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Acqiris Störungsfrei und sicher

| Autor / Redakteur: Frank E. Peterkin und Benjamin M. Grady* / Holger Heller

Experimente mit hohen gepulsten Spannungen zu instrumentieren kann sich als problematisch erweisen, da am Ort der Messung starke elektromagnetische Felder herrschen und die Isolation der Abschirmung zu gewährleisten ist. Durch die Isolation wird die Qualität der Messungen sichergestellt und das Personal geschützt. Die Verbindung mit externen Instrumenten und Steuerungssystemen erfolgt per Lichtwellenleiter, was vollständig isolierte Messungen ermöglicht. Ein breitbandiger, kompakt konfigurierter Digitalisierer überträgt dabei die abgetasteten Daten mithilfe des TCP/IP-Protokolls.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Generell haben Instrumente die Aufgabe, ein Signal im Zeitbereich zu erfassen und möglichst nahe an der Messstelle zu digitalisieren. Dies muss mit möglichst großer analoger Bandbreite geschehen. Die Anordnung sollte überdies so klein wie möglich sein, um Störungen des Feldes zu minimieren. In Anbetracht dieses Anforderungsprofils wurde der „Compact Remote Digitizer“ (CRDAQ) entwickelt und in einem Test mit den gegenwärtig üblichen Lösungen für Messungen an gepulsten Systemen verglichen.

Das analoge Signal muss bereits an seiner Quelle digitalisiert werden, sodass die Übertragung per Glasfaser in digitaler Form erfolgen kann. Der CRDAQ besteht aus einem optisch gekoppelten, batteriebetriebenen Gerät in einem gegen elektromagnetische Felder abgeschirmten Gehäuse mit 213 mm × 110 mm × 131 mm. Das Instrument basiert auf dem 3-HE-CompactPCI-Standard unter Verwendung kommerzieller Rechner und Digitalisierer. Für den hier gegebenen Anwendungsfall wurde ein Rechner mit geringer Leistungsaufnahme gewählt, da die Anforderungen an die Rechenleistung minimal sind. Zwei Digitizer, eine 250-MHz- und eine 1,5-GHz-Version, werden im System getestet. Der 250-MHz-Digitizer (DC110) ist ein aktuelles Produkt von Acqiris, während es sich bei der 1,5-GHz-Ausführung (DC152) um ein neues, im Rahmen einer Kooperation zwischen dem NSWC und Acqiris USA entwickeltes System handelt (Bild 1, Tabelle 1).

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Das CRDAQ enthält eine elektronische Baugruppe mit sämtlichen Systemkomponenten in einem einzigen Gehäuse. Zum Schutz gegen elektromagnetische Felder ist die gesamte Baugruppe in einem besonderen Gehäuse untergebracht. Dabei ist die elektronische Baugruppe so ausgelegt, dass sie zu Wartungs- und Reparaturzwecken aus dem Schutzgehäuse entnommen werden kann und dabei uneingeschränkt funktionsfähig bleibt. Bild 2 zeigt, wie der CompactPCI-(CPCI-)Rechner, der Digitizer, der Akkusatz und das Controller-Board, das für die Leistungswandlung und die Kommunikation, das Power-Management und die Überwachung des Betriebszustands zuständig ist, zu einer eigenständigen Baugruppe kombiniert sind. Die Hardware für die Unterbringung der Elektronik-Baugruppe besteht aus einem speziell per Stereolithografie (SLA) hergestellten Bauteil, das zum Bau der eigenständigen Baugruppe mit der CPCI-Backplane verbunden wird. Das Ganze wird anschließend in dem abgeschirmten Schutzgehäuse platziert, das über ST-Verbindungen für Fiber Ethernet, einen SMA-Steckverbinder für das Eingangssignal, ein EMI-Luftfilter für die Kühlung und einen separaten Deckel zum einfachen Entfernen des Akkus verfügt.

Maximale Effizienz durch kommerzielle Bestückung

Um dem CRDAQ maximale Effizienz zu verleihen, ist das Controller-Board einfach als zweilagige, mit handelsüblichen Bauelementen bestückte Leiterplatte realisiert. Die Verwendung kommerziell angebotener Bauteile verringert die Abhängigkeit von extrem spezialisierten Schaltungen, wodurch sich die Wartung und Reparatur für den Endanwender einfacher gestaltet. Gleiches gilt für den Akkusatz, der aus vier Camcorder-Akkus von Sony in Lithium-Ionen-Technik besteht. Die Akkus sind in Reihe geschaltet und ergeben einen Satz mit 28,8 V und einer Kapazität von 5,5 Ah.

Zur Steuerung des CRDAQ dient ein beliebiger, unter Windows XP/2000 laufender Rechner mit Ethernet-Anschluss und zwei Programmen: eines der Programme wird zur Steuerung bzw. Überwachung des CRDAQ-Systems über einen Mikrocontroller verwendet, während das andere Programm zum Einholen der Daten vom Acqiris-Digitizer benutzt wird. Das Mikrocontroller-Programm überwacht die Akkuspannung und die interne Temperatur, stellt den Abschwächer ein und ermöglicht ein dezentrales Ein- und Ausschalten, um die Akkulaufzeit zu verlängern. Das zweite Programm stammt aus der Entwicklung von Acqiris und wird als Acqiris-MAQS (Multichannel Acquisition Software) bezeichnet. Es richtet ein virtuelles Fenster zum Digitizer ein, um die Erfassungs-Parameter zu konfigurieren, das Gerät in den betriebsbereiten Zustand zu versetzen und um die digitalen Daten anzuzeigen, die für eine weitere Analyse zu einem späteren Zeitpunkt abgespeichert werden können.

Beim Test der CRDAQ-Modelle für 250 MHz und 1,5 GHz ergab sich eine hohe Übereinstimmung mit kommerziellem Mess-Equipment. Das Modell DC110 bzw. DC152 wurde unlängst einem Praxistest mit einer gepulsten Stromversorgung an der MOATS Test Facility des NSWC in Dahlgren unterzogen.

Mehr Qualität: weniger Grundrauschen

Hierbei diente eine 150-MHz-Stromzange des Typs Eaton 91550-2 zum Messen des gekoppelten Stroms auf einem Stromversorgungskabel mithilfe des CRDAQ DC110 und eines 200 MHz Analog Fiber Transmitters des Typs EG&G ODT-E6. Bild 3 macht deutlich, wie gut das CRDAQ-Signal mit dem Signal des EG&G-Systems korreliert: das Grundrauschen des CRDAQ liegt dabei unter dem des EG&G-Systems, was zu einer erheblichen Qualitätsverbesserung beiträgt.

Die Verifikations-Messung mit dem 1,5-GHz-CRDAQ DC152 wurde unter Laborbedingungen durchgeführt, wobei das Gerät einem Nanofast OP300 1 GHz Analog Fiber Link und einem LeCroy Wavemaster 8300 A unter Verwendung eines Bournlea-Pulsgenerators gegenübergestellt wurde. Das Signal des Bournlea-Generators wurde mit einem 3-Wege-Power-Splitter allen drei Instrumenten zugeführt, von denen ein Impuls abgetastet und zu Vergleichszwecken herangezogen wurde. Wie Bild 4 zeigt, stimmt die Messung des CRDAQ mit der Aussage des LeCroy-Oszilloskops überein. Es digitalisiert das Signal direkt und weist weniger Rauschen als das Nanofast-Messsystem auf.

Literatur

„Technical Product Description, Models DC152 & DC122,” Acqiris SA, Genf, Schweiz, April 2004

Acqiris, Tel. +41(0)22 8843390

*Frank E. Peterkin und Benjamin M. Grady sind Mitarbeiter des Naval Surface Warfare Center, Dahlgren, Virginia/USA.

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