Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek

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ISBN 978-3-645-39046-0

Autoren: Dietmar Benda, H. J. Berndt, Herbert Bernstein, Henry Bruhns, Jochen Ferger, Burkhard Kainka, Fredi Krüger, Benedikt Sauter, Reiner Schirm, Cornelius Schneider, Gert Schönfelder, Frank Sichla, Peter Sprenger, Stefan Tappertzhofen

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INHALTSÜBERSICHT

1. Teil: Werkbuch der Messtechnik ... PDF-S. 4 2. Teil: Messtechnik mit dem ATmega ... PDF-S. 397 3. Teil: USB in der Messtechnik ... PDF-S. 670 4. Teil: Richtig messen mit dem USB-Scope ... PDF-S. 1026 5. Teil: Messen, Steuern und Regeln mit USB ... PDF-S. 1214 6. Teil: Richtig messen und prüfen ... PDF-S. 1388 7. Teil: Messen, Steuern und Regeln mit C-Control M-Unit 2 ... PDF-S. 1512 8. Teil: Messen, Steuern und Regeln mit USB und Java ... PDF-S. 1725 9. Teil: Messen, Steuern und Regeln mit USB und C# ... PDF-S. 1933 10.Teil: Messen, Steuern und Regeln mit C-Control Pro ... PDF-S. 2146 11. Teil: Messen, Steuern und Regeln mit PSoC Mikrocontrollern ... PDF-S. 2383 12. Teil: Messen, Steuern und Regeln mit Word & Excel ... PDF-S. 2621 13. Teil: Wie misst man mit dem Oszilloskop? ... PDF-S. 2881 14. Teil: Hochfrequenz Messpraxis ... PDF-S. 3110

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Herbert Bernstein

Werkbuch der

Messtechnik

65004-5 Titelei 05.08.2010 15:13 Uhr Seite 3

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55 Vorwort

Die messtechnische Erfassung der Umwelt ist für den Physiker und Ingenieur von je- her die Voraussetzung für seine Arbeit. Seit 1970 ist bei der immer umfang reicher werdenden Arbeit in der Praxis und im Betrieb auch für den Facharbeiter, Techniker und Meister die Anwendung der Messgeräte und die Kenntnis der Messver fahren un- entbehrlich. Das Buch ist ideal für die Prüfungsvorbereitung. Der Autor hat sich be- müht, selbst für komplexe Vorgänge oder Formeln praktische, kurze Erklärungen bzw.

Näherungsrechnungen zu entwickeln, ohne die Darstellungen zu simplifizieren.

Aus dieser Überlegung heraus entstand das vorliegende Buch, das im Unterricht an der Technikerschule und bei der IHK eingesetzt wird. Es soll jedem, der in der Elektro- technik während der Ausbildungszeit oder in der Berufsausübung zu messen hat, be- hilflich sein, die Zusammenhänge zu verstehen und die richtigen Ver fahren auszuwäh- len. Es soll den Auszubildenden in der Berufsschule, den Facharbeiter in der Praxis und den Meister beim Entwurf beraten. Es wird auch dem Techniker im Betrieb nütz- lich sein und in vielen Fällen sogar dem Fachmann anderer Berufe Hinweise auf die vielfältigen Möglichkeiten der elektrischen und elektronischen Messtechnik geben können.

Der Umfang des Buches reicht im Interesse der Vollständigkeit über das hinaus, was in der Berufs-, Meister- und Technikerschule zum Thema „Elektro-Messtechnik“ vermit- telt werden kann. Dem Fach lehrer und Dozenten bleibt daher die Auswahl überlassen.

Dafür kann aber das gleiche Buch in Fachkursen, Meisterkursen und Technikerschu- len weiter verwendet werden.

Bei meiner Frau Brigitte möchte ich mich für die Erstellung der Zeichnungen bedan- ken.

München, Sommer 2010 Herbert Bernstein

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6 Hinweise zur CD-ROM

● Personalcomputer ab Windows 2000 als Betriebssystem

Die auf der CD-ROM vorhandenen Programme sind nach deutschem und internationa lem Recht urheberrechtlich geschützt. Sie dürfen nur für den privaten Zweck verwendet werden. Das illegale Kopieren und Vertreiben stellt einen Diebstahl geistigen Eigentums dar und wird urheberrechtlich verfolgt.

Auf der CD-ROM befinden sich die gezeigten Beispiele mit der Software von EAGLE.

Damit die Programme laufen, erhalten Sie von den Firmen folgende Versionen:

● www.CADsoft.de

Wenn Fragen auftreten, wenden Sie sich bitte an: Bernstein-Herbert@t-online.de

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7 Inhaltsverzeichnis

1 Zeigerinstrumente (analoge Messtechnik) . . . . 11

1.1 Analoge Messinstrumente . . . 11

1.1.1 Messwerk, Messinstrument und Messgerät . . . 16

1.1.2 Beschriftung der Messgeräte . . . 18

1.1.3 Messinstrumentengehäuse . . . 22

1.1.4 Skalen . . . 23

1.1.5 Drehmomente und Einschwingen . . . 27

1.1.6 Zeiger, Lager und Dämpfung . . . 29

1.1.7 Genauigkeitsklassen und Fehler . . . 32

1.1.8 Justierung (Eichung) von Betriebsmessgeräten . . . 36

1.1.9 Bedienungsregeln und Beurteilung . . . 46

1.2 Arbeitsweise von Zeigermessgeräten . . . 49

1.2.1 Dreheisen-Messwerk. . . 49

1.2.2 Drehmagnet- und Eisennadel-Messwerk . . . 52

1.2.3 Drehspul-Messwerk . . . 54

1.2.4 Zeiger-Galvanometer . . . 57

1.2.5 Drehspul-Quotientenmesswerk . . . 59

1.2.6 Elektrodynamisches Messwerk . . . 60

1.2.7 Elektrodynamisches Quotienten-Messwerk . . . 63

1.2.8 Elektrostatisches Messwerk . . . 65

1.2.9 Induktions-Messwerk . . . 67

1.2.10 Hitzdraht-Messwerk . . . 70

1.2.11 Bimetall-Messwerk . . . 70

1.2.12 Vibrations-Messwerk . . . 71

1.2.13 Elektrizitätszähler . . . 72

1.3 Messungen elektrischer Grundgrößen . . . 74

1.3.1 Messwiderstände . . . 74

1.3.2 Universal-Messinstrumente . . . 76

1.3.3 Strommessung . . . 79

1.3.4 Spannungsmessung . . . 82

1.3.5 Widerstandsbestimmung durch Strom- und Spannungsmessung . . 84

1.3.6 Widerstandsmessung mit Ohmmetern . . . 87

1.3.7 Brückenmessungen . . . 88

1.3.8 Kompensationsmessungen . . . 91

1.3.9 Kapazitätsmessung . . . 92

1.3.10 Induktivitätsmessung . . . 94

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1.3.11 Wechselstrom-Messbrücken . . . 97

1.4 Messverfahren in der Starkstromtechnik . . . 100

1.4.1 Leistungsmessung im Einphasennetz . . . 101

1.4.2 Leistungsmessung im Drehstromnetz . . . 105

1.4.3 Blindleistungsmessung . . . 107

1.4.4 Leistungsfaktormessung . . . 108

1.4.5 Messen der elektrischen Arbeit . . . 111

1.4.6 Isolationsmessung . . . 113

1.4.7 Fehlerort-Bestimmung . . . 116

1.4.8 Erdwiderstandsmessung . . . 120

1.5 Vom elektrischen zum elektronischen Stromzähler . . . 122

1.5.1 Umstellung auf elektronische Zähler . . . 123

1.5.2 Arten von Stromzählern . . . 124

1.5.3 Elektronische Stromzähler . . . 124

1.5.4 Elektronischer Stromzähler mit Mikrocontroller . . . 126

2 Analoge und digitale Oszilloskope . . . . 130

2.1 Aufbau eines analogen Oszilloskops . . . 132

2.1.1 Elektronenstrahlröhre . . . 133

2.1.2 Horizontale Zeitablenkung und X-Verstärker . . . 140

2.1.3 Triggerung . . . 143

2.1.4 Y-Eingangskanal mit Verstärker . . . 146

2.1.5 Zweikanaloszilloskop . . . 150

2.1.6 Tastköpfe . . . 153

2.1.7 Inbetriebnahme des Oszilloskops . . . 155

2.2 Praktische Handhabung eines Oszilloskops . . . 159

2.2.1 Einstellen der Empfindlichkeit . . . 160

2.2.2 Anschluss eines Oszilloskops an eine Messschaltung . . . 164

2.2.3 Triggerverhalten an einer Messschaltung . . . 170

2.3 Digitales Speicheroszilloskop . . . 175

2.3.1 Merkmale eines digitalen Oszilloskops . . . 175

2.3.2 Interne Funktionseinheiten . . . 176

2.3.3 Digitale Signalspeicherung . . . 177

2.3.4 Analog-Digital-Wandler . . . 179

2.3.5 Zeitbasis und horizontale Auflösung . . . 180

2.3.6 Möglichkeiten des Abtastbetriebs . . . 184

2.3.7 Speicherung von Signalinformationen . . . 188

2.4 Funktionen und Bedienelemente . . . 192

2.4.1 Parametereinstellungen . . . 192

2.4.2 Triggerfunktionen . . . 194

2.4.3 Spezielle Triggerfunktionen . . . 198

2.4.4 Triggermethoden für Störimpulse . . . 202

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2.4.5 Auswertung von Messsignalen . . . 204

2.4.6 Digitale Filterung . . . 208

2.4.7 Verarbeitung von Messsignalen . . . 211

2.4.8 Spezialfunktionen eines digitalen Speicheroszilloskops . . . 213

2.4.9 Automatische Messung mit der Cursorsteuerung . . . 217

2.4.10 Arbeiten mit dem Messcursor . . . 220

3 Digitale Messgeräte . . . . 225

3.1 3½-stelliges Digital-Voltmeter mit LCD-Anzeige . . . 225

3.1.1 Arbeiten mit Flüssigkristall-Anzeigen. . . 228

3.1.2 Aufbau und Funktionen von Flüssigkristall-Anzeigen . . . 230

3.1.3 3½-stelliges Digital-Voltmeter ICL7106 LCD (und ICL7107 LED) . . 232

3.1.4 Betriebsfunktionen ICL7106 und ICL7107 . . . 234

3.1.5 Auswahl der externen Komponenten für ICL7106 und ICL7107 . . 239

3.1.6 Praktische Anwendungshinweise . . . 241

3.1.7 Schaltung für den ICL7106 . . . 247

3.1.8 Umschaltbares Multimeter mit dem ICL7106 . . . 249

3.1.9 Digital-Voltmeter mit elektronischer Bereichsumschaltung . . . 253

3.2 3½-stelliges Digitalvoltmeter mit LED-Anzeige . . . 262

3.2.1 Digitalvoltmeter mit LED-Anzeige . . . 263

3.2.2 3½-stelliges LED-Thermometer mit dem ICL7107 . . . 265

3.3 3½-stelliges Digitalvoltmeter mit dem ICL7116 und ICL7117 . . . . 268

3.4 4½-stelliges Digitalvoltmeter mit dem ICL7129 . . . 268

3.4.1 Triplex-LCD-Anzeige für den ICL7129 . . . 271

3.4.2 Anwendungen mit dem ICL7129 . . . 274

3.5.1 Betriebsarten des ICL7135 . . . 276

3.5.2 Anschlussbelegung des ICL7135 . . . 280

3.5.3 Auswahl der Komponenten für den ICL7135 . . . 281

3.5.4 Schaltungen mit dem ICL7135 . . . 287

3.6.1 Messzyklen des ICL7137 . . . 292

3.6.2 Anschlussbelegung des ICL7137 . . . 294

3.6.3 Auswahl der Komponenten . . . 296

3.7 Vierstelliger Vor-Rückwärtszähler mit dem ICM7217 . . . 297

3.7.1 Vierstelliger Ereigniszähler mit dem ICM7217 . . . 299

3.7.2 Vierstelliger Tachometer mit dem ICM7217 . . . 304

3.7.3 IC-Zeitgeber 555 . . . 305

3.7.4 Vierstellige Uhr . . . 310

3.7.5 Vierstelliger Präzisionszähler bis 1 MHz . . . 314

3.8 Multifunktionszähler und Frequenzzähler . . . 320 3.8.1 Multifunktionszähler ICM7216A/B und Frequenzzähler ICM7216C/D 320

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3.8.2 Funktionen des ICM7216A/B . . . 323

3.8.3 Multifunktionszähler mit dem ICM7216A bis 10 MHz . . . 327

3.8.4 Frequenzzähler bis 10 MHz mit dem ICM7216 . . . 330

3.8.5 Erweiterte Schaltungen mit dem ICM7216 . . . 333

3.8.6 Universalzähler ICM7226A/B . . . 345

3.8.7 Steuerfunktionen des Universalzählers ICM7226A/B . . . 349

3.8.8 Genauigkeit des Universalzählers ICM7226A/B . . . 355

3.8.9 100-MHz-Universalzähler ICM7226A . . . 355

3.8.10 100-MHz-Frequenzzähler ICM7226A . . . 360

3.9 Funktionsgeneratoren . . . 363

3.9.1 Funktionsgenerator ICL8038 . . . 363

3.9.2 Funktionsgenerator und Wobbler . . . 367

3.9.3 Schaltungen mit dem ICL8038 . . . 368

3.9.4 Funktionsgenerator mit Endstufe . . . 373

3.10 Präzisions-Funktionsgenerator MAX038 . . . 379

3.10.1 Blockschaltung des Funktionsgenerators MAX038 . . . 379

3.10.2 Funktionsgenerator mit dem MAX038 . . . 382

3.10.3 Wobbler mit dem MAX038 . . . 387

3.11 Integrierter Funktionsgenerator XR2206 . . . 391

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11 1 Zeigerinstrumente (analoge Messtechnik)

In der praktischen Messtechnik (Messgeräte unter 200 €) unterscheidet man zwischen

● analogen Messgeräten

● digitalen Messgeräten

Analoge Messgeräte sind Zeigerinstrumente und bei diesen erfolgt die Anzeige auf einer Skala durch einen Zeiger. Digitale Messgeräte geben das Messergebnis über eine mehrstellige 7-Segment-Anzeige aus. Die digitalen Messgeräte werden im dritten Ka- pitel behandelt. Abb. 1.1 zeigt den Unterschied zwischen analogen und digitalen Mess- geräten.

Abb . 1 .1: Unterschied zwischen analogen und digitalen Messgeräten

Das analoge Messgerät zeigt Messwerte zwischen 0 V und 300 V an. Bei dem digitalen Messgerät handelt es sich um eine 3½-stellige Anzeige und es zeigt einen Messwert von

±1.999 an. Während für ein analoges Messgerät kaum eine Elektronik erforderlich ist, benötigt ein digitales Messgerät eine aufwendige Zusatzelektronik.

1 .1 Analoge Messinstrumente

Bei elektrischen Größen wird stets eine Wirkung gemessen, da man die Elektrizität nicht unmittelbar mit den Sinnesorganen wahrnehmen kann wie etwa die Länge beim Messen eines Werkstückes. Die Wirkungen der Elektrizität sind vielfältig und dement- sprechend sind es auch die elektrischen Messverfahren. Am häufigsten wird die Wechsel wirkung zwischen Elektrizität und Magnetismus ausgewertet. Über 90 % aller praktisch eingesetzten Messgeräte beruhen auf der magnetischen Wirkung.

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1 Zeigerinstrumente (analoge Messtechnik)

In der Praxis kann elektrische Energie in jede andere Energieform umgewandelt werden und mit ihrer Wirkung zur Ausführung von Messungen dienen:

● Magnetische Wirkung: Jeder Stromfluss ruft ein Magnetfeld hervor und somit wird dieses Verfahren in 90 % der elektrischen Messtechnik verwendet.

● Mechanische Wirkung: Beim elektrostatischen Prinzip stoßen sich gleichnamig elektrisch geladene Körper ab. Das Piezo-Kristall biegt sich, wenn eine Spannung angelegt wird.

● Wärmewirkung: Bei der direkten Wirkung erwärmt der Strom einen Hitzdraht und damit verändert sich die Längenausdehnung. Nutzt man die indirekte Wir- kung, wird der erwärmte Draht mittels eines Thermoelements gemessen.

● Lichtwirkung: Man unterscheidet zwischen Gasentladung und Glühlampe. Die Art und Länge des Glimmlichts hängt von der Spannung ab und die Helligkeit des Glühfadens ist von der elektrischen Leistung abhängig.

● Chemische Wirkung: Die Menge der Gasentwicklung ist von der elektrischen Ar- beit abhängig.

Alle Messgeräte dieser Art gehen auf die physikalische Tatsache zurück, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld hervorruft, welches von der Stromstärke abhängig ist.

Schickt man den zu messenden Strom durch eine Spule, dann wird ein Weicheisen- stück in Abhängigkeit von der Stromstärke mehr oder weniger tief in die Spule hineingezogen (Abb. 1.2a).

Abb . 1 .2: Prinzip der magnetischen Wirkung

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1.1 Analoge Messinstrumente

a. Beim Dreheisen-Messwerk wird das Weicheisenstück in eine stromdurchflossene Spule hineingezogen.

b. Beim Drehspul-Messwerk dreht sich die stromdurchflossene Spule im Feld eines Dauermagneten.

c. Beim elektrodynamischen Messwerk dreht sich die stromdurchflossene Spule im Feld eines Elektromagneten.

Ist die stromdurchflossene Spule drehbar zwischen den Polen eines Dauermagneten gelagert, dann dreht sie sich gegen eine Spannfeder, je nach der Stromstärke (Abb. 1.2b).

Die Abhängigkeit von zwei Strömen kann gemessen werden, wenn die Drehspule sich im Feld eines Elektromagneten bewegt (Abb. 1.2c). Spannungsmessungen werden ebenfalls meistens auf derartige Strommessungen zurückgeführt.

Reine Spannungsmessung ist mit elektrostatischen Verfahren möglich, bei denen sich zwei gleichnamig aufgeladene Platten abstoßen (Abb. 1.3a). Hierbei fließt, im Gegen- satz zu den magnetischen Verfahren, kein Strom, die Messung wird also leistungslos durchgeführt. Ebenso kann eine mechanische Wirkung unmittelbar durch eine elektrische Spannung hervorgerufen werden, wenn man die Messspannung an ein beson- deres Kristallplättchen, einem Piezo-Kristall, anlegt, der sich dann unter Einfluss der Spannung mechanisch verbiegt (Abb. 1.3b).

Abb . 1 .3: Prinzip der mechanischen Wirkung

a. Beim elektrostatischen Messwerk stoßen sich gleichnamig elektrisch geladene Kör- per ab.

b. Ein Piezo-Kristall verformt sich, wenn Spannung angelegt wird.

Durch den Stromfluss in einem elektrischen Leiter entsteht Wärme, die wiederum als ein Maß für die Stärke des Stroms verwendet werden kann. Entweder misst man die Längenausdehnung eines Drahts bei der Erwärmung infolge des durchfließenden Stroms (Abb. 1.4a), oder man misst die Durchbiegung eines Bimetallstreifens. Weiter- hin kann die Erwärmung durch ein Thermoelement bestimmt werden (Abb. 1.4b).

Der Messstrom wird durch einen Widerstandsdraht geleitet. Ein Thermoelement be- rührt den Draht oder sitzt ganz dicht daran. Die Thermospannung ist ein Maß für die Tem peratur und damit für die Stromstärke.

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Abb . 1 .4: Prinzip der Wärmewirkung

a. Beim Hitzdraht-Messwerk erwärmt der Strom den Hitzdraht und die Längenaus- dehnung bewirkt einen Zeigerausschlag.

b. Beim Bimetall-Messwerk erwärmt der Strom den Draht und dieser wird mittels Thermoelement gemessen.

Lichtwirkung (Abb. 1.5) nutzt man bei manchen Messverfahren durch Feststellung der Länge einer Glimmentladung oder durch Messung der Helligkeit einer Glühlampe, beides als Maß für die angelegte Spannung oder den durchfließenden Strom.

Abb . 1 .5: Prinzip der Lichtwirkung

a. Bei der Gasentladung sind Art und Länge des Glimmlichts spannungsabhängig.

b. Die Helligkeit des Glühfadens ist von der elektrischen Leistung abhängig.

Chemische Wirkungen werden genutzt durch Messung der Ausscheidung von Gasen oder Abscheidung von Metallen oder Salzen bei der Elektrolyse (Abb. 1.6).

Abb . 1 .6: Bei der Elektrolyse ist die Menge der Gasentwicklung von der elektrischen Arbeit abhängig

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In manchen Fällen erscheint das Messverfahren grundsätzlich umständlich und kom- pliziert, ist aber in der Praxis oft das einfachste Prinzip. Es ist vergleichbar mit der Energie umwandlung. So wird beispielsweise die chemische Energie der Kohle erst zur Ver dampfung von Wasser verwendet, dann wird die Dampfturbine betrieben, dann in einem Generator mithilfe von magnetischen Feldern ein elektrischer Strom erzeugt.

Trotzdem ist dies das wirtschaftlichere Verfahren gegenüber der unmittelbaren Um- wandlung chemischer Energie in elektrischen Strom in einer Taschenlampenbatterie.

Ähnlich verhält sich die Messtechnik. Das anscheinend einfachste Verfahren der unmittelbaren Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Bewegung im Piezo- Kristall wird nur äußerst selten angewendet, dagegen der Umweg über die magnetischen Verfahren am häufigsten. Welche Methode am besten geeignet ist, kann nur von Fall zu Fall entschieden werden. Hohe Anforderungen an die Genauigkeit oder geringe zur Verfügung stehende Energie können besondere, außergewöhnliche Messverfahren erforderlich machen.

Ein Messwert muss erkennbar werden, entweder angezeigt auf einer Skala oder aufge- zeichnet auf einem Registrierstreifen oder auch unmittelbar in Ziffern ablesbar. Den größten Anteil aller elektrischen Messgeräte nehmen immer noch die Zeigergeräte ein, obwohl die elektronischen Messinstrumente zahlreiche Vorteile aufweisen.

Im Laufe der Zeit haben sich unterschiedliche Formen entwickelt, die den ver- schiedensten Bedürfnissen angepasst wurden. Diese Formen waren zum Teil bedingt durch das physikalische Verfahren, zum Teil durch den Aufstellungsort der Messgeräte, ob fest montiert in einer Schalttafel oder als transportables Tischgerät ausgeführt. Sie sind zum Teil auch bedingt durch den Preis des Geräts, da eine Verbesserung der An- zeige oft eine erhebliche Verteuerung mit sich bringt.

Bei den Messgeräten mit mechanischem Zeiger herrscht der Kreisbogenzeiger vor. In erster Linie ist das bedingt durch die Bauart des Messgeräts, da zum Beispiel bei den viel verwendeten Drehspulgeräten dies die einfachste Konstruktion ist. Die drehbare Spule ist unmittelbar mit dem mechanischen Zeiger zu einer Einheit ver bunden. For- dert man in Sonderfällen eine gerade und ebene Skala, dann kann man durch Umlen- kung oder Seilführung diese Forderung erfüllen. Wenn die Stirnfläche möglichst ge- ringen Raum einnehmen soll, kann sich der Zeiger in einem Zylinderausschnitt drehen und das Gerät flach hinter der Schalttafel angeordnet werden.

Zur Bewegung eines mechanischen Zeigers benötigt man eine bestimmte Energie, die nicht in allen messtechnischen Fällen zur Verfügung steht.

Eine fast trägheitslose Anzeige erhält man bei einem Oszilloskop oder bei den elektronischen Messgeräten. In der Elektronenstrahlröhre wird der Strahl magnetisch oder elektrisch abgelenkt. Mechanisch bewegte Teile existieren überhaupt nicht. Hier kann man sehr rasche Bewegungen ausführen lassen und das Messgerät als Schreiber für sehr schnell ablaufende Vorgänge oder Schwingungen benutzen. Für einfache Messun- gen ist das Verfahren zu teuer, für Laborzwecke dagegen heute allgemein in Benutzung.

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Bei Registriergeräten ist die mechanische Aufzeichnung die einfachste. Der Energie- bedarf (Eigenverbrauch) ist noch höher als bei dem mechanischen Zeigergerät. Der Schreibstift muss den Reibungswiderstand auf dem ablaufenden Papierstreifen über- winden können. Geringer Energiebedarf und die Möglichkeit zur Aufzeichnung rasch ablaufender Vorgänge ist kennzeichnend für die fotografisch registrierenden Licht- schreiber-Geräte.

1 .1 .1 Messwerk, Messinstrument und Messgerät

Um Verwechslungen und Irrtümer zu vermeiden, sollten nur genormte Bezeichnungen verwendet werden. Die Normen unter scheiden die drei wichtigen Begriffe Messwerk, Messinstrument und Messgerät. Zum Messwerk gehören nur das bewegliche Organ mit dem Zeiger, die Skala und weitere Teile, die für die Funktion ausschlaggebend sind, wie z. B. eine feste Spule oder der Dauermagnet. Durch eingebaute Vorwiderstände, Um- schalter, Gleichrichter und das Gehäuse wird das Messwerk zum Messinstrument er- gänzt. Das Messwerk allein ist also zwar funktionsfähig, aber nicht unmittelbar verwendbar, das Messinstrument dagegen kann in dieser Form schon endgültig benutzt werden, z. B. bei Tischgeräten. Kommen noch äußere Zubehörteile hinzu, wie etwa Messleitungen oder getrennte Vor- und Nebenwiderstände, getrennte Gleichrichter und andere, dann ist ein vollständiges Messgerät zusammengestellt. Abb. 1.7 zeigt Teile und Zubehör elektrischer Messgeräte. Tabelle 1.1 beinhaltet die Benennung der Messgeräte.

Abb . 1 .7: Teile und Zubehör elektrischer Messgeräte

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Tabelle 1 .1: Benennung der Messgeräte

a) Nach Art des Messwerks: Kennzeichnung

1. Drehspulinstrumente Feststehender Dauermagnet, bewegliche Spulen

2. Drehmagnetinstrumente Beweglicher Dauermagnet, feststehende Spulen

3. Dreheiseninstrumente Bewegliche Eisenteile, feststehende Spulen 4. Eisennadelinstrumente Bewegliche Eisenteile, fester Dauermagnet;

feste Spule

5. Elektrodynamische Instrumente Feststehende Stromspulen, bewegliche Messspulen

6. Elektrostatische Instrumente Feststehende Platten, bewegliche Platten 7. Induktionsinstrumente Feststehende Stromspulen, bewegliche Leiter

(Scheiben)

8. Hitzdrahtinstrumente Vom Stromdurchgang erwärmter Draht 9. Bimetallinstrumente Vom Stromdurchgang erwärmter Draht 10. Vibrationsinstrumente Schwingfähige bewegliche Organe b) Nach Art der Messumformer

1. Thermoumformer-Messgeräte Thermopaar liefert Messspannung 2. Gleichrichter-Messgeräte Gleichrichter formt Wechselstrom in

Gleichstrom um c) Nach Art von Sondermaßnahmen

1. Quotientenmesser Das Verhältnis elektrischer Größen wird gemessen

2. Summen- oder Differenzmesser Mit zwei Wicklungen werden Ströme summiert

3. Astatische Instrumente Paarweise gekoppelte Messwerke mit entgegen gerichteten Feldern

4. Eisengeschirmte Instrumente Eisenabschirmung gegen Fremdfelder

Auch die Benennung der Messgeräte-Arten ist in den Normen festgelegt und soll der Beschreibung entsprechend verwendet werden. In erster Linie unterscheidet man die Geräte nach dem physikalischen Vorgang der Messung (Tabelle 1.1). Die Messwerke sind danach in zehn Gruppen eingeteilt. Die Reihenfolge und Einteilung ist kein Werturteil und gibt keine Auskunft über die Zweckmäßigkeit des Einsatzes. Sie be- sagt lediglich etwas über die grundsätzlichen Eigenschaften und damit über die

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Verwendungsmöglich keit. So kann beispielsweise ein Drehspulinstrument mit einem feststehenden Dauermagneten und einer beweglichen Spule nur für Messungen von Gleichströmen geeignet sein. Das Gleiche gilt bei der Umkehrung, dem Dreh- magnetinstrument, bei der die stromdurchflossene Spule fest steht und ein Dauer- magnet beweglich angeordnet ist. Dreheiseninstrumente wurden früher oft als Weicheiseninstrumente bezeichnet. Das ist inzwischen überholt, da heute das bewegliche Eisenteil stets drehbar gelagert ist. Die Eisen nadelinstrumente unterschei- den sich von den Dreheiseninstrumenten durch den zu sätzlich vorhandenen Dauer- magneten, dessen Wirkung durch den Stromfluss in der Spule verstärkt oder geschwächt wird. Elektrodynamische Instrumente haben eine feststehende und eine bewegliche Spule und können damit das Produkt zweier Ströme anzeigen. Auch In- strumente mit mehreren Spulen im beweglichen Organ oder festen Teil tragen die gleiche Bezeichnung. Elektrostatische Instrumente bestehen aus festen und beweglichen Platten. Induktionsinstrumente arbeiten mit Strömen, die in beweg lichen Lei- tern oder Metallscheiben induziert werden. Hitzdrahtinstrumente messen die Län- genausdehnung eines vom Stromfluss erwärmten Drahts und Bimetallinstrumente die Bewegung des erwärmten Bimetallorgans. Die Vibrationsinstrumente schließlich besitzen mechanisch schwingfähige Teile, Zungen oder Platten, die in Resonanz kommen können.

Eine weitere Unterteilung wird nach Art der Zusatzgeräte zur Messwertumformung vorgenommen. Die Umformung ist häufig dann erforderlich, wenn Wechselströme mit Messwerken gemessen werden sollen, die ihrer Eigenschaft nach nur für Gleich- ströme geeignet sind. Schließlich kann man noch nach Sondermaßnahmen untertei- len. Durch Anbringung mehrerer Spulen im beweglichen Organ oder festen Teil ist die Bildung von Quotientenwerten möglich. Ebenso kann man eine Summen- oder Diffe- renzbildung aus zwei Messwerten erreichen.

Bei Messverfahren der magnetischen Gruppe haben magnetische Fremdfelder einen star- ken verfälschenden Einfluss. Als Gegenmaßnahme kann man im astatischen Instru ment zwei Messwerke paarweise koppeln, sodass die Fremdeinflüsse sich aufheben. Auch durch magnetische Abschirmung kann ein Fremdfeldeinfluss ausgeschaltet werden.

1 .1 .2 Beschriftung der Messgeräte

Für die Beschriftung von elektrischen Messgeräten sind ebenfalls VDE-Normen auf- gestellt. Alle in Deutschland für den Inlandsbedarf hergestellten Messgeräte müssen diese Regeln befolgen. Auch bei Auslandslieferungen wird nur auf besondere An- forderung davon abgewichen. Für die Einheiten auf Messinstrumentenskalen sind Bei spiele von Kurzzeichen angeführt (Tabelle 1.2). Diese umfassen nicht nur die Grundeinheiten, sondern auch die Teile und Vielfache davon, also zum Beispiel nicht nur A für die Einheit des Stroms in Ampere, sondern auch bei Bedarf mA für Milliam- pere, µA für Mikroampere oder selbst kA für Kiloampere. Bei elektrischer Messung nicht elektrischer Größen können die Anzeigegeräte auch mit diesen Einheiten unmit-

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telbar beschriftet werden, wie zum Beispiel für Temperaturanzeige in °C, Weglängen in mm oder Prozentanteile von Gasmischungen in % CO₂oder % O₂.

Tabelle 1 .2: Kurzzeichen für Einheiten auf Messinstrumentenskalen

kA Kiloampere MW Megawatt MHz Megahertz cos j Leistungsfak- tor

A Ampere kW Kilowatt kHz Kilohertz Ah Ampere- stunden mA Milliampere W Watt Hz Hertz kWh Kilowattstun-

den

µA Mikroampere mW Milliwatt MW Megaohm Wh Wattstunden kV Kilovolt kvar Kilovar kW Kiloohm Ws Watt-

sekunden

V Volt var var W Ohm

mV Millivolt (var  Volt-Ampere-reaktiv) µV Mikrovolt

Zur schnellen Orientierung über die Daten und Eigenschaften eines vorhandenen Messinstrumentes werden Kurzzeichen und Sinnbilder auf den Skalen eingetragen.

Diese Sinnbilder dürfen nicht als Schaltbilder in Schaltungen und Stromlaufplänen verwendet werden. Die Sinnbilder sind meistens in einer Gruppe auf der Skala zusam- mengefasst und müssen beim Umgang mit Messgeräten vertraut und geläufig sein.

Die erste Gruppe gibt die Stromart an, für die das Messgerät verwendbar ist (Abb. 1.8).

Unterschieden wird für reinen Gleichstrombetrieb (DC = Direct Current), für reinen Wechselstrombetrieb (AC = Alternating Current) und verwendbar für Gleich- und Wechselstrom (AC/DC). Bei Drehstrom wird durch Fettdruck gekennzeichnet, ob ein, zwei oder drei Messwerke in dem Messgerät eingebaut sind, die dann auf einem einzi- gen Zeiger mit einer Skala arbeiten.

Die Prüfspannung gibt an, wie der Aufbau, der Klemmenabstand und die Isolation geprüft sind. Meistens beträgt die Prüfspannung 2 kV, bei einfacheren Messgeräten vor allem auch in der Nachrichtentechnik 500 V. In diesem Falle enthält der Prüfspannungs- stern keine Zahlenangabe.

Die vorgeschriebene Gebrauchslage muss unbedingt eingehalten werden, da andern- falls die Anzeigegenauigkeit leidet. Gewöhnlich wird nur angegeben, ob für senkrech- ten Einbau in einer Schalttafel oder waagerechten Gebrauch, bei Tischgeräten, geeignet. In Sonderfällen kann bei Präzisionsinstrumenten auch noch eine Einschränkung über die zulässige Abweichung gemacht werden.

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Abb . 1 .8: Sinnbilder für elektrische Messgeräte

Die Genauigkeitsklasse besteht aus einer Zahlenangabe, die zwischen 0,1 und 5 liegt. In der Regel wird auf den Skalenendwert bezogen. Tabelle 1.3 zeigt die Messgeräteklassen.

Tabelle 1 .3: Messgeräteklassen

Feinmessgeräte Betriebsmessgeräte Klasse

Anzeigefehler ± %

0,1 0,1

0,2 0,2

0,5 0,5

1 1

1,5 1,5

2,5 2,5

5 5

Die größte Gruppe der Sinnbilder gibt Daten über die Messgeräte-Arbeitsweise und das Zubehör. Die Sinnbilder sind leicht zu merken, da sie den Aufbau vereinfacht kennzeichnen. Die Hauptgruppen sind weiter unterteilt als in der Tabelle der Be- nennung. So gibt es getrennte Sinnbilder für einfache Drehspulmesswerke mit einer Drehspule und Drehspulmesswerke mit gekreuzten Spulen zur Messung von Verhält- niswerten (Quotienten).

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Die Angaben über Zubehör umfassen die Messumformer und die getrennten, zum Messgerät gehörenden Vor- und Nebenwiderstände. Elektrostatische oder magnetische Abschirmung wird angegeben, damit man den Einsatz richtig beurteilen kann. In manchen Fällen ist ein Schutzleiteranschluss vorgesehen und besonders gekennzeichnet. Ebenso ist die Nullstellung für die mechanische Einstellung des Zeigers auf die Nullmarke der Skala gekennzeichnet.

In besonderen Fällen wird auf die Gebrauchsanweisung verwiesen. Bei besonderen Ein- bauvorschriften werden diese angegeben, zum Beispiel durch die Vorschrift, das Messge- rät in eine Eisentafel bestimmter oder beliebiger Dicke einzubauen. Messgeräte, die Er- schütterungen ausgesetzt werden, sind einer Schüttelprüfung unterzogen worden.

Messinstrumente werden durch einen Kreis, Messwerke durch einen kleineren Kreis dargestellt. In den Kreis des Messinstruments wird die Einheit eingetragen oder das Kurzzeichen für die Messgröße oder ein Zeiger. Bei den Messwerken kann bei Bedarf zwischen Strom- und Spannungspfad durch eine dicke oder eine dünne Linie unterschieden werden. Zwei parallel gezeichnete Pfade bedeuten Summe- oder Differenz- bildung, zwei senkrecht gekreuzte Pfade geben an, dass dieses Messwerk das Produkt aus zwei Messgrößen bildet. Schräg gekreuzte Pfade bedeuten Quotientenbildung.

Die Art der Anzeige und der Registrierung sowie weitere Eigenschaften sind durch Kennzeichen anzugeben, so zum Beispiel auch die Stromart und die Schaltung. Diese Kennzeichen dürfen nur in Verbindung mit Schaltzeichen verwendet werden. Abb. 1.9 zeigt ein Beispiel für eine Skalenbeschriftung.

Bei Zusatzgeräten sind die Messwandler wichtig. Sie sind dem allgemeinen Schalt- zeichen für Transformatoren entsprechend darzustellen, bekommen aber vereinheit- lichte Buchstaben für die Anschlüsse. Großbuchstaben kennzeichnen die Primärseite, Kleinbuchstaben die Sekundärseite. Die Buchstaben K und L sind für Stromwandler, die Buchstaben U und V für Spannungswandler vorge schrieben.

Vor- und Nebenwiderstände werden wie gewöhnliche ohmsche Widerstände dargestellt. In Sonderfällen, wenn es sich um rein ohmsche Widerstände mit der Phasen- verschiebung 0° handelt, kann dies mit dem Zusatz 0° angegeben werden. Bei reinen Blindwiderständen kann entsprechend 90° an das Schaltzeichen geschrieben werden.

Einige weitere Schaltzeichen müssen häufig in Verbindung mit Messgeräten ver wendet werden. Hierzu gehören die Messgleichrichter oder als Messwertumformer der Hall- generator, der Thermoumformer und temperatur- und beleuchtungsabhängige Wi- derstände oder Halbleiter.

Für vollständige Messanlagen benötigt man die allgemein verwendeten Schaltzeichen, zum Beispiel für Sicherungen, Relais, Leuchtmelder oder Schauzeichen. Bei den elektro nischen Messgeräten kommen außerdem noch viele Schaltzeichen der Nachrichten technik, Röhren- und Halbleitertechnik hinzu. Dies gilt insbesondere für digitale Multimeter und Katodenstrahl-Oszilloskope.

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Abb . 1 .9: Skalenbeschriftung für ein Zeigermessgerät

Meldegeräte sind in vielen Fällen Messgeräte, bei denen ein Höchstwert oder ein Soll- wert gemeldet wird. Man verwendet ein Quadrat, wie bei den registrierenden Messge- räten, und zeichnet die betreffende Ausführung ein. Beim Temperatur-Höchstwert- Melder deutet das Schaltzeichen ein Thermometer an, beim Thermoelement die Lötstelle und beim Lichtmelder den eingebauten Fotowiderstand.

1 .1 .3 Messinstrumentengehäuse

Die äußere Form eines Messinstruments wird durch das Gehäuse bestimmt. Grund- sätzlich ist es möglich, fast jedes beliebige Messwerk in jede beliebige Gehäuseform einzubauen. Mit dem Größenverhältnis ist man natürlich begrenzt, da es nicht mög- lich ist, ein Messwerk für wenige Mikroampere in ein Großgehäuse zu setzen, da dann der Eigenbedarf für die Bewegung des großen Zeigers zu hoch wird. Der Eigenbedarf soll immer nur einen vernachlässigbar kleinen Anteil des Messwerts ausmachen.

Grund sätzlich kann man sagen, dass bei Schalttafelgeräten der Eigenbedarf höher ist als bei Tischgeräten.

Bei Schalttafelinstrumenten ist die Normung wichtiger als bei Tischinstrumenten und daher auch wesentlich ausführlicher festgelegt, da die Gesamtanordnung auf der

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Schalttafel von der Form des Messinstrumentes abhängt. Heute bevorzugt man die Einbauform, bei der das Gehäuse hinter der Schalttafelebene sitzt und das Instrument versenkt eingebaut wird. Früher benutzte man häufiger die Aufbauform, bei der kein so großer Ausschnitt in der Schalttafel erforderlich ist. Dies hängt in erster Linie mit der Wandlung im Material der Schalttafeln zusammen. Größere Ausschnitte waren bei den früher verwendeten Marmor- oder Schiefer-Schalttafeln schwer auszuführen.

Heute werden Metall- oder Kunststoffplatten verwendet.

Bei runden Frontrahmen kann die Skala im 70°-, 90°- oder bis 270°-Format ausge- führt werden. Der Frontrahmen kann auch bei rundem Gehäuse rechteckig ausgebil- det werden, wenn es die Gesamtaufteilung zweckmäßig erscheinen lässt. Sehr beliebt sind heute quadratische und rechteckige Formen, die einen gedrängten Aufbau erlauben. Das hat sich daraus ergeben, dass heute meist sehr viel mehr Messwerte auf einer Schalttafel anzuzeigen sind als früher. Bei quadratischen Instrumenten hat man wieder die Möglichkeit, entweder eine Sektorskala auszuführen oder die Quadrat-Skala.

Diese hat den Vorteil der besonders guten Raumausnützung, verglichen mit der zur Verfügung stehenden Skalenlänge. Außerdem können sehr sinngemäße Zeigerbilder erreicht werden, die auf einen raschen Blick eine Warnung bei ungewöhnlichem Zei- gerstand erlauben. Auch bei quadratischen Instru menten verwendet man 270^°-Skalen, wenn eine besonders große Skalenlänge auf geringstem Raum gefordert wird.

Profilinstrumente ergeben ein geradliniges Skalenbild in vertikaler oder hori zontaler Richtung. Profil- und Quadrat-Instrumente eng zusammenzubauen ist dann möglich, wenn die genormten Frontrahmenmaße eingehalten werden. Von den Einheiten 48 mm und 72 mm ausgehend, hat man durch jeweilige Verdoppelung eine Reihe von Normabmessungen vorgeschrieben, die heute bei der Fertigung eingehalten werden.

Der Messgeräteblock zeigt dann ein geschlossenes Bild und besonders wichtige Instru- mente können durch Stellung und Größe hervorgehoben werden.

Bei Tischinstrumenten unterscheidet man eigentlich nur wenige Formen. Die Prä- zisionsinstrumente sind im Allgemeinen dadurch gekennzeichnet, dass sie nur zwei oder drei Anschlussklemmen besitzen und die etwa geforderte Messbereichserweite- rung durch äußere Zusatzwiderstände vorgenommen wird. Beim Universal-Tisch- instrument sind die Vor- und Nebenwiderstände, Umschalter, Gleichrichter und even- tuell auch die Messwandler eingebaut. Die Bereichswahl geschieht durch Drehschalter.

Die Abmessungen sind nur wenigen Normvorschriften unterworfen, da dazu kein Be- dürfnis besteht. Im labormäßigen Aufbau einer Messschaltung spielt die Größe keine wesentliche Rolle. Aus Fertigungsgründen haben verschiedene Herstellerfirmen allerdings für ihre Tischinstrumente einheitliche Gehäuse geschaffen.

1 .1 .4 Skalen

Für die Ablesemöglichkeit eines Messinstruments ist die Ausführung der Skala ent- scheidend. Gefordert wird eine möglichst große Skalenlänge, ausreichende Unter-

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teilung und gute Erkennbarkeit. Die Skalenlänge bedingt unterschiedlichen Platzbe- darf, je nach Ausführung. Die am leichtesten ablesbare Linearskala kann in Rechteckgehäusen am einfachsten verwirklicht werden. In den meisten Fällen wird eine Sektorskala von 70° bis 90° verwendet, da keinerlei besondere Übertragungsglie- der nötig sind. Der Zeiger spielt unmittelbar über der Skala. Bei größerem Winkel, bis 270°, sinkt der Platzbedarf, doch ist die Ablesung nicht so übersichtlich. In manchen Fällen werden sogar 360°-Skalen ausgeführt.

Die Anzahl der Teilstriche auf der Skalenlänge hängt von den Betriebsbedingungen ab.

Ein Präzisionsinstrument muss feinere Unterteilungen aufweisen als ein Übersichts- instrument in einer Schalttafel. Bei Schalttafelinstrumenten, die auf größere Entfer- nung erkennbar sein sollen, wird die Grobskala bevorzugt. Eine größere Anzahl von Teilstrichen kann doch nicht unterschieden werden und würde nur verwirren. Bei Prä- zisionsinstrumenten ist dagegen die Feinskala bevorzugt. Bei Angaben der Skalenlänge wird über die Mitte der kleinen Teilstriche gemessen. Der Wert von einem Teilstrich zum nächsten soll entweder 1 oder 2 oder 5 und die Teile und Vielfache davon betragen. Bei unbeschrifteten Skalen, wie sie bei Präzisionsinstrumenten gelegentlich vorkommen, wird der Wert eines Skalenteils angegeben. Ein Skalenteil ist der Abstand zweier benachbarter Teilstriche.

Die Teilung einer Skala hängt einerseits von der physikalischen Wirkungsweise des Messwerks, andererseits von den Betriebsforderungen ab. Viele Wünsche lassen sich durch konstruktive Maßnahmen erfüllen, selbst wenn theoretisch für eine Messwerks- art ein anderer Verlauf zu erwarten ist. Die quadratische Teilung kommt bei vielen Messwerken als natürliche Teilung vor. Der Ausschlag ist abhängig vom Quadrat des Messwerts. Die quadratische Teilung bringt einen gedehnten Endbereich, der vielfach erwünscht ist.

Manche Messwerke liefern von sich aus eine ungleichmäßige Teilung, die keinen bestimmten Gesetzen gehorcht. In manchen Fällen kann der Verlauf korrigiert werden, manchmal unterlässt man das aus Preisgründen. Gleichmäßige Teilung bedeutet gleichen Abstand aller Teilstriche. Die Ablesung ist am einfachsten, die Übersichtlichkeit am besten. Gleichmäßige Teilung ist bei einigen Messwerksarten von selbst ge geben, bei anderen durch Zusatzmaßnahmen erreichbar.

Der Nullpunkt der Skala liegt gewöhnlich links. Viele Messwerke erlauben aber auch eine Anordnung des Nullpunkts in der Mitte der Skala mit stromrichtungs abhängigem Zeigerausschlag nach beiden Seiten. In anderen Fällen kann der Nullpunkt unter- drückt sein, wenn der Anfangsbereich uninteressant ist. Gelegentlich ergibt sich sogar die Nullpunktanordnung an der rechten Seite der Skala mit gegenläufigem Verlauf.

Dies trifft zum Beispiel bei direkt zeigenden Ohmmetern zu, die dann mit Doppelska- la ausgerüstet sind.

Soll der Anfangsbereich besonders genau ablesbar sein, ohne den Gesamtbereich zu sehr zu beschneiden, kann man einen Teil der Skala dehnen. Selbstverständlich ist das

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nicht willkürlich, sondern nur in Abhängigkeit von der Messwerkskonstruktion mög- lich. Bei Überlastskalen ist ebenfalls der Anfangsbereich gedehnt, der letzte Teil nur grob ablesbar. Bei unterdrücktem Nullpunkt dagegen beginnt umgekehrt die Skala erst mit einem höheren Wert und zeigt den Endbereich deutlich.

Wenn Anfangs- und Endbereich nur angezeigt, nicht aber gemessen werden, gibt man den eigentlichen Messbereich durch Punkte auf der Skala an. Innerhalb dieser Punkte werden die Genauigkeitsbestimmungen eingehalten.

Für die Ablesemöglichkeit eines Messinstruments ist die Ausführung der Skala ent- scheidend. Gefordert wird eine möglichst große Skalenlänge, ausreichende Unter- teilung und gute Erkennbarkeit. Die Skalenlänge bedingt unterschiedlichen Platzbe- darf, je nach Ausführung. Die am leichtesten ablesbare Linearskala kann in Rechteckgehäusen am einfachsten verwirklicht werden. In den meisten Fällen wird eine Sektorskala von 70° bis 90° verwendet, da keinerlei besondere Übertragungsglie- der nötig sind. Der Zeiger spielt unmittelbar über der Skala. Bei größerem Winkel, bis 270°, sinkt der Platzbedarf, doch ist die Ablesung nicht so übersichtlich. In manchen Fällen werden sogar 360°-Skalen ausgeführt.

Abb . 1 .10: Unterschiedlicher Aufbau von Skalen

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Die Anzahl der Teilstriche auf der Skalenlänge hängt von den Betriebsbedingungen (Abb. 1.10) ab. Ein Präzisionsinstrument muss feinere Unterteilungen haben als ein Übersichts instrument in einer Schalttafel. Bei Schalttafelinstrumenten, die auf grö- ßere Entfernung erkennbar sein sollen, wird die Grobskala (Abb. 1.10a) bevorzugt.

Eine größere Anzahl von Teilstrichen kann nicht unterschieden werden und würde nur verwirren, Bei Präzisionsinstrumenten ist dagegen die Feinskala (Abb. 1.10b) bevorzugt. Bei Angaben der Skalenlänge wird über die Mitte der kleinen Teilstriche gemessen. Der Wert von einem Teilstrich zum nächsten soll entweder 1 oder 2 oder 5 und die Teile und Vielfache davon betragen. Bei unbeschrifteten Skalen, wie sie bei Präzisionsinstrumenten gelegentlich vorkommen, wird der Wert eines Skalenteils angegeben. Ein Skalenteil ist der Abstand zweier benachbarter Teilstriche.

Die Teilung einer Skala hängt einerseits von der physikalischen Wirkungsweise des Messwerks, andererseits von den Betriebsforderungen ab. Die quadratische Teilung kommt bei vielen Messwerken als natürliche Teilung vor. Der Ausschlag ist abhängig vom Quadrat des Messwertes (Abb. 1.10c). Die quadratische Teilung bringt einen gedehnten Endbereich, der vielfach erwünscht ist.

Einige Messwerke liefern von sich aus eine ungleichmäßige Teilung, die keinen bestimmten Gesetzen gehorcht (Abb. 1.10d). In manchen Fällen kann der Verlauf korrigiert werden, manchmal unterlässt man das aus Preisgründen. Gleichmäßige Teilung bedeutet gleichen Abstand aller Teilstriche. Die Ablesung ist am einfachsten, die Über- sichtlichkeit am besten (Abb. 1.10e). Gleichmäßige Teilung ist bei einigen Messwerks- arten von selbst gegeben, bei anderen durch Zusatzmaßnahmen erreichbar.

Der Nullpunkt der Skala liegt gewöhnlich links. Viele Messwerke erlauben aber auch eine Anordnung des Nullpunkts in der Mitte der Skala (Abb. 1.10e) mit stromrichtungs- abhängigem Zeigerausschlag nach beiden Seiten. In anderen Fällen kann der Null- punkt unterdrückt sein (Abb. 1.10h), wenn der Anfangsbereich uninteressant ist. Gele- gentlich ergibt sich sogar die Nullpunktanordnung an der rechten Seite der Skala mit gegenläufigem Verlauf (Abb. 1.10f). Dies trifft zum Beispiel bei direkt zeigenden Ohm- metern zu, die allerdings dann häufig mit Doppelskala ausgerüstet sind.

Soll der Anfangsbereich besonders genau ablesbar sein, ohne den Gesamtbereich zu sehr zu beschneiden, kann man einen Teil der Skala dehnen (Abb. 1.10g). Selbstver- ständlich ist das nicht willkürlich, sondern nur in Abhängigkeit von der Messwerks- konstruktion möglich.

Bei Überlastskalen (Abb. 1.10i) ist ebenfalls der Anfangsbereich gedehnt, der letzte Teil nur grob ablesbar. Bei unterdrücktem Nullpunkt dagegen beginnt umgekehrt die Ska- la erst mit einem höheren Wert und zeigt den Endbereich deutlich.

Wenn Anfangs- und Endbereich nur angezeigt, nicht aber gemessen werden, gibt man den eigentlichen Messbereich durch Punkte auf der Skala an (Abb. 1.10j). Innerhalb dieser Punkte werden die Genauigkeitsbestimmungen eingehalten.

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Henry Bruhns

USB in der Messtechnik

5509-7 Titelei:5509-7 Titelei 30.06.2008 14:53 Uhr Seite 3

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5 Vorwort

Den ersten intensiven Kontakt mit dem Universal Serial Bus – nicht als Nutzer, sondern als Entwickler – hatte ich im Jahr 2004. Es traten zeitgleich drei Ereignisse ein:

Ich sollte eine Diplomarbeit an der Fachhochschule Kiel mitbetreuen, das Entwick- lungskonzept für ein neues Messgerät vorlegen und bei einem laufenden Entwick- lungsprojekt beraten. In allen drei Fällen sollte eine USB-Schnittstelle zum Einsatz kommen. Bei näherer Beschäftigung mit dem Thema stellte sich schnell heraus, dass der erforderliche Hardwareaufwand gering und eine USB-Schnittstelle kosten- günstig zu realisieren war. Alltagstauglichkeit und Zuverlässigkeit des USB waren mit zahlreichen Massenprodukten praktisch nachgewiesen, sodass es offenbar keine großen Schwierigkeiten bereiten sollte, diese Schnittstelle für neue Projekte vorzu- sehen.

Sowohl die eigenen Erfahrungen als auch Nachrichten aus Entwicklungsabteilun- gen machten jedoch bald deutlich, dass trotz scheinbar günstiger Voraussetzungen ein Faktor in seiner Auswirkung auf die Laufzeit der Entwicklungsprojekte gewaltig unterschätzt wurde: der Zeitaufwand für die Realisierung der Treibersoftware. Das lag primär daran, dass für alle genannten Projekte die Geräteklasse USBTMC unter- stützt werden musste, und das war zur damaligen Zeit für die meisten Entwickler absolutes Neuland. Die Entwicklungs- und Testphase gestaltete sich besonders knifflig, wenn noch nicht alle erforderlichen Transfers realisiert waren, bzw. wenn Fehler in den Transfers vorkamen. So kam es für eine Reihe von Neuentwicklungen jener Zeit dazu, dass die Messgeräte zwar über die erforderlichen Hardware-Voraus- setzungen für USBTMC verfügten, diese aber nicht von der Firmware bedient wurden. Aus Zeitdruck verwendete man für die neuen Messgeräte einfach die bis dato genutzten Schnittstellen wie GPIB, RS232 oder CAN – gelegentlich mit der Option, auf Kundenwunsch USBTMC nachzureichen.

Was uns allen damals vor allen Dingen fehlte, war ein Buch oder Fachaufsatz, um Planungs- und Entwicklungshilfe zu erhalten. Ich hoffe, dass mit dem vorliegenden Werk ein erster Schritt in diese Richtung gelungen ist, wenngleich vorweggenom- men werden soll, dass hier nicht alles dazu erschöpfend behandelt werden konnte.

Aber ein Anfang ist gemacht, und es wäre wünschenswert, wenn sich über den Dia- log mit Lesern, Entwicklern und anderen Autoren sowie Erfahrungen aus der Praxis und durch Zusammentragen und Dokumentieren allmählich umfassende Fachlite- ratur zum Thema USBTMC ergeben würde.

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Über die E-Mail Adresse info@usbtmc.de können Sie Kontakt zu mir aufnehmen.

Kritiken, Anregungen und speziell Hinweise auf Fehler, die Sie im vorliegenden Buch finden, sind mir jederzeit willkommen.

Seevetal, im Mai 2008 Henry Bruhns

Vorwort

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7 Inhalt

1 Einführung... 15 1.1 Über dieses Buch ... 15 1.2 Über Anglizismen ... 16 1.3 Über Alternativen ... 17 1.4 Über die Entwicklungsumgebung ... 18 1.5 Über die erforderliche Hardware ... 22 1.6 Über eine positive Einstellung zu Entwicklungsprojekten ... 23

2 Schnittstellen für Test- und Messgeräte im Überblick ... 26 2.1 CAMAC ... 27 2.2 VME ... 27 2.3 VXI ... 27 2.4 PXI ... 28 2.5 LXI ... 28 2.6 GPIB ... 30 2.7 USB ... 31 2.8 UXI? ... 32

3 USB-Geräteklassen ... 33 3.1 Übersicht der USB-Klassen ... 35 3.2 Das Werkzeug UVCView ... 39 3.3 Test- und Messgeräte mit USB-Schnittstelle ... 47 3.4 Der aktuelle Stand der Entwicklung ... 47 3.5 „Missbrauch“ der HID ... 48 3.6 Klassenlosigkeit ... 50 3.7 Ein Messgerät aus der Klasse USBTMC ... 53

4 Die Geräte-Hardware ... 57 4.1 Das PICDEM FS USB Demo Board ... 57 4.2 Das Beispielgerät des Buchprojekts ... 58 4.2.1 Spannungsversorgung ... 58 4.2.2 Relais und Relais-Treiberschaltung ... 59 4.2.3 Reset-Schaltung ... 59 4.2.4 Load-Taster ... 59

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4.2.5 USB-Schnittstelle ... 60 4.2.6 Erweiterungs-Steckverbinder ... 60 4.2.7 Die Baugruppe ... 62 4.3 Die Bauteilliste ... 63

5 Grundsätzliches zur Datenübertragung... 66 5.1 Konfiguration der USB-Schnittstelle ... 68 5.1.1 Das Konfigurationsregister UCFG ... 72 5.1.2 Die Register BDnADRL und BDnAdRH ... 77 5.1.3 Die Register BDnSTAT und BDnCNT ... 78 5.2 USB Endpoint Control ... 81 5.3 Initialisation der Interruptstruktur ... 83 5.3.1 USB Interrupt Status Register (UIR) ... 84 5.3.2 Besonderheiten bei Interrupts ... 85 5.4 Transaktionen ... 88 5.5 Transfers ... 88 5.6 Control Transfers ... 89 5.7 Transaktionen in Control Transfers ... 90 5.7.1 Control Write ... 91 5.7.2 Control Read ... 91 5.7.3 No-Data Control ... 91 5.8 Unbehandelte Control Transfers ... 92 5.9 Maximal erlaubte Paketgrößen ... 95

6 USB Kapitel 9 – Universal Serial Bus Specification 2.0 ... 96 6.1 Low-power bus-powered functions ... 97 6.2 High-power bus-powered functions ... 97 6.3 Self-powered functions ... 97 6.4 Plug-in ... 98 6.5 Betriebszustände eines angeschlossenen USB-Geräts ... 98 6.5.1 Initialisierung des USB-Geräts ... 99 6.5.2 USB-Reset ... 100 6.5.3 Entadressiertes Gerät (Default) ... 100 6.5.4 Adressiertes Gerät (Address) ... 100 6.5.5 Konfiguriertes Gerät (Configured) ... 101 6.5.6 Vom USB suspendiertes Gerät (Suspended) ... 101 6.5.7 Besondere Erfordernisse des Suspended-Zustands ... 104 6.6 USB-Tests mit Prototypen ... 105 6.7 Erste Tests eines Prototypen ohne Treibersoftware ... 106 6.8 Chapter 9 Tests mit USBCV ... 108

Inhalt

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6.8.1 Die Hersteller-Identifikationsnummer (Vendor ID) ... 113 6.9 Debuggen mit USBCV ... 118 6.10 Tests mit Treibersoftware ... 120 6.11 USBIO von Thesycon ... 120 6.11.1 Der USBIO Installation Wizard ... 121 6.11.2 Die USBIO Demo Application ... 123

7 Control Transfers ... 126 7.1 Standard Device Requests ... 126 7.2 Empfang eines Standard Device Requests ... 129 7.3 Get Status ... 136 7.3.1 GET_STATUS_DEVICE ... 136 7.3.2 GET_STATUS_INTERFACE ... 137 7.3.3 GET_STATUS_CONTROL_OUT ... 139 7.3.4 GET_STATUS_CONTROL_IN ... 140 7.3.5 GET_STATUS_BULK_OUT ... 142 7.3.6 GET_STATUS_BULK_IN ... 143 7.3.7 GET_STATUS_INTERRUPT_IN ... 145 7.4 Clear Feature ... 147 7.4.1 CLEAR_HALT_CONTROL_OUT ... 148 7.4.2 CLEAR_HALT_CONTROL_IN ... 149 7.4.3 CLEAR_HALT_BULK_OUT ... 150 7.4.4 CLEAR_HALT_BULK_IN ... 151 7.4.5 CLEAR_HALT_INTERRUPT_IN ... 152 7.4.6 CLEAR_DEVICE_REMOTE_WAKEUP ... 153 7.5 Set Feature ... 153 7.5.1 SET_HALT_CONTROL_OUT ... 153 7.5.2 SET_HALT_CONTROL_IN ... 154 7.5.3 SET_HALT_BULK_OUT ... 154 7.5.4 SET_HALT_BULK_IN ... 155 7.5.5 SET_HALT_INTERRUPT_IN ... 155 7.5.6 SET_DEVICE_REMOTE_WAKEUP ... 159 7.5.7 SET_ADDRESS ... 160 7.6 Get Descriptor ... 161 7.6.1 GET_DESCRIPTOR_DEVICE ... 161 7.6.2 GET_DESCRIPTOR_CONFIGURATION ... 165 7.6.3 GET_DESCRIPTOR_LANGUAGE ... 168 7.6.4 GET_STRING_MANUFACTURER ... 171 7.6.5 GET_STRING_PRODUCT ... 172 7.6.6 GET_STRING_SERIAL_NUMBER ... 173

Inhalt

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7.6.7 GET_STRING_CONFIGURATION ... 176 7.6.8 GET_STRING_INTERFACE ... 178 7.7 GET_CONFIGURATION ... 179 7.8 SET_CONFIGURATION ... 180 7.9 GET_INTERFACE ... 185 7.10 SET_INTERFACE ... 186 7.11 USBTMC Device Requests ... 188 7.11.1 INITIATE_ABORT_BULK_OUT ... 189 7.11.2 CHECK_ABORT_BULK_OUT_STATUS ... 193 7.11.3 INITIATE_ABORT_BULK_IN ... 196 7.11.4 CHECK_ABORT_BULK_IN_STATUS ... 199 7.11.5 INITIATE_CLEAR ... 202 7.11.6 CHECK_CLEAR_STATUS ... 205 7.11.7 GET_CAPABILITIES ... 207 7.11.8 INDICATOR_PULSE ... 214 7.12 USB488 Subclass Device Requests ... 217 7.12.1 READ_STATUS_BYTE ... 217 7.12.2 REN_CONTROL ... 223 7.12.3 LOCAL_LOCKOUT ... 225 7.12.4 GO_TO_LOCAL ... 226

8 Bulk Transfers ... 231 8.1 Der Bulk- OUT Endpoint ... 231 8.2 Festlegung einer Einschränkung für Befehlsnachrichten ... 234 8.3 Festlegung einer Einschränkung für Geräteantworten ... 238

9 Interrupt Transfers ... 240 9.1 Interrupt-IN Daten bei Bedienungsanforderung (SRQ) ... 240 9.2 Interrupt-IN Daten bei READ_STATUS_BYTE Request ... 240

10 Fragen und Antworten... 241 10.1 Das Nachrichtenaustauschprotokoll (MEP) ... 241 10.1.1 IDLE ... 243 10.1.2 READ ... 243 10.1.3 QUERY ... 244 10.1.4 SEND ... 245 10.1.5 RESPONSE ... 246 10.1.6 DONE ... 246 10.1.7 Fehlerzustand DEADLOCK ... 247 10.2 Transiente Aktionen ... 247

Inhalt

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10.2.1 Initialize ... 247 10.2.2 Unterminated ... 247 10.2.3 Interrupted ... 247 10.2.4 Deadlocked ... 248 10.3 MEP im Normalbetrieb ... 248 10.4 Eine andere Methode der Synchronisation ... 258 10.5 Herausforderungen an den Parser ... 260 10.6 Die Funktionsweise des Parsers ... 262 10.6.1 Aufbau der Befehls-Vergleichstabellen ... 263 10.6.2 Schema der Tabellennamen ... 264 10.6.3 Ein konkretes Beispiel für Vergleichstabellen ... 265 10.6.4 Stack-Manipulationen ... 269 10.7 Parameter ... 273 10.7.1 <DECIMAL NUMERIC PROGRAM DATA> ... 274 10.7.2 <decimal_number> ... 275 10.7.3 <channel_list> ... 275 10.7.4 <channel_range> ... 276 10.7.5 <channel_spec> ... 277 10.7.6 <NR f> ... 277 10.7.7 <module_channel> ... 278 10.7.8 <CHARACTER PROGRAM DATA> ... 278 10.7.9 <path_name> ... 279 10.7.10 <chann_nr_list> ... 280 10.7.11 <STRING PROGRAM DATA> ... 280 10.7.12 <string> ... 281 10.7.13 <Boolean> ... 281 10.7.14 <boole_nr> ... 281 10.8 Der Response Formatter ... 281

11 Die Fernsteuerung von Test- und Messgeräten ... 284 11.1 USBTMC als Fernsteuerschnittstelle ... 284 11.2 Common Commands ... 285 11.2.1 *RST (Reset Command) ... 286 11.2.2 *CLS (Clear Status Command) ... 288 11.2.3 *ESR? (Standard Event Status Register Query) ... 288 11.2.4 *ESE (Standard Event Status Enable Command) ... 296 11.2.5 *ESE? (Standard Event Status Enable Query) ... 297 11.2.6 *OPC (Operation Complete Command) ... 297 11.2.7 *OPC? (Operation Complete Query) ... 298 11.2.8 *STB? (Read Status Byte Query) ... 299

Inhalt

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11.2.9 *SRE (Service Request Enable Command) ... 306 11.2.10 *SRE? (Service Request Enable Query) ... 308 11.2.11 *IDN? (Identification Query) ... 308 11.2.12 *TST? (Self-test Query) ... 311 11.2.13 *WAI (Wait-to-continue Command) ... 312 11.2.14 *TRG (Trigger Command) ... 313 11.3 SCPI ... 313 11.4 SCPI-Befehle für Signalschalter ... 315 11.5 SCPI-Befehle des Beispielgeräts ... 316 11.5.1 [:]SYSTem:CAPability? ... 316 11.5.2 [:][ROUTe]:CLOSe <channel list> ... 317 11.5.3 [:][ROUTe]:CLOSe? <channel list> ... 318 11.5.4 [:][ROUTe]:CLOSe:STATe? ... 321 11.5.5 [:][ROUTe]:OPEN <channel list> ... 323 11.5.6 [:][ROUTe]:OPEN? <channel list> ... 323 11.5.7 [:][ROUTe]:OPEN:ALL ... 326 11.6 Anbieterspezifische Befehle ... 327 11.6.1 SETUP:VID <decimal_number> ... 328 11.6.2 SETUP:PID <decimal_number> ... 328 11.6.3 SETUP:BCDDEV <decimal_number> ... 329 11.6.4 SETUP:MANUfacturer <string> ... 330 11.6.5 SETUP:PRODuct <string> ... 330 11.6.6 SETUP:SERIalnr <string> ... 331 11.6.7 SETUP:FIRMware <string> ... 332 11.6.8 SETUP:4882 < boole_nr > ... 332 11.6.9 SETUP:REN <boole_nr> ... 333 11.6.10 SETUP:TRIGger <boole_nr> ... 334 11.6.11 SETUP:SCPI <boole_nr> ... 335 11.6.12 SETUP:SR <boole_nr> ... 335 11.6.13 SETUP:RL <boole_nr> ... 336 11.6.14 SETUP:DT <boole_nr> ... 337 11.6.15 TEST:MAXCURR ... 338

12 Die Anwendungsseite ... 340 12.1 Agilent IO Control ... 340

13 Ausblick ... 354 13.1 Transfers ... 354 13.2 SCPI ... 354 13.3 Common Commands ... 355

Inhalt

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13.4 Fernsteuerbefehle ... 355 13.5 Parameter ... 356 13.6 Geräteklassen ... 356 13.7 Beispielgerät ... 356 13.8 Die Host-Seite ... 357 14 Literaturliste... 358

Inhalt

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26 2 Schnittstellen für Test- und Messgeräte im Überblick

In dem speziellen Fall, bei dem es in diesem Buch geht, kann eine Schnittstelle als Oberfläche zur Kommunikation mit einem Test- oder Messgerät aufgefasst werden.

Ganz allgemein kann so ein Gerät mehrere Schnittstellen besitzen. Die klassischste Variante ist dabei sicherlich die sogenannte Benutzerschnittstelle. Sie dient der Mensch-Maschine-Kommunikation. Bei einem Mess- oder Testgerät sind das Anzeigeelemente wie Lampen, Skalen oder Displays oder auch Bedienelemente wie Schalter, Tasten oder Potenziometer. Geräte können auch Maschine-Maschine- Schnittstellen besitzen, über die sie zu einem System verbunden sind, oder über die ein Gerät modular erweitert wird. Ein Beispiel dafür sind die alten Tektronix-Oszil- loskope, die mit unterschiedlichen Einschüben wie Messverstärkern oder Zeitbasen bestückt werden konnten, je nach geforderter Konfiguration. Eine weitere Variante sind Schnittstellen, mit denen Test- und Messgeräte Daten austauschen. Diese Daten können sowohl Messergebnisse als auch Steuerbefehle sein. Wenn solche Datenschnittstellen genutzt werden, um die Geräte in ein Netzwerk einzubinden, kann man sie zu Recht als Netzwerkschnittstellen bezeichnen. Alle genannten Vari- anten kommen in der Praxis vor, und nicht wenige Geräte besitzen mehrere dieser Schnittstellen gleichzeitig. Die Maschine-Maschine-Schnittstellen dienen grund- sätzlich dazu, verschiedene Geräte zu einem System zusammenzufassen, mit dem eine komplexe Test- oder Messaufgabe gelöst werden soll. Werden diverse Test- und Messgeräte zu einem System zusammengeschlossen, gibt es in vielen Anwendungen ein grundlegendes Problem, und zwar die Zeit. Es kommt häufig vor, dass mehrere Ereignisse in einem festen, kontrollierbaren Zeitintervall aufeinanderfolgen sollen, oder dass sie womöglich isochron ablaufen oder zumindest gestartet werden sollen.

Nicht selten sollen auch verschiedene Messwerte eines Testobjekts gleichzeitig erfasst werden. Für derartige Aufgaben sind Daten- oder Netzwerkschnittstellen allgemein schlecht geeignet, besonders wenn ein Messgerät das Triggersignal für andere Geräte des Systems erzeugen soll. Dazu ein Beispiel: Ein schnelles Voltmeter erkennt die Nulldurchgänge einer Wechselspannung und will einem Amperemeter diese Zeitpunkte als Startsignale für Strommessungen liefern, weil der Anwender wissen möchte, mit welcher Art von Reaktanz er es bei einem Messobjekt zu tun hat. Wenn die einzelnen Geräte von einem PC als Kontrollinstanz verwaltet werden, auf dem ein Steuerprogramm unter der Herrschaft eines Multitasking-Betriebssys- tems läuft, ist an kontrollierte Echtzeitsteuerung ohnehin nicht zu denken, unab-

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hängig davon, ob die Systemhardware Echtzeit ermöglicht. Als Anwender sollte man z. B. immer an Folgendes denken: „Windows war nie als Echtzeit-Betriebssystem konzipiert, das bestimmte Transferraten für Peripheriegeräte garantieren kann“

[USB2.0 Handbuch: 3.5.4]. Für Echtzeitanforderungen gibt es nur die Lösung, Bus- Schnittstellen zu verwenden, die neben Mess- und Steuerinformationen auch Nach- richten zur Echtzeitsteuerung transportieren, und diese unter die Verwaltung eines Real-Time-Betriebssystems zu stellen. Es soll nun ein kurzer, zum Teil auch geschichtlicher Überblick folgen.

2.1 CAMAC

Computer Automated Measurement and Control ist der Name eines Urvaters der Messtechnik-Bussysteme, die Echtzeitsteuerung erlauben. Die einzelnen Messgeräte sind als Steckkarten ausgeführt, die in einem Grundrahmen, dem sogenannten Crate stecken. In diesem Grundrahmen befindet sich ein Crate-Controller, der bis zu 24 einzelne Geräte innerhalb des Crate verwalten kann. In diesem Rahmen kön- nen Echtzeitinformationen übertragen werden. Nach außen kann der Controller über ein Interface mit übergeordneten Systemen verbunden werden. CAMAC wird primär in der Kern- oder Teilchenphysik eingesetzt.

2.2 VME

Der Versa Module Eurocard Bus wurde ursprünglich für die Prozesssteuerung entwickelt und ist bedingt echtzeittauglich. Das Prinzip ist ähnlich wie beim CAMAC- Bus. Echtzeit kann bedingt durch priorisierbare Interruptanforderungen der einzelnen Steckkarten erzwungen werden. Der VME Bus wird z. B. in der Luft- und Raumfahrt und in schnellen Produktionsmaschinensteuerungen eingesetzt.

2.3 VXI

Versa Module Eurocard Bus Extensions for Instrumentation ist der VME-Bus mit Erweiterungen für Messinstrumente. Auf diesem Bus gegründete Messsysteme besitzen eine standardisierte Software-Schnittstelle zum Steuercomputer. Dieser Standard nennt sich VISA für Virtual Instrument Software Architecture. Die Schreibweise „XI“ als Abkürzung für die Formulierung „Extensions forInstrumen- tation“ wurde im Zusammenhang mit VXI eingeführt und wird für andere Bussys- teme ebenfalls angewandt, wenn diese für Messzwecke verwendet werden.

2.3 VXI

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28 2.4 PXI

Dieses Kürzel steht für den PCI-Bus, wie er auf Computer-Mainboards vorhanden ist, wenn er für Messsysteme erweitert wird. Peripheral Component Interconnect ist der allgemeine Standard für Erweiterungskarten in zeitgenössischen PCs. PXI ist analog zu VXI also Peripheral Component Interconnect Extensions for Instrumen- tation. Diese Schnittstelle wird insbesondere von der Firma National Instruments favorisiert, die in PXI eine hinreichend gute Lösung sieht, um echtzeittaugliche Messsysteme zu realisieren. Auch bei PXI gilt das Prinzip, dass Einsteckkarten in einem Grundrahmen von einem Steuercomputer in Echtzeit verwaltet werden. Die- ser Steuercomputer verfügt über eine Datenschnittstelle zu einem übergeordneten System.

Alle bisher vorgestellten Schnittstellen haben gemeinsam, dass die damit ausgerüs- teten Test- und Messgeräte keine Geräte im landläufigen Sinne sind, sondern Ein- steckkarten, die einen gemeinsamen Grundrahmen verwenden. Über diesen Grund- rahmen erfolgen die Ablaufsteuerung und auch die Energieversorgung der jeweili- gen Karten. Eine einzelne Karte solcher Bussysteme ist allein nicht lebensfähig und verwendbar. Eine andere Art von Schnittstellen wird in eigenständigen Geräten verwendet und verbindet diese zu Mess- und Testsystemen. Solche Geräte funktionieren im Allgemeinen „stand alone“. Sie haben ihre eigene Stromversorgung und häufig eine Benutzerschnittstelle. Wenn sie nicht in einem System eingesetzt werden, kann man sie meistens als eigenständiges Messgerät per Handbedienung nutzen.

2.5 LXI

Diese Schnittstelle wird hier, historisch betrachtet, viel zu früh aufgeführt, weil es sich um die jüngste Schnittstelle für Test- und Messgeräte handelt, aber wegen „XI“

passt sie schön hierher. „XI“ steht auch hier wieder für „Extensions for Instrumen- tation“. Das „L“ steht für Local Area Network. LXI soll antreten, um den im Fol- genden noch zu besprechenden, in die Jahre gekommenen GPIB abzulösen. Die Freigabe des LXI-Standards erfolgte im Jahre 2005, und es stehen wirklich viele bedeutende Messtechnik-Unternehmen hinter diesem Standard. Die Ansprüche an LXI sind so hoch, dass der Standard in Unterklassen aufgeteilt wurde, damit auch

„ein wenig LXI“ für simple Anwendungen übrig bleiben kann. LXI der Klasse C bedeutet, dass das Test- oder Messgerät über eine Ethernet-Schnittstelle verfügt und softwareseitig das Protokoll TCP/IP beherrscht. Man kann ein solches Gerät also per CAT-5 Kabel an den PC stecken und über den Standard-Webbrowser fernbedie- nen. Das Gerät hat also gewissermaßen eine eigene Website. Im Idealfall bietet es

2 Schnittstellen für Test- und Messgeräte im Überblick

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Hyperlinks zu Hilfe- und Serviceportalen des Herstellers und hält eine komplette Bedienungsanleitung bereit. Eine LXI Instrument Homepage sollte in etwa folgen- dermaßen aussehen:

Geräte der LXI Klasse B verfügen über ein Synchronisierungskonzept, das auf dem Standard IEEE 1588 aufbaut. Jedes Gerät hat dabei eine eigene „innere Uhr“, also einen recht präzisen Taktgenerator. Die Uhren aller Geräte können synchronisiert werden, indem ihnen allen gleichzeitig ein Zeitstempel übertragen wird. Das funk- tioniert, weil das Konzept des Ethernet es zulässt, alle Netzteilnehmer gleichzeitig mit sogenannten Broadcast Messages zu erreichen. Die unten dargestellte histori- sche Grafik von Dr. Robert M. Metcalfe verdeutlicht, dass alle teilnehmenden Geräte ein gemeinsames Medium, „The Ether“ genannt, zur Datenübertragung verwenden. Wenn ein Teilnehmer Daten in dieses Medium sendet, können alle anderen diese Daten gleichzeitig empfangen. Dadurch können isochrone Zeitstempel übertragen werden.

Ein derartiger Zeitstempel wird in definierten Intervallen erneut übertragen, sodass die einzelnen Geräte nahezu synchron arbeiten. Bestimmte Ereignisse können in den einzelnen Geräten zeitgleich ausgelöst werden, indem ihnen über das LAN ein gemeinsamer Starttermin mitgeteilt wird.

Wenn diese Methoden der Synchronisation und Triggerung von Ereignissen nicht präzise genug ist, kommt LXI der Klasse A zum Einsatz. Bei dieser Erweiterung gibt es zusätzlich zum Ethernet und IEEE 1588 eine weitere Verbindung zwischen den teilnehmenden Geräten, den sogenannten LXI Trigger Bus. Über diesen Bus werden Echtzeit-Triggersignale übertragen, die präzises Timing ermöglichen. Die mit die-

2.5 LXI

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30

sem Trigger Bus verbundenen Geräte müssen im Unterschied zu Klasse B- und C-Geräten räumlich dicht beieinanderstehen. Deswegen kann die Klasse A nur in lokalen Systemen eingesetzt werden.

2.6 GPIB

Der General Purpose Interface Bus wurde von der Firma Hewlett Packard in den 1960er-Jahren als Schnittstelle zwischen Messgeräten oder Computern und Peri- pheriegeräten entwickelt. Er stammt also aus einer Zeit, in der es noch keine Mikro- controller und PCs gab. Im Laufe seines Lebens hat der GPIB diverse Namen erhalten, wie HPIB, IEC 625 oder IEEE 488. Der GPIB ermöglicht die Vernetzung von maximal 15 Geräten und ist echtzeitfähig. Alle Busteilnehmer können vom Bus- Controller prinzipiell gleichzeitig mit Nachrichten erreicht werden, sodass auch eine Triggernachricht gesendet werden kann, die den Namen Group Execute Trig- ger (GET) trägt. Wie ein Gerät die GET-Nachricht interpretiert, hängt entweder von festgelegten Geräteeigenschaften ab oder ist in bestimmten Grenzen über den Bus konfigurierbar. Ein Unsicherheitsfaktor ist, dass es jedem Gerät freisteht, wie lange es zum Empfang der GET-Nachricht braucht. Ein bestimmtes Handshake- Verfahren des GPIB erzwingt nämlich, dass sich alle Busteilnehmer nach dem jeweils langsamsten Gerät richten. Allerdings gibt es noch einen Vorteil für diese Triggermöglichkeit. GPIB ist so ausgelegt, dass jeder Busteilnehmer prinzipiell die Rolle des Controllers übernehmen kann (natürlich immer nur einer zur selben Zeit). Somit könnte ein Gerät in Abhängigkeit von den Messergebnissen also andere Geräte im System triggern, wenn ihm die Kontrolle übergeben würde. Diese Methode wird in der Praxis jedoch kaum angewandt, weil die wenigsten Messgeräte mit GPIB-Schnittstelle über die Controllerfähigkeit verfügen. Die Urversion des GPIB-Standards beschrieb nur die Anforderungen an die Hardware sowie die

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