelne, spezialisierte Geräte erforderten, werden in eine Hardware integriert. Am Beispiel von Smartphones wird das besonders deutlich. Sie vereinen Telefonie, Internetfähigkeit, Kamera, Mikrofon, Lautsprecher, Kompass, GPS und vieles mehr in einem Gehäuse. Aus der Fülle der verschiedenen Informationen, die mit solchen Multitalenten erfasst und verarbeitet werden können sowie dem perfekten Zusammenspiel von Hard- und Software, ergeben sich ungeahnte Möglichkeiten der Auswertung, wie die Auswahl der App-Stores beweist.

Diesen nächsten Entwicklungsschritt ist die traditionelle Messtechnik noch nicht gegangen. So arbeiten Forscher und Entwickler von Smartphones seit je her mit einzelnen, spezialisierten Messinstrumenten. Oft häufen sie eine ganze Sammlung dieser Geräte in Messgeräteschränken an und kämpfen nicht selten mit der Kommunikation zwischen den Geräten. Meist finden sich alte und moderne Spezialinstrumente im selben Messaufbau, die unterschiedliche Standards unterstützen. Das erschwert sowohl die Steuerung als auch die Auswertung der Messdaten.

Im Gegensatz dazu zeichnet sich ein Trend, der sich überschneidenden Funktionen ab: Um mehrere Aufgaben mit einem Gerät ausführen zu können und dabei gleichzeitig die Kommunikation und Steuerung zu vereinfachen. Dieser Ansatz wurde mit der Moku-Reihe weitergedacht.

Die Vorteile des Prinzips eines Multi-Instruments

Moku:Pro und seine Geschwister Moku:Lab und Moku:Go folgen dem Prinzip eines Multi-Instruments. Alle sind sie Instrument-on-Chip-(IoC-)Testsysteme, die mehrere Messinstrumente auf einer einzigen FPGA-basierten Hardwareplattform beherbergen und ausführen. Mit dem Multi-Instrument-Modus (MIM) können ganze Systeme von Testgeräten, die traditionell aus separaten Hardwareeinheiten oder Modulen bestehen, auf einer einzigen Plattform realisiert werden.

Tabelle: Aktueller Funktionsumfang Moku:Pro mit technischen Spezifikationen.
Tabelle: Aktueller Funktionsumfang Moku:Pro mit technischen Spezifikationen.
(Bild: SI Scientific Instruments)

Zum aktuellen Zeitpunkt vereint Moku:Pro bis zu elf Messinstrumente/-Apps (Tabelle) auf einer Hardware. Diese vorprogrammierten Standard-Instrumente werden um den MIM und Moku Cloud Compile (MCC) erweitert. MCC ermöglicht es dem Anwender, direkt auf das interne FPGA zuzugreifen und so seinen individuellen VHDL-Code auf Moku:Pro auszuführen. Dabei kommt ihm der webbasierte Cloud Compiler zugute, der automatisch die richtigen Einstellungen je nach Firmware- und Hardwareversion vornimmt. Für nicht öffentliche Programme ist das Kompilieren auch lokal möglich.

Multi-Instrument-Modus und der FPGA

Der MIM ist Voraussetzung für MCC und unterteilt das FPGA virtuell in vier gleich leistungsstarke Blöcke (Bild 4), die sowohl individuell mit Messinstrumenten belegt als auch mit den Ein- und Ausgangsports verknüpft werden können. Durch direkten Datenaustausch zwischen den Blöcken und Signaldistribution über zwei Busse entstehen anwendungsspezifische Signalverarbeitungsketten. Bei Änderung der Anforderungen ist die Hardware in wenigen Sekunden umkonfiguriert.

Jedes Moku:Pro stellt vier Eingangs- und vier Ausgangsbuchsen mit variabler Impedanz von 50 Ohm und 1 MOhm und AC-/DC-Kopplung zur Verfügung. Daten werden bei einer Bandbreite von 600 MHz mit bis zu 5 GSa/s erfasst und bei max. 500 MHz und 16 Bit bis zu 1,25 GSa/s Abtastrate ausgegeben.

Zwei patentierte Blended A/D-Wandler mit jeweils einer Auflösung von 18 und 10 Bit an jedem Eingang senken das Eigenrauschen auf <30 nV/√Hz. Die interne SSD mit einer Kapazität von 120 GByte stellt für aufzuzeichnende Daten ausreichend Speicherkapazität zur Verfügung. Zusätzliche zu in Tabelle 1 gezeigten Spezifikationen machen Ethernet, Wi-Fi und USB-C-Konnektivität Moku:Pro zu einem Mittelklassegerät für hohe Anforderungen.

Ein Anwendungsbeispiel für den Multi-Instrument-Modus

Bild 1: Das Blockschaltbild einer PLL mit zwei Eingangssignalen.
Bild 1: Das Blockschaltbild einer PLL mit zwei Eingangssignalen.
(Bild: SI Scientific Instruments)

Der Multi-Instrument-Modus erweitert die Vielseitigkeit von Moku:Pro erheblich und realisiert das Potenzial der IoC-Fähigkeiten. Die folgenden zwei Abschnitte vermitteln einen Eindruck über Funktionsweise, Benutzeroberfläche und Möglichkeiten, die sich durch den MIM eröffnen. Mithilfe der dynamischen Rekonfiguration des FPGA können Nutzende Mess-Apps unabhängig voneinander im laufenden Betrieb austauschen, ohne die verbleibenden Apps im System zu beeinträchtigen.

Wie oben erwähnt, können Instrumente miteinander verknüpft und Signale vollständig digital innerhalb des FPGA zwischen ihnen übertragen werden. Dies ermöglicht hohe Datenraten mit einer sehr niedrigen Latenz von weniger als 650 ns, ohne Verschlechterung der SNR, die normalerweise eine Folge der Analog-Digital- oder Digital-Analog-Wandlung zwischen separaten Hardwaremodulen wäre.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Einen Phasenregelkreis implementieren und verifizieren

Eine der vielen Anwendungen für Moku:Pro ist die Implementierung und Verifizierung eines Phasenregelkreises mit dem MIM. Ein Phasenregelkreis ist in ein System, das die Phase eines eingehenden Signals verfolgt und diese verwendet, um die Frequenz eines Ausgangssignals zu steuern und so die Frequenzen effektiv aneinander zu koppeln. PLLs werden über das gesamte Anwendungsspektrum von Forschung und Entwicklung über Design und Prototyping bis hin zu Testumgebungen verwendet.

Sie sind beispielsweise grundlegende Komponenten von Funkempfängern und anderen Telekommunikationsgeräten, die stabile Takte für Computer bereitstellen und synchronisieren oder Frequenzen mit Vielfachen des Quellsignals erzeugen (Frequenzsynthese).

Die einfachste PLL besteht aus einem Phasendetektor, gefolgt von einem Tiefpassfilter sowie einem spannungsgesteuerten Oszillator (Voltage Controlled Oscillator = VCO). Ein VCO erzeugt ein Ausgangssignal mit der Frequenz proportional zu seiner Eingangsspannung. Der Phasendetektor benötigt wie in Bild 1 gezeigt zwei Eingangssignale, um sie miteinander zu vergleichen: den externen Takt fin und den Referenz- oder Lokaloszillator (LO) fVCO/fLO.

Der Phasendetektor (PD) gibt eine Spannung aus, die von der Phasendifferenz der Eingangstakte abhängt und zum Steuern des VCO und damit der Frequenz des Ausgangssignals fout verwendet wird. Es gibt verschiedene Implementierungen des PD. Beispielsweise kann ein Frequenzmischer (oder Demodulator) verwendet werden. Mischer haben jedoch den Nachteil, dass durch deren Nichtlinearität Frequenzstörungen oder Harmonische erzeugt werden und somit eine Anforderung an die Dimensionierung des Tiefpassfilters (Eckfrequenz) gestellt wird, die die Einrastzeit oder den Fangbereich der PLL reduzieren könnte. Ein alternativer PD ist ein digital implementierter Phasen-Frequenz-Detektor wie der präzise Phasenmesser von Moku:Pro mit einer Auflösung von 6 μrad/√Hz.

Die Implementierung einer Phasenregelschleife

Bild 2: Benutzeroberfläche des Moku:Pro Lock-in-Verstärkers mit auf 50 MHz 
eingestelltem Lokaloszillator, Demodulator/Mischer, gefolgt von Tiefpassfilter und Rechteck-zu-Polar-Umwandlung mit Verstärkungs- und Offset-Funktionen.
Bild 2: Benutzeroberfläche des Moku:Pro Lock-in-Verstärkers mit auf 50 MHz 
eingestelltem Lokaloszillator, Demodulator/Mischer, gefolgt von Tiefpassfilter und Rechteck-zu-Polar-Umwandlung mit Verstärkungs- und Offset-Funktionen.
(Bild: SI Scientific Instruments)

Jeder Lock-in-Verstärker (Lock-In Amplifier = LIA) verfügt über eine Demodulationsstufe gefolgt von einem Tiefpassfilter. Wenn die LIA-App wie in Bild 2 so eingestellt wird, dass sie den gefilterten Mischerausgang in Betrag und Phase (R-Φ) ausgibt, dann kann sie als Phasendetektor verwendet werden. Der Phasenausgang der Polarumwandlung wird an Ausgang A ausgegeben und bildet die Phasenmessung oder Stellgröße der PLL. Der VCO wird unter Verwendung eines Funktionsgenerators implementiert.

Bild 3a: Benutzeroberfläche Funktionsgenerator mit einem FM-Signal.
Bild 3a: Benutzeroberfläche Funktionsgenerator mit einem FM-Signal.
(Bild: SI Scientific Instruments)

Bild 3b: Momentaufnahme des Spektrums von fin und fVCO/fout (unten).
Bild 3b: Momentaufnahme des Spektrums von fin und fVCO/fout (unten).
(Bild: SI Scientific Instruments)

Der Generator von Moku kann die Signale einer Vielzahl von Quellen modulieren, wie eines anderen Generators, einer internen Quelle oder eines Eingangsports. Um den VCO zu realisieren, wird er so konfiguriert (Bild 3, oben), dass er eine frequenzmodulierte (FM) Sinuswelle erzeugt. Dabei ist die Modulationsquelle auf Eingang A und -tiefe auf ± 50 kHz/V eingestellt. Letztere bestimmt den max. Erfassungsbereich.

Bild 4: Die Konfiguration des Multi-Instrument-Modus für PLL-Tests.
Bild 4: Die Konfiguration des Multi-Instrument-Modus für PLL-Tests.
(Bild: SI Scientific Instruments)

Der MIM wird gemäß Bild 4 konfiguriert. Position 1 enthält den LIA (PD-Funktion) und Position 2 wird vom FM-Generator (VCO) belegt. Der Ausgang des VCO wird mit Bus 2 verbunden und somit zum Eingang A des LIA zurückgeschleift. Um das PLL-Verhalten sowohl im Zeit- als auch Frequenzbereich zu beobachten sind Positionen 3 und 4 als Oszilloskop und Spektrumanalysator programmiert.

Beide sind so eingerichtet, dass sie die Signale auf Bus 1 (PD-Referenz LO) und Bus 2 überwachen (FM-Gen.-/ VCO-Ausgang). Das PLL-Verhalten wird mit diesem Setup untersucht. Im Normalfall jedoch speist der VCO den LO und rastet auf ein Signal ein, das von extern in den Eingang A des LIA geliefert wird.

Zu Beginn ist Ausgang A des Lock-in-Verstärkers ausgeschaltet. Das bedeutet, dass der PD-Ausgang deaktiviert ist und der Generator sein FM-Signal ausgibt. Bild 2 zeigt das integrierte Oszilloskop im LIA mit dem LO bei 50 MHz und das an Eingang A (dem Gen.-Ausgang) ankommende Signal bei 50,05 MHz. Beide Signale sind ungelockt, die Phase rollt kontinuierlich am Referenz-LO vorbei.

Das Oszilloskop auf Position 3 bestätigt den ungelockten Status der PLL. Die Frequenzen von VCO und Referenz liegen 50 kHz auseinander und die Phasendifferenz schwankt um ±180°. Dasselbe gilt im Spektrum, das zwei Peaks mit starren Versatz von 50 kHz darstellt (Bild 3, unten).

Der Funktionsgenerator reagiert und die Phasenregelschleife rastet ein

Bild 5: Die Benutzeroberfläche des Oszilloskops mit Messwerten und zugehörigen Statistiken.
Bild 5: Die Benutzeroberfläche des Oszilloskops mit Messwerten und zugehörigen Statistiken.
(Bild: SI Scientific Instruments)

Bei jetzt durch Tippen aktiviertem Ausgang A gibt der LIA ein Fehlersignal aus, das proportional zum momentanen Phasenfehler zwischen LO und VCO ist. Der Funktionsgenerator (VCO) reagiert und die Schleife rastet ein (lockt), während der VCO-Ausgang dem LO folgt. Bild 5 zeigt das Oszilloskop mit zwei gelockten Sinuswellen und einer konstanten Phasendifferenz zwischen LO und VCO von durchschnittlich –4,28°. Dieses Ergebnis wird im Frequenzbereich vom Spektrumanalysator mit nun zwei aufeinander liegenden Peaks bestätigt.

Der Multi-Instrument-Modus von Moku:Pro ermöglicht sehr flexible Messgerätekonfigurationen, wobei bis zu vier Instrument-Apps gleichzeitig und unabhängig voneinander eingesetzt werden können. Durch die Symbiose aus Hard- und Software konnten eine vollständige PLL und zusätzlich zwei Instrumente zur Auswertung in wenigen Minuten implementiert werden. Obwohl im Beispiel alle Funktionen auf einer Hardware integriert wurden, steht es dem Anwender genauso offen, einzelne Blöcke wie PD oder VCO extern zu realisieren und den Test-Aufbau (ein neues Design) im Zusammenspiel zu testen.

Das beschriebene Anwendungsbeispiel zeigt, wie Moku:Pro komplexe tägliche Aufgaben löst. Das noch ohne die Möglichkeiten, die individuelle FPGA-Programmierung mit Moku Cloud Compile eröffnet.

* Maximilian Dreher ist Produktmanager bei SI Scientific Instruments.

(ID:48657923)