Messtechnik für Industrie 4.0

Wie sich die komplex vernetzten Module des IoT messen lassen

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Was bei der Empfängerprüfung zu beachten ist

Ebenfalls überprüft werden muss der Empfänger des IoT-Funkmoduls und ob er die richtigen Hochfrequenzsignale empfängt. Zudem ist zu überprüfen, ob das Modul unerwünschte Hochfrequenzsignale herausfiltern kann. Mit einem Empfänger-Empfindlichkeitstest lässt sich sicherstellen, dass der Funkempfänger das richtige Signal empfängt und decodiert.

In den meisten Fällen muss das jeweilige Signal mit einem geeigneten Pegel erzeugt und dann allmählich der Signalpegel so weit abgesenkt werden, bis das Gerät das Signal nicht mehr empfangen und decodieren kann. Liegt der gemessene Signalpegel unterhalb der geforderten Empfängerempfindlichkeit, hat das Gerät den Test bestanden.

Ein Hochfrequenzsignal für den jeweiligen Funkstandard lässt sich mit einem Vektor-Signalgenerator (VSG) erzeugen. Es erzeugt modulierte Hochfrequenzsignale, also digital kodierte Informationen. Geprüft werden muss außerdem, ob der Empfänger unerwünschte Hochfrequenzsignale blockiert, während er gleichzeitig das gewünschte Signal empfängt und decodiert. Das lässt sich mit einem Empfänger-Blocking-Test ermitteln. Hierfür werden zwei VSGs und ein Hochfrequenz-Mischer benötigt.

Ein typisches IoT-Gerät enthält mindestens einen Sensor, einen Prozessor und einen Funk-Chip, die in verschiedenen Modi arbeiten und eine Stromaufnahme von einigen Hundert Nanoampere bis zu einigen Hundert Milliampere aufweisen. Das ändert sich innerhalb von wenigen Mikrosekunden. Die Charakterisierung eines Geräts mit niedrigem Stromverbrauch ist keine leichte Aufgabe, wenn man gleichzeitig sicherzustellen will, dass es innerhalb eines vorgegebenen Bereichs bleibt.

Sichergestellt werden muss, dass Ströme in einem großen Dynamikbereich exakt erfasst werden; erfasst werden müssen auch komplexe und schnelle Stromsignale während des Sendevorgangs über eine bestimmte Zeit, um eine stabile und genaue Stromversorgung für das zu prüfende Gerät sicherzustellen. Wird beispielsweise ein IoT-Gerät mit Solarenergie versorgt, müssen hohe Ströme gemessen werden. Mit einem grafischen Sampling-Multimeter des Typs Keithley DMM7510 lässt sich die Leistungscharakteristik der verwendeten Solarzelle untersuchen.

Das Messgerät verfügt über integrierte Temperaturfühler und Lichtsensoren. Es meldet den Batterieladezustand, wenn Energie über die Solarzellen gewonnen wurde. Der aktive Sende-/Empfangsvorgang benötigt mehr als 29 mA. Im Ruhemodus liegt der Wert bei 70 nA.

Den Energiebedarf eines vernetzten Gerätes bestimmen

Viele Entwickler von vernetzten Anwendungen fragen sich, mit welchem Instrument sie die Energieverbrauchs-Charakteristik untersuchen können. Ist ein Strommessgerät oder ein Oszilloskop mit einem Spannungs- oder Stromtastkopf besser geeignet? Die Tabelle zeigt einen Vergleich der aktuell verfügbaren Strommessinstrumente einschließlich der wichtigsten Funktionen.

Oszilloskop und Tastköpfe sind für hohe Ströme und schnelle Änderungen ausgelegt. Picoammeter und klassische DMMs messen sehr kleine Ströme, das aber nicht unbedingt schnell. Grafische Sampling-Multimeter sind relativ neu und bieten im Vergleich zu konventionellen Instrumenten eine umfangreiche Funktionsauswahl.

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Ein vollständiger Konformitätstest für ein IoT-Design in einem zertifizierten Labor ist teuer. Schnell scheitern die Tests und Re-Designs sind teuer und zeitaufwendig. Besser ist es, am Ende des Design-Zyklus die Geräte zu verifizieren. Im Gegensatz zu einer vollständigen Konformitätsprüfung muss der Pre-Compliance-Test nicht zu den internationalen Standards konform sein.

Ziel ist es, einfach potenzielle Probleme aufzudecken und das Risiko eines Fehlschlags bei dem teuren Konformitätstest zu verringern. Die verwendete Messtechnik darf nicht konform sein und eine geringere Genauigkeit und Dynamikbereich aufweisen als konforme Empfänger – aber nur so lange es eine ausreichende Toleranzreserve zu den Testergebnissen gibt.

  • Spektrumanalysator mit Spitzenwertdetektor (optional Quasi-Spitzenwert),
  • Vorverstärker (optional),
  • Antenne mit nicht-metallischem Standfuß für gestrahlte Emissionen,
  • Netznachbildung (LISN) für leitungsgebundene Tests,
  • Leistungsbegrenzer für leitungsgebundene Tests und
  • Nahfeld-Tastköpfe für die Diagnose (optional)

Das Bild 2 zeigt den Messaufbau für einen Pre-Compliance-Test für leitungsgebundene Emissionsprüfung. Das DUT ist ein universelles Netzteil für ein Notebook. Für leitungsgebundene Messungen wird anstatt einer Antenne eine Netznachbildung (LISN) verwendet. Das ist im Prinzip ein Tiefpassfilter, der zwischen einer AC- oder DC-Stromquelle und dem Testobjekt eingefügt wird, um eine bekannte Impedanz zu schaffen und eine Messschnittstelle für Hochfrequenz-Störungen zur Verfügung zu stellen. Diese isoliert auch die unerwünschten Hochfrequenz-Signale von der Stromquelle.

Ein Vorverstärker ist eine gute Möglichkeit, um die relativ kleinen Signalpegel vom Testobjekt (DUT) zu erhöhen. Zu beachten ist, dass die auf einer 50- oder 60-Hz-Stromversorgung geleiteten Interferenzen ebenfalls Probleme verursachen können.

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