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www.elektronik-industrie.de 3elektronik industrie 02 / 2014

Aktive BauelementeMaßnahmen für eine zuverlässige Kommunikation bei starken Störbeeinfl ussungen Seite 38

EMVEMV-Labortag: Die wesentlichen Aussagen zu EMV-Komponenten und deren Einsatz Seite 70

Display-TechnikGanz neue Möglichkeiten eröffnen fi lmbasierte Touch-Sensoren der nächsten Generation Seite 60

LabVIEW-RIOFünf Wege zu mehr Produktivität mit Datenerfassungsgeräten

Seite 16

Das Entwickler-Magazin von all-electronics

02/2014D 19067 · Februar 2014 · Einzelpreis 19,00 € · www.elektronik-industrie.de

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Editorial

Wer über die einschlägigen Consumer-Messen geht, wie zum Bei-spiel über die IFA in Berlin, wird in einigen Hallen nahezu „er-schlagen“ von den vielen, o überdimensionalen Displays für TVs, aber auch für PCs und Handys. Echte 4K OLED-Displays

mit gigantischer Au ösung werden schon als Muster gezeigt, und weisen den Weg in die TV-Zukun . Diese und andere, dem Consumer-Markt zuordenba-re Technologien haben aktuell ein weltweites Umsatzvolumen von rund 100 Milliarden US-Dollar. Sehr viel kleiner ist der Industrie-Display-Markt, Mitsu-

bishi schätzt ihn mit etwa 1,2 Milliar-den US-Dollar auf rund ein Prozent des Consumer-Display-Marktes ein.

Die führenden Display-Hersteller sitzen nahezu vollständig in Asien, Europa und USA sind hier deutlich abgehängt. Sie sind allenfalls am Ge-schä mit den Produktionsanlagen für die Herstellung von Displays beteiligt. Bemerkenswert ist hier der Gewinner des Deutschen Zukun spreises 2013, die Coherent Laser Systems aus Göt-tingen. Dort wurde „ein Lasersystem entwickelt, mit dem sich durch gepuls-tes ultraviolettes Licht groß ächig

dünne Schichten aus Polysilizium produzieren lassen. Sie sind die Grundlage für die Fertigung von hochau ösenden mobilen Displays für Smartphones und Tablets sowie Fernseher der neuesten Generation. Alle namha en Her-steller setzen bereits auf diese Technologie“, wie es in der Projektbeschreibung lautet.

Die Anforderungen an Industrie-Displays sind deutlich höher für den Con-sumer-Bereich. Industrie-Displays müssen rund um die Uhr in einem erwei-terten Temperaturbereich von etwa -30 bis +80 °C zuverlässig funktionieren. Auch die Lebensdauer der Hintergrundbeleuchtung ist zu beachten, sowie die Helligkeit, die mit 600 bis hinauf zu 1500 cd/m2 o doppelt so hoch ist, wie bei Consumer-Displays. Ein grundsätzliches Problem, zum Leidwesen der Kun-den, sind die nicht vorhandenen Schnittstellenstandards, die in der Regel zu weiterem Entwicklungsaufwand beim Austausch von Displays führen.

Im Industriebereich ist das TFT-Display die Nummer eins. Konkurrenz-techniken wie OLEDs haben es hier sehr schwer und nehmen nur eine unter-geordnete Stellung ein. Das ist sicherlich eine der wesentlichen Aussagen unse-res Roundtable-Gesprächs, das wir mit fünf Distributoren geführt hatten. Nachzulesen ab Seite 54 in diesem He .

Industrie-Displays, hell und robust

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4 www.elektronik-industrie.deelektronik industrie 02/2014

InhaltFebruar 2014InhaltFebruar 2014

Märkte + Technologien

06 Die Top 508 News und Meldungen09 Fertigung LEDs auf 6-Zoll-Wafer

umgestelltOsram Opto Semiconductors erweitert Kapazitäten bei InGaAlP-LEDs

10 Individuell und schnellPrototypen, Kleinserien, Reparaturen und Umbauten

14 Neuartiges adaptives 3D-KamerasystemRoboter können anspruchsvollere Auf-gaben übernehmen

Coverstory

16 FPGA-Programmierung mit der LabVIEW-RIO-ArchitekturFünf Wege zur Produktivitätssteigerung mit Datenerfassungsgeräten

Messtechnik

20 Leistungsfähige Kennlinien-schreiberTest moderner Leistungshalbleiter

24 Einstellen einer FFTZeitbereichssignale in den Frequenz-bereich wandeln

27 HighlightsHacker-Datentechnik, Rohde & Schwarz

28 Eine PositionsbestimmungHandheld- und Labor-Messgeräte in der HF- und Mikrowellentechnik

Aktive Bauelemente

32 Entwicklungsplattform für AntriebeModellbasierte Verfahren zur Entwick-lung von Motorsteuerungen

35 HighlightsSE Spezial-Electronic, Silica, Trinamic

36 WLAN auf Chip-EbeneEmbedded-WLAN

38 Gleichtaktstörungen unterdrückenBewährte Methoden für die differen-zielle Signalübertragung

FPGA-ProgrammierungModerne Datenerfassungsgeräte bieten großen Funkti-onsumfang und werden häufig von proprietären ASICs angetrieben. Durch Austausch des ASICs durch einen FPGA lässt sich die DAQ-Hardware mittels Software de-finieren, um die notwendige Leistung zu erreichen.

Wireless M-Bus im Smart GridEntscheidende Elemente im Smart Grid sind die Smart Meter. Die AMR-Funktion sieht die bidirektionale Kommunikation zwi-schen Zähler und Versorger vor. Der Artikel widmet sich dem Wi-reless M-Bus wie er in Bauelementen von ST implementiert ist.

Displays In unserem ersten Display-Rountable diskutierten fünf Exper-ten über aktuelle technische Entwicklungen, Highlights und Trends im Display-Markt.

Coverstory

16

46

54

Leserservice infoDIREKT:Zusätzliche Informationen zu einem Thema erhalten Sie über die infoDIREKT-Kennziffer. So funktioniert’s:•www.elektronik-industrie.de aufrufen•Im Suchfeld Kennziffer eingeben, suchen

41 HighlightSilicon Labs

42 HMI-Modell unterstützt OPC-UAOffen für alle Steuerungen und zur Überwachung

44 HighlightsArrow Electronics, Intersil, Acam-Messelectronic

46 Der Wireless M-Bus im Smart GridBidirektionale Kommunikation auf dem Netz

49 Neue Produkte50 Steile Wellen

Ein Referenztakt mit wenig Jitter er-möglicht hohe Zwischenfrequenzen

Display-Technik

54 Erster Display-Roundtable Der runde Tisch der elektronik industrie ist sich einig: TFT hat gewonnen

60 Hochflexible, dünne Touch- SensorenNächste Generation filmbasierter Touch-Sensortechnologie

63 Individuell heißt nicht unbezahlbarTooling-Kosten für kleine Full Custom TFTs gesunken

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www.elektronik-industrie.de

InhaltFebruar 2014

Wirksame SchutzkomponentenJe kompakter die Unterhaltungs-elektronik wird, desto wichtiger werden Komponenten, die sie vor ESD zuverlässig schützen. Diese kleinen Bauteile bewahren Elekt-ronikhersteller vor enormen Kos-ten und schützen zuverlässig die Funktion von Elektrogeräten über den gesamten Lebenszyklus.

70

64 HighlightGlyn

65 Neue Produkte

EMV

68 Wirksame ESD-Schutz- komponentenElektronik vor Überspannungsschäden schützen

70 EMV-LabortagWürth und EMV-Testhaus

73 HighlightTDK

74 Neue Produkte

Rubriken

03 EditorialIndustrie-Displays, hell und robust

78 Literatur79 Gewinnspiel80 High Tech Toy

Intelligente Lego-Steine82 Impressum82 Inserenten-/Firmenverzeichnis

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2014

PAN, LAN und WAN gehen heute auch bei Funk-lösungen Hand in Hand. Daher wird es immer wichtiger, die passenden Funk-Technologien in Ihren Produkten zu vereinigen.

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High Tech ToyDer EV3Storm ist einer von fünf Robotern, die man in der Grundausstattung des intelligenten Roboterbausatzes von Lego bauen kann. Was sich in dem rund 10 x 18 x 4 cm3 messenden EV3-Stein abspielt und wie welche Komponen-ten agieren, zeigen wir auf.

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Top 5

Verschraubung für den Hygienebereich628ei0114 RST

2

20,5-cm-(8-Zoll-) Lite+-TFT-LCDs

630ei0114 Gleichmann 3

Industrial Ethernet Switch646ei0114 Innovasic

4

LED-Schaltschrankleuchten650ei1213 Elmeko5

TOPHier präsentiert Ihnen die elektronik industrie jeden Monat die Top 5 Artikel, News und Produkte von unserer Internetseite www.all-electronics.de.Unsere Leser haben diese Inhalte in den letzten vier Wochen am häufigsten gelesen. Interessieren Sie sich für spezielle Informationen, gehen Sie auf www.all-electronics.de und geben die infoDirect-Kennziffer (Beispiel 599ei0412) in das Suchfeld ein. Übrigens finden Sie auf unserer Internetseite die Inhalte der elektronik industrie seit 1999. Um immer auf dem Laufenden zu sein, abon-nieren Sie unseren Newsletter unter www.all-electronics.de.

Artikel

Neu betrachtet: Schaltregler versus Linearregler 501ei0114 Advanced Power Electronics

1 Aufholjagd der GaN-Leistungshalbleiter 506ei0114 Eurocomp

2

Weiches Schalten mit ZVS-Buck-Topologie500ei0114 Vicor

3

Steuerung in ansprechender Verpackung ejl0114 Bopla

4

Die Elektronikbranche in Bayern505ei1213 Eigenbeitrag5

EADS T&S wird an Astronics verkauft

300ei0214 EADS T&S 2

Agilent Messtechnik wird zu Keysight Technologies599ei0114 Agilent Technologies

3

Aufwärtsentwicklung bei Elektronikindustrie 675ei0114 ZVEI

4

Änderung der Batterierichtlinie 2006/66666ei0114 FBDi 5

NeWS

Frank Hoschar neuer Hitex-Geschäftsführer597ei0114 Hitex Development Tools

1

PrODUkte

Längere Batterielaufzeiten von Smartphones632ei0114 Active-Semi

1

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Aktoren und Sensoren werden intelligenter. Speicherprogrammierbare Steuerungen werdenin die von ihnen gesteuerten Maschinen integriert. Darüber hinaus werden alle diese Geräte vernetzt und geschützt.

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Der FBDi Umwelt- und Kon-formitäts-Kompass ist in der Version 2.5 in Deutsch und Englisch verfügbar Unterneh-men entlang der Supply Chain, in allen Branchen, erhalten da-durch wertvollen Support bei der Handhabung von EU-Ver-ordnungen. Insbesondere die neuen RoHS2- und WEEE2-Regularien sind bereits berück-sichtigt und mit neuen Pro-duktbildern hinterlegt. Die Elektro- und Elektronikpro-dukte sind komplett in die ent-sprechende RoHS2- und WEEE2-Kategorien klassifi-ziert, entsprechend wurden die Anforderungen in Bezug auf CE auf den neuesten Stand ge-bracht. Neu ist auch die Zuord-

Zum Abschluss des Kongresses „Batterieforum Deutschland“ kommt der Industrieverbund Kompetenznetzwerk Lithium-Ionen-Batterien (KLiB) zum Ergebnis, dass die Aufholjagd deutscher Forscher aus Indust-rie und Wissenschaft in der Batterieforschung erfolgreich gelungen sei.

Das KLiB zeigt sich hoch er-freut über den erfolgreichen Verlauf und das Ergebnis des diesjährigen Batterieforums Deutschland. 270 hochkarätige Teilnehmer aus Industrie, Wis-senschaft und Politik diskutier-ten während des dreitägigen Kongresses intensiv Fragen zum Status und zur Entwick-lung der deutschen Batteriefor-schung. Die Teilnehmer kom-men zu dem Schluss, dass die deutsche Batterieforschung wieder erfolgreich an die Welt-spitze angeschlossen ist.

Nun gilt es, diese Position zu stärken und auszubauen. Als

Renesas Electronics Europe bietet gemeinsam mit seinem Alliance-Partner TMG umfas-sende Software-Unterstützung für seine industriellen Multi-Protokoll-Ethernet-Lösungen. TMG implementiert Profinet- und EtherNet/ IP-Stacks von Molex auf den R-IN-Baustei-nen (Renesas Industrial Net-work) und ermöglicht damit einen einfachen Zugang zu die-sen Technologien sowie einen schnellen Markteinstieg.

FBDi Kompass Version 2.5 in Deutsch und Englisch

Richtiger Umgang mit UmweltdirektivenBatterieforschung in Deutschland

Aufholjagd gelungen

Renesas Electronics Europe und Molex

Software-Kooperation für die Industrial Ethernet Controller der R-IN-Serie

nung von ‚Geräten gemäß Defi-nitionen dieser Richtlinien, das heißt die Einordnung in die zutreffenden Kategorien.

Aktualisierte und übersicht-liche Flowcharts führen die Anwender so einfach wie mög-lich durch die Handhabung der Regularien. Als Novum unter-liegen die Produkte auch in Be-zug auf RoHS der CE-Kenn-zeichnungspflicht, und die ge-forderte EU-Konformitätser-klärung muss auf Basis einer technischen Dokumentation erstellt werden. Anstelle von Messungen (wie bislang) liegt der Fokus bei Produktüberprü-fungen durch die Marktauf-sichtsbehörden nun auf den Qualitätssicherungsprozessen der Hersteller beziehungsweise Importeure, das heißt der Dis-tributoren. Diese übernehmen die volle Produktverantwor-tung und müssen die Konfor-mitätsbewertung eigenverant-wortlich durchführen.

Die Version 2.5 ist ab sofort auf der FBDi-Webseite zum Download bereitgestellt. Un-ternehmen, die bereits mit ei-nem FBDi-Kompass arbeiten, erhalten die Version V2.5 kos-tenfrei. Weitere Informationen sind unter www.fbdi.de/kom-pass hinterlegt. n

infoDIREKT 695ei0214

entscheidend dafür sehen die Kongressteilnehmer den Auf-bau und die Entwicklung einer wettbewerbsfähigen deutschen Produktion von Lithium-Io-nen-Zellen.

So fördern BMBF und das Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württem-berg eine neue Forschungspro-duktionslinie für Lithium-Io-nen-Batterien am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasser-stoff-Forschung Baden-Würt-temberg (ZSW) in Ulm, die 2015 fertiggestellt werden soll. „Mit dem Aufbau einer wettbe-werbsfähigen Zellfertigung können wir das letzte fehlende Glied hin zu „Batterien Made in Germany“ schließen und den schnellen Transfer aktuel-ler Forschungsergebnisse in die Produktion von Zellen gewäh-ren“, so Dr. Hubert Jäger, Vor-standsvorsitzender des KLiB. n


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Die R-IN32M3-Multi-Proto-koll-Industrial-Ethernet-Lö-sungen nutzen ein revolutionä-res Hardwarebeschleuniger-Design und erzielen damit eine um das Fünffache effizientere Ethernet-Paketverarbeitung bei 50 Prozent niedrigerem Gesamt-Stromverbrauch. Die Echtzeit-Protokolle Ethercat und CC-Link-IE sind in Hard-ware implementiert und bieten damit eine robuste Implemen-tierung bei begrenzten Auswir-

kungen auf die Gesamt-Ver-lustleistung des Systems. Soft-waregestützte Protokolle wie Ethernet/IP, Profinet RT und Modbus TCP laufen auf dem ARM-Cortex-M3-Prozessor mit integriertem 1,3 MByte großem Embedded-RAM. Dank ihres hohen Integrati-onsgrades enthalten die R-IN-Bausteine Ethernet PHYs ver-schiedene Feldbus-Schnittstel-len und auch zahlreiche Peri-pheriemodule.

Mit SDKs von Molex für Profinet und EtherNet/IP kön-nen Hersteller von Sensoren, Aktoren und PLCs Profinet und Ethernet/IP in ihre Pro-dukte integrieren. Die Soft-ware-Stack-Lösungen ermögli-chen bei anspruchsvollen An-wendungen in Fertigungs- und Automatisierungstechnik zu-verlässigen Betrieb in komple-xen industriellen Netzen. n


Mit der neuen Version 2.5 des Kompass‘ berücksichtigt der FBDi die seit Januar in Kraft getretene RoHS2-Direktive.

Podiumsdiskussion, geleitet von Dr. Hubert Jäger (li.), Vorstandsvorsitzender des KliB.

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Osram Opto Semiconductors weitet mit dieser Umstellung die Fertigung sämtlicher LEDs auf größeren Scheiben auf das Materialsystem Indium-Galli-um-Aluminium-Phosphid (In-GaAlP) aus und erweitert da-mit seine Fertigungskapazitä-ten. Bereits 2011 hatte das Un-ternehmen mit der Umstellung der Fertigung blauer LED-Chips begonnen. Schon vor Jahren hat das Regensburger Unternehmen als erster Her-steller weltweit alle LED-Far-ben auf 4-Zoll-Scheiben umge-stellt und geht diesen Weg nun bei sechs Zoll konsequent wei-ter. „Die Nachfrage nach Leuchtdioden in den Farben rot, orange und gelb steigt ste-tig. Diesem Marktwachstum tragen wir als erster Hersteller weltweit durch die Umstellung der Fertigung auf 6-Zoll-Wafer Rechnung, und erweitern so auch unsere Kapazitäten“, er-klärt Aldo Kamper, CEO Os-ram Opto Semiconductors. „Die Umstellung wird alle Pro-duktfamilien betreffen und ist bereits zum Jahreswechsel an-gelaufen“, so Kamper weiter. Gefertigt werden die roten, gel-ben und orangenen Chips am Hauptsitz in Regensburg. Dort, sowie im malaysischen Penang, werden auch die InGaN-Chips für blaue, grüne und weiße LEDs produziert.

Die Erfahrungen aus der bis-herigen 6-Zoll-Wafer-Produk-tion flossen direkt in die aktu-elle Umstellung ein, ebenso wie die Ergebnisse aus den Förder-projekten des Bundesministe-riums für Bildung und For-schung (Projekt „GallEff “ und das auf die Skalierung von In-dium-Gallium-Nitrid-Wafern ausgelegte Projekt „Greight“). Osram Opto Semiconductors verfolgt damit seine Plattform-Strategie konsequent weiter und avisiert auch bereits im Rahmen seiner Forschungsthe-

FBDi Kompass Version 2.5 in Deutsch und Englisch

Richtiger Umgang mit Umweltdirektiven Fertigung LEDs auf 6-Zoll-Wafer umgestelltOsram Opto Semiconductors erweitert Kapazitäten bei InGaAlP-LEDs

men den nächsten Entwick-lungsschritt hin zu noch größe-ren Wafer-Durchmessern und alternativen Substraten. Viel-versprechende Projekte hierzu laufen bereits in den Laboren des Hightech-Unternehmens sowie in übergreifenden För-derprojekten. n

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Die zur Munz-Magenwirth-Gruppe gehörende Beflex Elec-tronic wurde 1999 aus der Bebro Electronic ausgegründet und hat heute ihren Hauptsitz und Produktionsstandort in Frickenhausen südlich von Stuttgart und eine Produk-

tionsniederlassung in München sowie einen Produktionsstandort in Windisch/Schweiz.

Damals hatte Bebro erkannt, dass Prototyping und Serienpro-duktion auf gleichem Produktionsequipment oft ein Interessen-konflikt mit sich bringt. „Seit Mitte 2012 haben wir ein technisches Büro in Witten, Nordrhein-Westfalen, um dort den Markt zu erschließen. Wenn wir dort genügend eigene Kunden haben, wollen wir auch in Witten einen Pro-duktionsstandort eröffnen. Unsere Devise ist: zwei Stunden zum Kunden, oder der Kunde in zwei Stunden bei uns“, verdeutlicht Andreas Walter die Standortwahl.

One Face to the CustomerErfolgsfaktoren der Firma und seiner heute rund 45 Mitarbeiter sind unter anderem: kurze Reaktionszeiten auf Kundenwünsche, hohe Erreichbarkeit, Angebots-abgabe innerhalb von 24 Stunden (maximal 48 Stun-den), Eildienste, keine oder wenige Schnittstellen in den Prozessen, flexible, leistungsfähige Produktion, hochwertige Ausstattung, hohes technisches Know-how, Präsenz in Kundennä-he und jahrzehntelange Erfahrung. „One Face to the Customer, wir leben dieses Prinzip zu 100 Prozent. Jeder Kunde hat einen Pro-jektleiter als Ansprechpartner, der sowohl die kommerzielle als auch die technische Betreuung übernimmt“, erklärt Andreas Wal-ter die Arbeitsweise des Unternehmens.

Bestückung unter ReinraumbedingungenIn München und Frickenhausen können SMD-Bestückung unter Reinraumbedingungen der Klasse 8 durchgeführt werden. Moder-ne redundante Systeme an den Fertigungsstandorten bieten eine hohe Sicherheit und Verlässlichkeit im Notfall. Das Bauelemente-Spektrum, das verarbeitet werden kann, reicht von der Baugröße 01005 (das sind grade mal 0,4 mm x 0,2 mm) bis zum hochpoligen BGA, QFN, CSP bis herunter zu Rastermaßen von 0,35 und sogar 0,30 mm. Das Unternehmen ist in der Lage vielfältigste Leiterplat-tentypen zu verarbeiten: Flex, Starrflex, Folie, Alu-Kern, Kupfer-Kern, Leiterplatten von 0,2 mm bis 8 mm Stärke und einer Größe von 600 mm x 400 mm in jeder beliebigen Geometrie (auch rund ohne Nutzenrand).

„Ungefähr 50 Prozent unseres Geschäftes sind Prototyping, die anderen 50 Prozent Klein- und Kleinstserienfertigungen. Bei den kleinen Serien sind wir in der Lage, auch endkundengerecht mit Schmuckverpackung, Zubehör, Handbuch, CD und so weiter aus-

Individuell und schnellPrototypen, Kleinserien, Reparaturen und Umbauten

Sie benötigen Prototypen für komplexe Elektronikbaugruppen oder Geräte inner-halb sehr kurzer Zeit? Kein Problem für die Beflex Electronic. Wir sprachen mit Geschäftsführer Andreas Walter über die Fähigkeiten des kleinen aber feinen Unternehmens. Autor: Hans Jaschinski

zuliefern“, betont Andreas Walter. „Der Prototyp kostet bei uns mehr als das Serienprodukt. Wir können nicht, wie es einige Wett-bewerber machen, den Prototypen über die Serienproduktion sub-ventionieren. Dafür sind wir sehr flexibel und sehr schnell“, erklärt er die Preisgestaltung.

In den Produktionsstätten ist Automatische Optische Inspektion (AOI), Flying Probe und Funktionstest möglich und es sind pro-duktspezifische Prüfgeräte vorhanden. In der Produktion und Prü-fung ist also nahezu alles möglich. Alle Produktionsstandorte sind

nach ISO 9001 sowie die für den Medizinbereich wichtige EN ISO 13485 zertifiziert.

Umbauten auch von fremden BaugruppenBei Beflex lassen sich Reparaturen und Umbauten auch von Bau-gruppen durchführen, die dort nicht bestückt wurden. BGAs, QF-Ps, CSPs oder ähnliches reproduzierbar auszutauschen ist kein Problem, ebenso das Reballing. Die Firma will bereits heute die Technologien von morgen beherrschen und arbeitet dazu eng mit einer Reihe von Forschungsabteilungen der Halbleiterhersteller zusammen.

Außerdem kann der Kunde auf die Einkaufskompetenz für Elek-tronik, Elektromechanik, Metall- und Kunststoffteile auch für kleinste Mengen zurückgreifen. Dazu beschafft Beflex weltweit Material, bietet Second Source Beratung und betreibt Abkündi-gungsmanagement. Andreas Walter betont dabei: „Wir kaufen nur bei von uns freigegebenen Lieferanten.“

Wer also als Elektronikentwickler die Dienste wie beispielsweise Prototypenbestückung, Reparaturen oder Umbauten schnell und flexibel benötigt, ist bei Beflex gut aufgehoben. n

Am Anfang und am Lebensende eines Produktes, da fühlen wir uns so richtig wohl,

so die Devise von Beflex-Geschäftsführer Andreas Walter.

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Der Autor: Hans Jaschinski, Chefredakteur elektronik industrie

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Neuer Eigentümer erwartet in diesem Jahr Umsatzsprung

EADS T&S wird an Astronics verkauft

Die Astronics Corp. wird EADS North America's Test and Services Division (EADS T&S) für rund 53 Million US-Dollar von EADS (jetzt Airbus Group) kaufen (plus einer An-passungsklausel bezüglich des Nettoumlaufvermögens). Der Kaufvertrag soll noch im Feb-ruar, vorbehaltlich der übli-chen behördlichen Genehmi-gungen, abgeschlossen sein. Danach wird EADS T&S in das Test-Systems-Segment von As-tronics eingegliedert. EADS T&S ist in Irvine, Kalifornien ansässig und ein Hersteller von

automatischen Testsystemen, Subsystemen und Messgeräten für die Halbleiterindustrie, Consumer-Elektronik, kom-merzielle Luftfahrt und die Verteidigungsindustrie. EADS T&S entwickelt und fertigt auch Test Equipment unter den bekannten Messtechnik-Mar-ken Talon und Racal. Schwer-punkt sind dabei VXI-, PXI- und LXI-basierte Plattformen. Der Ursprung der Firma geht auf die 1950 gegründete Racal- Electronic-Gruppe zurück. EADS T&S erzielte 2013 einen Umsatz von rund 70 Million

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US-Dollar (nach 70 Millionen 2012 und 48 Millionen 2011). Aktuell sind 210 Mitarbeiter bei dem Unternehmen be-schäftigt. Mehr als die Hälfte des Umsatzes erfolgt mit der zivilen Industrie, vorranging mit der Halbleiterindustrie. Für das Jahr 2014 erwartet der neue Eigentümer einen Umsatz von ungefähr 100 Million Dol-lar. Verantwortlich für den Umsatzsprung sollen vor allem die Geschäfte mit der Halblei-terindustrie sein. n


Rutronik baut seine Display-Linecard weiter aus

Globale Franchisevereinbarung mit DLC Display

Rutronik Elektronische Bauele-mente und DLC Display haben eine weltweite Franchisever-einbarung geschlossen. Sie um-fasst das gesamte DLC-Pro-duktportfolio an TFTs, passi-ven LCDs und OLED-Displays. Der chinesische Hersteller DLC bietet ein umfangreiches Produktspektrum an TFT-Dis-plays in Diagonalen von 1,44 bis 19 Zoll. Sie sind mit integ-rierter projektiv-kapazitiver Touchscreen-Technologie, re-sistiver Touch-Technologie

oder ohne Touch-Oberfläche erhältlich. Passive LCD- und OLED-Displays runden das Portfolio ab. „In diesen Pro-duktsegmenten bietet DLC ein nahezu komplettes Sortiment zu agressiven Preisen. Damit sind die DLC-Displays für den Industrie- und auch für den Consumermarkt interessant“, erklärt Michael Eger, Produkt-bereichsleiter Displays & Boards bei Rutronik. n

Michael Eger, Produktbereichsleiter Displays & Boards bei Rutronik.

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MSC Technologies neuer Geschäftsbereich von Avnet Electronics Marketing EMEA

MSC Technologies, an Avnet Company

Avnet hat die Akquisition der MSC Gleichmann Group abge-schlossen. MSC wird ein Ge-schäftsbereich von Avnet Elect-ronics Marketing EMEA, einer Geschäftsregion von Avnet. Unter dem Markennamen MSC Technologies, an Avnet Company, werden die MSC Vertriebs GmbH und die Gleichmann & Co. Electronics GmbH inklusive aller Tochter-firmen zusammengefasst. MSC Technologies fokussiert sich auf die Märkte für intelligente Embedded-Computing- und

Display-Lösungen. Über den Bereich Distribution wird MSC Technologies innovative Wire-less-, Storage- und Lighting-Produkte vertreiben. Manfred Schwarztrauber, President MSC Technologies: „Wir sind die erste Wahl für Lösungen im Embedded-Computing- und Display-Bereich. Unsere Kun-den profitieren von einem bes-seren Lösungsangebot in den Kernbereichen und einem brei-teren Produktportfolio.“ n

Manfred Schwarztrauber, President MSC Technologies: „Unsere Kunden profitieren von einem besseren Lösungsangebot.“

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Neuartiges adaptives 3D-KamerasystemRoboter können anspruchsvollere Aufgaben übernehmen

Dreieinhalb Jahre haben fünf Forschungs-einrichtungen und zwei Industrieunter-nehmen im Rahmen des Europäischen Verbundforschungsprojektes Taco – Three Dimensional Adaptive Camera with Ob-ject Detection and Foveation – an der Ent-wicklung eines neuartigen 3D-Kamerasys-tems gearbeitet, das Roboter befähigen soll, anspruchsvollere Aufgaben zu überneh-men. Auf der Photonics West in San Fran-cisco vom 4. bis 6. Februar 2014 stellte das Fraunhofer IPMS den funktionsfähigen Prototypen vor.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden steuerte bei dieser Forschungsarbeit eine neuartige MEMS-Scantechnologie als Hardware-Schlüsselkomponente bei. Diese macht es möglich, ähnlich dem menschlichen Sehen „relevante“ Objekte in der Umgebung mit höherer Auflösung zu erfassen, ohne die Datenmenge erhöhen zu müssen.

Weil es Robotern beim künstlichen drei-dimensionalen Sehen entweder an in Echt-zeit aufgelösten räumlichen Informationen oder der notwendigen Schärfe mangelt oder die Fülle der erfassten Bildinformati-onen zu groß ist, um schnell genug verar-beitet und in Handlungen umgesetzt wer-den zu können, ist es bislang nur in Ansät-zen gelungen, Roboter zu entwickeln, die Serviceaufgaben wie zum Beispiel Reini-gung, Bau, Wartung, Sicherheit oder per-sönliche Betreuung übernehmen könnten.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dres-den haben eine auf Fertigungsmethoden der Mikrosystemtechnik aufbauende äu-ßerst kompakte Scantechnologie („Lin-Scan“) für ToF (time of flight)-Entfer-nungsmesssysteme entwickelt, die eine dreidimensionale Bildaufnahme mit flexi-bler Abtastgeschwindigkeit und somit ein Scannen mit angepasster Auflösung er-möglicht. Mit LinScan ausgestattete 3D-Kamerasysteme könnten Roboter zukünf-tiger Generationen dazu befähigen, ihr Umfeld nach im Sichtfeld auftauchenden Objekten grob abzusuchen und lediglich die gesuchten Objekte mit größerer Genau-igkeit aufzulösen. Der Roboter hätte es mit vergleichsweise geringen Datenmengen zu tun und wäre dennoch in der Lage, ein bes-seres Verständnis seiner Umgebung zu ge-winnen, um mit alltäglichen Objekten und der Umwelt interagieren zu können.

Voraussetzung für eine Umsetzung die-ses Prinzips der Foveation ist, dass der Ro-boter weiß, wonach er suchen soll, und dass er in der Lage ist, die gesuchten Ob-jekte sekundenschnell zu erkennen und zu interpretieren. Neben der Hardware (Au-ge) benötigt er dazu entsprechende Bild-analyse-Software-Algorithmen (Gehirn). Außerdem sollte der Roboter mit Bildsen-soren und -Software für dreidimensionales Sehen ausgestattet sein, um ein räumliches Verständnis seiner Umwelt zu gewinnen um Objekte präzise ansteuern zu können.

Herzstück des Kamerasystems ist ein op-tischer Scankopf mit fünf synchron betrie-benen LinScan-Spiegeln des Fraunhofer IPMS. Das MEMS-Scannerarray gewähr-leistet die erforderliche Empfangsapertur des ToF-Entfernungsmesssystems von ef-fektiv 5 mm und wurde für ein adaptives 3D-Kamerasystem mit mindestens 40° x 60° optischem Scanbereich, 1 MVoxel/s Messrate des TOF-Entfernungsmesssys-tems und 3 mm Messunsicherheit bei 7,5 m Messentfernung ausgelegt. Der quasista-tische Antrieb der Mikroscanner ermög-licht einen zeilenweisen Bildaufbau mit variabler Bildwiederholrate von <1 bis 100 Hz, wobei im relevanten Bildbereich die vertikale Messpunktdichte durch Verringe-rung der Scangeschwindigkeit lokal erhöht werden kann. n

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Optischer Scankopf einer 3D-ToF-Kamera mit integriertem MEMS-Scannerspiegelarray.

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Ausrüstung schwedischer Hochgeschwindigkeitszüge

ABB erhält Auftrag über 200 Millionen US-Dollar

se Modernisierung der restlichen Züge. Der Lieferumfang von ABB umfasst Um-richter, Traktionstransformatoren, Ladege-räte, Zugsicherungssysteme und Anlagen für das Infotainment. Mit diesem Projekt knüpft ABB an die erfolgreiche Umrüstung der Hochgeschwindigkeitszüge InterCity-Express (ICE 1) der Deutschen Bahn an, wo ebenfalls ABB Schweiz die Projektver-antwortung hatte. n

ABB hat einen Auftrag über 200 Millionen US-Dollar erhalten zur Lieferung der elekt-rischen Systeme der 36 Hochgeschwindig-keitszüge der nächsten Generation der schwedischen Staatsbahn SJ. SJ investiert insgesamt rund 510 Millionen US-Dollar in die Modernisierung der SJ-2000-Züge. Im Rahmen dieses Projekts liefert und ins-talliert ABB energieeffiziente Technologi-en. ABB wird diesen Auftrag im ersten Quartal 2014 verbuchen. Projektleitung, Design und Engineering wird von ABB

Schweiz in Turgi und Genf ausgeführt. Die wichtigsten technischen Komponenten werden ebenfalls in der Schweiz produ-ziert. Aus- und Einbau der Komponenten, Inbetriebnahme sowie Testphase finden in Schweden statt. ABB wird alle Bordsyste-me für die Leistungsumwandlung und Steuerung der SJ-2000-Züge liefern. Die ersten auf- und nachgerüsteten Züge wer-den im Jahr 2015 ausgeliefert. Nach erfolg-reichem Abschluss der Test- und Evaluie-rungsphase erfolgt bis 2019 die schrittwei-

Samsung und Display Solution

Distributionsabkommen für Digital Signage

Die Display Solution AG gibt die Unter-zeichnung des offiziellen Distributionsab-kommens mit Samsung Semiconductor Europe für PID (Public-Information-Dis-plays) bekannt. Im Rahmen des Distributi-onsabkommens sind die großformatigen Displays ab sofort auch als Display-Kits mit eigenentwickelten Display-Solution-Cont-

roller-Boards erhältlich. Public-Informati-on-Displays eignen sich für Digital-Signa-ge-Anwendungen wie Videowalls oder den Retail-Bereich sowie für großformatige Bildschirmapplikationen. Besonders im Bereich von Multi-Monitoranwendungen bringt Display Solution ihr langjähriges Technologie-Know-how mit ein. Vorteile der für den professionellen Einsatz konzi-pierten Public-Information-Displays (PIDs) im Verhältnis zu Consumer-TV-Displays in gleicher Größe sind vor allem folgende: Betrieb im Landscape- und Portrait-

Modus.

Langer Produktlebenszyklus (mehr als zwei Jahre).

Weites Farbspektrum (über 70 Prozent). Geeignet für den Dauerbetrieb von ma-

ximal 20 Stunden täglich. Modelle für den Indoor-, Semi-Out-

door und Outdoor-Einsatz mit High Brightness.

Erweiterte Garantiezeit (24 Monate für E-PID und P-PID).

Robustes Design. Trendige Optik durch den sehr schma-

len Rand. Durch das niedrige Gewicht und die ge-

ringe Tiefe eignen sie sich sehr gut für die Wandmontage zum Beispiel für Vi-deowalls. n

Public-Information-Displays eignen sich für Digital-Signage-Anwendungen wie Videowalls und für großformatige Bildschirmapplikationen.

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MesstechnikCoverstory

Die Notwendigkeit von Messgeräten und Datenerfassung ist nichts Neues. Seit Erfindung der ersten Wasseruhr hat sich die Technologie weiterentwickelt und somit auch die eingesetzten Werkzeuge. In den letzten 50 Jahren erlebte

die Technologie, die zur Datenerfassung verwendet wird, wesentli-che Veränderungen.

Bei Anwendungen mit höherer Leistung reichen moderne Da-tenerfassungsgeräte jedoch nicht mehr aus, da diese Anwendun-

FPGA-Programmierung mit der LabVIEW-RIO-ArchitekturFünf Wege zur Produktivitätssteigerung mit Datenerfassungsgeräten

Moderne Datenerfassungsgeräte bieten einen großen Funktionsumfang und werden häufig von proprietären ASICs angetrieben, was eine Unterbringung vieler Funktionen in nur einem Gerät ermöglicht. Durch Austausch des ASICs im Datenerfassungsgerät durch einen FPGA kann der Anwender die DAQ-Hardware mittels Software definieren, damit die notwendige Flexibilität und Leistung erreicht wird. Autor: Brandon Treece

Bild 1: Traditionelle FPGA-Programmie-rung kann beispielsweise durch den Einsatz der Hard- und Software der R-Serie von National Instruments vereinfacht werden.

gen üblicherweise einen Funktionsumfang erfordern, welche die Fähigkeiten, die in ein ASIC integriert sind, übersteigt.

Zu diesen Funktionen zählen das Ausführen von Hochge-schwindigkeits-Steuer- und -Regelalgorithmen, das Umsetzen be-nutzerdefinierter Timing- oder Triggeringanforderungen, das Im-plementieren benutzerspezifischer digitaler Kommunikationspro-tokolle, das Durchführen von Inline-Signalverarbeitung sowie das Bereitstellen exakter Timings für kritische Aufgaben. Stehen An-

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Messtechnik Coverstory

wender häu g vor diesen Herausforderungen, entwickeln sie hete-rogene Verarbeitungssysteme, um ihrem Bedarf gerecht zu werden (Bild 2).

Diese Systeme vereinen mehrere Verarbeitungseinheiten, ein-schließlich CPUs und anwenderprogrammierbare FPGAs. Sie er-möglichen das Erreichen der notwendigen Flexibilität und des er-forderlichen Leistungsniveaus – zwei Faktoren, die bei leistungs-starken Anwendungen benötigt werden.

Weg 1: HochgeschwindigkeitssteuerungBei der Programmierung eines FPGAs wird die Anwendung in der Hardware ausgeführt. Das bedeutet, dass die Ausführungsge-schwindigkeit nur durch die verfügbaren Takte und Logikverzöge-rungen begrenzt wird. Durch Einsatz des FPGAs können nicht nur äußerst schnelle ereignisorientierte Anwendungen, sondern auch Steuer- und Regelschleifen erstellt werden, die (je nach den Inhal-ten der Schleife) mit Taktraten im Megahertz-Bereich ausgeführt werden. Die Bandbreite reicht von einfachen PID-Algorithmen bis hin zu Algorithmen für Übertragungsfunktionen und Raum-Zeit-Modelle.

Ein ASIC-basiertes Datenerfassungsgerät verfügt üblicherweise nur über eine Timing-Engine pro Subsystem. Das bedeutet, dass die I/O im Subsystem bei maximaler in So ware erforderlicher und dezimierter Geschwindigkeit abgetastet werden muss, wo-durch – abhängig von der Größe des Datensatzes – wertvolle Pro-zessorressourcen belegt werden. FPGA-Hardware hingegen er-laubt eine echte parallele Ausführung, was es ermöglicht, jeden Kanal mit seiner eigenen Rate abzutasten. So können Anwendun-gen mit mehreren Steuerschleifen entwickelt werden, die bei glei-chen oder unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausgeführt wer-den. Auf gewöhnlichen ASIC-basierten Multifunktions-Datener-fassungsgeräten gibt es diese Funktion nicht.

Weg 2: Benutzerdefi niertes Timing und TriggernViele Datenerfassungsgeräte sind mit komplexer Triggerfunktio-nalität ausgestattet – einer Funktion, die für das Gros an Anwen-dungen ausreicht. Dazu können Start- oder Referenztrigger zäh-len, die digitale und analoge Funktionen umfassen. Da jedoch ein Großteil der Datenerfassungsgeräte ASICs verwendet, ist das be-nutzerde nierte Anpassen der Trigger im Normalfall einge-schränkt. Soll zum Beispiel ein benutzerde nierter Trigger erstellt werden, der eine Datenerfassung auslöst, wenn auf zwei digitalen Leitungen der Pegel auf „High“ wechselt und ein Analogeingang ebenfalls einen bestimmten Grenzwert überschreitet oder wenn auf eine bestimmte Anzahl an digitalen Impulsen gewartet werden müsste, bevor eine Datenerfassung beginnen kann, wäre es An-wendern nahezu unmöglich, dies mit einem ASIC-basierten Da-

tenerfassungsgerät zu erreichen. Dank FPGA-basierter Datener-fassungsgeräte ist es jedoch möglich, Trigger auf Grundlage von benutzerde nierten Kriterien zu erstellen. Lediglich die So ware schränkt Anwender in ihren Programmiermöglichkeiten ein. Die-se Triggervorgänge werden ausschließlich in Hardware ausgeführt, sodass sie mit extrem geringer Latenz (bis zum Nanosekundenbe-reich) funktionieren. Das kann um einiges schneller gehen, als die-selben benutzerde nierten Vorgänge auf einem Host-PC zu imple-mentieren und sich mit den damit verbundenen Busübertragun-gen auseinanderzusetzen.

Weg 3: Benutzerspezifi sche digitale Kommunikations-protokolleBei vielen Anwendungen ist es erforderlich, eine Schnittstelle zwi-schen Geräten zu bilden, indem unübliche oder benutzerspezi -sche digitale Kommunikationsprotokolle verwendet werden. Häu- g ist die spezi sche Hardware, die für diese Anwendungen benö-tigt wird, jedoch entweder nicht verfügbar oder unerschwinglich. In anderen Fällen arbeiten Anwender lieber mit nur einer physika-lischen Schnittstelle, die mittels einer Vielzahl von Protokollen kommuniziert, um die Systemkosten zu senken und die System-größe zu reduzieren. FPGA-basierte Datenerfassungsgeräte eignen sich hervorragend für diese Art von Anwendung. Beispielsweise können Protokollcodierung und -decodierung an den FPGA abge-geben werden, was zu wirklich benutzerde nierten Bitströmen und einer reduzierten Verarbeitungslast auf der Host-CPU führt.

Ein weiterer, daraus entstehender Vorteil sind einfachere Host-Programme, die direkt mit Daten anstelle von Low-Level-Proto-kollsignalen arbeiten. Da der FPGA inhärent parallel und in der So ware de niert ist, kann er unterschiedliche Gerätemerkmale annehmen, um als exible Schnittstelle für praktisch jedes Kom-munikationsprotokoll zu dienen, einschließlich I2C and SPI sowie benutzerspezi sche digitale Protokolle. Darüber hinaus können Anwender unter Einsatz eines FPGA-basierten Datenerfassungs-

geräts für benutzerspezi sche Kommu-nikationsprotokolle mit Geräten kom-munizieren, die Reaktionen auf be-stimmte Signale innerhalb eines festen oder vorgegebenen Zeitraums erfor-dern. Die Funktionen mit geringer La-

Schneller, kleiner und kostengünstigerIn den 1960er-Jahren waren computerbasierte Datenerfassungssys-teme von IBM fast zwei Meter hoch, hatten eine maximale Erfas-sungsrate von 1 MB/s und kosteten über 250.000 Dollar. Heute sind Datenerfassungsgeräte schneller, bedeutend kleiner und kostengüns-tiger. Darüber hinaus nutzen sie eine Vielzahl von PC-Bussen, darun-ter PXI, PXI Express, PCI, PCI Express, USB und Ethernet.


Auf einen Blick

Bild 2: Dieses heterogene Verarbeitungssys-tem setzt sich aus einem computerbasierten Prozessor und einem anwenderprogram-mierbaren FPGA zusammen.



tenz und zur Entscheidungsfindung des FPGAs lassen Anwender diese Anforderungsarten erfüllen, indem bestimmte Daten intern verarbeitet werden, ohne dass Daten mit der CPU ausgetauscht werden müssen.

Weg 4: Onboard-SignalverarbeitungWird ein gängiges ASIC-basiertes Datenerfassungsgerät verwen-det, werden Daten erfasst und anschließend an einen Prozessor geschickt, der die Verarbeitung, Mathematik und Analyse über-nimmt. Signalverarbeitung wie Codierung, Decodierung, Filte-rung, Mittelwertbildung, Modulation, Dezimierung und schnelle Fourier-Transformationen kann sehr prozessorintensiv sein. Bei der Arbeit mit einer anspruchsvollen Anwendung, die durch die CPU-Bandbreite eingeschränkt ist, ermöglicht das Auslagern eines Teils der Signalverarbeitung auf ein Datenerfassungsgerät eine er-hebliche Reduktion der CPU-Last und eine Durchsatzsteigerung.

Eine gängige Methode ist das Nutzen der echten Parallelität ei-nes FPGAs zur Vorverarbeitung paralleler Daten, um schneller Entscheidungen treffen zu können oder kleinere Sätze an verarbei-teten Daten an die CPU, zum Beispiel zur späteren Analyse oder Speicherung, weiterzuleiten. Durch integrierte Verarbeitung kön-nen sofort Entscheidungen getroffen und Berechnungen auf dem FPGA durchgeführt werden, wodurch die Gesamteffizienz deut-lich verbessert wird. FPGA-basierte Datenerfassungsgeräte kön-nen ebenfalls in Co-Processing-Anwendungen eingesetzt werden, wo prozessorintensive Tasks an den FPGA ausgelagert werden. In diesem Fall werden Daten direkt an den Host-Rechner weitergelei-tet, auf dem FPGA verarbeitet und dann zurückgeschickt.

Weg 5: Präzises Timing und Zuverlässigkeit für kritische AufgabenFür kritische Verarbeitungsaufgaben, die sich keine Ausfallzeiten leisten können und straffes Timing sowie strikten Determinismus erfordern, können FPGA-basierte Datenerfassungsgeräte präzises Timing ebenso wie ein hohes Maß an Zuverlässigkeit bieten. Da die FPGA-Hardware parallel arbeitet und ein komplexer Soft-warestapel, der integriert ausgeführt wird, fehlt, können FPGA-Anwendungen wesentlich zuverlässiger sein als der entsprechende Prozessorcode (Bild 3).

Des Weiteren führt die Beschaffenheit von FPGAs und den prä-zisen Taktsignalen dazu, dass die Anwendungen mit einem höhe-

ren Determinismus arbeiten. So können echtzeitfähige Prüf-, Steuer-, Regel- und Überwa-chungssysteme entwickelt wer-den, die sich über lange Zeit-räume hinweg vorhersagbar verhalten.

Sensorsimulation ist ein An-wendungsbeispiel, das sowohl ein äußerst präzises Timing als auch ein hohes Maß an Zuver-lässigkeit verlangt. Es handelt sich um das Verfahren, realisti-

sche Sensorsignale an den Eingängen eines Prüflings bereitzustel-len und anschließend zu evaluieren, wie ein Bestandteil der Aus-rüstung auf eine ganze Reihe von Betriebsbedingungen reagiert. Dies ist besonders bei Hardware-in-the-Loop-Tests und Rapid Control Prototyping nützlich. FPGAs eignen sich optimal für die Sensorsimulation, hauptsächlich weil sie sich an mehrere Sen-sorarten mit präzisen Timing-Anforderungen anpassen können. Wird ein FPGA-basiertes Datenerfassungsgerät eingesetzt, ist es möglich, die Sensorausgänge zu simulieren, PWM-Signale zu er-zeugen und zu dekodieren, Onboard-Entscheidungsfindung auf Basis gemessener Werte herbeizuführen und unabhängig mehrere Analog- sowie Digitalsignale jedes Sensors oder Prüflings vom gleichen Gerät zu emulieren.

Herausforderung der FPGA-ProgrammierungEiner der vielen Vorteile von ASIC-basierten Datenerfassungsge-räten ist die Flexibilität der für die Entwicklung verfügbaren Soft-ware. So betrachtet können FPGAs manchmal eine Art Last dar-stellen, da sie traditionellerweise in einer Hardwarebeschreibungs-sprache (HDL), wie VHDL oder Verilog, programmiert werden, die bei der Entwicklung funktionaler Anwendungen ein hohes Maß an Erfahrung erfordert.

Jedoch besteht auch die Möglichkeit, einen grafischen Ansatz zur Programmierung von FPGAs mit der LabVIEW-RIO-Archi-tektur (rekonfigurierbare I/O) zu wählen, indem das LabVIEW-FPGA-Module mit rekonfigurierbaren I/O-Geräten der R-Serie kombiniert wird. Der Prozess, I/O-Schnittstellen zu schreiben und Datenkommunikationsmechanismen zu entwickeln, wird so ver-einfacht. In Ergänzung zu existierendem IP umfasst die Systemde-signsoftware LabVIEW ein großes Ökosystem von FPGA-IP-Bib-liotheken, die ein effizienteres und effektiveres Entwickeln komple-xer Systeme ermöglichen. Da LabVIEW mit einer ganzen Band-breite an Hardware kommunizieren kann, ist es nicht nötig, bereits vorhandene Datenerfassungshardware zu ersetzen. Vielmehr kön-nen PC-basierte Systeme mit programmierbaren FPGAs erweitert werden, was in einer erheblichen Produktivitätssteigerung und Verkürzung der Markteinführungszeit resultiert. (jj) n

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Der Autor: Brandon Treece ist Produktmanager für Embedded Systeme bei National Instruments in Austin/Texas.

Bild 3: Architektur von FPGA-basier-ten im Vergleich zu ASIC-basierten Datenerfassungsgeräten.

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MesstechnikCoverstory


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Messtechnik

Ein Kennlinienschreiber ist relativ einfach aufgebaut (Bild 1). Er enthält zwei Stromversorgungen zur Stimulierung des zu prüfenden Bauteils (DUT). Ein Schrittgenerator sti-muliert den Steuer-Pin des Bauteils mit Gleichstrom oder

Gleichspannung; die Kollektor-Stromversorgung legt eine Gleich-spannung an den Ausgangskanal des Bauteils an. Zwei Verstärker überwachen die Spannung über und den Strom durch das Bauteil und steuern die vertikale und horizontale Ablenkung des Bild-schirms, um die verschiedenen Messwerte darzustellen. Zwei 10 Bit au ösende A/D-Wandler erfassen die Spannungen der Verstär-ker und wandeln diese in ein digitales Signal um.

Leistungsfähige KennlinienschreiberTest moderner Leistungshalbleiter

Kennlinienschreiber wurden ursprünglich für die Charakterisierung von Vakuumröhren und später für Transistoren verwendet. Ein Kennlinienschreiber enthält Stromversorgungen für die Stimulierung des zu prüfenden Bauteils, eine Art Oszilloskop-Display zur Darstellung der erfassten Daten, einen Drehknopf für eine Echtzeit-Einstellung der Spitzenspannung über dem Bauteil und einen Testadapter, um einfach und sicher die Verbindungen zu den Bauteil-Pins herzustellen. Autor: David Wyban

Kennlinienschreiber ermöglichen eine rasche Charakterisierung von zwei- und dreipoligen Halbleiterbauelementen wie Dioden, Bipolar-Transistoren (BJT), MOSFETs, IGBTs und so weiter. Sie ermöglichen die Erstellung der charakteristischen Strom-Span-nungs-Kurven (I-U) des Bauteils mit hohen Spannungen und Strö-men. Sobald die Kurven aufgenommen wurden, lassen sich mit Hilfe eines Bildschirm-Cursors die jeweiligen Bauteilparameter extrahieren. Hierzu gehören Parameter, wie beispielsweise die Durchbruchspannung in Sperrrichtung einer Diode, die Kennlini-en von MOSFETs oder die Gleichstromverstärkung eines Bipolar-transistors. Derartige Parameteranalysen sind bei jeder Stufe des

Bild 1: Blockschaltbild eines konventionellen Kennlinienschreibers.

Bild 2: Leistungshüllkurve der Hochstrom-Stromver-sorgung eines konventio-nellen Kennlinienschrei-bers im Vergleich zu einem modernen SMU.

Bild 3: Lastkennlinien-Effekt.

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Designs, der Entwicklung und der Herstellung von Halbleiterbau-elementen erforderlich. Primär werden Kennlinienschreiber für eine Charakterisierung auf Bauteilebene in der Entwicklung, der Fehleranalyse und für die Wareneingangsprüfung verwendet.

Für die Hersteller von Power-ICs ist es bedauerlich, aber die In-novationsrate nimmt bei Silizium-basierten Bauteilen derzeit eher ab. Um die heutigen höheren Wirkungsgradziele zu erreichen, nut-zen die Forscher zunehmend neue Halbleiter-Werksto e, wie Gal-liumnitrid (GaN) und Siliciumcarbid (SiC). Diese Materialien bie-ten durch eine größere Bandlücke gegenüber konventionellem Sili-zium mehrere Leistungsvorteile. Mit diesen Materialien lassen sich Bauteile mit geringeren Leckströmen (für ein besseres Schaltver-halten), einem niedrigeren Durchlasswiderstand (was den Wir-kungsgrad durch geringere Leistungsverluste im Bauteil und eine höhere Leistung an der Last erhöht), eine höhere Leistungsdichte (was mehr Leistung bei weniger Platzbedarf ermöglicht) und schließlich für höhere sichere Betriebstemperaturen (was die Küh-lungsanforderungen des Endprodukts reduziert) entwickeln.

Um die Leistungsvorteile dieser neuen Designs zu quanti zie-ren, müssen die Bauteile gründlich charakterisiert werden. Diese Aufgabe wurde normalerweise mit einem Kennlinienschreiber er-ledigt. Dies ist heute jedoch mit einigen Problemen verbunden. Auch wurde die Produktion der Kennlinienschreiber im Jahr 2007 eingestellt. Die Testingenieure müssen deshalb ihre vorhandenen Instrumente weiter nutzen und diese solange als möglich betriebs-bereit halten. Das größere Problem ist aber, dass der konventionel-le Kennlinienschreiber beim Test moderner Leistungshalbleiter mehrere entscheidende Einschränkungen hat. Glücklicherweise steht mit einer Source-Measure-Unit (SMU) eine leistungsfähige Testlösung zur Verfügung. SMUs kombinieren die Quellenfunkti-on einer genauen Stromversorgung mit den Messfunktionen eines sehr genauen Digital-Multimeters (DMM) in einem einzigen Inst-rument. SMUs bieten alle Merkmale, die für einen Test der aktuel-len Halbleiterbauelemente erforderlich sind, wie Leistung, Dyna-mikbereich, Genauigkeit und Flexibilität.

SMUs und LeistungModerne Halbleiterbauelemente können extrem hohe Leistungen schalten, sodass auch für die Charakterisierung dieser Bauteile ei-ne Testeinrichtung erforderlich ist, die hohe Ströme liefern kann. Für einen Test im Durchlasszustand werden sehr hohe Ströme be-nötigt, während ein Test im Sperrzustand sehr hohe Spannungen erfordert. Ein konventioneller Kennlinienschreiber hat zwei sepa-rate Stromversorgungen für diese Tests mit hohen Strömen und

SMUs übernehmen Aufgaben von KennlinienschreibernSeit Langem werden konventionelle Kennlinienschreiber als Stan-dardinstrument bei der Bauteil-Charakterisierung eingesetzt, durch die immer schwierigere Verfügbarkeit und neue Bauteil-Herausforde-rungen ist diese Lösung inzwischen meist nicht mehr ausreichend. Glücklicherweise können SMU-Instrumente unterdessen viele der Aufgaben von Kennlinienschreibern übernehmen. Mit den erweiterten Fähigkeiten eines parametrischen Kennlinienschreibers, die über die Möglichkeiten einer SMUs hinausgehen, können auch künftige Cha-rakterisierungs-Anforderungen erfüllt werden.


Auf einen Blick

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Messtechnik

Spannungen. Mittlerweile gibt es SMUs, die diese hohen Werte ebenfalls erreichen.

Bei einem Test in Durchlassrichtung fließt viel Strom durch das Bauteil. Bild 2 zeigt einen Vergleich der Leistungshüllkurve der Stromversorgung eines konventionellen Kennlinienschreibers und von zwei parallel geschalteten Hochstrom-SMU-Instrumenten. Die beiden SMUs decken den größten Teil der Leistungshüllkurve des Kennlinienschreibers ab. Die Hochstrom-Stromversorgung des Kennlinienschreibers kann bei 0 A bis zu 30 V an das Bauteil anlegen, allerdings sinkt diese Maximalspannung mit zunehmen-dem Strom deutlich ab. Der Kennlinienschreiber kann bis zu 400 A ausgeben, aber nur wenn die Spannung über dem Bauteil auf 0 V zurückgeht. Wenn eine Spannung an das Bauteil angelegt wird, reduziert sich der maximal mögliche Strom. Dieses Phänomen wird als Lastkennlinien-Effekt bezeichnet und ist auf den Aus-gangswiderstand der Stromversorgung zurückzuführen. Dieser verursacht einen Spannungsabfall bei einem Stromfluss. Der Wi-derstand ist absichtlich im Ausgang der Stromversorgung des Kennlinienschreibers enthalten, um den Stromfluss zu messen. Die Auswirkungen dieses Widerstands sind in den vom Kennlini-enschreiber erfassten Daten für die I-U-Kurven eines Transistors erkennbar (Bild 3). Mit zunehmendem Strom sinkt jeweils die ma-ximale Spannung am Ende der Kurve. Obwohl der Kennlinien-schreiber in jeder Kurve bis zum gleichen programmierten Höchstwert hochläuft, ist die Maximalspannung am Bauteil unter-schiedlich. Wird eine Linie durch die Enden dieser Kurven gezo-gen, dann ergibt sich eine Gerade. Diese entspricht der Lastkenn-linie. Wird die Steigung dieser Linie gemessen, dann ist sie negativ proportional zum Ausgangwiderstand.

Im Gegensatz zum Kennlinienschreiber können zwei Hoch-strom-SMUs parallel geschaltet bis zu 40 V bei bis zu 100 A liefern. Im Gegensatz zum Kennlinienschreiber haben sie keinen Last-kennlinien-Effekt, weil sie eine aktive Rückkopplungsschleife an-statt eines Serienwiderstands nutzen, um den Ausgang zu überwa-chen. Diese Schleife reduziert die Spannung nur, wenn der pro-grammierte Stromgrenzwert erreicht wird. Dadurch erreichen alle Kurven die gleiche Spitzenspannung obwohl der Strom zunimmt. Das ermöglicht die Ausgabe des Maximalstroms bis zur maxima-len Spannung und somit eine bessere Abdeckung in der Leistungs-hüllkurve. Zudem reicht die Leistungshüllkurve einer SMUs auch in die Quadranten II und IV, in denen das Gerät als Senke arbeitet. In diesen Quadranten gibt das Bauteil Leistung an die SMU ab. Es arbeitet hier als elektronische Last. Dies erweitert die Einsatzmög-lichkeiten der SMUs auf den Test weiterer Bauteile, wie DC/DC-Wandler und Solarzellen.

Kennlinienschreiber werden seit langem auch verwendet, um Steilheitstests (gfs) durchzuführen (Bild 4). Der bei SMUs fehlende Lastkennlinien-Effekt ist für diesen Test sehr wertvoll, da die Drain-Source-Spannung (VDS) einen Mindestwert einhalten muss, um gültige Ergebnisse zu erhalten. Bei diesem Test wird die Gate-Spannung durchfahren, wodurch der Drain-Strom zunimmt. Mit steigendem Strom nimmt allerdings die vom Kennlinienschreiber ausgegebene Spannung aufgrund des Lastkennlinien-Effekts ab. Wenn die Spitzenspannung nicht hoch genug eingestellt wird, kann die Drain-Source-Spannung unter den minimalen VDS-Wert für gültige Ergebnisse sinken.

Welcher Unterschied zwischen den Instrumenten ergibt sich nun bei einem Test, bei dem gfs mit VDS von 10 V und IDS von 30 A spezifiziert wurde? Bei einem Ausgangswiderstand des Kurven-schreibers von 75 mΩ ergibt sich bei einem Strom von 30 A ein Spannungsabfall von 2,25 V. Um bei 30 A eine Spannung von 10 V

am DUT zu erhalten, muss die Maximalspannung am Gerät auf 12,25 V eingestellt werden. In Wirklichkeit ist für die Ermittlung des gfs-Werts ein noch höherer Strom als 30 A erforderlich, um die Cursor-Tangente entsprechend platzieren zu können. Dadurch muss die Spitzenspannung noch höher eingestellt werden. Im Ge-gensatz dazu muss man sich bei einer SMU keine Sorgen im Hin-blick auf den Lastkennlinien-Effekt machen, was die Testprozedur vereinfacht. Der VDS-Wert kann einfach genau auf die spezifizierte Spannung eingestellt werden. Diese Spannung bleibt so erhalten, auch wenn der Drain-Strom zunimmt.

Programmierbare Stromgrenzwerte gehören zu den Vorteilen von SMUs gegenüber Kennlinienschreibern, sodass diese besser für einen Test moderner Leistungshalbleiter geeignet sind. Bei ei-ner SMU kann, wenn die Spannung über dem Bauteil verändert wird, ein Grenzwert für den Strom festgelegt werden. So lassen sich Bauteilschäden vermeiden. Beim Kennlinienschreiber ist der in Reihe geschaltete Messwiderstand das einzige strombegrenzen-de Bauteil, das aber nur die Stromversorgung und nicht das Bauteil schützt.

SMUs bieten einen weiteren wichtigen Vorteil gegenüber kon-ventionellen Kennlinienschreibern: sie können Strom oder Span-nung einspeisen, was besonders für eine Messung des Durchlass-widerstands (Rds(on)) wichtig ist. Die Hersteller sind bestrebt den Durchlasswiderstand der Bauteile zu reduzieren, weil ein geringe-rer Widerstand weniger Verlustleistung bedeutet und damit den Wirkungsgrad des Bauteils erhöht. Mittlerweile sind Bauteile mit einem Rds(on) von weniger als 10 mΩ Standard. Beim Test von Bau-teilen mit einem solch geringen Widerstand kann eine sehr kleine Änderung der Spannung eine große Änderung des Stroms verur-sachen. Zum Beispiel hat eine Spannungsänderung von 10 mV bei einem Bauteil mit einem Rds(on) von 2 mΩ eine Stromänderung von 5 A zur Folge. Wenn man bedenkt, dass die Hochstrom-Stromver-sorgung des Kennlinienschreibers eine programmierbare Auflö-sung von nur 30 mV hat und der Lastkennlinien-Effekt ignoriert wird, dann würde eine kleine Änderung am Drehknopf eine Stro-mänderung von 15 A verursachen!

Ähnliches gilt für einen Power-MOSFET mit einem Rds(on) von 1,5 mΩ bei einem IDS von 30 A. Nach dem Ohmschen Gesetz ist nur eine Spannung von 45 mV notwendig, um bei diesem Bauteil einen Strom von 30 A zu erreichen (U = 30 A × 1,5 mΩ = 45 mV). Bei einer programmierbaren Auflösung des Kennlinienschreibers von normalerweise nur 30 mV kann die Einspeisung von 45 mV schwierig sein. Die genaue Einstellung von 45 mV besonders bei diesem hohen Strom ist allerdings für alle Instrumente ein Prob-lem. Dagegen ist die Messung von 45 mV relativ einfach. Im Allge-meinen ist daher die Einspeisung eines Stroms und die Messung einer Spannung bei einem niedrigen Widerstand vorzuziehen.

Bild 4: Ergebnisse eines Kennlinien-schreibers für eine gfs-Messung.

beflex electronic GmbH, Robert-Bosch-Straße 11, 72636 Frickenhausen, Tel. +49 7022 2433-00, Fax +49 7022 2433-01, [email protected], www.beflex.de

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Messtechnik

Der Autor: David Wyban ist Applikationsingenieur bei Keithley Instruments, Inc. in Cleveland/Ohio, das zum Test-und Messtechnik-Portfolio von Tektronix gehört.

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Während Kennlinienschreiber nur eine Spannung einspeisen können, ist bei SMUs eine Einspeisung von Spannung und Strom möglich. Dies ermöglicht mit einem SMU eine äußerst genaue Rds(on)-Messung. Die SMU Modell 2651A von Keithley kann bei-spielsweise einen Strom mit einer Auflösung von nur 2 pA einspei-sen. Der hochempfindliche Spannungsmesser verfügt über eine Auflösung von 1 µV. Dies erlaubt hochgenaue Widerstandsmes-sungen sogar im Bereich von unter einem Milliohm.

Der Test des Durchlasszustands erfordert die Einspeisung eines hohen Stroms, während für einen Test des Sperrzustands eine hohe Spannung benötigt wird. Die aktuell erhältlichen Bauteile eignen sich für Spannungen von mehr als 1200 V, bei IGBTs sogar bis zu 2500 V. Ein konventioneller Kennlinienschreiber kann Spannun-gen bis zu 3000 V erzeugen, sodass er immer noch für einen Durchbruchtest von modernen Bauteilen geeignet ist. SMUs, wie das Hochspannungs-System-Sourcemeter Modell 2657 von Keith-ley, können bis zu 3000 V liefern. Im Gegensatz zu einem Kennli-nienschreiber ist ein hoher Strom auch bei einer hohen Spannung möglich. Bei 3000 V kann der Kennlinienschreiber nur noch einen sehr geringen Strom liefern. Das Modell 2657A kann bis zu 20 mA bei 3000 V oder bis zu 120 mA bei 1500 V ausgeben und bietet damit erweiterte Möglichkeiten.

Wie das Hochstrom-SMU kann das Hochspannungs-SMU auch in den Quadranten II und IV arbeiten, was nicht nur das Leis-tungsspektrum erweitert, sondern auch die Testsystemsicherheit erhöht. Bauteile haben im Sperrzustand eine sehr hohe Impedanz und deshalb einen sehr geringen Leckstrom. Diese Bauteile haben außerdem eine gewisse Kapazität. Beim Test im Sperrzustand wird diese Kapazität durch eine hohe Spannung aufgeladen, durch den sehr niedrigen Leckstrom des Bauteils bleibt diese Ladung aber

auch nach dem Abschalten der Spannung für eine gewisse Zeit er-halten. Die Möglichkeit der SMUs auch als Stromsenke arbeiten zu können, erhöht die Testsystemsicherheit, da die SMU so das Bau-teil am Ende des Tests sehr schnell entladen kann. Dadurch erhält der Bediener keinen Stromschlag, wenn er kurz nach dem Test mit dem Bauteil in Berührung kommt.

SMUs und DynamikbereichDie Charakterisierung eines Bauteils erfordert eine Testlösung, die sowohl große als auch kleine Ströme genau messen kann. Bild 5 zeigt zum Beispiel die Kennlinie einer Diode. In dem Bereich zwi-schen der Durchbruchspannung in Sperrrichtung (Vbr) und der Durchlassspannung (Vf) sind die Ströme sehr klein. In den Berei-chen unterhalb Vbr und über Vf sind die Ströme dagegen um meh-rere Größenordnungen höher, besonders im Durchlassbereich. Deshalb wird ein Instrument mit einem äußerst großen Dynamik-bereich benötigt, um dieses Bauteil genau charakterisieren zu kön-nen. SMUs bieten einen sehr großen Dynamikbereich. Der Durch-lass- oder Einschalt-Zustand-Test eines Bauteils wird normaler-weise mit einer Hochstrom-Stromversorgung ausgeführt. Im Durchlassbereich einer Diode (unterhalb der Durchlassspannung) fließt ein sehr kleiner Strom. Das Bauteil hat nicht durchgeschaltet, sodass der aktuelle Strom bei einigen Nanoampere oder weniger liegt. Oberhalb der Vorwärtsspannung wird der Strom schnell grö-ßer und erreicht mehrere Ampere oder sogar mehrere zig Ampere. Für ein SMU sind Strommessungen in diesem Bereich kein Prob-lem.

Der Sperr- oder Ausschalt-Zustand-Test wird normalerweise mit einer Hochspannungsversorgung ausgeführt. Im Sperrbereich der Diode sind die Spannungen kleiner als die Durchbruchspan-nung, sodass sehr kleine Ströme fließen. Bei und über der Durch-bruchspannung nehmen die Ströme rasch um mehrere Größen-ordnungen zu. Bei aktuellen Bauteilen liegen die Leckströme meist bei einigen Picoampere, während der allgemeine Durchbruch-strom 250 µA beträgt. Eine genaue Charakterisierung erfordert einen ausreichenden Dynamikbereich. Das Instrument muss also die äußerst kleinen Ströme vor dem Durchbruch aber auch die größeren Ströme nach beim Durchbruch messen können. Das Mo-dell 2657A kann Ströme von 1 fA bis 120 mA messen, was 14 De-kaden entspricht. Eine Messung der Leckströme ist also problem-los möglich. (jj) n

Bild 5: Kennlinie einer Diode.

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Messtechnik


FFT mit dem OszilloskopDie schnelle Fourier-Transformation, die in den Teledyne-Lecroy-Os-zilloskopen verwendet wird, bietet eine Flexibilität und Einstellmög-lichkeiten wie kaum ein anderes aktuell auf dem Markt verfügbares Gerät. Es ist möglich mit einem 8-Bit-Oszilloskop einen Dynamikbe-reich von 72 dB zu erreichen, mit einem 12-Bit-Oszilloskop natürlich noch mehr.


Auf einen BlickTeledyne Lecroy bietet eine sehr exible FFT in seinen Os-zilloskopen an. Der Anwender hat die Wahl die FFT mit dem Least-Prime-Algorithmus oder dem Power-of-2-Al-gorithmus zu berechnen. Er kann zwischen fünf Bewer-

tungsfenstern wählen, echte Mittelung im Frequenzbereich, so-wohl der Real- und Imaginäranteile, durchführen und die Quellda-ten entweder abschneiden (truncate) oder mit Nullen au üllen (zero- ll). All diese Möglichkeiten stehen zusätzlich zu der sehr rechene zienten Berechnung der FFT mit Gleitkommazahlen zur Verfügung. Diese Berechnungsart maximiert den vertikalen Dyna-mikbereich.

Zusätzlich zu den klassischen FFT-Bedienungsmöglichkeiten, die hier beschrieben werden, bietet Teledyne Lecroy eine optionale Spektrumanalyse-Option an. Wie bei HF-Spektrumanalysatoren hat der Anwender die Möglichkeit den Frequenzbereich (span), die Mittenfrequenz (center frequency), die Au ösebandbreite (re-solution bandwidth) und den Referenzpegel einzustellen.

Abtastrate und Frequenzaufl ösungBei der herkömmlichen Einstellung der FFT hängt der Frequenz-bereich der FFT (Nyquist Frequenz) von der Abtastrate und der Frequenzau ösung (Δf) ab. Die Frequenzau ösung ist invers pro-

Einstellen einer FFTZeitbereichssignale in den Frequenzbereich wandeln

Die schnelle Fourier-Transformation (FFT) konvertiert Signale, die mit einem Oszilloskop im Zeitbereich erfasst wurden, in Spektren im Frequenzbereich. Damit hat man die Möglichkeit mit einem Oszilloskop die Signale ähnlich der Anzeige mit einem HF-Spektrumanalysator darzustellen. Autor: Thomas Stüber

portional zur verwendeten Speichertiefe. Dem Bild 2 ist zu entneh-men, wie diese Einstellungen verwendet werden, um die FFT zu de nieren.

Eine logische Methode eine FFT einzustellen beginnt mit der Festlegung der Frequenzau ösung Δf. Dieser Wert ist der Abstand zwischen zwei angezeigten Punkten im Frequenzbereich und ist vergleichbar mit der Einstellung der Au ösebandbreite bei einem HF-Spektrumanalysator.

Δf wird durch die Erfassungszeit des im Zeitbereich erfassten Eingangssignals für die FFT bestimmt. Wenn ein Erfassungskanal

Bild1: Die HDO6000-Oszil-loskope beherrschen neben FFT zahlreiche weitere mathematische Funktionen und sind seit Kurzem auch mit 16 digitalen Kanälen erhältlich.

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Messtechnik

Entleeren, Fördern, Dosieren

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(Kanäle C1 bis C4) als Eingangssignal ver-wendet wird, ist die Erfassungszeit das ein-gestellte Zeitfenster 10 Division mal die Time/Div-Einstellung. Die Beziehung zwi-schen dem Zeitfenster und der Frequenz-auflösung ist im Bild 3 dargestellt.

Wird als Eingangssignal ein gezoomtes Signal verwendet, dann ist die Frequenz-auflösung entsprechend reziprok zur in dem Zoomsignal dargestellten Signaldauer.

Der Frequenzbereich der FFT wird auch als Nyquist-Frequenz bezeichnet und ist die Hälfte der Abtastrate des im Zeitbe-reich erfassten Eingangssignals. Teledyne-Lecroy-Oszilloskope verwenden generell die höchstmögliche Abtastrate und zeigen damit den größtmöglichen Frequenzbe-reich an. Die Abtastrate in Bild 4 ist 2 GS/s. Die FFT-Einstellung in der Kurve F1 zeigt einen Frequenzbereich von 1 GHz (100 MHz/Div mal 10 Division) an.

Wenn der angezeigte Frequenzbereich verringert werden soll, ist die einfachste Möglichkeit zu zoomen. In Bild 4 sieht man mit dem Signal F2 ein Zoom der FFT

in F1. Die gezoomte Kurve hat eine hori-zontale Skalierung von 200 kHz/Div und das Signal ist um den spektralen Peak bei 248 MHz zentriert. Die über das Zeitfens-ter von 1 ms definierte Frequenzauflösung beträgt 1 kHz und bleibt unverändert, un-abhängig von der Verwendung einer Zoomfunktion um das FFT-Signal zu deh-nen.

Der Frequenzbereich kann außerdem verkleinert werden, indem man weniger Erfassungsspeicher verwendet oder über die Mathematikfunkton „Sparsing“ die Anzahl der Datenpunkte verringert. Beide Maßnahmen verringern die effektive Abta-strate.

Weitere Besonderheiten der FFT-FunktionMeistens kann man bei den FFTs zwischen verschiedenen Bewertungsfenstern wäh-len. Wenn man den Aufbau der FFT als Reihe von parallelen Bandpass-Filtern be-trachtet, dann bestimmen die Bewertungs-fenster die Form des Frequenzgangs der

Bild 2: Die Aufnahme-zeit bestimmt die Frequenzauflösung Δf.

Bild 3: Der Bereich der FFT ist von der Abtastrate 1/ΔT abhängig.



Messtechnik

Fenstertyp Highest Side Lobe (dB) Scallop Loss (dB) ENBW (bins) Coherent vGain (dB)

Rechteck -13 3,92 1,0 0,0

Von Hann -32 1,42 1,5 -6,02

Hamming -43 1,78 1,37 -5,35

Flat Top -44 0,01 3,46 -11,05

Blackmann-Harris -67 1,13 1,71 -7,53

Filter, wie in Bild 5 dargestellt. Sie erhöhen die Bandbreite dieser FFT „Bandpass-Filter“ (Bin) um einen festen Faktor, was man als effektive Rauschbandbreite bezeichnet (ENBW – effective noise band-width).

Gewichtungsfunktionen helfen die negativen Effekte, die da-durch entstehen, dass die FFT mit Daten mit endlicher Länge durchgeführt werden, zu verringern. Sie beeinflussen die Amplitu-den der Nebenkomponenten (sidelobe amplitudes) und minimie-ren die Ausschnittsverluste (scallop loss) oder den „Lattenzaun-Effekt“ (picket fence effect). All diese Charakteristika sind in Ta-belle 1 dargestellt.

Einstellmöglichkeiten der FFTIm User Interface gibt es mehrere Einstellmöglichkeiten der FFT. Die „Supress-DC“-Auswahl ermöglicht es dem Anwender DC-Anteile (0 Hz) von der FFT-Anzeige auszuschließen. Das kann sinnvoll sein, wenn das Datensignal einen hohen DC-Anteil hat.

Power-of-2-AlgorithmusNur bei Teledyne-Lecroy-Oszilloskopen gibt es die Möglichkeit den für die FFT verwendeten Algorithmus auszuwählen. Als Stan-dard wird der Power-of-2-Algorithmus verwendet, bei dem die Länge der für die FFT verwendeten Daten eine Zweierpotenz ist. Die Berechnung des Power-of-2-Algorithmus ist schneller als der Least-Prime-Algorithmus.

Der Preis den man hierfür zahlen muss ist, dass die Anzahl der verwendeten Datenpunkte nicht mit der Aufzeichnungslänge des erfassten Signals übereinstimmt. Die Power-of-2-FFT verwendet die ersten 2N-Daten der Erfassung. Wenn 500 Datenpunkte aufge-zeichnet wurden, verwendet die Power-of-2-FFT nur die ersten 256 Datenpunkte.

Least-Prime-AlgorithmusDer zweite Algorithmus ist ein Least-Prime-Algorithmus, der die FFT mit 2N x 5k Datenpunkten berechnet. Diese Anzahl Daten-

punkte passt sehr gut zu den in einem Oszilloskop verwendeten Speichertiefen, die sehr oft Vielfache von 1, 2, 4, 5 oder 10 sind.

Anzahl der erfassten datenpunkte reduzierenDas letzte Merkmal ist, wie der Anwender die Anzahl der erfassten Datenpunkte auf die für die auf 2N-basierende FFT reduzieren kann. Der Anwender hat die Möglichkeit die Daten abzuschneiden und die FFT auf einer verkürzten Erfassung zu berechnen. Das führt zu einer Erhöhung der Frequenzauflösung.

Alternativ kann der Anwender die Zero-Fill-Funktion verwen-den. Zero-Fill ist sinnvoll, wenn die Quelldaten für die FFT aus einer Mathematikfunktion resultieren, von der die Anzahl der Da-tenpunkte verringert wird.

Solch ein Verhalten ist bekannt von Filterfunktionen wie zum Beispiel Enhanced Resolution (ERES). Für die fehlenden Daten-punkte werden Datenpunkte berechnet und in den Datensatz ein-gefügt, deren Amplituden interpoliert werden, sodass sie zwischen den letzten und den ersten Datenpunkt des Datensatzes passen. Damit wird sichergestellt, dass es keine Unstetigkeit erster Ord-nung in den aufgefüllten Daten gibt. Da es sich bei den Daten am Ende des Datensatzes um aufgefüllte Daten handelt, solle man nicht das Rechteckfenster als Bewertungsfenster verwenden, um den Einfluss der aufgefüllten Daten auf das sich ergebende Spekt-rum so klein wie möglich zu halten.

Es istzu beachten, dass die zweite Mathematikfunktion für F1 im Bild 4 eine Mittelung ist. Wenn die FFT das Eingangssignal für die Mittelung ist, dann wird die Mittelung im Frequenzbereich durch-geführt. Diese Mittelung ist synchron mit der FFT-Berechnung und nicht mit dem Oszilloskop-Trigger. Eine Mittelung im Fre-quenzbereich erhöht den Dynamikbereich der FFT. (jj) n

Bild 4: Einstellen der Frequenzauflösung und des Frequenzbereichs der FFT bei einem HDO 6000 Oszilloskop.

Tabelle 1: Eigenschaf-ten der verfügbaren Bewertungsfenster.

Bild 5: Die spektralen „Formen“ der einzelnen Bewertungsfunktionen.

Der Autor: Thomas Stüber ist Leiter der Applikation und Produkt-Spezialist bei Teledyne Lecroy in Heidelberg.


www.elektronik-industrie.de 27elektronik industrie 02/2014

MesstechnikHighlights

Auf 500 MHz Analysebandbreite erweitertSignal- und Spektrumanalysator FSW

Aller guten Dinge sind DreiPC-Logikanalysatoren, -Speicheroszilloskope und -Pattern-Generatoren

Rohde & Schwarz hat erneut die Analyse-bandbreite seines High-End-Signal- und Spektrumanalysators FSW erweitert: Wa-ren bislang die maximalen 320 MHz be-reits außergewöhnlich, konnten nun erst-mals 500 MHz realisiert werden. Die Hard-ware-Option R&S FSW-B500 steht auf al-len Geräten der FSW-Familie und folglich in einem Frequenzbereich bis 67 GHz zur

Gemäß diesem Motto präsentieren Acute Technology und Hacker-Datentechnik hier in Verbindung mit der Hameg-3000-Serie PC-basierende Logikanalysatoren, Spei-cheroszilloskope und Pattern-Generato-ren. Travel Logic ist die Kombination aus PC-Logikanalysator und Mixed-Signal-Modul. Das Modell TL2236B+ bietet zu-sätzlich zu den standardmäßigen Bus-Trig-gern erweiterte Bus-Trigger für die High-speed-Protokolle Serial-Flash, SD3.0, eMMC4.5 und NAND-Flash an. Diese helfen dabei das entsprechende Zielsignal im Datenstrom des SD-UHS-I (200 MHz) oder eMMC-HS200-Modus einwandfrei zu lokalisieren. Die LPC, SVI2-Trigger und Decodierungen werden von allen Model-len bereitgestellt. Mithilfe des Triggerka-bels erweitert der Logikanalysator Oszillo-skope von Acute, Agilent, GW Instek, Hameg, Teledyne Lecroy und Tektronix automatisch zu einem Mixed-Signal-Os-zilloskop mit 36 Logikkanälen, 72-Mbit-Speicher und 4-GHz-Timing-Analyse mit über 70 Protokollinterpretern und speziel-len Hardware-Triggern für zahlreiche Bus-systeme. Die analogen Signale der Oszillo-skope werden zeitsynchron mit den digita-len Werten des Logikanalysators dargestellt und können in einer gemeinsamen Bild-

Verfügung. Damit eröffnen sich für den Si-gnal- und Spektrumanalysator völlig neue Einsatzmöglichkeiten in Forschung und Entwicklung. Er ist speziell für anspruchs-volle Messaufgaben rund um Radar- oder Satellitenanwendungen sowie schnelle drahtlose Verbindungen wie WLAN oder Beyond 4G (5G) geeignet. Die große Ana-lysebandbreite ermöglicht es Anwendern, Pulsanstiegs- und Pulsfallzeiten ab etwa 3 ns Länge beziehungsweise sehr kurze Pulse ab 8 ns Pulsbreite zu vermessen. Somit lässt sich der Analysator beispielsweise in der Entwicklung von Radarsystemen im Auto-motive-Bereich einsetzen. Anwender kön-nen Radar-Chirps bis 500 MHz Bandbreite komplett aufnehmen und vermessen. Hop-ping-Sequenzen in frequenzagilen Kom-munikationssystemen wie taktischen Ra-

schirmoberfläche der Logikanalyse-Soft-ware analysiert werden.

Travel Scope TS2212H ist ein PC-Oszil-loskop mit variabler Auflösung bis 16 Bit. Es ist mit einem rekonfigurierbaren A/D-Wandler ausgestattet, mit dem eine verti-kale Auflösung von 8, 12, 14, 15 oder 16 Bit eingestellt werden kann, bei Eingangsemp-findlichkeiten von 2 mV/div bis 10 V/div. Das Gerät erreicht im 1-Kanal-Modus ein Echtzeit-Abtastrate von 1 GS/s und 500 MS/s im 2-Kanal-Modus. Die Bandbreite beträgt 200 MHz (einkanalig) und 100 MHz/Kanal (zweikanalig). Die Scopes sind für einen Überspannungsbereich von 100 V (DC+AC Peak) ausgelegt und besitzen einen Offset-Range von ±1,5 bis ±150 V. Die umschaltbaren 250-MHz-Tastköpfe (x1/x10) sind im Lieferumfang enthalten. Als Trigger-Modi stehen Rising, Falling, Alternate, Either, Single, Delay, Edge,

dios lassen sich ebenfalls leicht analysieren. Forscher im Satellitenbereich sind bereits in der Lage, die Komponenten der zukünf-tigen Transponder-Generation mit bis zu 500 MHz Bandbreite zu charakterisieren. Auch Komponenten für Richtfunkstrecken lassen sich bis zu 500 MHz Bandbreite ver-messen. Anwender in der Entwicklung von HF-Verstärkern für Mobilfunk oder WLAN erhalten die Möglichkeit, die digi-tale Vorverzerrung von Verstärkern bis 160 MHz Bandbreite, wie für WLAN 802.11ac-Signale erforderlich, zu vermessen. Bisher werden für die Aufzeichnung derart breit-bandiger Signale oft komplizierte Setups aus einem digitalen Oszilloskop und einem Downconverter benutzt. (jj) n

Width und Video/TV-Trigger zur Verfü-gung, die sowohl automatisch, manuell oder single, mit einer Run/Stop-Taste an der DSO-Box, ausgelöst werden können. Der Pufferspeicher ist 128 MSample groß.

Der USB-basierende Pattern-Generator PkPG2116+ lässt sich nicht nur für die Schaltungsemulation verwenden, sondern auch für die Protokollsimulation und die IC-Progammierung. Er kann viele populä-rer Wellenformen erzeugen, beispielsweise Direct Draw Data Waveform, Text-Datei Convert, Altera Waveform Convert und Akute LA Waveform Convert. Zusammen mit den PC-Logikanalysatoren können Auto-Testing- und Auto-Zertifikationssys-teme aufgebaut werden. Der Generator hat 16 Kanäle, eine Datenrate bis 200 Mbit/s und einen 16 Mbit Datenspeicher. (jj) n

Die Hardware-Option R&S FSW-B500 ermöglicht für die FSW-Analysatoren jetzt eine Analyseband-breite von 500 MHz.

Die PC-basierenden Logikanalysatoren, Speicheroszilloskope und Pattern-Generato-ren von Acute arbeiten mit den verschiedens-ten Messgeräten zusammen.

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Bild: Hacker Datentechnik/Acute Technology



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Messtechnik

Mittlerweile stehen tragbare Universalmessgeräte für hochgenaue Messungen der Netzwerkanalyse und Spektrumanalyse von Leistung und Frequenz zur Ver-fügung, deren Ergebnisse bis auf Hundertstel dB mit

denen der Labor-Instrumente korrelieren. Aber Vorsicht: Nicht alle modernen Handheld-Mikrowellenanalysatoren sind hier ebenbürtig.

Ob ein Handheld-Gerät das hohe geforderte Niveau erreicht, er-gibt sich aus dem Vergleich seiner Leistungsmerkmale mit denen eines Laborgerätes. Üblicherweise konsultiert man dazu als erstes die Datenblätter des Herstellers. Oft ist der direkte Vergleich aber schwierig, weil manche Spezifikationen lediglich unter ganz be-stimmten Rahmenbedingungen gelten. So könnte beispielsweise das Handheld-Gerät für den Betrieb in rauer Umgebung spezifi-ziert sein, während sich die Werte des Tischgerätes auf ein tempe-ratur- und luftfeuchtigkeitsstabilisiertes Labor beziehen. Selbst das Studium von Literaturbeispielen erweist sich oft als wenig hilf-reich, weil es wenig verfügbares Material gibt. Einen Ausweg bietet

Eine PositionsbestimmungHandheld- und Labor-Messgeräte in der HF- und Mikrowellentechnik

Selbst beim Arbeiten in sehr unwirtlichen Umgebungen erwarten Techniker und Ingenieure von ihren Handheld-Messgeräten genaue Ergebnisse. „Genau“ ist dabei für viele die Präzision von Benchtop-Mikrowellenmessgerä-ten unter Labor-Bedingungen. Dabei haben mobile Geräte erst vor Kurzem die Leistungsmerkmale ihrer teuren ortsfesten Gegenstücke erreicht. Autor: Tom Hoppin und Tomas Lange

nur die Gegenüberstellung echter Messergebnisse eines Handhelds mit denen mehrerer Laborgeräte. Das ist letztlich die einzige Mög-lichkeit festzustellen, ob das mobile Gerät für präzise Mikrowellen-Messungen im Feld die erforderliche Genauigkeit aufweist.

Warum korrelieren?Korrelation steht für die relative Übereinstimmung eines Satzes von Messdaten ein- und desselben Prüflings, jedoch gemessen mit unterschiedlichen Geräten wie etwa einem Präzisions-Laborinst-rument und einem Handheld. Je besser die Übereinstimmung, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Messverfahren das andere gleichwertig ersetzen kann. In diesem Fall ist es der Nachweis, dass ein bestimmtes Handheld-Gerät dasselbe Niveau an Messgenauigkeit erreicht wie ein Laborinstrument. Aber war-um ist diese Korrelation so wichtig für erfolgreiche Messungen am Prüfling?

In jeder Etappe seines Entwicklungs- und Lebenszyklus' wird ein Produkt von einer Vielzahl unterschiedlicher Geräte auf ganz

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Messtechnik

Bild 1a: Spektrummessung eines 10-GHz-Multitone-Signals mit dem Signalanalysator Agilent MXA.

Nicht alle Handheld-Analysatoren sind ebenbürtigBeim Einsatz eines Handheld-Gerätes für den Feldtest ist es wichtig, dass die Messergebnisse gut mit denen von Laborinstrumenten über-einstimmen. Das Korrelieren von Messergebnissen ist für Techniker und Ingenieure ein Weg, diese Übereinstimmung sicherzustellen. Die hier gezeigten Beispiele demonstrieren klar und deutlich, dass mo-derne Handheld-Instrumente sowohl alle Voraussetzungen für den Einsatz im Feld als auch in gängigen Laboranwendungen mitbringen.


Auf einen Blick

spezi schen Messplätzen geprü . In den frühen Phasen gibt es un-ter anderem die Entwurfsveri zierung, entwicklungsbegleitende Messungen und später den Fertigungstest. Solche Messungen er-folgen üblicherweise zunächst mit Benchtop-Messgeräten in stan-dardisierten Laborumgebungen. Tests in Forschung und Entwick-lung vertrauen auf die Laborgeräte, die speziell nach ihrem Funkti-onsumfang und guten Leistungsmerkmalen für die Aufgabe ausge-wählt werden

Im Fertigungstest dagegen treten hohe Messgeschwindigkeit und niedrige Gerätekosten in den Vordergrund. Ist das neue Gerät oder System im Feld installiert, müssen viele der Messungen noch-mals durchgeführt werden, um das erwartete Leistungsniveau si-cherzustellen. Weitere Feldtests ergeben sich im Rahmen der peri-

odischen Wartung und im Reparaturfall. Solche Messungen erfol-gen gelegentlich mit Handhelds unter denkbar schlechten Bedin-gungen wie etwa in Sand- und Schneestürmen, in Wüste oder Dschungel oder auf einem Schi in rauer See.

Beim Feldtest ist die Übereinstimmung der Daten mit denen der Labormessungen kritisch für den ordnungsgemäßen Betrieb eines Gerätes oder einer Anlage. Korrelieren die Feldmessdaten nicht gut mit den Labormessdaten, könnte eine tatsächlich einwandfreie Komponente als fehlerha erscheinen oder ein mangelha es Teil die Tests erfolgreich bestehen. Eine gute Korrelation kann auch al-le Beteiligten davon überzeugen, dass der Prü ing in der Tat ge-mäß seiner Entwicklungsspezi kationen arbeitet.

Die Übereinstimmung beweisenUm festzustellen, wie gut die Messdaten eines bestimmten Hand-helds mit denen hochgenauer Laborinstrumente korrelieren, kann ein Vergleich ganz unterschiedlicher Messaufgaben wie Spektrum-analyse, S-Parameter oder HF-Leistungsmessung durchgeführt werden. Das gilt besonders dann, wenn sich das mobile Gerät für so viele unterschiedliche Funktionen kon gurieren lässt.

Bild 1a und 1b zeigen als Beispiel zwei Spektrum-Messungen ei-nes 10-GHz-Multitone-Signals (Kammsignal). Das Signal hat in konstantem Frequenzabstand Spektrallinien mit 10 dB größeren beziehungsweise kleineren Amplituden als die jeweiligen Nach-barn. Die Spektrum-Messung links erfolgte mit einem Hochleis-tungs-Labor-Signalanalysator, rechts mit einem als Spektrumana-lysator kon gurierten Handheld-Instrument.

Bild 1b: Spektrummessung eines 10-GHz-Multitone-Signals mit dem Spektrumanalysator Agilent FieldFox.

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Bild 2: S-Parameter-Messwerte eines 3/12-GHz-Breitbandverstärkers. Grafisch überlagert wurden Messungen der Vektor-Netzwerkanalysatoren Agilent 8510C (blau) und PNA-X (grün) sowie des Handheld-Modells FieldFox im Vektor-Netzwerkanalysator-Modus (magenta).

Zum Vergleich der beiden Messungen dienen Delta-Marker. Sie zeigen -40,37 dB auf dem Benchtop und -40,07 dB auf dem Hand-held. Die Differenz der beiden Messungen beträgt nur 0,3 dB, also eine gute Übereinstimmung. Die Marker-Ergebnisse für die ande-ren Frequenzen zeigen ebenfalls eine exzellente Korrelation der beiden Instrumente. Wenngleich man aufgrund der Wobbelge-schwindigkeit und des möglichen Dynamikbereichs den Hand-

held nicht als direkten Ersatz für das Laborgerät betrachten kann, eignet er sich doch gut für den Feldtest und für allgemeine Mes-saufgaben im Labor.

Zum Vergleich der Ergebnisse einer S-Parameter-Messung dient das Beispiel in Bild 2. Prüfling ist ein Breitbandverstärker für 3 bis 12 GHz mit einer Verstärkung von 23 dB. In diesem Beispiel mes-sen drei verschiedene Vektor-Netzwerkanalysatoren – zwei Labor-geräte und ein Handheld – vier S-Parameter. Alle drei Instrumente waren auf einen Frequenzbereich von 100 MHz bis 26,5 GHz, 401 Messpunkte und eine Zwischenfrequenz-Bandbreite von 10 kHz eingestellt. Die Systemfehler-Korrektur erfolgte über eine komplet-te mechanische Zwei-Port-Kalibrierung.

Zum Vergleich wurden die drei erfassten S-Parameter-Datensät-ze zur Darstellung in das Format eines der Benchtop-Geräte por-tiert und eingeladen und dort in der Grafik überlagert. Die drei Messdatensätze sind im Wesentlichen identisch. Ausnahme ist die Abweichung der S21-Daten eines der Benchtop-Geräte, angedeutet durch den blauen Kurvenzug am oberen Ende des Frequenzbe-reichs. Dagegen ist die Korrelation zwischen dem Handheld (ma-genta) und dem anderen Laborinstrument (grün) exzellent. Damit qualifiziert sich der Handheld als ideales Gerät für S-Parameter-Messungen im Feld und für gängige Messaufgaben im Labor.

Zur Messung der HF-Leistung von Dauerstrich-, gepulsten und komplexen Signalen dient ein HF-Leistungssensor als wichtigste Komponente. Diesen gibt es je nach Anforderung in unterschiedli-chen Ausführungen. USB-Sensoren lassen sich direkt mit einem Kabel an einen PC oder an ein Meter oder an ein anderes Messge-rät anschließen. Der PC oder das Messgerät dient dabei lediglich

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Messtechnik

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Tabelle: Vergleich der gemessenen HF-Leistung eines Dauerstrich-Signals als Funktion der Frequenz. Der Handheld-Analysator Agilent FieldFox misst die Signalleistung über seine Channel Power Meter-(CPM-)Funktion. Benötigt wird lediglich ein kurzes Koax.

zur Darstellung der Ergebnisse. Vorausgesetzt derselbe Leistungs-sensor kommt sowohl in der Handheld- als auch in der Benchtop-Konfiguration zum Einsatz, sollten die Ergebnisse perfekt überein-stimmen.

Leistungsmessgeräte beziehungsweise -sensoren sind sicherlich die Referenzklasse für HF-Leistungsmessungen, aber auch mit Handhelds allein (ohne angesteckten Leistungssensor) lassen sich gute Ergebnisse erzielen – selbstverständlich vorausgesetzt das mobile Gerät kann Signalleistung direkt messen. Die Tabelle zeigt die gemessene Leistung eines Dauerstrich-Testsignals als Funktion der Frequenz. Verglichen wird die Messung einer Kombination aus Leistungssensor und Leistungsmessgerät mit der eines Handhelds mit integrierter Leistungsmessfunktion. Die Messung mit dem Handheld mag weniger genau sein als die mit einem Leistungssen-sor, aber besonders unter schwierigen Umwelt- und Einsatzbedin-gungen ist es sehr angenehm, nur ein einziges Gerät für die Leis-tungsmessung zu benötigen

Handhelds ins Gehäuse geschautDiese Beispiele zur Korrelation von Messdaten zeigen klar und deutlich, dass ein moderner Handheld-Analysator Messergebnisse liefert, die ausgezeichnet mit denen eines Labor-Instruments über-einstimmen. Ermöglicht wird das nicht zuletzt durch messtechni-sche Fortschritte, die sich sowohl in den mobilen als auch in den ortsfesten Instrumenten niederschlagen. Viele Hochleistungs-HF- und Mikrowellen-Labormessgeräte nutzen anwendungsspezifi-sche integrierte Mikrowellen-Schaltkreise (Custom Monolithic Microwave Integrated Circuits – MMICs). Solche Bauelemente

finden sich auch als kompakte, hochleistungsfähige Chipsätze zur Implementierung von Funktionen in modernen Handhelds.

Diese hochintegrierten Schaltkreise steigern die Leistung der mobilen Geräte und senken gleichzeitig ihren Stromverbrauch. Darüber hinaus erlauben sie es, die Universal-Handhelds mit un-terschiedlicher Funktionalität wie ein Spektrumanalysator, Vektor-Netzwerkanalysator, Leistungsmesser, Kabel- oder Antennen-Analysator und andere mehr zu konfigurieren.

Zusätzlich zu diesen technologischen Fortschritten bieten mo-derne Handhelds auch automatische Bereichseinstellung und inte-grierte Kalibrierung – wichtige Voraussetzungen für hohe Genau-igkeit über den gesamten Frequenzbereich. Handhelds treten da-mit unmittelbar in den Wettbewerb mit den Benchtops. (jj) n

Freq (GHz) Power meter an power sensor (dBm) FieldFox CPM (dBm)

0.1 -0.07 -0.10

18 -2.90 -2.84

26.5 -3.75 -3.71

Die Autoren: Tom Hoppin und Tomas Lange sind Mitarbeiter von Agilent Technologies.

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Aktive Bauelemente

Nach der Validierung des Modells und des per Simulation generierten Systems folgt bei modellbasierten Verfahren die Umsetzung in eine geeignete Architektur. Dazu bie-ten die Matlab/Simulink-Design-Tools von Mathworks

einen passenden Designfluss zur Entwicklung und zum Einsatz geeigneter Algorithmen zur Motorsteuerung. Die Komplexität

Entwicklungsplattform für AntriebeModellbasierte Verfahren zur Entwicklung von Motorsteuerungen

Modellbasierte Verfahren ermöglichen den Vergleich der Controller mit den simulierten Motormodellen. Das vermeidet kostspielige Prototypen und erlaubt ihren Test auf betriebliche Grenzbedingungen. Derartige Verfahren haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie das Risiko vermindern, den realen Motor zu schädigen. Autoren: Dr. Giulio Corradi und Tom Hill

heutiger Drive-Systeme erfordert neben geeigneten Steueralgo-rithmen auch den Einsatz industrieller Netzwerke wie Ethercat, Profinet, Powerlink oder Sercos III. Alles das benötigt beträchtli-che Ressourcen an Prozessorleistung.

Extra-Layer für die Motorsteuerung, PLC-Layer, Diagnose-Lay-er, Bediener-Schnittstellen für Inbetriebnahme und Wartung oder

Bild 1: Entwicklungsplattform für elektrische Antriebe. Bild 2: Aufbau des Zynq-7000 All Programmable SoC.

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Aktive Bauelemente

Fernüberwachung sind weitere Anforde-rungen, die vermehrt auf Antriebe zukom-men. All diese Anforderungen bedingen logische und physische Unterteilungen mit Elementen, die gut zu den Prozessorsyste-men passen, während andere Elemente am besten in den Bereich der Hardware-ge-stützten Beschleunigung ausgelagert wer-den.

Deshalb ist es sehr wichtig, die passen-den Schnittstellen zwischen diesen Partiti-onen zu identi zieren, und zwar mit Ver-fahren, die die Konsistenz von Simulation und Realisierung aufrechterhalten. Mit der Modellierung des Systems werden so auch die betrieblichen Grenzbedingungen er-fasst und simuliert, bevor es an die Erstel-lung von Prototypen oder Vorserien geht. Im Idealfall ist dabei die Konsistenz bereits so gut, dass sie Verfeinerungen und Iterati-onen erlaubt, um das Modell im Hinblick auf die Ergebnisse in der Prototyp- oder Vorserienphase zu kalibrieren. Traditionel-le Verarbeitungssysteme bieten hier nicht die nötige Flexibilität zur einfachen Imple-mentierung einer Hardware-gestützten Au eilung.

Hardware-gestützte AufteilungEine geeignete Entwicklungsplattform soll-te alle diese Erfordernisse in einem robus-ten und skalierbaren System erfüllen. Die

Motormodelle simulierenDie Komplexität heutiger Drive-Systeme nimmt immer mehr zu. Mo-dellbasierte Verfahren ermöglichen den Vergleich der Controller mit den simulierten Motormodellen. Im Gegensatz zu traditionellen Verar-beitungssystemen erfüllen die Zinq-7000-Bausteine von Xilinx die hohen Anforderungen hinsichtlich Flexibilität zur einfachen Imple-mentierung einer Hardware-gestützten Aufteilung mit einem High-Performance-Verarbeitungssystem.


Auf einen Blick

Bild 3: Die wesentlichen Zeitvorgaben für elektrische Antriebe.

Zynq-7000-Bausteine von Xilinx erfüllen all diese Anforderungen mit einem High-Performance-Verarbeitungssystem und zwar hinsichtlich Vernetzung, Bewegungs-steuerung, So -PLC, Diagnose und Fern-wartung, sowie programmierbarer Logik, die als exakt zugeschnittene Accelerator- und O oad-Engine fungieren kann. Zynq-7000 arbeitet mit Dual Core ARM Cortex A9 mit Neon und Vektor Floating Point, sowie mit programmierbarer Logik mit massivem DSP-Anteil. Hoher Durch-satz mit AMBA-4 AXI Interconnect für schnellen Datentransfer mit über 3000 PS an direkte PL-Anschlüsse sorgen für eine enge Kopplung zwischen dem Verarbei-tungssystem und der programmierbaren Logik (Bild 2).

Bei der praktischen Implementierung erhebt sich aus der Systemperspektive die Frage, wo die Schnittstelle zwischen dem ausgelagerten Teil und dem Teil, der sich auf dem Prozessor be ndet, angeordnet werden sollte. Viele Steueralgorithmen ha-ben Systemzeiten und Systemvariablen, die sich über mehrere Größenordnungen er-strecken. Derart große Bereiche machen die Zuordnung der Partition zu einer gro-ßen Herausforderung: Wo platziert man die für das Timing kritischen Funktionen? Jeder Entwickler weiß, wie viele Kompro-misse und Iterationen notwendig sind, um



Aktive Bauelemente

ein Electric-Drive-System zum richtigen Arbeiten zu bringen. Entsprechend schwie-rig ist der Weg dorthin.

Ein gutes Beispiel für diese Situation ver-anschaulicht das in Bild 3 dargestellte typi-sche Antriebssystem. Normalerweise ist die Stromversorgung für 50 bis 60 Hz ausgelegt. Die Versorgungsspannung wird gleichge-richtet, um eine kontinuierliche DC-Versor-gung zu erhalten. Diese Gleichspannung wird in eine Spannung mit variabler Frequenz umge-wandelt, die eine Leistungsstufe aussteuert und die Motorklemmen versorgt. Auch werden die Grundvariablen des Motors hin-sichtlich Strom und Spannungen detektiert, die Position der Welle gelesen oder geschätzt sowie die Um-drehungszahl und die Steuerbefehle, die vom Datennetz oder von einem übergeordneten Controller kommen. Das liefert die beste Allokation der Partition, mit der Möglichkeit, von der Imple-mentierung zur Simulation zurückzugehen. Dies ist äußerst wich-tig zum Rekalibrieren der Implementierung und verlangt nach ei-ner gut geführten, möglichst automatisierten Umgebung.

Optimale Partition zwischen C und HDLXilinx und Mathworks kooperieren als Partner zur Verbesserung der Produktivität des modellbasierten Designflusses, um die Parti-tion zwischen dem verarbeitenden System und der programmier-baren Logik durch einen automatischen Workflow zu unterstützen (Bild 4).

Ein derartig automatisierter Ablauf erlaubt Software- und Steue-rungsentwicklern den gemeinsamen Entwurf von Szenarios für die Partitionierung. Dabei wird das Top-Modell in ein Software- und Hardware-Modell umgeändert. Mathworks Embedded Coder und HDL Coder sind die zugehörigen Engines zur Überführung des Modells in C- und HDL-Code. Dieser Workflow automatisiert die Generierung der Schnittstelle und den Aufbau des Systems. Die

Ergebnisse einer solchen Implementierung passen mit einem spezifischen Zynq-7000-Template-Design zur Xilinx-Embed-ded-System-Tool-Chain. Auf diese Weise automatisiert der Workflow über die Xi-linx-Tools auch die Build- und Download-Schritte.

Bild 5 zeigt den High-level-Workflow mit Hervorhebung der Design-, Imple-mentierungs- und Deployment-Phasen. Dieser Workflow hilft dem Entwicklerteam bei der Abbildung der Implementierung auf ein dem Produkt entsprechendes Pa-

ckage und erlaubt die nahtlose Integration der Simulationsumgebung, der Prototyp-Phase und der finalen Produktimplementation. Die ge-

samte Qualität und die Verfolgbarkeit der Designschritte werden dadurch erheb-lich verbessert. Der Designfluss ist voll integriert und erlaubt das direkte Map-ping von Modell und finaler Realisie-

rung – mit dem offenkundigen Vorteil der Wiederverwendbarkeit (re-usability) und

Beob- achtbarkeit (observability) (Bild 6).Zur Verbesserung des Lerneffekts lässt sich ein solcher

Modellfluss evaluieren, und zwar durch den Einsatz eines der Intelligent-Electric-Drive-Systeme von Xilinx als Referenz-Design. Dieses besteht aus dem Avnet-Zed-Board mit einem Zynq-7020 All Programmable SoC. Ein derartiger Baustein bietet 220 DSP48E1 Slices, 85 k Logikzellen, ein 800-MHz-Dual-Core-ARM-Cortex-A9-Prozessorsystem und einen FMC-Expansion-Slot.

Die Leistungs- und Datenverarbeitungsstufen werden mit einem Analog-Devices-AD-FMCMOTCON1-EBZ-FMC-Modul reali-siert. Eine optionale ADI-Dynamometer-Motorsteuerung kann als Testanordnung eingesetzt werden. Ein Baustein der Xilinx Vivado Design-Suite (System-Edition) mit ZC7020 fungiert als Deploy-ment Tool-Chain. Matlab, Simulink, HDL Coder, Embedded Co-der und eine Control-Systems-Toolbox stellen die modellbasierte Umgebung dar. Ein Zynq-Referenz-Design von Field Oriented Control mit dem Ubuntu Linux Framework vervollständigt diesen Aufbau. (ah) n

Bild 5: Modell-basierter Zynq Designfluss. Bild 6: Von der Simulation zum Prototyp zur Produktion

Bild 4: Automatisiertes Rapid Prototyping für Motorsteuerungen von Simulink.

Die Autoren: Dr. Giulio Corradi ist Senior System Architect ISM bei Xilinx.Tom Hill ist Senior Manager für DSP Solutions bei Xilinx.



Aktive BauelementeHighlights

Step Down PWM-ControllerEingangsspannungsbereich 2,97 bis 36 VDer kürzlich vorgestellte Abwärtswandler ISL8115 von Intersil (Vertrieb: SE Spezial-Electronic) ist ein synchroner Abwärts-PWM-Controller mit integriertem Gate-treiber für eine Ausgangsspannung bis 5,5 V und einen Ausgangsstrom bis 30 A. Zur Erzielung eines höheren Ausgangsstroms und zur Reduzierung der Welligkeit von Eingangs- und Ausgangsstrom können bis zu sechs Bausteine auf einfache Weise pa-rallel geschaltet werden. Der Controller verfügt über eine interne Spannungsrefe-renz von 0,6 V, die mit einer Toleranz von nur ±1 % eine besonders präzise Regelung der Ausgangsspannung im gesamten Tem-

peraturbereich von -40 bis +125 °C ermög-licht. Die einstellbare Taktfrequenz (150 kHz bis 1,5 MHz) ermöglicht eine Anpas-sung an bestimmte EMV-Anforderungen. Eine ausgereifte Voltage-Mode-Technolo-gie und eine schnelle nichtlineare Regelung sorgen für ein sehr gutes Verhalten bei Transienten am Eingang und bei Last-sprüngen am Ausgang. Mit seinem weiten Eingangsspannungsbereich von 2,97 bis 36 V eignet sich der Controller für viele POL-Anwendungen in den Bereichen Industrie und Kommunikation. Sehr nützlich für diese Einsatzfälle dürfte auch die reichliche Ausstattung mit Schutzfunktionen sein:

OVP, UVP, OCP (Ausgang), UVLO (Ein-gang) und OTP (Temperatur). Der Bau-stein wird in einem 24-poligen QFN-Ge-häuse mit Abmessungen von 4 mm x 4 mm geliefert. Zwei Evaluationboards stehen für Erprobungen zur Verfügung: ISL8115E-VAL1Z (Ausgang 1,5 V/30 A, Eingang 12 V) und ISL8115EVAL2Z (Ausgang 5 V/20 A, Eingang 28 V). (jj) n


Der Abwärtswandler ISL8115 liefert Ausgangs-ströme bis 30 A.

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EntwicklungsumgebungenMit Embedded-Linux-Support Mit Architech bietet Silica lösungsorien-tierte Entwicklungsumgebungen beste-hend aus verschiedenen Boards, die in Zu-sammenarbeit mit großen CPU-Herstel-lern entwickelt wurden, sowie Board Sup-port Packages (BSPs), Softwaretreiber und Trainings. Architech hat sich in den letzten zwölf Monaten erheblich weiterentwickelt. Inzwischen gibt es verschiedene neue De-velopment-Boards sowie unternehmens-eigene Embedded-Linux-Distribution, die auf dem Yocto-Projekt basierend, entwi-ckelt wurde.

Zwei Boards sind neu im Programm. Dazu gehört zum einen das Entwicklungs-

board mit der Bezeichnung Hachiko für die Renesas-RZ/A-MCU-Serie. Dieses ba-siert auf dem ARM-Cortex-A9-Core. Es bietet ein kostengünstiges optimiertes De-sign für Anwendungen wie Türsprechanla-gen, Verkaufsautomaten, Barcode-Scanner, Überwachung und mehr.

Das High-end-Entwicklungs- und Refe-renzboard, mt der Bezeichnung Tibidabo ist mit dem Freescale-i.MX-6Quad ausge-rüstet und läuft auf Linux. Besonders für Digital-Signage- und Gaming-Applikatio-nen ist dieses Board geeignet, da es über eine leistungsstarke GPU- und zwei LVDS-Schnittstellen verfügt. Alle unter dem Ar-

Die neuesten Architech-Hardware-Lösungen mit Embedded-Linux-Support.

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Embedded-SchrittmotortreiberstufeVorkonfiguriert für 1,1-A-StandardmotorenDie Schrittmotortreiberstufe TMCM-1043 von Trinamic zur separaten Montage oder zur Befestigung an NEMA17-Schrittmoto-ren ist vorprogrammiert und vorkonfigu-riert mit allen Betriebsparametern für 1,1-A-Standardmotoren. Ein optional er-hältliches Programmierkit eröffnet die Funktionalität einer voll anpassbaren Trei-berstufe, die auf vielfältige Applikationen und mechatronische Anforderungen adap-

chitech-Brand vorgestellten Boards wur-den als Referenzdesigns für Industriean-wendungen entwickelt. Angeboten werden Schaltpläne und Gerberdaten sowie zusätz-lich noch ein einheitliches Software-Deve-lopment-Kit (SDK) über die gesamte Board-Palette hinweg. (ah) n


tiert werden kann. Um ein ideales Parame-terset zu finden, welches auf die gewünsch-te Applikation abgestimmt ist, wird ein Desktop-Entwicklungskit angeboten. Für eine folgende Serienproduktion wird ein Volumen-Programmiergerät angeboten, das auf die schnelle Programmierung von Serienstückzahlen ausgelegt ist. Die An-steuerung wird vom TMC2660 übernom-men. Durch dessen geringe Einschaltwi-

Die Treiberstufe TMCM-1043 zur separaten Montage oder zur Befesti-gung an NEMA17-Schrittmotoren.

derstände reduziert sich die Verlustleis-tung auf ein Minimum. (ah) n


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Aktive Bauelemente

Besonderes Augenmerk wurde bei der Entwicklung dieses WLAN-Moduls auf die Leistungsaufnahme gelegt. Ver-schiedene Power-Safe-Modi stehen dynamisch zur Verfü-gung und erlauben eine Reduktion der Stromaufnahme

von 3 bis 30 mA, wenn keine WiFi-Verbindung benötigt wird. Wird die WiFi-Verbindung ohne Datenübertragung gehalten, be-trägt die Stromaufnahme 67 mA. Bei der Datenübertragung ent-steht dann ein maximaler Verbrauch von 400 mA, bei einer Span-nungsversorgung von 3,3 V.

Ebenso wie die früheren Module WIZ610 und WIZ630 lässt sich auch dieses Modul über einen Webserver kon gurieren. Zusätzlich dazu kann auch, wie bei der WizFi2xx-Serie, über serielle AT-Kommandos kon guriert werden.

WLAN auf Chip-EbeneOhne Vernetzung geht nichts

Embedded-WLAN ist auf Systemebene sicherlich nichts Besonderes, auf Chip-Ebene hingegen schon. Ohne Vernetzung geht nichts mehr. Dem Umstand nach mehr Performance und geringeren Kosten Rechnung tragend, hat der koreanische TCP/IP-Stack-Spezialist Wiznet ein WLAN-Modul auf den Markt gebracht, das auf einem Standard-Chipsatz von Broadcom basiert, wie er auch in Smartphones zum Einsatz kommt. Autor: Klaus Vogel

Vorteile des WLAN-ModulsDer koreanische Hersteller Wiznet verwendet bei seinem neuen WLAN-Modul einen Standard-Chipsatz von Broadcom . Die Verwen-dung dieses Chipsatzes bringt mehrere Vorteile. Zum einen ist da-durch die Kompatibilität auch zu zukünftigen Geräten gegeben, es steht eine große Anzahl von Access Points zur Verfügung und auch im Feldeinsatz besteht Langzeitkompatibilität. Hohe Stabilität und Zuver-lässigkeit der WiFi-Funktionalität stellt das R&D-Center von Broad-com durch die regelmäßigen Updates sicher.


Auf einen Blick

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Aktive Bauelemente

Tabelle: Im Vergleich zueinander werden die unterschiedlichen Module und ihre technischen Grundeigenschaften dargestellt. Die wesentlichen Unterschiede werden in Blau hervorgehoben. Dazu gehören die geringen Abmessun-gen, die Low-Power-Modi, eine Host-MCU mit Reserven für die jeweilige Applikation und die Möglichkeit einer Firmware-Anpassung.

WizFi 210/220 WizFi250

WiFi

Mode Station (Client), Limited AP, ad hoc Station (Client), SoftAP (L2 Switching)

802.11 b b/g/n

WiFi Max Rate 11M 65M

MCUMemory

Flash 256 + α KByte SRAM 64 KByte (neeeds external serial flash)

Flash 1 MByte SRAM 128 KByte Serial: 1 MByte

Core ARM7 ARM CM3 (clock: 120 MHz)

Dimension 32 x 23,3 x 2,9 (mm) 17 x 20 x 1,9 (mm) (u. FL Antenna) 28 x 20 x 1,9 (mm) (PCB Antenna)

Interface UART, SPI UART, SPI

Package SMD Type SMD Type

Power Consumption

Standby = 35,0 µA Receive = 125,0 mA Transmit = 135,0~250,0 mA (Can be operated by a Battery)

Receive = 120,0 mA Transmit = 219,0~283,0 mA

UART-to-WiFi ~921.600 bps ~ 2 Mbps

Configuration Serial (AT Command), Web Serial (AT Command), Web

Antenna u.FL, Chip Antenna, External u.FL, PCB Antenna

Output Power 8 dBm (WizFi210) 17 dBm (WizFi220)

802.11b: -10 dBM 802.11g: - 5 dBm (6 Mbps) : -25 dBm (54 Mbps) 802.11n: - 5 dBm (MCSO) : - 28 dBm (MCS7)

Low Power Standby/Sleep mode, Wake by time or signal Wi-Fi Power saving, MCU PowerSave

Booting Time under 500 ms under 500 ms

Temperature -40 ~ 85 (°C) -25 ~ 85 (°C)

Das Modul basiert auf einem 32-Bit-ARM-Cortex-M3-Control-ler, mit 120 MHz und 1 MByte Flash- und 128 KBit SRAM-Spei-cher. Dadurch hat der Anwender genügend Controllerperfor-mance und Flashspeicher, um auf einen eigenen Controller für die Applikation verzichten zu können, da er auf freie Ressourcen des ARM-Prozessors zurückgreifen kann, die auf dem ARM mitlaufen können. Falls es erforderlich ist, Funktionen hinzuzufügen, lässt sich unter bestimmten Bedingungen die Firmware ändern.

Zusätzlich zu den Firmware-Updatemöglichkeiten wird ein OTA (over the air)-Support angeboten. Von besonderer Bedeu-tung kann dies beim Feldeinsatz sein, wenn das Modul in einem System verbaut ist, welches nur schwer oder überhaupt nicht zu-gänglich ist und das Seviceteam somit keine Möglichkeit hat, einen Laptop anzuschließen. In einem größeren Netz können Servicear-beiten von einem einzigen Platz aus vorgenommen werden. Es ist nicht nötig, von System zu System zu gehen.

Als Schnittstellen stehen hardwareseitig UART, mit einer mögli-chen Datenrate bis zu 2 Mbit/s und SPI mit einer Datenrate von 3 Mbit/s zur Verfügung. Im Soft-AP arbeitet das Modul als Access Point und kann bis zu fünf Clients verwalten. WiFi Direct bietet eine Fast-&-Easy-Verbindung ohne Access Point, der momentan noch implementiert wird und in Kürze zur Verfügung stehen wird.

Anders als bei den Vorgängern der WizFi2xx-Familie wurden bei diesem Modul auf eine Chip-Antennenversion verzichtet. Zur Verfügung stehen eine PCB-Antenne und eine Version mit FL-Steckverbindung. Die WizFi250_Con-Version ist mit 17 x 20 mm2 kleiner als die Antenne WizFi250_PA mit 28 x 20 mm2. Außerdem bietet sie höhere Empfindlichkeit und höhere Ausgangsleistung.

Die Tabelle stellt die Module und ihre Grundeigenschaften im Vergleich dar. Hervorzuheben sind die geringen Abmessungen, die Low-Power-Modi, eine Host-MCU mit Reserven für die jeweilige Applikation und die Möglichkeit einer Firmware-Anpassung.

Zur Verfügung steht zudem ein kostengünstiges Evaluierungs-board, das dem Software-Entwickler als temporäre Zielplattform dienen kann, um zeitgleich mit den Hardware-Kollegen, die an der Gesamthardware arbeiten, schon die eigene Applikation mit in den Cortex packen und austesten zu können.

Embedded ist in diesem Fall also besser so zu verstehen, dass der bereits vorhandene Controller zum wesentlichen Bestandteil des Embedded-Gesamtkonzepts wird. (ah) n

Das WLAN-Modul WizFi250 basiert auf einem Standard-Chipsatz von Broadcom wie er auch in Smartphones zum Einsatz kommt. Bild 2:

Besonderes Augenmerk wurde bei der Entwicklung des WLAN-Moduls auf die Leistungsaufnahme gelegt.

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Der Autor: Klaus Vogel ist Systems Application & Product Manager Semiconductor Division bei Acal BFi Germany in Gröbenzell.

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Aktive Bauelemente

Bei den meisten Schnittstellen, bei denen digitale Informa-tionen über Kabel übertragen werden, wird die differen-zielle Signalübertragung angewandt. Zwar werden für diese Technik zwei Signalleitungen benötigt, doch bieten

differenzielle Signale gegenüber massebezogenen Signalen den Vorteil einer deutlich höheren Störimmunität. Bei dieser Technik wird die Tatsache ausgenutzt, dass Störbeeinflussungen auf beide Adern identisch einwirken. Bild 1 zeigt hierzu ein Beispiel, bei dem ein differenzielles Signal über zwei verdrillte Signalleitungen (Twisted-Pair-Kabel) übertragen wird. Elektrische Störbeeinflus-sungen aus der Umgebung wirken in gleicher Weise auf beide Lei-tungen ein. Folglich liegen an A und an B die beiden folgenden Signale an:

Gleichtaktstörungen unterdrückenBewährte Methoden für die differenzielle Signalübertragung

Die differenzielle Signalübertragung wird im Zusammenhang mit Ethernet, RS-485, CAN, USB und so weiter angewandt, um die Immunität gegenüber Störbeeinflussungen zu verbessern. Im Idealfall werden bei dieser Übertragungstechnik sämtliche Gleichtaktstörungen unterdrückt. Damit allerdings in der Praxis eine verlässliche Datenübertragung sichergestellt ist, muss eine Vielzahl von Designtechniken und Bauelemente-Parametern berücksichtigt werden. Autor: Clark Kinnaird

VA = + ½ VSIGNAL + VNOISE

VB = – ½ VSIGNAL + VNOISE

Die Differenz beider Spannungssignale beträgt somit:VA – VB = VSIGNAL

In verbreitet eingesetzten Übertragungsstandards wie USB, Ethernet, RS-485 oder CAN werden die differenzielle Signalüber-tragung und symmetrische Twisted-Pair-Übertragungsmedien verwendet, um eine verlässliche und schnelle Kommunikation zu ermöglichen.

Für die Praxis sollten Designer jedoch daran denken, dass kein reales System die Eigenschaften des theoretischen Modells er-reicht. Es gibt vielmehr eine ganze Reihe wichtiger Fehler- und Störquellen, die es zu beachten gilt.

Bild 1: Schema einer typischen differenziellen Signalkette mit einem vereinfachten Modell für die Einkopplung elektrischer Störungen.Bi

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Aktive Bauelemente

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Die Symmetrie der Signalleitungen ist entscheidend für die Stör-immunität der differenziellen Signalübertragung. Bei Twisted-Pair-Kabeln ist die zulässige Asymmetrie angegeben. So ist für Cat-6A-Kabel bei niedrigen Frequenzen ein transversales Unsym-metriedämpfungsmaß von 40 dB spezifiziert. Das heißt, dass eine gleichermaßen auf beide Signalleitungen wirkende (Gleichtakt-)Transiente von 1 V ein differenzielles Signal von nur 1 mV erzeu-gen darf. Bei Kabeln niedrigerer Kategorien wird ein größerer Teil des Gleichtaktsignals in ein differenzielles Signal umgewandelt.

Asymmetrien im differenziellen Signalweg können unter ande-rem durch Bauelemente hervorgerufen werden, die zum Schutz vor Transienten eingefügt werden. Zum Beispiel wird gelegentlich die Verwendung von TVS-Bausteinen (Transient Voltage Suppres-

Bild 2: Wenn ein Störsignal in gleicher Weise auf die Signalleitungen A (lila) und B (blau) wirkt, kommt es im Differenzsignal (schwarz = A – B) nicht mehr vor.

Bild 3: Werden Störungen durch unterschiedliche Kopplung oder Impedanz-Ungleich-heiten verschieden stark empfangen, bleibt ein Teil der Stör-größe im differenziell empfangenen Signal erhalten.

Bild 4: Wenn identisch eingekoppelte Störbeeinflussungen den Empfänger wegen unterschiedlich langer Übertragungsleitun-gen mit einem gewissen zeitlichen Versatz erreichen, wirken sie sich auf das differenziell empfangene Signal aus.



Aktive Bauelemente

sor) zum Schutz vor Schäden durch elektrostatische Entladungen, Stoßspannungen und elektrische Störgrößen empfohlen. Designer sollten die Übereinstimmung derartiger Bauelemente überprüfen, um zu gewährleisten, dass beide di erenziellen Leitungen in glei-cher Weise beein usst werden.

Ungleichheiten zwischen den di erenziellen Leitungen können außerdem durch Leiterbahnen und Steckverbinder verursacht werden. In beiden Fällen können die Impedanz und die Asymme-trie von der jeweiligen Frequenz abhängen. Designer sollten des-halb die Frequenzkomponenten der vorgesehenen Signalübertra-gung ebenso beachten wie das Au ommen an elektrischen Stö-rungen in der Umgebung.

Die Länge der ÜbertragungsleitungUngleich lange Signalleitungen sind eine weitere Ursache für die Umwandlung di erenzieller Störungen in Gleichtakt-Störungen. Wenn Störungen gleichartig auf zwei perfekt symmetrische Lei-tungen einwirken, aber mit einer geringfügigen Zeitdi erenz am Empfänger eintre en, äußert sich dies als eine von Null verschie-dene di erenzielle Störung. Mit zunehmender Frequenzbandbreite wirkt sich dies in immer stärkerem Maß aus.

VA = + ½ VSIGNAL + VNOISE = + ½ VSIGNAL + A sin [ωt]VB = – ½ VSIGNAL + VNOISE' = – ½ VSIGNAL + A sin [ω(t+Δt)]VA – VB = VSIGNAL + A sin [ωt] – sin [ω(t+Δt)] Wenn Δt bei der jeweiligen Frequenz des Störsignals einer Pha-

senverschiebung von 180° entspricht, entsteht die ungünstigste Si-tuation, dass das resultierende di erenzielle Störsignal die doppel-te Amplitude der ursprünglichen Gleichtaktstörung aufweist. Doch auch kleine Phasenverschiebungen können bereits dazu füh-ren, dass ein beträchtlicher Teil der Gleichtakt-Störungen zu di e-renziellen Störungen wird.

Hierzu nun ein konkretes Beispiel: Der di erenzielle Empfänger für ein USB-2.0-Gerät soll für den Empfang einer Datenrate von 480 Mbit/s eine Bandbreite von mindestens 1 GHz besitzen. Wird ein Störsignal von 1 GHz in die di erenziellen Signalleitungen ein-gekoppelt, sorgt eine Längendi erenz von 3 mm für einen zeitli-chen Versatz von rund 15 ps, was einer Phasendi erenz zwischen beiden Leitungen von etwa 0,1 rad entspricht. Dies kann zur Folge haben, das zehn Prozent der eingestreuten 1-GHz-Störung als dif-

ferenzielle Spannung anliegen und einen unerwünschten Zu-standswechsel am Empfänger bewirken. Bei Übertragungs-Stan-dards, die mit niedrigeren Frequenzen arbeiten, ist die Empfänger-bandbreite – und damit auch die Emp ndlichkeit gegenüber Län-gendi erenzen bei langen Leitungen – entsprechend geringer.

Reduzierte Störimmunität Werden die Busleitungen aktiv auf einen gültigen logischen Zu-stand getrieben, ist der Ausgangspegel des Treibers wesentlich grö-ßer als die Schwellenwerte des Empfängers. Dieser große Abstand gewährleistet, dass der gesendete Zustand korrekt empfangen wird, selbst wenn das Signal durch elektrische Verluste gedämp oder ein gewisses Maß an elektrischen Störungen verfälscht wird.

Wenn kein Treiber aktiv sendet, sind die Busleitungen wesent-lich anfälliger gegenüber Verfälschungen durch eingestreute di e-renzielle Störungen. Die gleiche Anfälligkeit besteht beim Wechsel von einem gültigen Zustand in den anderen, da das di erenzielle Signal hier in die Nähe der Ansprechschwellen des Empfängers kommt. Bereits di erenzielle Störungen von relativ geringer Amp-litude können kurzzeitig unerwünschte Übergänge des Empfän-gers von einem Ausgangszustand in den anderen hervorrufen. Während dieser kritischen Phasen lässt sich durch die Hysterese des Empfängers ein gewisses Maß an Störimmunität herbeiführen.

Ist die Ansprechschwelle mit einer Hysterese beha et, verringert sich die Emp ndlichkeit di erenzieller Empfänger gegenüber elek-trischen Störgrößen auf den Signalleitungen. Der Abstand zwi-schen den Ansprechschwellen muss allerdings so eingestellt wer-den, dass die Gesamtemp ndlichkeit des Empfängers den Anfor-derungen des betre enden Standards genügt. Deshalb ist die Emp-fänger-Hysterese ein Indiz für die Immunität eines Transceivers oder PHY gegenüber di erenziellen Störungen. Designer sollten die Empfänger-Hysterese berücksichtigen, wenn sie es mit Umge-bungen mit hohem Störau ommen zu tun haben. (ah)

Maßnahmen für eine zuverlässige KommunikationSystemdesigner sollten mehrere Ursachen für potenzielle Probleme in ihren differenziellen Netzwerken ins Kalkül ziehen. Neben den Kabeln gehören dazu Steckverbinder, Schutzbausteine und die Transceiver selbst. Die Impedanz-Toleranzen der einzelnen Komponenten entlang eines differenziellen Signalwegs sollten ein gewisses Gesamt-Asym-metriebudget nicht überschreiten. Außerdem sollten die Längen der Leitungen, auf denen die differenziellen Signale übertragen werden, bis auf einen Bruchteil der kürzesten vorkommenden Wellenlänge identisch sein. Das Leiterplatten-Layout und die Anordnung der Steckverbinder-Pins sind insbesondere bei Netzwerken mit hohen Si-gnalfrequenzen wichtig. In Anwendungen mit hohem Störaufkommen sollten außerdem differenzielle Empfänger mit mehr Hysterese ge-wählt werden. Mit diesen Maßnahmen lässt sich eine zuverlässige Kommunikation auch in Anwendungen mit starken Störbeeinfl ussun-gen realisieren.


Auf einen Blick

Der Autor: Clark Kinnaird ist als Systems Engineer bei Texas Instruments tätig.

Bild 5: Hysterese sorgt im Empfänger für eine höhere Störimmunität.



Aktive BauelementeHighlight

Single-Chip-Bridge-ControllerFür Anwendungen mit USB-Anbindung

Bei dem hochleistungsfähigen Bridge-Controller CP2130 von Silicon Labs han-delt es sich um eine fertige Lösung zur Überbrückung eines USB-Host (Universal Serial Bus) und SPI-Bus (Serial Peripheral Interface) mit Treiber-Unterstützung für die Betriebssysteme Windows, OS X und Linux. Der USB-zu-SPI-Bridge-Controller bietet einen hohen Datendurchsatz, eine hohe Mixed-Signal-Integration, ist konfi-gurierbar und wird im platzsparenden 4 mm x 4 mm Gehäuse ausgeliefert. Der Baustein eignet sich für neue Designs oder zum Aufrüsten bestehender Systeme, um USB in verschiedene Embedded-Anwen-dungen wie Dongles, Tablets, Handheld-Controller und Testgeräte, Blutzucker-messgeräte, Docking-Stationen, Point-of-Sale-Einrichtungen, Datenerfassungsmo-dule und Kartenleser zu integrieren.

Mit der Verbreitung von USB im Em-bedded-Markt suchen Entwickler nach kostengünstigen Lösungen, mit denen sich die Markteinführung neuer Geräte be-schleunigen lässt. Silicon Labs entwickelte dafür die Bridge-ICs der CP21xx-Reihe. Der CP2130 fügt USB zu Anwendungen hinzu, ohne dass USB-Software, Firmware oder Know-how auf Hardwareebene erfor-derlich ist, wie es bei anderen, komplexe-ren Lösungen der Fall ist. Der Baustein rundet das Angebot von Silicon Labs an CP21xx-Smart-Interface-Lösungen ab und fügt SPI zu den bestehenden USB-zu-

UART-, I2C/SMBus- und I2S-Schnittstel-lenlösungen hinzu.

Mit den Funktionen und der Peripherie, die dieser Baustein bietet erübrigen sich externe Bauteile, was zum einen die Kosten für die Stückliste und auch die Größe der Leiterplatte verringert. Der Chip enthält einen USB-2.0-Full-Speed-Controller und Transceiver; ein SPI für die Kommunikati-on mit verschiedenen SPI Slaves bis hinab auf 1,8 V. Weiterhin bietet er 348 Byte pro-grammierbaren Speicher, quarzlosen USB-Betrieb und einen 5-V-Regler mit 100 mA Nennstrom.

Hohe Designflexibilität ist garantiert, da der konfigurierbare SPI-Controller des Bridge-Controllers mit bis zu elf SPI Slaves kommunizieren kann, und das über jeden seiner elf GPIO-Pins, die als Chip-Selects oder für andere Funktionen konfiguriert werden können, mit denen sich externe Schaltkreise und Bauelemente erübrigen. Weiterhin verfügt er über bis zu 6,6 Mbit/s Lesedurchsatz und 5,8 Mbit/s Schreib-durchsatz.

Der Bridge-Controller wurde im Hin-blick auf eine einfache Anwendung entwi-ckelt. Er stellt eine hochintegrierte Schnitt-stellenlösung dar, die Entwicklern alles bietet, um USB hinzuzufügen und dabei Kosten, Komplexität und Markteinfüh-rungsdauer zu verringern. (ah) n

Der Single-Chip-CP2130-Bridge-Controller verringert Kosten, Komplexität und Entwicklungsdauer für Anwendungen mit USB-Anbindung.

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Human Machine Interface: Kommunizieren leicht gemacht.

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Aktive Bauelemente

HMI-Modell unterstützt OPC-UAOffen für alle Steuerungen und zur Überwachung

Mit dem webbasierten HMI-Groov-Modell der Version 2.0 lassen sich Bedienoberflächen für Überwachungs- und Steuerungsanwendungen, die sofort auf PCs und mobilen Endgeräten laufen, einfach erstellen. Ein aktueller Webbrowser und Groov reichen dafür aus. Autor: Ronald Riegel

Das Groov-System von Opto 22 (Vertrieb: Hy-Line Sys-tems) basiert komplett auf Internet-Technologien wie HTML5, CSS3, SVG (Scalable Vector Graphics) und kommt ohne Plug-Ins aus. Flash, Silverlight oder ähnli-

ches wird nicht benötigt. Die mit Groov erstellten Anwendungen lassen sich mit jedem Betriebssystem und aktuellen Webbrowser ausführen. Die Endgeräte können unter Windows, Mac OS, Linux, Android oder iOS laufen.

Somit sind für das Erstellen und Verwalten der Prozessvisuali-sierung und der Bedienoberfläche keine betriebssystemspezifi-schen Kenntnisse erforderlich. Der Entwickler muss sich nicht mit My-SQL, PHP und Apache befassen und kann sich stattdessen sich voll auf die jeweilige HMI-Aufgabe konzentrieren.

Alle Endgeräte, alle Steuerungen, alle DisplaygrößenMit Groov lassen sich Anwendungen auf Endgeräte wie PC, Mac, Smartphone und Tablet verteilen. Das Skalieren der Bedienele-mente wird automatisch an die Displaygröße angepasst.

Mit Groov-2.0 ist die Kommunikation zu den bekannten indus-triellen Steuerungssystemen möglich. Dazu zählen Siemens Sima-tic, Schneider Electric Modicon und GE Pac-Systems. Der Daten-austausch läuft hier via OPC-UA-Standardprotokoll; die Daten sind unternehmens- und weltweit verfügbar.

Software- oder HardwarelösungDas Unternehmen Opto 22 entwickelte den softwarebasierten Groov-Server, den man einfach auf einen bereits vorhandenen Ser-ver installiert. Dieser kann ein Windows 7/8-Rechner sein, sodass

keine zusätzliche Hardware im Firmennetzwerk notwendig ist. Der Groov-Server erstellt Prozessabbilder und verteilt die Daten auf allen Endgeräten mit aktuellen Webbrowsern. Außer dem rein softwarebasierten Server steht die Groov-Box zur Verfügung. Bei ihr handelt es sich um einen Industrie-PC, der über zwei 1-Gbps-

Ein große Auswahl von Visualisierungselementen: Gadgets für Rundinstru-mente, Tasten, Beschriftungen, Live-Video und Trendanzeigen.

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Aktive Bauelemente

Kompakt und robust: Die Groov-Box ist für die Nutzung als Groov-Server verbessert.

Anschlüsse, einen USB- und einen 802.11b/g/n-WLAN-Anschluss verfügt. Die Groov-Box ist komplett vorinstalliert und übernimmt die Aufgabe des Servers im Netzwerk.

Webbrowser als EntwicklungsumgebungDie Visualisierungsober ächen von den Überwachungs- und Steuerungsanwendungen lassen sich mit jedem aktuellen Web- browser erstellen. Der Entwickler hat dabei eine vielfältige Aus-wahl an Gadgets, passend für jede Anwendung.

Zur Verfügung stehen ihm Trendanzeigen, Rundinstrumente, Tasten, Schalter, Webcam-Anbindung und viele andere. Mit dem Browser-Tab lässt sich zwischen der Desktop- und der Handheld-Ansicht umschalten. Während die Handheld-Ansicht auf mobile Endgeräte beispielsweise Smartphones und Tablets zugeschnitten ist, dient die Desktop-Ansicht zur Darstellung auf PCs und auf Smart-TVs. Die hohe Flexibilität des Designs von Anwendungen zeigt sich beispielsweise daran, dass sich die HMI-Elemente in der Handheld-Ansicht völlig anders als in der Desktop-Ansicht plat-

Flexible Systemarchitektur: Das Groov-2.0 arbeitet mit allen gängigen Steuerungssystemen zusammen.

Der Autor: Ronald Riegel ist Geschäftsführer der Hy-Line-Systems in Unterhaching.

Von A bis Z überwachtZum Erstellen von Bedienoberfl ächen, die auf tragbaren Geräten lau-fen, eignen sich Modelle wie das Groov 2.0 in Verbindung mit einem Webbrowser, der als Entwicklungsumgebung dient. Die einfache Sys-temarchitektur ist durch eine Einbettung in das Unternehmensnetz-werk umgesetzt.


Auf einen Blick

zieren lassen. Ohne den manuellen Eingri von dem Anwender übernimmt und skaliert die Handheld-Ansicht automtisch die An-ordnung der HMI-Elemente auf der Desktop-Ansicht.

Einfache SystemarchitekturDer Groov-Server als Hard-oder So waremodell agiert eingebun-den in das Informationstechnolgie-Netzwerk des Unternehmens. Allerdings ist aus Sicherheitsgründen die Kommunikation zwi-schen den Endgeräten und dem Groov-Server mittels eines Secure Sockets Layer (SSL) verschlüsselt. Eine noch höhere Sicherheits-stufe ermöglicht ein VPN-Tunnel (Virtual Private Network).

Für das Aufsetzen des Groov-Servers benötigt der Anwender keinerlei Spezialkenntnisse. Nach der Verbindung mit dem Unter-nehmensnetzwerk erkennt die Groov-Entwicklungsumgebung alle Device-Tags der angeschlossenen SPS-Systeme. Der Entwickler kann darau in sofort mit der Umsetzung der HMI-Anwendung beginnen. Der Zugri auf Datenpunkte von verschiedenen SPS-Herstellern im Netzwerk ist somit spielend möglich. (rao)

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Smartool NFC vereinfacht die EntwicklungenArrow Referenzdesign-Kit für die NahfeldkommunikationArrow Electronics hat mit Smartool NFC ein Referenzdesign-Board vorgestellt, das Kunden bei der Entwicklung von Hard- und Software mit NFC-Technologie (Near Field Communication) für Anwendungen wie Zugangskontrollen, Zahlungssysteme oder den kontaktlosen Datenaustausch un-terstützt. Das Board wurde vom europäi-schen Engineering Team von Arrow und NXP Semiconductors entwickelt. Die Ent-wicklung des Smartool NFC von Arrow und NXP ist der erste Schritt in der Zusam-menarbeit beider Unternehmen, um den Einsatz von NFC auf andere Bereiche aus-

zudehnen, in denen sich berührungslose Identifikationssysteme als nützlich erwei-sen können. Das Smartool-NFC-Main-board umfasst einen NXP PN532 Transcei-ver für kontaktlose Kommunikation, einen NXP LPC11U37 Mikrocontroller mit Un-terstützung für Full Speed USB 2.0, einen DC/DC-Abwärtswandler, einen Ultra-Low-Jitter-Taktgenerator und ein LCD. Der Mikrocontroller basiert auf einem 50 MHz ARM Cortex-M0-Core und bietet 128 KByte Flashspeicher sowie 12 KByte Arbeitsspeicher.

Das Referenz-Design wird mit entspre-chender Anwendungssoftware bereitge-stellt. Es demonstriert die Implementie-rung von NFC-Technologie in verschiede-nen Nutzungsszenarien wie Zugangskont-rollen und Micropayment-Anwendungen. Beim Einsatz für Zugangskontrollen inter-agiert das System mit Mobiltelefonen oder einem NFC-Tag und erkennt die Präsenz eines aktivierten Geräts. Bei Micropay-ment-Anwendungen simuliert das System einen Verkaufsautomaten und ermöglicht das Aufladen von Guthaben sowie die Aus-

gabe von Produkten. Die Software ist kom-patibel mit Geräten, die mit NXP Mifare-Smartcard-ICs arbeiten, inklusive Classic, Ultralight und DESFire.

Zusätzlich steht eine Anwendung für die Antennenkalibrierung zur Verfügung. Die-se Anwendung bietet eine Alternative für die Messung von Parametern in Umgebun-gen, in denen die Nutzer in ihren Entwick-lungslabors über keine spezifischen Analy-segeräte verfügen. Bei dieser Methode sen-det ein Frequenzgenerator eine Reihe von Signalen im gewünschten Resonanzfre-quenzbereich an die Antenne. Gleichzeitig generiert der Mikrocontroller ein zur Aus-gabefrequenz proportionales, analoges Sig-nal. Durch Anschluss von zwei Bereichs-sensoren, jeweils an die vom Mikrocont-roller generierte Rampe und die Antenne, und nach Einstellung des Bereichs auf den XY-Modus kann der Nutzer das Resonanz-frequenzprofil ablesen. Diese Information kann dann unterstützend für das Tuning verwendet werden. (jj) n

Das von Arrow und NXP gemeinsam entwickelte Smartool NFC Referenzdesign-Board.

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Gleichmäßige Helligkeit bei allen LichtverhältnissenRGB-Sensor mit integriertem IR-FilterIntersil kündigt mit dem digitalen Licht-sensor ISL29125 einen genauen, stromspa-renden und kleinen sechspoligen RGB-Sensor (Rot, Grün, Blau) an, der die Dis-play-Auflösung und Farbqualität von Mo-bil- und TV-Geräten bei allen Lichtverhältnissen optimiert. Mit seinem integrierten IR-Filter und dem Winkelver-halten von mindestens ±35 % Sichtfeld bei 50 % Lichtintensität beseitigt der ISL29125 Displayschwankungen, unabhängig davon, ob man sich nun in einem Raum mit Glüh-lampen- oder LED-Beleuchtung befindet oder im Freien unter Sonnenlicht. Der Sensor arbeitet direkt mit dem Core-Pro-zessor eines Geräts zusammen und passt den Lux-Bereich kontinuierlich an. Dabei wird sichergestellt, dass das Display eine als durchgehend empfundene Farbe beibehält und zur jeweiligen Umgebungsbeleuch-tung die ideale Helligkeit aufweist. In ei-

nem TV-Gerät arbeitet der Baustein ähn-lich und regelt die Helligkeit sowie die Farbtreue des Displays, sobald sich die Lichtverhältnisse im Raum ändern. Vor al-lem bei OLED-TVs kann der Sensor das Alterungsprofils des blauen organischen Materials anpassen, um gleichbleibenden Kontrast während der Display-Lebensdau-er zu garantieren.

Der ISL29125 ist ein stromsparender RGB-Sensor mit Standard-I2C-Schnittstel-

le und einem Betriebsspannungsbereich von 2,25 bis 3,63 V. Er bietet einen weiten Dynamikbereich von 5,7 m bis 10 k Lux, was die Anpassung der Display-Helligkeit in schwach bis hell beleuchteten Umgebun-gen erlaubt, einen unnötigen Energiever-brauch verhindert und die Batterielebens-dauer verlängert. Mit der Auswahlfunktion für den Lux-Bereich können Entwickler je nach Gerät ein optimales Counts/Lux-Ver-hältnis einstellen. Im Power-Down-Modus verbraucht der Sensor weniger als 0,5 µA Strom; im Aktivmodus benötigt er in etwa 85 µA. (jj) n


Der Sensor kommuniziert direkt mit einem Core-Prozessor eines Geräts und passt die Display-Helligkeit je nach Umgebungsbeleuch-tung automatisch an.

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Stromes, den der GP22 benötigt. Der inte-grierte hochgradig stromoptimierte 32-Bit-µP (77 µA/MHz) stellt den nächsten ent-scheidenden Schritt in Richtung Ultra-Low Current des Gesamtsystems dar.

Bei einer für Ultraschall-Wasserzähler typischen Messrate von 8 Hz, benötigt der gesamte GP30 inklusive sämtlicher Be-rechnungen und mathematischen Korrek-turen des Flusses etwa 7 µA. Dabei entfal-len ungefähr 2 µA auf permanente Funkti-onen wie 1,8 V LDO und 32 kHz Oszillator und 5 µA auf die Durchführung der Fluss-messung und auf die Berechnung des Flus-ses. Davon benötigt der 32-Bit-µP etwa 2,2 µA, was knapp 0,3 µA/Messung/Sekunde ergibt. Ein Wert, der sich auf Low-Power-Standard-MCU-Basis nicht erreichen lässt. Zusätzliche Stromoptimierungen sind im

System-on-Chip für Smart MeteringHohe Präzision und geringer StromverbrauchEinen um zwei Drittel niedrigeren Strom-verbrauch als sein Vorgänger hat der Sys-tem-on-Chip (SoC) TDC-GP30 von Acam-Messelectronic. Vorteile der TDC-Messtechnologie sind die hohe Präzision und der sehr geringe Stromverbrauch. Seit Anfang 2014 liegt nun der TDC-GP30 in seiner Beta-Version vor und wird intensi-ven Tests unterzogen. Erste vorläufige Test-Kits für den Beta-Chip sind ab dem Früh-jahr 2014 verfügbar. Die Kunden-Bemus-terungsphase der Serienversion ist ab dem 4. Quartal 2014 vorgesehen.

Der GP30 funktioniert als komplette Frontendlösung mit integrierter digitaler Signalverarbeitung (32 Bit µP) bis zum eichfähigen Ausgangssignal funktioniert der SoC und stellt bis zur Volumenausgabe über UART, Puls, SPI eine echte Single-Chip-Lösung dar, sodass die nachfolgende Standard-MCU ausschließlich für das Ma-nagement des Messgerätes und für die ex-ternen Schnittstellen wie beispielsweise Funk eingesetzt werden kann. Wie sein Vorgänger GP22 ist der GP30 mit einer Temperaturmessung für Wärmemengen-zähler ausgestattet, die (im Final Chip) 4-Draht-fähig sein wird.

Gegenüber seinem Vorgänger konnte der Stromverbrauch noch einmal deutlich gesenkt werden, was gerade bei Wasserzäh-lern mit ihren höheren Messraten deutlich zum Tragen kommt. Das Frontendelement verbraucht nur noch zirka ein Drittel des

Final-Chip vorgesehen und können durch ei-nen intelligenten Firm-warecode realisiert werden.

Für die Batteriele-bensdauer des gesam-ten Geräts heißt das gesteckte Ziel: Für 2/3 AA zwei Eichperioden

plus Reserve (15 Jahre) und für AA von über 20 Jahren.

Mechanische Wasserzähler sind heute immer noch die am meisten eingesetzten Zählerarten. Elektronik hat hier noch kei-nen entscheidenden Einzug gehalten. Das wird sich jedoch in den nächsten Jahren Schritt für Schritt und konsequent ändern. Mechanische Wasserzähler ohne Elektro-nik sind zwar bei den reinen Herstellungs-kosten nicht zu unterbieten, aber die Sum-menkosten über die komplette Lebensdau-er hinweg liegen deutlich über denen von Ultraschall-Wasserzählern. Die Vorteile von Smart Metering sind dabei noch gar nicht berücksichtigt und kommen noch hinzu. (ah) n


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Prinzipschaltbild vom Innenaufbau des GP30-Beta.

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Aktive Bauelemente

Zu den Vorteilen eines Systems, in dem kommunikationsfä-hige Smart Meter eingesetzt werden, gehört die Möglich-keit, aus den Echtzeit-Verbrauchsdaten das individuelle Energieverbrauchs-Pro l der einzelnen Kunden zu erstel-

len und zu analysieren und die Bedarfsspitzen zu ermitteln. Diese Informationen können nicht nur dem Energieversorger, sondern auch dem Konsumenten dienen. Unter anderem besteht für die EVUs die Möglichkeit, abhängig von der aktuellen Netzbelastung dynamisch variierende Spitzen- und Schwachlast-Tarife anzubie-ten. Die Kunden wiederum können ihren Energieverbrauch so pla-nen, dass große Verbraucher möglichst außerhalb der Spitzenzei-ten betrieben werden, um von den niedrigeren Tarifen zu pro tie-ren. Die EVUs im Gegenzug haben den Vorteil, dass sie weniger Spitzenlast-Kra werke benötigen, die nur für die kurzen Spitzen-last-Phasen angefahren werden und in der übrigen Zeit ungenutzt bleiben. Dies verbessert die E zienz des gesamten Systems im Hinblick auf die Wirtscha lichkeit und die Zuverlässigkeit. Abge-sehen davon erspart die automatische Erfassung der Verbrauchs-daten dem EVU das Ablesen der Zähler durch Personal vor Ort und das Kon gurieren der Lastverteilung, was nicht zuletzt auch die Zahl der menschlichen Bedienfehler reduziert.

Zwischen Smart Meter und EVU sind verschiedene Netzwerk-Topologien und Verbindungsarten denkbar. Zum Beispiel können die Smart Meter den Datenaustausch per Funk oder per Powerli-ne-Kommunikation (PLC) mit einem lokalen Datenkonzentrator abwickeln, der seinerseits beispielsweise über das Mobiltelefon-

Der Wireless M-Bus im Smart GridBidirektionale Kommunikation auf dem Netz

Der Begriff Smart Grid bezeichnet eine Kombination verschiedener Technologien, die mit dem Ziel eingesetzt werden, das Energiemanagement zu verbessern und die bidirektionale Kommunikation auf dem Netz zwischen Energieversorgungs-Unternehmen (EVU) und Endabnehmer auszubauen. Der Artikel widmet sich vor diesem Hintergrund dem Wireless M-Bus und beschreibt, wie er in Bauelementen von ST implementiert ist. Autoren: K. R. Hariharasudhan, Filippo Colaianni, Michele Sardo, Ramkumar S, Neha Kochhar

Netz mit dem EVU kommunizieren kann. Außerdem sollte ein Smart Meter in der Lage sein, sich mit anderen Zählern wie etwa Wasser-, Gas- oder Wärmezählern zu synchronisieren und Infor-mationen auszutauschen, wofür entweder proprietäre oder stan-dardisierte Protokolle infrage kommen. Für die Umsetzung der AMR-Funktion kommt eine ganze Reihe von Standards in Be-tracht.

Der Wireless Meter Bus (WM-Bus)Der M-Bus (Meter Bus) ist ein Standard, der in AMR-Implemen-tierungen für die Fernablesung von Energiezählern verbreitet zum Einsatz kommt. Er entspricht den europäischen Normen EN 13757-2 (Physical Layer und Link Layer) und EN 13757-3 (Appli-cation Layer). Außerdem erfüllt der M-Bus die Europäische Norm EN 1434 für Wärmezähler. Das M-Bus-Interface ist für die Zwei-draht-Kommunikation (Twisted-Pair-Kabel) ausgelegt und des-halb sehr kostene ektiv. Sieht man von Ringnetzwerken ab, er-möglicht der M-Bus die Verwendung beliebiger Netzwerk-Topolo-gien (linear, sternförmig und so weiter). Er eignet sich außerdem für große Übertragungsdistanzen. Auf Anfrage übertragen die Zähler ihre Daten an einen Konzentrator, sodass sie lokal oder aus der Ferne verfügbar bleiben.

Eine zusätzliche, mit Funkübertragung arbeitende Variante des M-Bus, der Wireless M-Bus, ist in der Norm EN 13757-4 spezi -ziert. Der Wireless M-Bus ist ein o ener Standard für das Automa-tic Meter Reading per Funk mit Frequenzen unter 1 GHz. Die Grundlage hierfür bilden die folgenden Normen: Europäische Norm prEN13757-4:2011 (Zähler-Auslesung per

Funk),

Bild 1: Der Spirit1 ist ein HF-Transceiver für die drahtlose Übertragung im Frequenzband unter 1 GHz.

Automatische FernablesungDie entscheidenden Elemente im Smart Grid sind die sogenannten Smart Meter, also intelligente Strom-, Gas- und Wasserzähler mit der Möglichkeit der automatischen Fernablesung (Automatic Meter Rea-ding – AMR). Die AMR-Funktion sieht die bidirektionale Kommunikati-on zwischen Zähler und Versorger vor. Der Abnehmer kann auf diese Weise entweder in regelmäßigen Zeitabständen oder auf Abruf seinen Verbrauch an den Versorger übermitteln, während im Gegenzug das EVU die Möglichkeit hat, Wartungsmaßnahmen vorzunehmen und die einzelnen Abnehmer aus der Ferne zuzuschalten oder vom Netz zu nehmen.


Auf einen Blick

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Aktive Bauelemente

Europäische Norm EN13757-3:2004 (Spezieller Application Layer – gemeinsam mit M-Bus),

ETSI EN 300 220 v2.3.1.Der Wireless M-Bus wird von den Europäischen Normen EN 13757-4 (Physical Layer und Da-ta Link Layer) definiert, der Ap-plication Layer von der Norm EN 13757-3. Der Standard legt die Kommunikation zwischen dezentralen Zählern und mobilen Auslesegeräten, stationären Empfän-gern, Datensammlern und so weiter fest. Bild 2 skizziert ein typisches Anwendungs-Szenario.

Der Wireless M-Bus-Standard ist so ausgelegt, dass die batterie-betriebenen Zähler eine lange Batterielebensdauer erzielen, sodass während der normalen Einsatzdauer des Zählers kein Batteri-etausch erforderlich ist. Die Einordnung des Wireless M-Bus in das OSI-Modell zeigt Tabelle 1. Einige wichtige Merkmale des Wi-reless M-Bus-Standards sind: Unterstützung für die uni- und bidirektionale Kommunikation

mit dem Zähler. Unterstützung verschiedener Kommunikations-Modi (S, C, T,

R, F, N) abhängig von den Anforderungen der Applikation. Unterstützung der AES-128 CTR-Verschlüsselung zur Sicher-

stellung der Datensicherheit. Geeignet für den Betrieb in den lizenzfreien ISM- und SRD-

Frequenzbändern mit 169, 433 und 868 MHz. Eingerichtet für Störungs- und Alarmmeldungen.

Weitere Einzelheiten enthält das Dokument zur Norm EN 13757-4. Für den Physical Layer spezifiziert die Norm EN 13757-4 außer-dem verschiedene Leistungsklassen, die sich nach der maximalen Sendeleistung und der geringsten Empfänger-Empfindlichkeit des Zählers richten.

Der Data Link Layer der Norm EN 13757-4 unterstützt zwei verschiedene Frame-Formate, nämlich das Frame-Format A und das Frame-Format B. Wird ein standardmäßiger Wireless M-Bus-Frame empfangen, so folgt der Data Link Layer unmittelbar auf die als Präambel dienende . Der Data Link Layer enthält die Daten dieser Schicht sowie optional auch Nutzdaten des Application Lay-ers. Mit Ausnahme der Modi C und F unterstützen die übrigen Modi nur das Frame-Format A. In den Modi C und F kann das Frame-Format am Muster der als Präambel fungierenden erkannt werden.

Der Wireless M-Bus ermöglicht auch die Verschlüsselung der Nutzdaten mithilfe optimierter Verschlüsselungs-Modi wie der AES 128 Counter-Mode-Verschlüsselung.

STMicroelectronics hat für sich eine eigene Implementierung eines Wireless M-Bus-Firmware-Stacks entwickelt. Grundlage ist die Zwei-Chip-Plattform von ST bestehend aus dem Sub-1-GHz-Funk-Transceiver Spirit1 und dem extrem sparsamen ARM Cor-tex-M3-Mikrocontroller STM32L15.

Spirit 1Der Spirit1 ist ein sehr wenig Strom verbrauchender und überaus leistungsfähiger HF-Transceiver für die drahtlose Übertragung im Frequenzband unter 1 GHz. Er ist für den Betrieb mit 169, 315, 433, 868 und 915 MHz ausgelegt und unterstützt die Modulati-onsarten 2-FSK, GFSK, MSK, OOK und ASK. Die von der ge-wählten Modulationsart abhängige drahtlose Übertragungsrate

lässt sich auf Werte zwischen 1 und 500 kBit/s programmieren. Das integrierte Schaltnetzteil des Spirit1 ermöglicht eine sehr ge-ringe Stromaufnahme, die im Empfangsbetrieb (Rx) 9 mA und im Sendebetrieb (Tx) bei +11 dBm 21 mA beträgt. Der Baustein kommt mit sehr wenigen externen diskreten Bauelementen aus und verfügt über ein integriertes, konfigurierbares Basisbandmo-dem, welches das Datenmanagement, die Modulation und die De-modulation unterstützt. Das Datenmanagement behandelt die Da-ten in einem proprietären, vollständig programmierbaren Paket-format und ermöglicht auch die Verwendung des zum M-Bus-Standard konformen Formats (mit allen Performance-Klassen). Das PHY-Protokoll des Wireless M-Bus wird vom Spirit1 hard-waremäßig und maschinennah unterstützt.

Energylite MikrocontrollerIm Wireless M-Bus-Szenario sind die verwendeten Gas-, Wasser- und Wärmezähler in der Regel batteriebetrieben. Sie verlangen deshalb nach sehr energieeffizienten Bauelementen, damit die Bat-terien möglichst lange halten. Die Energylite-Familie bestehend aus den 8-Bit-Mikrocontrollern der Reihe STM8L und den 32-Bit-MCUs der Reihe STM32L bietet ein hohes Performance-Niveau im Verbund mit extrem geringer Leistungsaufnahme.

Die Reihen STM8L und STM32L sind mit speziellen Features für Anwendungen mit extrem geringer Leistungsaufnahme ausge-stattet. Dazu gehören neben ausgefeilten Ultra-Low-Power-Be-

Bild 2: Schema einer typischen Anwendungssituation für Wireless M-Bus.

Bild 3: Datentransfer vom Zähler zur GUI.

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Aktive Bauelemente

Die Autoren: K. R. Hariharasudhan, Filippo Colaianni, Michele Sardo, Ramkumar S, Neha Kochhar sind Mitarbeiter von STMicroelectronics.

triebsarten auch eine optimierte, dynamische Stromaufnahme während des Betriebs sowie besonderen Sicherheits-Features. Grundlage der extrem sparsamen Energylite-Plattform ist die 130-nm-Prozesstechnologie von STMicroelectronics, die durch äußerst geringe Leckströme gekennzeichnet ist. Technologie, Ar-chitektur und Peripheriefunktionen sind für alle Energylite-Bau-elemente einheitlich.

Die Serie STM32L L1 auf Basis eines ARM Cortex-M3-Cores baut das Ultra-Low-Power-Konzept weiter aus, ohne deshalb Kompromisse an der Leistungsfähigkeit mit sich zu bringen. Dabei ist die Serie STM32L L1 nicht nur einfach eine Familie äußerst sparsamer MCUs, sondern sie bringt eine breite Palette an Features und Speichergrößen mit und wird in Gehäusen mit unterschied-lich vielen Pins angeboten. Das Portfolio reicht von 32 bis 384 KByte Flash-Speicher (mit bis zu 48 KByte RAM und 12 KByte echtem Embedded-EEPROM), und die Gehäuse haben zwischen 48 und 144 Pins.

Die innovative Architektur, unter anderem mit Spannungs-Ska-lierung und einem extrem sparsamen MSI-Oszillator, verleiht den Designs mehr Performance, und dies bei sehr knapp bemessener Leistungsaufnahme. Der große Umfang an integrierter Peripherie zum Beispiel mit USB, LCD-Interface, Operationsverstärker, Kom-parator, A/D-Wandler mit schneller Ein/Aus-Funktion, D/A-Wandler, kapazitiver Touch-Funktion und AES, macht die Serie

STM32 L1 zu einer erweiterungsfähigen Plattform, die allen An-forderungen gerecht werden kann.

Implementierung des Wireless M-Bus-StacksDer Wireless M-Bus-Stack von ST auf Basis der Norm EN 13757-4:2011.10 unterstützt die in Tabelle 2 aufgeführten Modi. Der Pro-tokoll-Stack für den Wireless M-Bus wurde auf Basis der Zwei-Chip-Plattform von ST entwickelt. Dabei implementiert der Spi-rit1 lediglich einen Teil des Physical Layers. Stattdessen sind der PHY- und der Link-Firmware-Stack in einem äußerst sparsamen STM32L15x mit ARM Cortex-M3-Core implementiert. Die Auf-gaben des STM32L sind: Wireless M-Bus Application Layer, Wireless M-Bus Link Layer mit Handling von MAC-Paketen

und CRC sowie Encryption/Decryption Initiate/Read, Wireless M-Bus PHY, PHY-Initiierung für Wireless M-Bus so-

wie Interrupt-Services.Die Aufgaben des Spirit1: Wireless M-Bus-Modi Header-, Sync- und Trailer-Felder Manchester/3-out-of-6-Codierung Sync-Detektierung Tx- und RX-FIFO Daten-Modulation und Demodulation drahtlose Sende- und Empfangsfunktionen

Der Stack unterstützt Geräte der Typen Zähler und Konzentrator (Bild 3).

Angeboten wird auch PC-GUI-Software für den Wireless M-Bus. Mit dieser PC-basierten GUI (Graphical User Interface) lassen sich der Status und der ermittelte Energieverbrauch der einzelnen, an das Wireless M-Bus-Netzwerk angeschlossenen Zähler abfragen, und es können die Modi S, T, R und N des Wireless M-Bus konfigu-riert werden (Bild 4). Die PC-Software nutzt das HID-Protokoll (Human Interface Device) für die Kommunikation mit dem Con-centrator Board beziehungsweise dem Meter Board (Bild 5).

Das Protokoll ist an keinen bestimmten Bus gebunden und lässt sich auf verschiedene Transport-Technologien portieren, darunter auch Bluetooth und andere leitungsgebundene oder drahtlose Technologien. Diese Spezifikation identifiziert das Protokoll, die Prozeduren und die Features, damit einfache Eingabegeräte per USB mit dem HID kommunizieren können. (jj) n

OSI-Schicht Wireless M-BUS Protokoll Stack

Host

7. Application EN 13757-3 Application Layer

6. Presentation nicht genutzt

5. Session nicht genutzt

4. Transport nicht genutzt

Medium

3. Network optional

2. Data Link EN 13757-4 Link Layer

1. Physical EN 13757-4 PHY Layer

Modus Kommunikation Frequenzband Beschreibung

S1 unidirektional 868 MHz Stationärer Modus: Zähler übertragen mehr-mals täglich ihre Daten. Der Datensammler kann batteriebetriebenen und für den statio-nären Betrieb optimiert sein.

S1-m unidirektional 868 MHz Wie S1, jedoch ist der Datensammler ein mobiler Empfänger.

S2 bilddirektional 868 MHz Bilddirektionale Version von S1.

T1 unidirektional 868 MHz Im Frequent Transmit-Modus überträgt der Zähler seine Daten im Abstand von einigen Sekunden an die im Einzugsbereich liegenden Sammler. Das Intervall ist konfigurierbar (Sekunden oder Minuten).

T2 bilddirektional 868 MHz Bilddirektionale Version von T1.

R2 bilddirektional 868 MHz Der Frequent Receive-Modus ermöglicht durch die Verwendung verschiedener Frequenzen mehreren Zählern den Betrieb ohne gegenseitige Beeinträchtigung.

N1 unidirektional 169 MHz Dieser Modus ist für den schmalbandigen Betrieb und große Reichweite optimiert.

Bild 4: Daten-Darstellung durch die grafische Benutzeroberfläche.

Tabelle 1: Einordnung des Wireless M-Bus in das OSI-Modell.

Bild 5: Blockschaltbild des Gas-Meter-Demo-Boards.

Tabelle 2: Die Modi des Wireless M-Bus.

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Aktive BauelementeNeue Produkte

Bild: U-Blox

GNSS-Module

Mit skalierbaren Funktionen

Die Positionierungs-Module Max, Neo und Lea von U-Blox basieren auf der neuesten Genera-tion der Multi-GNSS-Positionierungsplattform U-Blox M8. Neben einer skalierbaren Palette an Funktionen, wie Antennenmanagement, in-tegrierte Filter, Datenlogger, Standard-Quarz oder TCXO (temperaturkompensierter Quarz-oszillator), bieten die Module auch zahlreiche Schnittstellen. Sie können Signale aller Satelli-ten der Positionierungssysteme GPS, Glonass, Beidou und QZSS sowie von Ergänzungssyste-men (Satellite Based Augmentation Systems, SBAS) empfangen und auswerten. Außerdem können sie zwei GNSS-Systeme gleichzeitig nutzen, was zu erhöhter Zuverlässigkeit und Genauigkeit sowie schnelleren Aufstartzeiten

führt. Sämtliche Fertigungsprozesse der ICs und Module erfolgen bei U-Blox. Durch die Un-abhängigkeit von GNSS-Chip-Zulieferern er-halten Kunden maßgeschneiderte Funktionen, Chip- und Moduloptionen sowie einfachen Upgrade. Die Module MAX-M8, NEO-M8 und LEA-M8 zeichnen sich durch eine leistungs-starke Positionsbestimmung und eine Emp-findlichkeit von -167 dBm beim Tracking aus. Daher eignen sie sich für die verschiedensten Anwendungen wie Güter- und Fahrzeugortung,

Notrufsysteme, Telematiksysteme in Fahrzeu-gen für Versicherungszwecke, Mauterhebung und Diebstahlsicherung, Navigations- und Si-cherheitssysteme sowie mobile Kassentermi-nals (POS). Die auf der Plattform U-Blox 7 ba-sierenden Module MAX-7, NEO-7 und LEA-7 sind für kostengünstige, stromsparende De-signs für ein einziges Satellitensystem geeig-net und werden auch weiterhin angeboten. Die M8-Module sind hinsichtlich Hard- und Soft-ware vollständig kompatibel zu den 7er-Modu-len. Die GNSS-Technologien der Plattformen 7 und M8 werden als Module und als Chips an-geboten, was für eine sehr hohe Design-Flexi-bilität sorgt.

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Alternative zu USB UARTs und lassen sich direkt an das System-BIOS anschließen. Die Bausteine sind kompatibel zu verschiede-nen Betriebssystemen, da sie vor dem Laden des OS konfiguriert werden. Sowohl der 2-Kanal XR28V382 als auch der 4-Kanal XR28V384 UARTs basieren auf Exars automatischer Halbduplex-Steuerung für RS-485-Netzwer-ke. Die ICs enthalten 128-Byte-Sende- und Empfangs-FIFOs, sind für den industriellen Tempe-raturbereich ausgelegt und wer-den mit 3,3 V betrieben. Jeder UART-Kanal unterstützt serielle Datenraten bis 3 Mbit/s.


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Aktive Bauelemente

Wenn die Abwärtswandlung eines HF-Empfängers als letzte Stufe ein ZF-Abtastsystem oder unterabtasten-des System mit Analog-Digital-Converter (ADC) ent-hält, dann gilt: Je höher die Zwischenfrequenz ZF, des-

to weniger steil müssen die Spiegelfrequenz-Sperrfilter im HF-Frontend sein. Dieses Wissen hilft, die Kosten, die Ausmaße und die Einfügedämpfung des Filters zu reduzieren. Da damit auch ei-ne kleinere Verstärkung ausreicht, sinken die Kosten und die Ver-lustleistung weiter. Bild 1 zeigt eine typische HF-Empfängerkette mit Zwischenfrequenz-Abtastung.

Empfänger mit relativ hoher ZF haben aber einen erheblichen Nachteil: die Abtastung des höherfrequenten analogen Eingangssi-gnals erfordert einen schnelleren ADC. Der störungsfreie dynami-

Steile WellenEin Referenztakt mit wenig Jitter ermöglicht hohe Zwischenfrequenzen

Der auftretende Takt-Jitter, der beim Zwischenspeichern und beim Vertei-len des Referenztakts in einem Hochfrequenz-Empfänger (HF) entsteht, schadet der Systemleistung. Der Jitter muss umso kleiner sein, je höher die Zwischenfrequenz (ZF) liegt. Da eine hohe ZF die Frontend-Filter vereinfacht, lohnen sich daher Taktbuffer-Verteilerbausteine, die den unerwünschten Jitter senken. Autor: Michel Azarian

sche Bereich (Spurious Free Dynamic Range, SFDR) des ADCs sinkt aber bei höheren Eingangsfrequenzen. Noch wichtiger ist, dass der Apertur-Jitter und der Takt-Jitter des ADCs beginnen, den erreichbaren Signal-Rauschabstand (Signal-to-Noise Ratio, SNR) zu definieren, während der ADC die schnelleren Eingangssignale abtastet.

Wenn der Takt schwanktDie Auswirkungen des Takt-Jitters lassen sich gut zeigen, indem man die Amplituden des Spannungsfehlers vergleicht, den ein Takt-Jitter beim Abtasten von zwei ansteigenden Signalen hervor-ruft: eines der Signale hat im Beispiel eine höhere Anstiegsrate als das andere, ADC und Takt bleiben identisch. Der Takt besitzt wäh-

Bild 1: Das Blockschaltung eines einstufigen HF-Empfängers: Auf Bandpass und LNA folgen das Spiegelfrequenzfilter (BPF) und der Übergang zur Zwischenfrequenz (engl. IF – Intermediate Frequency).

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Bild 3: Takt-Jitter beim Digitalisieren wirkt sich auf schnell ansteigende Signale sehr viel stärker aus als auf langsame Flanken.

Bild 2: Ein Amplitudengang eines ZF-Filters in Bezug auf eine ADC-Abtastra-te, die eine Frequenzfaltung vermeidet.

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Aktive Bauelemente

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rend dem Abtasten der Signale dieselbe Menge an Zeit-Jitter (tJ in s-RMS, siehe Bild 3); die Höhe der Unsicherheit, die durch den Takt-Jitter entsteht, ist beim schnelleren Signal aber deutlich grö-ßer. Deshalb ist der Takt-Jitter die wichtigste, wenn nicht domi-nante Fehlerquelle, die das SNR begrenzt, wenn das analoge Ein-gangssignal einen höheren Frequenzanteil enthält.

Somit ist es wichtig, den Jitter des ADC-Takts, als ZF-Abtasttakt (IF Sampling Clock in Bild 1) bezeichnet, so klein wie möglich zu halten. Der am ADC-Eingang wirksame Takt-Jitter ist allerdings o viel größer als angenommen, wenn amplitudenmoduliertes Rauschen des Taktsignals auch dessen Frequenz moduliert.

Je mehr die Takt anken dem idealen Rechtecksignal entspre-chen, desto kleiner ist dieser E ekt, häu g sind die Takt anken aber deutlich acher und ähneln mehr einem Sinus-Verlauf. Der Takteingang des ADCs arbeitet dann als Begrenzer, er nimmt ein Taktsignal an und quadriert es, indem er Entscheidungen am Null-durchgang (oder einer anderen Referenz) des Eingangssignals tri .

Das Rauschen vermeidenWenn es irgendein AM-artiges Rauschen gibt, etwa das thermische Rauschen eines Widerstands oder ein eingekoppeltes Rauschen von der Stromversorgung, dann verändern sich in diesem Falle die Nulldurchgänge des eintre enden Signals uneinheitlich zwischen den aufeinanderfolgenden Flanken.

Bei einer Sinuswelle mit geringer Frequenz und/oder geringer Amplitude ist der E ekt wesentlich stärker als bei einem Rechteck-

signal, da der Nulldurchgang quasi in Zeitlupe statt ndet. Damit entsteht Jitter am Ausgang des Begrenzers und die Störung ver-wandelt sich von AM- in FM-Rauschen. Wenn hingegen das ein-tre ende Signal sehr schnell durch den Nulldurchgang eilt, was ein LVPECL-Signal (Low-Voltage Positive-referenced Emitter Coup-led Logic) wegen seiner schnellen Anstiegs- und Abfall anken normalerweise tun würde, hat das zum Takt addierte AM-Rau-schen keine oder nur eine geringe Chance, sich in FM-Rauschen konvertieren zu lassen.

Das differenzielle TaktsignalUm hier eine optimale Leistung zu erzielen, benötigen die meisten modernen Analog-Digital-Konverter eine di erenzielle Treibung ihres Takteingangs.

Wenn weniger mehr istErhält ein 325-MHz-ZF-Samplingsystem-Design einem Taktbuffer-Verteilerbaustein, der ein Sinusreferenzsignal in ein Paar differenziel-ler LVPECL-Takte verwandelt, kann sich der Entwickler glücklich schätzen. Denn in dieser Kombination lassen sich der Jitter minimie-ren und schnelle ADCs betreiben.


Auf einen Blick



Aktive Bauelemente

Bei der Weitergabe der jeweiligen Taktsignale gibt es eine rele-vante Verzögerung, wenn die Quelle und das Ziel nicht sehr nahe beieinander liegen. Das Betreiben der Taktsignale in differenzieller Form macht sie immun für Einkopplungen und führ, tverglichen mit einem unsymmetrischen Routing des Takts, zu einem insge-samt robusteren Design.

Ein phasenverriegeltes System (PLL) generiert typischerweise das LO-Signal (lokaler Oszillator) (Bild 1). Die PLL erfordert einen Referenztakt, um den LO darauf zu verriegeln. Traditionell sind 10 MHz eine übliche Referenzfrequenz. Heute kommen jedoch ver-mehrt wesentlich höhere Frequenzreferenzen zum Einsatz. Tat-sächlich sind 100 MHz und mehr in modernen HF-Designs nicht mehr unüblich.

Die FrequenzwahlGenerell generieren ein OCXO oder ein TCXO den Referenztakt; beide Bausteine weisen einen typischerweise sehr geringen Jitter (oder Phasenrauschen) auf. Wenn der Entwickler also die Fre-quenz des PLL-Referenztakts so wählt, dass sie angemessen über der doppelten Bandbreite des empfangenden HF-Kanals liegt (oder der von mehreren Kanälen in einem Empfänger in dem die Digitalisierung von zwei oder mehr benachbarte Kanäle simultan erfolgt), kann er das gleiche Referenzsignal auch zum Takten des Zwischenfrequenz-Sampling-ADCs verwenden. Das bedingt, dass der Betreiber eine saubere Frequenzplanung macht.

Idealerweise sollten die Trennschärfe des Durchlassbereichs des Zwischenfrequenz-Filters und der Großteil seines Übergangsbe-reichs in eine einzige Nyquist-Zone des ADCs passen, um Fre-quenzfaltung zu vermeiden. Dieser Punkt wird mit Hilfe des Am-plitudengangs des ZF-Filters verdeutlicht (Bild 2). Die Zwischen-frequenz ist hier so gewählt, dass sie in die siebte Nyquist-Zone des ADCs passt; fS steht für die Abtastrate des ADCs. In diesem Fall würde man den LO (Bild 1) so wählen, dass das heruntergewandel-te Signal am Ausgang des Mixers in der Mitte des ZF-Selektivitäts-filters zentriert ist (Bild 2).

Den Takt verteilenDer Taktbuffer-/Verteilerbaustein (Bild 4) spielt eine wichtige Rol-le in dem System, da er eine unsymmetrische Sinuswelle vom OC-XO oder TCXO empfängt. Der Taktbuffer liefert zwei differenzielle LVPECL-Signale, die sich für das Routing des ADCs und der PLL eignen. Damit sollte nur ein minimaler Jitter zum verteilten Takt entstehen. Laut Linear Technology ist der LTC6957-1 ein Taktbuf-

fe, der zwei LVPECL-Ausgänge besitzt und geringem zusätzlichen Jitter erzeugt, der sich für die Applikation eignet und bisher beste-hende Anforderungen erfüllt.

Weitere Ausgangsformate lassen sich durch den Einsatz von un-terschiedlichen Versionen des LTC6957 realisieren. Der LTC6957-2 hat LVDS-Ausgänge und der LTC6957-3 sowie der LTC6957-4 besitzen CMOS-Ausgänge.

Implementieren der SchaltungDer Jitter zählt zu den limitierenden Faktoren beim Erhöhen der Zwischenfrequenz. Um herauszufinden, welche Leistung sich bei Einsatz eines handelsüblichen ADCs zusammen mit dem Taktver-teilerbaustein LTC6957-1 erzielen lässt, hat der Autor zwei De-monstrationsschaltungen modifiziert und angewandt (Bild 5).

Der LTC2153-14 ist ein 14-Bit-ADC mit einer Abtastrate von 310 MSample/s, der sich für hohe Analog-Eingangsfrequenzen eignet, was ihn zu einem geeigneten Zwischenfrequenz-Abtast-ADC in dieser Applikation macht. Die Demonstrationsschaltung des DC1565A-G 2q4 war entsprechend modifiziert (Bild 5).

Die Demonstrationsschaltung DC1765A-A mit den LTC6957-1 dient zum Zwischenspeichern der Sinuswelle vom Ausgang des 100-MHz-OCXO. Eines der beiden differenziellen LVPECL-Aus-gangspaare des LTC1765A-A ist mit den differenziellen Encode-Takteingängen des DC1565A-G verbunden. Das andere Paar könnte als Referenzeingang für den LO dienen, um die PLL zu ge-nerieren (Bild 4 und Bild 1).

Bandbreiten beachtenIst ein mit 100 MHz getakteter ADC ausgewählt, liegt die höchste theoretisch erzielbare Bandbreite beim Vermeiden von Aliasing

Bild 4: Das Verteilungsschema des Referenztakts (oben).

Bild 5: Die Schaltung des ZF-Abtastsystems mit zwei Demoboards, einem Prüfton mit 315,5 MHz und einem 100-MHz-Referenztakt (rechts).

Bild 6: Screenshot der P-Scope-Software, das die FFT und die erzielten Signal-Integritätsparameter des Systems von Bild 3 zeigt.


Aktive Bauelemente

Der Autor: Michel Azarian ist als Senior Applications Engineer bei Linear Technology tätig.

bei 50 MHz. In der siebten Nyquist-Zone (Bild 2) deckt eine ideale 50-MHz-Bandbreite den Frequenzbereich von 300...350 MHz ab. Dies würde ein ideales „Ziegelmauer“-Bandpassfilter mit einer Mittenfrequenz von 325 MHz und einem Durchlassbereich von 50 MHz erfordern, um nur die ZF-Informationen durchzulassen, die sich im Frequenzbereich von 30 bis 350 MHz befinden.

Es würde alles andere unterdrücken, was im gewünschten Fre-quenzband Alias-Effekte hervorrufen oder stören könnte. Wegen der sehr kleinen aber dennoch bestehenden Übergangszone zwi-schen dem Durchlassbereich des Filters und den Sperrregionen in einem realen Filter, neben der Toleranz der Mittenfrequenz, wäre in diesem Fall für die ZF-Bandbreite etwa ein Oberflächenwellen-filter mit bis 30 MHz Bandbreite und einer Mittenfrequenz von 325 MHz eine geeignetere Wahl. Oberflächenwellenfilter für die-sen Frequenzbereich sind verfügbar.

Die LeistungsparameterFür einen Test ist ein Prüfton mit 315,5 MHz über einen Bandpass-filter, der den ZF-Selektivitätsfilter und den Abschwächer nachbil-det, an den Analogeingang der modifizierten DC1565A-G ange-legt. Die Amplitude ist so einzustellen, dass am ADC eine Ampli-tude von -1 dB (FS) ankommt.

Der DC1565A-G ist für den Test via USB mit einem PC ver-bunden, auf dem die Datenerfassungs-/Regelungssoftware P-Scope zwei entscheidende Parameter analysiert, die die Qualität des Empfängers beeinflussen: SNR und SFDR. Die P-Scope-Soft-ware erfasst und analysiert die Daten vom ADC sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich und stellt relevante Parameter dar. Sie liefert eine 131.072-Punkte-FFT zusammen mit Analysefunk-

tionen, wobei der 315,5-MHz-Prüfton mit -1 dB (FS) die analoge Eingabe des ADCs ist. Ebenfalls sichtbar ist das vom LTC6957-1 gebufferte 100-MHz-LVPECL-Signal des Encode-Takts des ADCs (Bild 6).

Die erreichbare SNR liegt über 64 dB und die SFDR liegt bei mehr als 80 dB – das sind sehr gute Werte für eine 325-MHz-ZF-Abtastschaltung. Weil der Eingang des LTC6957-1 eine 100-MHz-Sinuswelle mit +10 dBm Leistung an 50 Ohm ist, sind seine bei-den internen, die Bandbreite begrenzenden, Filter (Filt-A und Filt-B) abgeschaltet. Diese helfen dabei, den zusätzlich einge-brachten Jitter zu begrenzen, wenn am Eingang eine kleine Amp-litude und/oder eine Frequenz anliegen. Dies empfiehlt das Da-tenblatt des LTC6957.

Kurze ZusammenfassungEin 325-MHz-ZF-Abtastsystem wurde als Teil eines HF-Empfän-gers aufgebaut und evaluiert. Der Taktbuffer-/Verteilerbaustein LTC6957-1 verteilt einen 100-MHz-Systemreferenztakt im LVPE-CL-Format, der als Abtasttakt des ADCs und der PLL-Referenz fungiert. Um die Leistung des ZF-Abtastsystems zu messen, be-trachtete der Autor die SNR- und SFDR-Werte.

Eine SNR von 64 dB und ein SFDR von 80 dB kann dieses Sys-tem erzielen, was eine relativ hohe ZF-Abtastung ermöglicht, die dabei hilft, die Anforderungen an die Filter zur Unterdrückung von HF-Spiegelfrequenzen zu verringern. (rao/lei) n



Display-Technik

Unsere Gesprächspartner waren: Marc Corrigan, Sales Di-rector von Densitron Deutschland, Daniel Dietrich, Sales LCD & Components bei Actron, Klaus Hagenacker, Ma-naging Director Display Solutions bei MSC Technologies,

Mario Klug, Product Sales Manager Storage, Displays & Boards bei Rutronik und Konrad Szabo, Prokurist Head of Product Marketing Line Management bei Data Modul.

Das Thema TFT oder farbige Displays ist sicher in den letzten Jahren zum Hauptthema geworden, darüber waren sich die Exper-ten einig. Einen weiteren Trend sehen einige der Diskutanten bei

Erster Display-RoundtableDer runde Tisch der elektronik industrie ist sich einig: TFT hat gewonnen

Im Industriebereich ist das TFT-Display die Nummer eins. Konkurrenztechniken wie OLEDs haben es hier sehr schwer und nehmen nur eine untergeordnete Stellung ein. Das ist sicherlich eine der wesentlichen Aussagen unseres Roundtable-Gesprächs, das wir mit fünf Distributoren geführt hatten. Die Diskussion ergab jedoch auch noch andere sehr interessante Aspekte aus dem Display-Markt. Autoren: Hans Jaschinski, Andrea Hackbarth

kompletten Systemen. „Viele unserer Kunden wollen nicht mehr nur ein einzelnes Display sondern eine Komplettlösung mit ARM, x86, mit Ansteuerkarten im Gehäuse, Touchpanel, gebondeten Scheiben und mehr. Für unser Unternehmen ist dies sicher eines der wichtigsten zukünftigen Themen“, so Konrad Szabo. Auch Klaus Hagenacker beobachtet, dass immer mehr Kunden den eige-nen Entwicklungsaufwand soweit als möglich reduzieren wollen und stattdessen lieber gleich auf maßgeschneiderte Lösungen zu-rückgreifen. „Einen technisch versierten Partner mit der nötigen Systemerfahrung vorausgesetzt, kommt diese Vorgehensweise für

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Display-Technik

den Kunden unter dem Strich oft billiger, als eine selbstentwickelte Lösung, zumal er sicher sein kann, dass das Display und die Steue-rung in ersterem Fall bereits optimal aufeinander abgestimmt sind und die Applikation deshalb von Anfang an problemlos läuft.“

Dass der TFT-Markt weltweit wächst kann auch Mario Klug be-stätigen: „In Lösungen bei denen früher noch passive Displays do-minierten, kommen verstärkt TFTs zum Einsatz.“ Zunehmend gefragt ist auch die Touch-Bedienung. Klug sieht die Affinität vie-ler Anwender aus dem Consumer-Bereich als einen wesentlichen Grund für den zunehmenden Einsatz der Touch-Bedienung auch im industriellen Bereich.

Zunehmender Einsatz von Touch-BedienungGibt es wesentliche Unterschiede zwischen dem europäischen und dem weltweiten Markt? Der asiatische Markt ist nach wie vor aus-gesprochen Consumer-orientiert, gefragt sind hohe Stückzahlen. Das ist allgemein bekannt. Marc Corrigan: „In Europa sind wir mehr Industrie-orientiert und produzieren im Vergleich zu Asien eher homöopathische Mengen. Deshalb sind wir auch in den Be-reichen TFT oder OLED, in denen kostenbedingt nicht kunden-spezifisch gearbeitet wird, sehr abhängig von Asien. Aufträge mit

Stückzahlen zwischen 1000 und vielleicht 50.000 Stück sind für uns schon erfreulich. Für einen asiatischen Hersteller sind dies eher kleine Mengen. Um von den asiatischen Herstellern ernst ge-nommen zu werden, muss man sich schon behaupten.“

Mario Klug kann diese Abhängigkeit des kompletten TFT-Marktes von Asien bestätigen. „Zwar gibt es sehr viele TFT-Anbie-ter. Jedoch kommt die Technologie, was Auflösung, Glasgrößen und Dimensionen betrifft aus Asien und die Asiaten sind eben sehr stark vom Consumer-Markt getrieben.“ Nicht ganz so sieht das Klaus Hagenacker. Zwar kann er die Abhängigkeit von den Ent-wicklungen bei TFTs und großvolumigen Applikationen und da-mit von Asien ebenfalls bestätigen. Er betrachtet jedoch Europa als führend im Display-Markt für den Industriebereich. „Aus Europa kommen die meisten Innovationen und Deutschland als Export-land beeinflusst die Entwicklungen im Bereich der Industrie-Dis-plays sehr stark.“

So ähnlich sieht das auch Daniel Dietrich von Actron: „In Euro-pa sind die Anforderungen ganz anderer Art als die in Asien oder in anderen Märkten. Langlebigkeit der einzelnen Komponenten, Temperaturverhalten, Backlight sind hier die wesentlichen The-men. Im Consumer-Bereich hingegen ist der Preis eines der do-minierenden Argumente.“ Für Konrad Szabo hat insbesondere der deutsche Markt einen großen Einfluss auf die Entwicklungen durch seine stark mittelständisch geprägte Industrielandschaft. „Es gibt viele Maschinenbauer, die in Stückzahlen zwischen 500 und 1000 jährlich produzieren. Wohingegen meines Wissens in anderen europäischen Ländern sehr viel kleine und ein paar große Unternehmen existieren, aber oftmals die breite Basis im mittle-ren Bereich fehlt.“

Europa ist führend bei Industrie-DisplaysWelche Display-Technik liegt im Trend? In der Consumer-Elektro-nik gibt es OLED-Fernseher, allerdings zu sehr hohen Preisen. Wie sieht es mit dem Einsatz dieser Technik in der Industrie aus? Bei der Beantwortung dieser Frage sind sich die Experten grundsätz-lich einig. Zwar sehen einige von ihnen in dieser Technik durchaus Potenzial, aber in naher Zukunft wird sie für den Industriesektor kein Thema sein. Eine Ausnahme wird allerdings hervorgehoben – die passiven, monochromen OLEDs. Diese sind recht stabil und weisen eine ausreichende Lebensdauer auf. Als Ersatz für TFT-Displays kommen OLEDs allerdings nicht in Frage.

Dazu Szabo: „Wir haben OLEDs im Programm. Zwar wird ihr Durchbruch immer wieder prognostiziert. Tatsache ist jedoch, dass TFTs zum einen durch den Preisverfall immer attraktiver ge-worden sind, bedingt durch die hohen Produktionsmengen und auch qualitativ inzwischen einen sehr hohen Standard erreicht ha-ben. Für OLEDs, die immer noch Qualitätsprobleme haben, wie zum Beispiel Einbrenneffekte oder auch die verschiedenen Farble-bensdauern, ist es hier sehr schwer zu bestehen.“ Szabo betont al-lerdings auch, dass große Firmen wie beispielsweise Samsung sehr viel in TFT-Produktlinien investiert haben und deshalb diese Technik auch sehr stark promoten. Szabo: „Neben TFT sehen wir momentan keine andere Technologie.“

Antrieb aus dem Consumer-Markt?Für Klaus Hagenacker steht außer Frage, dass OLEDs prinzipiell für viele Applikationen sehr gut geeignet wären, beispielsweise im medizinischen Bereich, wo eine Betrachtung aus mehreren Blick-winkeln, aber kein Dauerbetrieb erforderlich ist. Einen schnellen Durchbruch für diese Technologie speziell im industriellen Be-reich erwartet jedoch auch er nicht. „Ganz abgesehen von den nach

Die Teilnehmer (v.l.n.r.) Daniel Dietrich (Actron), Mario Klug (Rutronik), Marc Corrigan (Densitron), Andrea Hackbarth (elektronik industrie), Konrad Szabo (Data Modul), Klaus Hagenacker (MSC Technologies).

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wie vor noch immer nicht vollends behobenen Qualitätsproble-men sprechen hier auch die wirtscha lichen Interessen der großen Display-Hersteller dagegen. Solange sich deren Milliarden-Investi-tionen in ihre TFT-Fertigungslinien nicht amortisiert haben, wer-den OLEDs wohl weiterhin eher ein Schattendasein führen.“ Zu-dem, so Hagenacker, sei die Notwendigkeit OLEDs einzusetzen, auch nur für wenige Applikationen gegeben. Für den Großteil rei-che ein TFT völlig aus zumal es nach wie vor preislich deutlich at-traktiver sei.

Dem preislichen Aspekt kann Marc Corrigan nur zustimmen: „TFTs werden in riesigen Mengen hergestellt. Neu au ommende Technologien haben es bei niedrigeren Stückzahlen sehr schwer, auf dem Markt Fuß zu fassen.“ Den Antrieb aus dem Consumer-Bereich sieht auch Mario Klug: „Sobald sich eine Technologie durchsetzt, die Stückzahlen steigen und damit die Produktionskos-ten sinken, kommen auch irgendwann industrietaugliche Systeme auf den Markt.“ Dem hält Hagenacker entgegen, dass diese eorie bei den kleinen OLEDs bislang nicht funktioniert habe. Diese sehr viel für Handys genutzten OLEDs werden zwar in sehr hohen Stückzahlen hergestellt, haben sich aber trotzdem in der Industrie nicht durchgesetzt, da sie die hohen Anforderungen für diesen An-wendungsbereich einfach nicht abdecken können. In diesem Punkt habe sich bei farbigen OLED-Displays auch nichts geändert.

Konrad Szabo hebt in diesem Zusammenhang nochmals her-vor, dass der OLED-Einsatz von der Applikation und vom Kun-den abhängig sei. „Wir haben aktive OLEDs von Sony im Pro-gramm mit einer garantierten Laufzeit von 30.000 Stunden ohne Einbrennen im Programm. Kunden, die die optischen Eigenschaf-ten, die diese selbstleuchtende Technologie zweifelsohne hat – sie sind sehr dünn, haben einen sehr guten Blickwinkel, die Struktur wirkt äußerst brillant – wünschen, wollen diese Technik auch ha-ben. Es gibt bis jetzt allerdings sehr wenige, die bereit sind, dies auch zu bezahlen.

Für die meisten Applikationen ist ein TFT ausreichendAuch Marc Corrigan hat die Erfahrung gemacht, dass der Einsatz von OLEDs von der jeweiligen Applikation abhängt. „Muss das Display nicht immer angeschaltet sein, sondern nur bei Bedarf, dann ist ihr Einsatz sinnvoll. Die bereits erwähnten Vorteile dieser Technik sind für manche Applikationen durchaus sehr nützlich. Bei PMOLEDs ist der Einsatz mittlerweile sogar verhältnismäßig kostengünstig, bei AMOLED liegt die Schwelle deutlich höher.“ Im Vergleich zu TFTs sind OLEDs um den Faktor acht bis zehn teurer als TFTs. Je größer die Abmessungen werden, umso weiter geht die Schere auseinander, so die Einschätzung der Experten.

Allerdings, und hier sind sich ebenfalls alle einig, sind TFTs in-zwischen auch was Blickwinkel und Kontrast betri so gut gewor-den, dass man den Unterschied zu OLEDs kaum mehr merkt. Trotz Backlight und Folie sind sie vergleichbar dünn. Daniel Diet-rich unterstreicht: „Die Au ösung von TFTs wird immer höher. Displays werden zunehmend brillanter. Inzwischen ist das Back-light so dünn wie eine Folie und gleichzeitig äußerst e zient. Sehr vieles wurde optimiert.“ In diesem Zusammenhang hebt Szabo noch hervor, dass die Umstellung beim Backlight von CCL auf LED das TTF nochmals dünner gemacht habe.

Situation im Bereich E-PaperKurz wird noch auf ein eher etwas exotischeres ema eingegan-gen: E-Paper. Diese Technik zielt in völlig neue, im Display-Be-reich zuvor nicht existente Märkte. Vieles, das vorher nur mit er-heblichem Aufwand realisierbar war, lässt sich mit dieser Technik

„Rutronik ist ein organisch gewachsener Broadliner, der vom Bauelement bis zu ferti-gen Lösungen ein breites Produkt-Portfolio hat. Daran wird sich auch langfristig nichts ändern. Trotz oder gerade mit der Breite des Produktportfolios können unsere Kunden Technologien kombinieren und eine ganz spezifi sche, ihren Anforderungen entspre-chend, Lösung von uns bekommen. Unter Rutronik Embedded arbeiten aus allen Pro-

duktbereichen Produktspezialisten und Applikationsingenieure für die Embedded-Systeme zusammen. So verbinden wir die Stärken aus den verschiedenen Fachbereichen und führen das Know-how zusammen. Um nicht mehr nur Displays an den Kunden zu verkaufen, oder nur Sen-sorik, oder nur Boards, sondern eine komplette Lösung, abgestimmt auf die Kundenbedürfnisse. Rutronik ist kein Auftragsfertiger. Das wollen wir auch nicht werden. Denn wir haben ein großes Kundenumfeld im Bereich der Auftragsfertiger, Technologiepartner und Hersteller, mit de-nen wir nicht in Wettbewerb treten wollen. Durch die gute Verzahnung unseres Netzwerkes mit den Endkunden, den Engineering-Partnern und den Auftragsfertigern konnten wir schon viele wichtige Projekte gewin-nen. Wir sehen den Trend, dass immer weniger Kunden eigene Board-Designs anstreben und vermehrt auf Standardlösungen zurückgreifen, die eine kundenspezifi sche Eigenentwicklung überfl üssig machen.“

Mario Klug, Rutronik

„Actron ist auf Displays spezialisiert und im Small- and Medium-Size TFT-Bereich aktiv. Wir sehen auch in diesem Bereich unsere Stärken und den Trend in dem wir uns auch in der Zukunft bewegen werden: TFTs zu-sammen mit Touchsystemen, sei es resisti-ves PCAP-Touch oder andere Touch-Techno-logien, und dazu natürlich die Schutzscheibe davor. Alles zusammen als Bundle, das ist das, was wir als Trend sehen. Darauf kon-

zentrieren wir uns in den nächsten Jahren komplett.“

Daniel Dietrich, Actron

„Data Modul ist ein reines Displayhaus. Wir haben keinen Halbleiterbereich, keine Dru-cker oder dergleichen, das Display ist für uns das A und O. Das war in den letzten 20 Jahren so und wird auch in Zukunft so sein. Wir haben einerseits einen Distributionsbe-reich, der immer da sein wird, das heißt das Display wird weiterverkauft. Wir sehen aber auch die Zukunft ganz klar in Komplettlösun-gen. Wir haben eine Produktion mit 18.000

m² in Weikersheim, wo im Jahr zirca 120.000 Komplettlösungen für Kunden gebaut werden. Wir haben in eine eigene PCAP-Technologie investiert und haben die Möglichkeit des optischen Bondens von TFTs und Touchpanels, das heißt Komplettlösungen, inklusive Embedded, für den Kunden. Das ist die Zukunft, die wir für uns sehen und wo wir unsere Industriekunden noch mehr unterstützen wollen. Wir werden dabei mit unseren Industriekunden nicht in Konkurrenz treten. Das heißt, wir werden keine Endgeräte anbieten, aber wir werden den Kunden eine komplette Displaylösung anbieten können.“

Konrad Szabo, Data Modul

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Display-Technik

einfacher umsetzen. So können beispielsweise in Krankenhäusern Zimmerbeschri ungen reali-siert oder in Gebäuden die Besetzung der Räume bestimmt werden. Die Daten werden einmal per Netzwerk eingespielt und bleiben für eine be-stimmte Laufzeit erhalten. Dazu Marc Corrigan: „Wir betrachten E-Paper als einen interessanten Nischenmarkt. Meist sind es Kunden, für die der Low-Power-E ekt sehr wichtig beziehungsweise Kunden, für die ein kontrastreiches, sehr gut les-bares Display vorrangig ist, das nicht aufdringlich ist und von anderem ablenkt.“

Einsatzbeispiele sieht Corrigan zum Beispiel bei Beschri ungen von Exponaten in Museen, in der Logistik oder in Supermärkten, als Ersatz für Papieretiketten. Marc Corrigan hebt hervor: „Ein E-Paper fügt sich im Gegensatz zu einem leucht-enden TFT ein wie ein Blatt Papier. Für uns wird ein E-Paper nicht wirklich Displays ersetzen, son-dern eher Papier. Es bleibt sicher ein Nischenpro-dukt, aber bestimmt ein sehr interessantes, das Applikationen erö net, die mit keinem anderen Display bedienbar sind.“

Industrieller Display-MarktDie Anforderungen an den industriellen Markt haben sich für Mario Klug von Rutronik ziemlich gewandelt. „Wenn man den richtig harten Indust-riebereich betrachtet, wenn es um Maschinenbau geht, um Industrieautomatisierung, um Maschi-nen, die auch in rauen Umgebungen bei großen Temperaturschwankungen noch funktionieren müssen, dann legt der Kunde großen Wert auf ei-ne lange Verfügbarkeit über viele Jahre. Wir reden hier über o mals sehr teure Maschinen, bei de-nen das HMI-System nur einen kleinen Bruchteil des Gesamtpreises ausmacht. Da sehe ich einen klaren Trend hin zu hochwertigen Displays. Die höheren Stückzahlen gehen zunehmend in den Digital-Signage-Bereich, POI- oder POS-Systeme und dort ist der Preisdruck höher. Dort ist auch

die Langzeitverfügbarkeit nicht mehr das Haupt-thema, sondern eher, dass sich ein adäquater Preis bei einer sehr guten Bildqualität realisieren lässt.“

Konrad Szabo von Data Modul ergänzt: „Das ist das, was sich die Kunden wünschen. Im Endef-fekt hätten sie gerne beides, den Consumer-Preis und die Industriespezi kationen. Vor fünf bis sechs Jahren war es noch so, dass 90 Prozent der Kunden sagten: Industriespezi kation ist mir das wichtigste. Aber da hat sich wirklich etwas ge-wandelt. In manchen Bereichen, wie zum Beispiel POS, ist der Preisdruck immens. Die Kunden sind auch exibler geworden. Früher war das Design für den Kunden meistens schon so, dass mechani-sche Änderungen für ihn eine Katastrophe waren, weil er sehr teure Werkzeuge genutzt hat. Auch diese Kunden sind zwischenzeitlich soweit, dass sie sagen, ich sehe meine Mechanik und Abstim-mung so vor, dass ich verschiedene Displaytypen einsetzen kann.“

Klaus Hagenacker von MSC Technologies fügt hinzu: „Und es werden mitunter auch hinsichtlich der Spezi kationen immer mehr Kompromisse als früher eingegangen, um die Lösungen günsti-ger machen zu können. Ja, ohne Frage, im Indus-triebereich hat inzwischen das typische Consu-mer-Verhalten Einzug gehalten. Wer aber eine ganz spezielle Spezi kation oder einen erstklassi-gen Service benötigt, der ist nach wie vor auch durchaus bereit, dafür zu bezahlen.“

Konrad Szabo, Data Modul: „Auch einige Her-steller folgen diesem Trend. Früher gab es aus-schließlich 50.000-h-LEDs für die Hintergrund-beleuchtung, jetzt sind auch Varianten mit 30.000-h-LEDs verfügbar, ganz einfach, um den Preis günstiger gestalten zu können. Für einige Applikationen ist das absolut ausreichend. Man akzeptiert also bei gleicher industrieller Spezi ka-tion eine geringere Lebensdauer, um kostengüns-tiger zu werden.“

Mario Klug, Rutronik: „Es gibt einen sehr gro-ßen semiprofessionellen Bereich wie Wintergar-tensteuerung, POS/POI-Systeme, Kassensysteme, da muss es immer kostengünstiger werden. Das Problem ist, wenn sie heute in so ein System ein TFT eindesignen bei dem das TFT alleine schon 200 Euro kostet, ist damit schon der Gesamtpreis des Gerätes erreicht. Das ist natürlich ein Prob-lem. Gerade in Asien, speziell in China, schießen neue Display-Hersteller wie Pilze aus dem Boden, die sich genau dieser Problematik annehmen. Sie kümmern sich um kleine Displays mit Diagona-len bis zu sieben oder acht Zoll. Dem Trend muss man einfach Rechnung tragen und die entspre-chenden Displays im Portfolio haben.“

Dazu Marc Corrigan von Densitron: „Der Kunde muss die Anforderung auch wirklich brauchen, wie zum Beispiel hohe Anforderungen an den Temperaturbereich oder vor allem die Forderungen nach einer langen Verfügbarkeit im Medizinbereich. Wenn das nicht der Fall ist, wer- ELECTRONIC ASSEMBLY GmbH

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Display-Markt aus Expertensicht

Auf einen Blick

TFTs und maßgeschneiderte Komplettsysteme sind die Hauptthemen im Display-Markt. Darüber waren sich die Experten einig. Im Industriebereich ist Eu-ropa und hier insbesondere Deutschland, durch sei-ne stark mittelständisch geprägte Industrieland-schaft, technisch führend. Grundsätzlich sind die Ansprüche in Europa ganz anderer Art als in Asien oder anderen Märkten. Anforderungen wie Langle-bigkeit und Temperaturverhalten rücken hier mehr in den Mittelpunkt. In vielen Dingen war man sich grundsätzlich durchaus einig. Im Detail gab es je-doch auch unterschiedliche Standpunkte und Argu-mentationen der verschiedenen Distributoren, die in diesem Artikel ausführlich aufgezeigt werden.


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Display-Technik

den bevorzugt günstigere Displays genommen.“ Die Zerti zierung kostet zum Beispiel für medizinische Geräte richtig viel Geld und deshalb will man nicht nach ein oder zwei Jahren das Display aus-tauschen. Klaus Hagenacker, MSC Technologies, fügt ergänzend hinzu, dass gerade einmal in rund zehn Prozent der Applikationen die Kunden dazu bereit sind, für bestimmte Spezi kationen auch mehr Geld zu bezahlen.

Obsolescence-Problem?Die Kunden sind im Laufe der Jahre sehr sensibel geworden. Die meisten haben schon schlechte Erfahrungen gemacht. Sie richten die Geräte jetzt schon bei der Entwicklung darauf aus, zum Bei-spiel durch ein zusätzliches Trägerelement, das verschiedene Dis-playgrößen aufnehmen kann.

Mario Klug, Rutronik, gibt zu bedenken, dass alles auch einen entscheidenden technischen Aspekt hat: „Die vorherrschende Schnittstelle für TFT ist immer noch LVDS. Und das Problem ist, jeder Hersteller verbaut, wenn man mal von den 15-Zoll-Typen

„Auch Densitron ist ein Displayspezialist. Wir wollen uns natürlich von den Me-Too-Produkten entfernen und, wenn irgendwie möglich, mit der System-Integration von Touchpanels, mit verklebten, optisch ge-bondeten Lösungen. Wir sehen ebenso den Trend zu E-Paper und wollen hier sogar Endgeräte auf den Markt bringen, die es ei-nem Einzelhändler zum Beispiel ermögli-chen, ein Produkt von Densitron einfach plug-and-play einzusetzen. Und ich denke,

es wird ein Trend bei Densitron sein, dass wir immer mehr in Rich-tung Komplettlösungen für den Kunden gehen. Einfach das Enginee-ring in den Vordergrund stellen und weniger das Komponenten-Distri-butionsgeschäft. Dass wir wieder zu den Tagen zurückkehren, wo Densitron fast ausschließlich maßgeschneiderte Lösungen in Zusam-menarbeit mit dem Kunden realisiert hat, und gute Beratung und Kompetenz ein wesentlicher Faktor waren. Dass wir dieses Know-how im Engineering einfach für den Kunden wieder anbieten und uns so im Markt absetzen.“

Marc Corrigan, Densitron

„Entscheidend ist, dass es ungeachtet der aktuell jeweils bevorzugten Technologien inzwischen immer mehr Applikationen gibt, bei denen Displays zum Einsatz kommen. Diese Entwicklung wird sich in den nächs-ten Jahren eher noch beschleunigen, wo-bei wir uns bei MSC Technologies in unse-rer Doppelfunktion als Display-Distributor und Anbieter eigener Embedded-Systeme für den sich immer stärker abzeichnenden Trend hin zur Komplettlösung schon heute

bestens gerüstet sehen. Ich bin mir sicher, dass uns dieses seit kur-zem bei MSC Technologies unter einem Dach vereinte Expertenwis-sen exzellente Möglichkeiten für ein weiterhin überdurchschnittliches Wachstum bietet. Für mich persönlich ist die Touch-Technologie ein Highlight, in die wir auch weiterhin viel investieren werden, um hier in Europa Lösungen anbieten zu können. Aber auch kundenspezifi sche TFTs für den Industriebereich bilden einen Schwerpunkt, in den wir investieren werden.“

Klaus Hagenacker, MSC Technologies

Bild 1: Mario Klug, RutronikBild 2: Daniel Dietrich, ActronBild 3: Konrad Szabo, Data ModulBild 4: Klaus Hagenacker, MSC TechnologiesMarc Corrigan, Densitron

absieht, seinen eigenen spezi schen Stecker, mit seinem eigenen spezi schen Pinning. So lässt sich nicht einfach zum Beispiel ein Samsung-Display rausziehen und ein Sony- oder LG-Display an-stecken. Und dann haben sie natürlich alle spezi sche Timings, die auf den Boards wieder programmiert werden müssen. Auf der Ein-kaufsseite möchte der Kunde natürlich auch eine Second Source haben und nicht abhängig von einem Displayhersteller aus Asien sein, von dem man nicht weiß, ob es ihn morgen vielleicht gar nicht mehr gibt. Solange sich bei dem Anschlussstandard nicht et-was durchsetzt, das plug-and-play austauschbar ist, sind dort keine großen Änderungen zu erwarten.“

Konrad Szabo, Data Modul: „Die einzelnen Hersteller bemühen sich, die Nachfolgemodelle einer Linie mechanisch und elektrisch kompatibel zu machen. Wenn ein Produkt einen gewissen Punkt auf der Lebenszykluskurve erreicht hat, kann es sich preislich auch nicht mehr stark reduzieren lassen. Dann sind zudem o mals rela-tiv alte Komponenten in den TFTs verbaut. Der Kunde erwartet jedes Jahr eine Preisreduzierung, möchte jedoch das TFT über ei-nen Zeitraum von acht oder neun Jahre geliefert bekommen. Die Komponenten, die damals eindesigned und verbaut wurden, die sind nach vier bis fünf Jahren in Stückzahlen eigentlich zu teuer.“ Klaus Hagenacker, MSC: „Mit den großen Herstellern hat man in der Regel ein Last-time-buy organisiert.“

Marc Corrigan, Densitron: „Die Technik entwickelt sich ja auch rasant, man merkt schon nach zwei bis drei Jahren, um wie viel besser die Displays geworden sind. Und daher muss natürlich ein Hersteller immer wieder neue Displays auf den Markt bringen. Die Kunden fordern ja auch die besten Kontraste, die größten Hellig-keiten und so weiter. Und Displays, die schon neun Jahre unverän-dert auf dem Markt sind, die sind ein alter Hut. Sie sind zwar lang-fristig verfügbar, aber nicht langfristig verkau ar. Es ist wirklich eine Gratwanderung zwischen Verfügbarkeit und Hightech.“

Mario Klug, Rutronik: „Wobei man sagen muss, im Industriebe-reich werden auch viele Displays überdimensioniert eindesignt, mit Spezi kationen, die das Anforderungspro l der Anwendung deutlich übertre en. Wenn ich ein statisches Maschinen-Interface habe, das nur durch wenige So -Buttons bedient werden kann, be-nötigt man keine extrem schnelle Bildwiederhol-Frequenz oder höchste Au ösung.“

Marc Corrigan, Densitron, weiß aus Erfahrung: „Ein Produkt verkau sich o über das Display. Vor dem iPhone wollte keiner Touch, jetzt sollte es auch schon PCAP-Technik haben.“

Daniel Dietrich: „Der Designaspekt ist durch die PCAP-Touches und die Möglichkeit, dass ich davor ein Glas mit einer speziellen Form setzen und bedrucken kann, viel größer geworden. Ich kann mich dadurch einfacher von der Konkurrenz hochwertig abset-zen.“ Auch Bedienung mit Handschuhen ist heute kein Problem mehr, so die einhellige Meinung der Experten.

„Die Touch-Technologie bietet auch dem Maschinenhersteller Vorteile. Früher hatte er für unzählige Sprachversionen eine Tas-tenbedienung um das Display herum gehabt. Die Folien mussten bedruckt werden und so weiter. Heute macht er dies alles in So -ware und das ergibt den Mehrwert. Selbst kleinere Hersteller, die 100 bis 200 Geräte bauen, haben dadurch eine Möglichkeit, ihre Geräte weltweit zu positionieren“, ergänzt Mario Klug, Rutronik.

Marc Corrigan: „Ich würde niemandem mehr einen Single-Touch PCAP verkaufen wollen, weil die langsam aussterben. Mul-titouch-Displays beherrschen den Markt, vor allem weil Multi-touch etwa das Gleiche kostet wie Singletouch und exibler ist.“

Dazu Konrad Szabo von Data Modul: „Das ema Touch ist auch bei unseren Kunden äußerst wichtig geworden. Wobei man

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in diesem Zusammenhang auch noch sagen muss, dass es Kunden teilweise noch gar nicht benötigen, weil die Software in ihrer Ap-plikation überhaupt nicht vorhanden ist. Vor allem für die nächste Generation von Geräten geht es um Multitouch. Früher hatten die Kunden überhaupt kein Touch beziehungsweise, wenn, dann le-diglich ein resistives Touchpanel. Und heute haben sie eventuell Multitouch mit einer gebondeten Scheibe und mit allen möglichen zusätzlichen Features. Das bedeutet, dieses Touchpanel ist in den meisten Fällenn teurer als ein TFT, vor allem wenn die Scheibe ge-bondet ist. Früher war ein TFT die teuerste Komponente, heute ist es oft das Touchpanel mit der Scheibe davor. Dies ist für viele Kun-den auch ein zusätzlicher Kostenfaktor, den sie dem Endkunden verkaufen müssen, obwohl dieser eigentlich gar nicht dafür bezah-len wollte.“

Klaus Hagenacker, MSC Technologies: „Ich kann aber sehr viel mehr mit Design machen, kann mit der Frontscheibe schöne glatte Designs ohne Schmutzkanten erzielen. Und es gibt auch noch eine ganze Reihe von technischen Vorteilen, wenn man zum Beispiel Spritzwasser-geschützte Geräte haben oder Geräte generell in feuchten Umgebungen einsetzen möchte. Sowas wird dann auch im Industriemarkt bezahlt.“

Konrad Szabo, Data Modul: „Die Integration vom PCAP ist deutlich komplizierter als ein resistives Touchpanel und die Kun-den wollen eigentlich auch ein Frontglas. Es gibt Kunden die zwar nur 1000 Geräte herstellen, aber mit 15 verschiedenen Scheiben: einmal in Schwarz, einmal in Gelb, in Grün mit einem anderen Logo für seinen Endkunden. Das ist ein wichtiger Faktor für uns, den wir bieten können. Wir haben die Bonding-Lösungen bei uns im Haus installiert und können den Kunden das Frontglas direkt auf das PCAP bonden, oder auch zusammen mit dem TFT. Vorteil für den Kunden: Er bekommt ein komplettes System und wir bie-ten die Gewährleistung.“

Gewinner und Verlierer?Farbe wird oft von den Kunden nachgefragt, das ist ein Feature, das sich gut verkaufen lässt. Deutlicher Gewinner ist also TFT, ist die Meinung der gesamten Runde. Für Mario Klug, Rutronik, wird der Markt für passive Technologien kleiner, dafür aber spezialisierter: „Bis sie im Radiowecker mal ein Aktiv-TFT drin haben, wird es noch sehr lange dauern und wird dann wohl eher durch ein OLED ersetzt werden. Ein weiteres Beispiel ist die Batteriekapazitätsan-zeige im Rasierapparat. Es gibt nach wie vor Anwendungen, in de-nen Passivdisplays ihre Berechtigung haben. Allerdings laufen die in sehr hohen Stückzahlen zu extrem niedrigen Preisen und sind in der Regel immer kundenspezifisch.“

Marc Corrigan, Densitron, weist darauf hin, dass: „ein paar wichtige Märkte für den Passiv-LCD-Bereich wegfallen werden. Weil einfach die TFTs durch die Massen, die über den Tisch gehen, günstiger als das monochrome Äquivalent und einfach deutlich besser lesbar sind.“

Daniel Dietrich, Actron: „Mit einem gewissen Maß an vernünf-tigen Tooling-Kosten kann ein Kunde sich ein sehr schönes mono-chromes Display ganz einfach selbst bauen. Das ist beim TFT naürlich um einiges teurer. Zum Teil haben auch noch die alpha-numerischen Displays ihre Berechtigung. Die alphanumerischen Displays werden einem allerdings langsam aber sicher hinterher geschmissen.“ TFT kann Farbe anbieten, es kann dünn sein, es kann energieeffizient sein und es kann günstig sein, es kann also nahezu alles. n

Die Autoren: Hans Jaschinski ist Chefredakteur und Andrea Hackbarth ist Redakteurin bei elektronik industrie.

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Display-Technik

Während ITO-basierte Lösungen hinsichtlich Linearität, Auflösung und Störfestigkeit eine geringere Leistung bieten, bringen X-Sense-Touch-Sensoren in diesen Bereichen einige Verbesserungen. Zudem ermögli-

chen sie Entwicklungsingenieuren die Realisierung von völlig neu-en Produkten. Denkbar sind beispielsweise Touch-Produkte mit engen Rahmen, gebogenen Oberflächen und mit rahmenlosen Touchscreens.

Fortschrittliche Touch-Sensoren durch niedrigeren SchichtwiderstandDie FLM-Technologie (Fine-line metal) ist die Grundlage für neue hochflexible, dünne Touch-Sensoren. Verglichen mit konventio-nellen Sensormaterialien haben die X-Sense-Sensoren einen deut-lich niedrigeren Schichtwiderstand. Dies ist aus mehreren Grün-den ein wichtiger Fortschritt für Touch-Sensor-Designs. Der

Hochflexible, dünne Touch-SensorenNächste Generation filmbasierter Touch-Sensortechnologie

Die bei Touchscreens zugrundeliegende Technologie wird stetig weiterentwickelt und eröffnet neue Möglich-keiten. Besonders bei Touchscreen-Controller und Touch-Gesten-Algorithmen gab es deutliche Fortschritte. Aktuelle Sensorlösungen, wie die auf Indiumzinnoxid (ITO) basierenden, hinken hinsichtlich der Entwicklung dagegen bis jetzt etwas hinterher. Ein aktuelles Beispiel für innovative Sensorlösungen ist der Atmel-X-Sense- Metallgewebe-Touch-Sensor. Autor: Brett Gaines

Schichtwiderstand der X-Sense-Touch-Sensoren liegt im Allge-meinen bei weniger als einem Zehntel dessen, worüber ITO-ba-sierte Sensoren verfügen. Außerdem erlauben der niedrige Schichtwiderstand und die äußerst geringen Ausrichtungstoleran-zen des Sensorgewebes viel kleinere Sensorrahmen und Bondflä-chen. Dies verkleinert die mechanische Baugröße der unterstüt-zenden Schaltung des Touch-Sensors.

Bild 1: Elektrodenanschluss bei einem ITO-basierenden Touch-Sensor.

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Durch den hohen Schichtwiderstand von ITO müssen die Elektroden des Touch-Sensors oft an beiden Enden mit dem Touchscreen-Controller verbunden wer-den (Bild 1). Diese Anordnung erfordert deutlich breitere Sensorrahmen besonders für größere Displays mit einer großen Zahl von Sensorknoten. Weiterhin begrenzt der beim Aufbringen der Metallbahnen ange-wandte Siebdruckprozess den Abstand der Leiterbahnen. Zudem macht der hohe Schichtwiderstand von ITO die Implemen-tierung einer kapazitiven Touch-Erken-nung bei großen Displays schwierig.

Im Gegensatz dazu ist der Elektroden-Schichtwiderstand bei den X-Sense-Senso-ren deutlich niedriger, sodass bei dieser Technologie durch Elektrodenverbindun-gen lediglich an einem Ende die Breite des Rahmenbereiches deutlich verkleinert werden kann. Dies gilt auch bei Displays über 10 Zoll.

Möglichkeit für schmale RahmenDer in der Fertigung des Materials verwen-dete einstufige Abscheideprozess ermög-licht eine auf 10 µm genaue Ausrichtung der Schichten mit einer Toleranz, die deut-lich geringer ist als bei einem typischen mehrlagigen ITO-Sensor. Dadurch haben X-Sense-Sensoren gegenüber ITO-Senso-ren schmalere FPC-Bond-Flächen. Zudem liegt die Leiterbahnbreite bei einem X-Sen-se-Sensor der ersten Generation bei 30 µm und der Abstand bei 40 µm. Diese Platzein-sparungen zusammen ermöglichen Rah-menbreiten, die einen Bruchteil der Breite von ITO-Sensoren aufweisen (Bild 3).

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Bild 2: Elektrodenan-schluss beim X-Sense-Touch-Sensor.

Bild 3: 10,1-Zoll-ITO-Sensor mit typischem Tracking und FPC.

Schließlich sind die Elektroden flexibel und können um die Kanten herumgebogen werden, was neue Produkt-Designs er-möglicht. Dagegen sind die Elektroden von konventionellen Sensoren, sobald diese ge-ätzt und gehärtet sind, spröde und können nicht so einfach geformt werden, um sich einer Oberfläche anzupassen. Die Entwick-lungsingenieure sind damit in der Lage, die aktive Fläche des Sensors zu erweitern so-wie den Sensor um die Seiten eines Geräts herumzuführen und die Leiterbahnen auf die Seite oder Rückseite des Geräts zu le-gen. Dadurch bleibt die gesamte Oberflä-che auf der Frontseite für die Touch-Bedie-nung frei.

Weniger Störempfindlichkeit, besse-res Sensor-AnsprechverhaltenEines der Hauptprobleme bei kapazitiven Touch-Sensoren ist die große Nähe zu Störquellen, wie Displays. Preisgünstige USB-Ladegeräte bringen zusätzliche Prob-leme, da sie weitere Störungen in das ge-samte Gerät einbringen. Ein wichtiger Fak-tor, der beeinflusst, wie stark sich Störun-gen auf das Verhalten des Touch-Sensors auswirken, ist die Ladezeit des Sensors. Je länger die Ladezeit ist, desto mehr Zeit ha-ben die Störungen, um sich in die Signale einzukoppeln und dadurch das Verhalten des Touch-Sensors zu beeinflussen.

Weil konventionelle Sensor-Elektroden viel höhere Widerstandswerte haben, sind deren RC-Ladezeitkonstanten deutlich länger, was eine längere Zeit für den Ein-gangs-Ladeimpuls erfordert. Normaler-weise liegt diese Zeitdauer bei 2 µs oder

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Display-Technik

Neue, innovative Produkte realisierenFür viele Verbraucher sind Touchscreens inzwischen ein fester Be-standteil des täglichen Lebens geworden. ITO-basierte Sensoren ha-ben die Verbreitung von Touch-Bildschirmen in der Konsumelektronik sowie in Industrie- und Automobilanwendungen beschleunigt. Die Entwickler überlegen sich immer neue Bedienschnittstellen für mobi-le Geräte. In den Bereichen in denen ITO-basierte Lösungen geringere Leistung bieten wie Linearität, Aufl ösung und Störfestigkeit, bringen die X-Sense-Touch-Sensoren Verbesserungen, wodurch sich neue, innovative Produkte realisieren lassen.


Auf einen Blick

mehr, je nach Bildschirmformat und sie ist ausreichend, um eine starke Einkopplung der Störung in das Touch-Signal zu erlauben. Dies reduziert den Rauschabstand (SNR) und macht eine zuverläs-sige Touch-Erkennung schwierig. Die Ladezeit für ITO-Sensoren kann nicht deutlich verkürzt werden, sonst laden sich die Elektro-den nicht vollständig auf und die Sensorleistung verschlechtert sich zudem.

Der Autor: Brett Gaines ist Director of Marketing and New Business Development, Touch Materials bei der Atmel Corporation.

Ein Sensormaterial mit niedrigem Schichtwiderstand senkt je-doch die RC-Zeitkonstante deutlich und erlaubt eine beträchtlich kürzere Ladezeit. Dies reduziert nicht nur die Störeinkopplung, sondern senkt auch den Stromverbrauch. Von der höheren Leis-tungsfähigkeit pro tiert auch der Touchscreen-Controller, wie sie der X-Sense-Sensor bietet. Vorteile, wie eine höhere Anstiegsge-schwindigkeit und kürzere Ladeintervalle kann diese Kombination ermöglichen. Wird zum Beispiel ein X-Sense-Sensor zusammen mit dem Atmel-maXTouch-Touchscreen-Controller verwendet, lassen sich Ladezeiten von weniger als 1 µs erreichen. Dies hat deutlich geringere Störungen und ein verbessertes Sensorverhalten zur Folge.

Verbesserte StiftbedienungDa Tablet-PCs immer beliebter werden, ist die Möglichkeit mit ei-nem Sti handschri lich Notizen auf das Display zu schreiben eine logische Anwendungserweiterung für diese Geräte. Die Sti einga-be stellt aufgrund der kleinen Kontakt äche der Spitze und der genauen Erfassung der dynamischen Handschri linien eine ein-zigartige Herausforderung für kapazitive Touch-Sensoren dar.

Die relativ groben Elektrodeneigenscha en von konventionellen Sensoren haben eine ungleichmäßige Verteilung des elektrischen Felds über die Ober äche des Sensors zur Folge. Dadurch lässt sich eine konsistent gleichmäßige Linearität mit diesen Sensoren nur schwer erreichen, außer der Touchscreen-Controller arbeitet mit einer starken Signal lterung. Die umfangreiche Signalverarbei-tung führt dann aber zu einer längeren Verarbeitungszeit und zu einer großen Verzögerungszeit zwischen der Bewegung des Sti s und der Darstellung der Linie auf dem Display, was ein genaues Schreiben sehr schwierig macht. Schließlich können bei einer um-fassenden Verarbeitung auch kleine Linien herausge ltert werden, so dass kleine Buchstaben unter Umständen nicht erkannt werden. Deshalb ist die Bewegungs lterung auf ein Minimum zu reduzie-ren oder muss bei der Erfassung von Handschri ganz abgeschaltet werden, um das Ansprechverhalten zu verbessern. Damit ist aber ein Kompromiss hinsichtlich der Linearität erforderlich.

Im Gegensatz dazu erlauben die Merkmale des X-Sense-Sensors Knotenkon gurationen, die eine sehr gleichförmige Feldvertei-lung und eine äußerst gute Linearität aufweisen, so dass eigentlich nur wenig oder gar keine Bewegungs lterung für das Signal not-wendig ist. (ah)

Bild 7: Typischer X-Sense-Ladeimpuls mit maXTouch-S-Touchscreen-Cont-roller.

Bild 6: Typischer ITO-Ladeimpuls.

Bild 5: Randloses Smartphone-Konzept mit kapazitiver seitlicher Steuerung.

Bild 4: Beispiel eines 10,5-Zoll-X-Sense-Sensors mit Tracking und FPC Bond-Flächen.

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Display-Technik

Display-Technik

D Kreatives Design ist nicht nur in der Unterhaltungsbran-che gefragt, auch die Hersteller von Ka eeautomaten, Weißer Ware und Geräten für die Gebäudeautomatisie-rung haben farbige Displays längst als Eyecatcher für ihre

Produkte entdeckt. Entsprechend groß ist auch das Interesse an individuellen kundenspezi schen TFT-Display-Lösungen.

Was viele mittelständische, im „Low-Volume/High-Mix“-Be-reich agierende Unternehmen bislang noch vom Einsatz solcher Full-Custom-Displays abschreckt, sind die hohen Einstandskos-ten. Noch vor nicht allzu langer Zeit beliefen sich in der Regel al-lein die Tooling-Kosten für solche Projekte auf 500.000 bis zu einer Million Dollar. Dazu kamen noch Mindestabnahmemengen von 100.000 Stück und mehr pro Jahr. Viel zu viel für den klassischen Mittelstandsmarkt, fand Marketing Manager Custom Design Dis-plays Roland Federle von der MSC Technologies Display Solution Gruppe, und machte sich auf die Suche nach einem preiswerteren, exibleren und trotzdem qualitätsbewussten Kooperationspartner.

Fündig wurde er bei Truly. Das 1979 gegründete chinesische Display-Unternehmen verfügt über eine Produktions äche von etwa einer Million Quadratmetern mit sieben STN-, einer TFT-, vier Touch-Panel-, einer OLED- sowie mehreren Assembly-Lini-en. Truly ist ISO/TS 16949 zerti zierter Automotive-Lieferant, weist weitere Qualitätszerti kate wie ISO 9001, TL 9000, QC 080000 und ISO 14001 vor und hat einen Durchsatz von rund 300 Millionen LCDs pro Jahr. „Speziell bei Diagonalen zwischen 5,6 und 17,8 cm, dem Bereich, in dem wir die meisten Anfragen nach kundenspezi schen Displays erhalten, verfügt Truly über ein brei-tes, in TN- oder Vertical-Alignment-Technologie gefertigtes Port-folio an Standard- und Semi-Custom-TFTs“, so Federle.

Die Zusammenarbeit mit Truly im Bereich Full-Custom-TFTs sieht Federle auch insofern als Glücksfall, weil sich seinen Erfah-rungen zufolge kundenspezi sche TFTs nur mit Herstellern reali-

Individuell heißt nicht unbezahlbarTooling-Kosten für kleine Full Custom TFTs gesunken

Ein neues Gerät ganz ohne Display? Heutzutage kaum mehr vorstellbar. Selbst ein passives LCD reicht oft nicht mehr aus, um den hohen Erwartungen der Kunden Rechnung zu tragen. Das zeigt auch die stark steigende Nachfrage nach maßgeschneiderten quadratischen, länglichen, dreieckigen oder runden TFTs. Dank gesunkener Tooling-Kosten rechnen sich solche Full-Custom-TFT-Lösungen laut den Experten von MSC Technologies inzwi-schen oft sogar schon bei Annahmemengen von einigen 10.000 Stück pro Jahr. Autorin: Andrea Hackbarth

sieren lassen, die man sehr gut kennt. Vor allem, wenn es um Son-derformen wie maßgeschneiderte quadratische, dreieckige oder runde TFTs geht.

„Dass uns mit Truly schon vorher eine jahrzehntelange erfolg-reiche Vertriebspartnerscha verbunden hat, gibt Sicherheit beim Gespräch mit den Kunden. Als Distributor, der bei der Evaluie-rung und Realisierung eines Full-Custom-TFT berät, sollte man sehr genau wissen, wozu der Partner technisch in der Lage ist und wie sehr er sich auf die Wünsche und Anforderungen des Kunden einlässt.“ Wie Federle erklärt, gehe es nicht nur darum, alle wichti-gen Parameter zu erfassen und an die Hersteller weiterzuleiten. „Wer einen Gerätehersteller aktiv bei der Entwicklung seines Full-Custom-TFTs unterstützen will, muss ihm schon in der Evaluie-rungsphase sagen können, ob seine Vorstellungen in Bezug auf Form, Größe, Au ösung, Chip-on-Glass-Controller, Backlight-Varianten, Design-to-Cost und so weiter technisch umsetzbar oder unrealistisch sind.“

Ein guter Entwicklungspartner sollte dem Kunden auch zeigen können, wie sich zusätzlich Platz oder Strom sparen lassen oder wie die „Life-Time“ des Backlights erhöht werden kann. „Es gibt immer Möglichkeiten zu optimieren, aber das setzt gerade bei kundenspezi schen TFT-Designs sehr viel tiefes technisches Know-how und das Wissen um die Möglichkeiten des Partners auf Herstellerseite voraus. Der Worstcase wäre, wenn der Hersteller im Nachhinein einräumen müsste, dass er die Erwartungen des Kun-den nicht erfüllen kann, beispielsweise weil er die Prozesse für die Hinterdruckung nicht beherrscht oder die Response-Time für die Bilddarstellung zu lang ist. Aber dank der engen Zusammenarbeit mit Truly ist dieser Fall bisher noch nie eingetreten.“

Die Nachfrage nach maßgeschneiderten quadratischen, länglichen, dreieckigen oder runden TFTs ist stark ansteigend.

MSC Technologies, an Avnet CompanyAls neuer Geschäftsbereich der Avnet Electronic Marketing EMEA konzentriert sich die MSC Technologies vor allem auf die sehr stark wachsenden Märkte Embedded Computing und Displays. Darüber hi-naus werden Wireless-, Speicher- und Lighting-Lösungen angeboten. Zu der Marke MSC Technologies zählen zukünftig die MSC Vertriebs GmbH und die Gleichmann & Co. Electronics GmbH inklusive aller Tochterfi rmen der MSC-Gruppe.


Infokasten

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Display-Technik

64 elektronik industrie 02/2014

Grafik-to-go-LösungenLow-Cost- und High-End-Lösungen für MCUs und Computer-on-ModuleMit der Low-Cost-Lösung Embedded Vi-deo Engine EVE von FTDI lässt sich ohne Grundkenntnisse Grafik, Sound und Touch in wenigen Minuten programmie-ren. EVE vereint Grafik- (QVGA/WQV-GA), Audio- und resistive Touch-Funktio-nen in nur einem Bauteil mit dem Ziel, schnell und kostengünstig zu einer anspre-chenden grafischen Lösung zu gelangen. Grafische Grundkenntnisse im Program-mieren sind nicht notwendig. Mithilfe ei-nes Baukastensystems werden aus ein-fachsten, aber mächtigen Befehlen die ge-wünschten Oberflächen zusammengebaut. Sogenannte Widgets enthalten komplexe grafische Objekte wie zum Beispiel Uhren, Messinstrumente, Tastaturen und Slider, die mit Touch-Eingaben und Sounds ver-knüpft werden können.

Für den schnellen Start mit direkter An-bindung an Mikrocontroller und Displays bietet Glyn sein eigenentwickeltes Starter-kit EVB-EVE-FT800-V2 plus Display an. Das Kit bietet bereits eine direkte An-schlussmöglichkeit für Glyn-MCU-Boards sowie die Displays der Glyn/EDT-TFT-Fa-milie.

Eine Schnittstelle, die mit fünf verschie-denen TFT-Größen kompatibel ist bietet Glyn mit ihrem TFT-Familienkonzept: ein Folienkabel, nur eine 3,3-V-Spannung, komfortables Dimmen und auch mit Poly-touch. Mit ein- und derselben Hardware lässt sich also relativ einfach zwischen ver-schiedenen Displays wechseln, was zu grö-ßerem Schutz gegen Abkündigung und Änderungen der Hardware führt. Die Fa-milie besteht aus TFT-Displays, die alle ei-ne familienspezifische Platine auf der Rückseite bekommen haben und mit deren

Hilfe sie eine identische Schnittstelle ha-ben. Die Displays sind sowohl als TTL-Version mit mindestens 70.000 Stunden LED-Lebensdauer und -30 bis 85 °C Tem-peraturbereich erhältlich wie auch als LVDS-Varianten für die 5,0“-, 5,7“- und 7,0“-Diagonalen. Es sind sechs verschiede-ne 18-Bit-RGB-Versionen (auch mit Touch) erhältlich: Sie reichen von kleinsten Versionen mit 8,9 cm (3,5“) Diagonale, 320 x 240 Auflösung und Abmessungen von 76,8 mm x 63,8 mm bis zur größten Vari-ante mit 17,8 cm (7,0“) Diagonale, 800 x 480 Auflösung und Abmessungen von 166,0 mm x 105,4 mm.

Die Displays können mit einem projek-tiv-kapazitiven Touch-Panel à la Smart-

phone ausgestattet werden. Polytouch, so der Name der Touch-Panels, basiert auf ei-ner der fortschrittlichsten Technologien: Mutual Capacitance in Verbindung mit ei-nem integrierten 8-Bit-Controller. Damit erhält man komfortabel die Positionskoor-dinaten von bis zu fünf Fingern gleichzei-tig. Stabilität erhält das Touch-Panel unter anderem durch das UV-beständige Dop-pelglas und kratzfeste 7H-Oberfläche. Im Sleep Mode beträgt der Stromverbrauch weniger als 50 μA.

Skalierbare High-End-Lösungen stellen die PCAP-TFTs mit Computer-on-Modul von Karo auf der Rückseite dar. Für an-spruchsvolle Grafikanforderungen werden immer wieder TFTs mit CoM-Boards kombiniert. Moderne und standardisierte Schnittstellen sowie ein skalierbares Mo-dulkonzept minimieren das Designrisiko und reduzieren Entwicklungszeit sowie die Kosten. Glyn bietet hier eine Display-Fa-milie mit einheitlicher TFT-Schnittstelle inklusive leicht austauschbarem CoM-Mo-dul auf der Rückseite des Displays an. Der Hersteller eröffnet das Produktportfolio mit einer 7“-Lösung. Das TFT bietet 5-Fin-ger sicheres PCAP-Touch und kann mit allen CoM-Modulen der Karo TX-Familie beliebig kombiniert werden. (jj) n


Heute ein kleines Display, morgen ein großes des Herstellers EDT. Das ermöglicht das TFT-Famili-enkonzept von Glyn.

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Das COMpact-TFT von KaRo ist eine Symbiose aus TFT und CoM-Board.

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Display-TechnikNeue Produkte

Densitron hat auf Basis von E-Paper eine Produktreihe mit der Bezeichnung Densi-Paper entwi-ckelt. Mögliche Anwendungen sind elektronische Schilder in den

Farnell Element14 bietet ein voll-integriertes Embedded Display Module (EDM) für SBCs mit einer 7-Zoll-LCD-Touchscreen-Bau-gruppe an. Seine multifunktionale Hardware basiert auf einem At-mel-ARM9-AT91SAM9X35-In-dustrial-Prozessor. Konzipiert ist das EDM6070AR-01 als All-In-One-Lösung und es eignet sich für eine Vielzahl von Embedded-Control-Anwendungen im HMI-Bereich. Dazu gehören zum Bei-spiel industrielle Bedienterminals, intelligente Instrumente, Medizin-technik und weitere. Es verfügt über eine Platine mit Display, Ver-bindern sowie Platz für das Mi-ni6935-Modul mit einem ARM-Mikrocontroller. Mit der beigeleg-ten Smart-Home-Demo-Anwen-dung und einem intuitiven Smart-LED-Controller können

Advantech präsentiert einen Touch-Panel-Computer. Mit sei-nem 16:9-Format besitzt er 40 Prozent mehr Anzeigefläche als die üblichen Bildschirme mit der typischen 4:3-Diagonale. Mit dem Touch-Panel-Computer mit der Bezeichnung TCP-1840WP ist für mehr Überblick in Produktion und Fertigung gesorgt. Der lüfterlose TCP-1840WP läßt sich über den Touch-Screen bedienen, ein Home-Button an der Frontseite führt immer zu einem definierten Anfangspunkt zurück. Ein zusätz-licher Monitor läßt sich über HDMI anschließen und der eingebaute Lautsprecher kann für Alarmie-rungszwecke Einsatz finden. Im Inneren des Panel-PCs sorgt ein AMD-Dual-Core T56E mit 1,65 GHz und separatem Grafikprozes-sor für die Rechenleistung. Der Anschluss ans Netz ist mit zwei 10/100/1000 Ethernet-Buchsen realisiert und es besteht ausrei-chend Platz für einen PCI-E-Slot. Ab Werk ist der Touch-Panel-Computer der TPC-1840WP-Serie mit 4 GB Hauptspeicher ausge-rüstet und stellt einen 2,5-Zoll-SATA-Anschluss für Festplatten beziehungsweise SSDs zur Verfü-gung. Seine Gehäusefront ist aus Magnesium-Druckguß und ge-nügt der geforderten Schutzklas-se IP-65. Mit 35 W Anschlussleis-tung spart das Gerät auf die Dau-er signifikant an Strom. Das Gerät

E-Paper-Displays

Densi-Paper ersetzt Papier bei der Beschilderung

ARM-basierter Single-Board-Computer

SBC mit Touchscreen für HMI-AnwendungenWide-Screen-Multitouch-PC

Unendliche Weiten entdecken

Bereichen Logistik, Handel, Tou-ristik, Ausstellungen und Messen sowie bei intelligenten Preiseti-ketten im Handel. Besonders inte-ressant für Ultra-Low-Power-An-wendungen ist der powerless image retain. Selbst bei einem Ausfall der Stromversorgung zeigt das Display den letzten Bild-schirminhalt an. Strom wird ledig-lich während des Umschaltens auf einen anderen Inhalt benötigt. Der einfache Aufbau ermöglicht die Realisierung äußerst dünner

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ziell abgestimmten Farbtemperaturen

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gonale von 5 Zoll eine Auflösung von 800 x 480 Pixel. Dadurch las-sen sich Design-Projekte von 7-Zoll-iLCDs mit der gleichen Auf-lösung übernehmen. Die sonnen-lichttaugliche Helligkeit von 500 cd/m² sichert die Darstellung der Bildschirminhalte bei ver-schiedenen Lichtverhältnissen.

ist unter der Bezeichnung TPC-2140-WP-Serie auch mit einem Bildschirm, der 21,5 Zoll misst lieferbar.


Anwender individuelle Beleuch-tungen in unterschiedlichen Räu-men einstellen. Der Smart-Clima-te-Controller erlaubt Feuchtig-keits- und Temperaturkontrolle im gesamten Haus. Mit Smart-Multi-media lassen sich Audiodateien in jeden Raum streamen sowie Überwachungskameras steuern. Die Einheit eignet sich zur Pro-duktintegration und zur Software-Entwicklung. Als fertiges Bauteil verwendbar werden Entwick-lungszeit und -kosten reduziert.


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Bild: Demmel Products infoDIREKT 280ei0214

Ein intelligentes 7-Zoll-Touch-Display

Nicht nur zum Anschauen


Demmel Products stellt das DPP-HT50 vor. Das hochauflösende Touch-Display DPP-HT50 iLCD (intelligentes LCD) für Industrie-anwendungen hat bei einer Dia-

Displays mit einer Gesamtdicke von lediglich 1,1 mm. Am hervor-stechendsten sind die optischen Eigenschaften. Als reflexive Dis-playtechnologie ist das Display auch bei hellem Tageslicht und starker Sonneneinstrahlung prob-lemlos lesbar. Die Displays zielen auf den Ersatz von gedruckten Schildern ab, die häufig ausge-tauscht werden müssen. So kann beispielsweise ein zentraler Com-puter über WLAN neue Anzeige-daten einfach einspielen. Möglich

sind zudem auch Funktechnologi-en wie ZigBee oder NFC (Near Field Communication). Dank des geringen Stromverbrauchs ist die kabellose Installation möglich. Als Energiequelle können Batterie/Akku oder auch Energy Harves-ting-Systeme genutzt werden. Verfügbar ist das Display in den drei Bildschirmdiagonalen 4,41 Zoll (11,2 cm), 7,4 Zoll (18,8 cm) und 10,2 Zoll (25,9 cm).

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EMV

Für die Anwender ein kleiner Schlag, wenn sie an einem kal-ten Winter- oder einem heißen Sommertag bei trockener Luft beim Aussteigen die Autotür berühren, der zwar unan-genehm, aber nicht weiter schlimm ist. Elektrogeräte kön-

nen durch diese elektrostatische Entladung (ESD) allerdings zer-stört werden. Auch Tastaturen, USB- und Ethernet-Ports können, wenn sie mit anderen Geräten verbunden sind, durch elektrostati-sche Entladungen in Mitleidenschaft gezogen werden, sodass sie nicht mehr sachgemäß funktionieren.

Hochspannung in der LuftDie Ursache für elektrostatische Entladungen ist Reibungselektri-zität, die zwischen zwei gegensätzlich geladenen Materialien ent-steht. Wenn Gummi-Schuhsohlen zum Beispiel mit Teppichboden in Berührung kommen, oder ein Kunststoff-Stuhl auf Vinyl-Flie-sen rollt, entstehen je nach Luftfeuchtigkeit Spannungen zwischen 250 und 35.000 V. Die wenigsten Schaltkreise sind für derartige Überspannungen ausgelegt. Die folgende Tabelle stellt einige typi-sche Spannungspegel elektrostatischer Entladungen dar:

Wirksame ESD-SchutzkomponentenElektronik vor Überspannungsschäden schützen

Je kompakter Unterhaltungselektronik wird, desto wichtiger werden Komponenten, die sie vor elektrostatischer Entladung (ESD) zuverlässig schützen. Diese winzig kleinen Bauteile bewahren Elektronikhersteller vor enormen Kosten und Imageschäden. Autoren: Philip Havens und Chad Marak

In dem Moment, in dem der Anwender ein Elektrogerät berührt, das ein anderes elektrisches Potenzial besitzt als er selbst, entlädt sich die Spannung an einem Ein- oder Ausgangsport, etwa einem Kopfhörer- oder USB-Anschluss. Unter ungünstigen Umständen kann dies den Schaltkreis zerstören. Trotzdem gehen viele Elektro-

Art der Erzeugung 10 bis 25 Prozent Relative Luft- feuchtigkeit (RH)

65 bis 90 Prozent RH

Über einen Teppichboden laufen 35.000 V 1500 V

Über Vinyl-Fliesen laufen 12.000 V 250 V

Arbeiter am Arbeitsplatz 6000 V 100 V

Vom Arbeitsplatz aufge-hobener Polybeutel 20.000 V 1200 V

Stuhl mit Polyurethanschaum 18.000 V 1500 V

Durch die Auswahl des richtigen ESD-Schutzes können Elektronik-hersteller sicherstellen, dass ihre Produkte ein integraler Bestandteil im Leben ihrer Kunden bleiben und den entsprechenden Sicherheits-richtlinien entsprechen.

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EMV

Zuverlässige Funktion von ElektrogerätenElektronische Unterhaltungsgeräte sind einem zunehmenden Risiko ausgesetzt, Schäden von Überspannungstransienten wie elektrostati-schen Entladungen zu tragen. Da Entwickler und Designer integrierter Schaltkreise immer mehr Funktionen in ihre Chipsätze integrieren, leidet deren Stabilität gegenüber elektrostatischen Entladungen deut-lich, was den Einsatz externer ESD-Schutzkomponenten erfordert. Um die zuverlässige Funktion von Elektrogeräten über den gesamten Lebenszyklus garantieren zu können, werden TSV-Dioden-Arrays zum Schutz empfohlen: Sie sind äußerst kompakt, fi nden in immer kom-pakteren Schaltkreisen Platz und bieten zudem sehr geringe Klemm-spannungen. Dadurch können auch moderne integrierte Schaltkreise gesichert werden.


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nikhersteller dieses Risiko ein, um Unterhaltungselektronik kos-tengünstiger anbieten, kompakter designen und gleichzeitig einen größeren Funktionsumfang abbilden zu können. Dieser Trend zwingt die Hersteller integrierter Schaltkreise dazu, Siliziumbau-teile immer kleiner auszulegen. Das hat zur Folge, dass sie immer ö er auf interne ESD-Schutzkomponenten verzichten. Laut der amerikanischen Handelsorganisation Electrostatic Discharge As-sociation lassen sich mittlerweile rund 30 Prozent der Geräte-defekte auf ESD oder elektrische Überspannungen zurückführen.

Schaltkreis- und Gerätehersteller setzen unterschiedliche ESD-Tests einWenig hilfreich sind die unterschiedlichen Testmethoden, die von den Schaltkreis- und Elektronikherstellern angewendet werden. Die Hersteller integrierter Schaltkreise setzen ein ESD-Testmodell ein (MIL-STD-883, Method 3015: Human Body Model), das sich auf die Produktionsumgebung bezieht. Gerätehersteller testen auf Basis der Nutzerumgebung und verwenden hierfür ein strikteres, von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission IEC de -niertes Modell (Norm IEC 61000-4-2). In Zahlen ausgedrückt, be-deutet dies, dass die meisten Schaltkreishersteller ihre Produkte bei 500 V mithilfe des Human-Body-Modes (HBM) testen, während Endgerätehersteller entsprechend der IEC 61000-4-2 Norm bei 8000 V prüfen.

Die nachfolgende Tabelle vergleicht die ESD-Ströme gemäß Hu-man-Body-Model und die in der Norm IEC 61000-4-2 aufgeführ-ten umweltbedingten ESD, denen Konsumenten ihre Geräte un-wissentlich aussetzen:

le Lösung minimiert den intrinsischen Widerstand so, dass eine Schutzlösung während einer Überspannung den niedrigsten Im-pedanzpfad zur Masse hat. Im Bild oben wird dieser Sachverhalt dargestellt. Während eines ESD-Ereignisses reduziert die Klemm-vorrichtung den Widerstandswert. Ist der Widerstand hoch, ent-steht gemäß V = I x R eine höhere Spannung, sodass der Schalt-kreis nicht ausreichend geschützt ist. Bei geringem Widerstand entwickelt sich nur eine niedrige Spannung, die den Schaltkreis kaum belastet, und die ESD-Schutzkomponente kann die anlie-gende Spannung aus dem Schaltkreis ableiten. Grundsätzlich lie-fern Schutzvorrichtungen aus Silizium aufgrund ihres inhärenten niedrigeren dynamischen Widerstands im Vergleich zu Technolo-gien wie Polymeren oder Keramik den besten ESD-Schutz. Der dynamische Widerstand von Siliziumkomponenten liegt je nach Anbieter zwischen 0,2 und 3,0 Ω, während der Widerstand von Keramiklösungen im Vergleich dazu im Durchschnitt zwischen 2 bis 5 Ω liegt. (ah)

Der Vergleich zeigt, dass der höchste ESD-Pegel nach dem HBM deutlich unter dem ESD-Strompegel der IEC61000-4-2-Norm liegt (in rot dargestellt). Ein 8-kV-Ereignis hat laut HBM einen 5,6-fach höheren Strom zur Folge als im Rahmen der IEC61000-4-2-Norm. Das heißt: Ein Chipsatz, der einen HBM-Test übersteht, überlebt noch lange nicht in der Praxis, wo er deutlich höheren Spannungen ausgesetzt ist. Denn die meisten Schaltkreishersteller testen nur bei maximal 500 V. Wird ein solcher Chipsatz durch eine 8-kV-ESD-Transiente in der Praxis einem fast hundertfach höheren Strom ausgesetzt, ist sein Schicksal besiegelt – sofern keine ESD-Schutz-maßnahmen ergri en werden. Mittlerweile bewegen sich die Test-pegel sogar in Richtung 20 bis 30 kV, sodass die „Lücke“ zwischen Praxis und Testszenario immer größer wird. Dies unterstreicht den wachsenden Bedarf an wirksamen ESD-Schutzkomponenten.

Dynamischer Widerstand defi niert passenden ESD-SchutzUm sicherzugehen, dass Endgeräte trotz ESD weiterhin zuverlässig funktionieren, ist die Wahl des richtigen (in der Regel als TVS-Dioden-Array bezeichneten) ESD-Schutzes essenziell. Der kriti-sche Parameter bei der Auswahl ist der dynamische Widerstand. Jede Schutzlösung verfügt über einen intrinsischen Widerstands-wert, der mit ihrer Klemmeigenscha zusammenhängt. Eine idea-

Eine ideale Lösung minimiert den intrinsischen Widerstand so, dass eine Schutzlösung während einer Überspannung den niedrigsten Impedanzpfad zur Masse hat.

Spitzenstrom Spitzenstrom

Entladungsspannung Human Body Model IEC 61000-4-2

500 V 0,33 A

1000 V 0,67 A

2000 V 1,33 A 7,5 A

4000 V 2,67 A 15,0 A

8000 V 5,33 A 30,0 A

Auf einen Blick

Die Autoren: Philip Havens ist Chefi ngenieur bei Littelfuse.

Chad Marak ist Director of Technical Marketing und Leiter der TVS-Dioden-Array-Produkte im Halbleitergeschäft von Littelfuse.

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EMV

Alle kennen den §4 des EMV-Gesetzes. Aber vielen ist die Tatsache, dass die EMV bereits seit 1892 in das Gesetz „Über das Telegraphenwesen“ gegossen wurde, nicht be-kannt. Ab 1928 galt die Vorschrift zur „Entstörung zum

Schutz des Funkverkehrs“. Heute leben wir mit anderen internatio-nalen und europäischen Gesetzen, die mit zunehmender Verbrei-tung von Elektronik und Funktechnik immer wichtiger werden.

Entwickler in allen Branchen sehen sich mit der EMV konfron-tiert und tun gut dran, diese von Anfang an, also bereits beim Schaltungsdesign zu berücksichtigen. Da sie aber wegen des im-mer kürzeren Time-to-Market vermehrt unter Druck geraten, wird dieser Ratschlag oft missachtet, was teuer werden kann (Bild 1). Das waren die ersten Aussagen des Gemeinschaftsvortrags von Markus Schubert und Frank Pihane, beide von Würth Elektronik.

Der Vortrag konzentrierte sich auf Ferrite und Induktivitäten/Drosseln und deren Aufbau. So kommt als Kernmaterial für Ent-stördrosseln Eisenpulver, Mangan-Zink und Nickelzink zum Ein-satz. Die Fe-Variante ist meist isolierend ummantelt, die beiden letzten sind Keramiken unterschiedlicher Permeabilität. Zur Stei-

EMV-LabortagWürth und EMV-Testhaus

Würth Elektronik und der langjährige Partner gestalteten am 15. Oktober 2013 gemeinsam einen EMV-Labortag in Straubing. Die Veranstaltung, eröffnet von Rudolf Klein, Geschäftsführer von EMV-Testhaus, war die zweite ihrer Art und fand mit rund 50 Teilnehmern wieder viel Zuspruch. Im Folgenden die wesentlichen Aussagen zu EMV-Komponenten und deren Einsatz. Autor: Siegfried W. Best

gerung der EMV kommt wegen der enormen Bandbreite meist die Nickel-Zink-Variante (NiZn) zum Einsatz (Bild 2).

Die Permeabilität wird von verschiedenen Größen beeinflusst. Der größte Einfluss ergibt sich durch die Temperatur (Bild 5). We-nig bekannt ist die Druckempfindlichkeit, die man zum Beispiel beachten muss, wenn die Schaltung samt Drossel vergossen wird und so eine gewisse Druckbelastung entsteht.

Je nach Anwendung von Induktivitäten/Ferriten werden unter-schiedliche Anforderungen an die Verluste gestellt. Eingesetzt als Speicherinduktivität wird eine hohe Güte gewünscht, die zu ge-ringsten Kernverlusten bei der Arbeitsfrequenz führt. Als Signalfil-ter eingesetzt, wird auch eine hohe Güte gewünscht. Für EMV-Anwendungen als Filter oder Absorber sind hohe Verluste bei der Arbeitsfrequenz gewünscht, die Güte muss deshalb gering sein.

Mit der Filterung will man eine Reduktion der Kopplung von Störungen, eine Reduzierung der Störemission und eine Erhöhung der Störfestigkeit erzielen, ohne Beeinflussung des Nutzsignals. Sie ist aufwändig wenn Nutz- und Störsignal in der Frequenz nahe beieinander liegen.

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Zum zweiten Mal fand in Straubing der von Würth und EMV-Testhaus veranstaltete EMV-Labortag statt.

Bild 2: Relative Resistanz der verschiedenen Kernmaterialien von Drosseln über die Frequenz.

Bild 1: Mit fortgeschrittenem Planungsstadium steigen die Kosten durch Nachbesserungen.

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EMV


Für die Filterung müssen die Störarten in Gleichtakt- und Gegen-taktstörung unterschieden werden (englisch: Common Mode oder Di erential Mode), auch symmetrische oder asymmetrische Stö-rungen genannt (Bild 6). Bei Gleichtaktstörungen lässt sich eine hohe Dämpfung der Störung erzielen, bei Gegentakt gibt es keine Beein ussung des Nutzsignals.

Ein Common Mode Choke in Form eines Klapp lters ist ver-gleichbar mit einer bi lar gewickelten Drossel. Beide wirken gegen Gleichtaktstörungen. Setzt man Filter in Form von zwei Längsin-duktivitäten, wie zum Beispiel SMD-Ferrite ein (Gegentaktstörun-gen), wird das Nutzsignal dadurch beein usst. Vorteilha ist der Einsatz von stromkompensierten Drosseln, da diese das Nutzsig-nal kaum beeinträchtigen und mit einer Art Saugwirkung verhin-dern, dass das Störsignal die Schaltung erreicht. Bei stromkompen-sierten Drosseln wird bei der Wicklung zwischen bi lar und sekti-onell unterschieden. Bi lar kommt wegen der geringen Gegentakt-Impedanz, der hohen kapazitiven Kopplung und wegen der geringen Streuinduktivität als Datenleitungsdrossel oder in Sen-sorleitungen zum Einsatz. Die sektionelle Wicklung wird wegen

der geringen kapazitiven Kopplung und der hohen Streuinduktivi-tät in Netz- und Eingangs ltern sowie in getakteten Stromversor-gungen eingesetzt.

Wie lassen sich nun Gleichtakt- und Gegentaktstörungen erken-nen? Indem man einen Klappferrit auf das Kabel (zum Beispiel auf VCC und GND) klappt. Wird der Störpegel reduziert, liegt eine Gleichtaktstörung vor, wenn nicht, dann handelt es sich um eine Gegentaktstörung. Diese Störungen werden mit Filtern wirksam unterdrückt.

Ein wirksamer EMV-Filter besteht aus mindestens zwei KomponentenEin wirksamer Filter besteht aus mindesten zwei Komponenten, mit denen man einen frequenzabhängigen Spannungsteiler auf-baut. Eine davon muss deshalb frequenzselektiv sein. So lässt sich im Nutzfrequenzbereich eine Anpassung und im Störbereich eine Fehlanpassung erzielen. In der EMV werden meist Tiefpass lter als RC- oder LC-Filter eingesetzt (Bild 3), deren Übertragungsver-halten zeigt Bild 4. RC-Filter sind Filter 1. Ordnung mit 20 dB/Dekade, LC-Filter sind Filter 2. Ordnung mit 40 dB/Dekade wie in Bild 4 zu sehen ist. Beim LC-Filter gilt zu beachten, dass es nicht in Resonanz betrieben wird, wobei die Resonanzfrequenz der Grenz-frequenz des Filters entspricht. Beim Einsatz von Filtern ist deren Einfügungsdämpfung zu berücksichtigen. Rein mathematisch ist diese das logarithmische Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangs-leistung und beschreibt die Abschwächung des Nutzsignals über einen de nierten Signalweg, beispielsweise über einen SMD-Fer-rit, eine Mikrostreifenleitung, ein Filter und so weiter. In der Rea-lität hat man es mit praktikablen Quellen- und Senkenimpedanzen im Bereich < 1 bis > 150 Ω zu tun. Die Masseebene ist mit < 1 Ω anzunehmen, die Spannungsversorgung mit < 10 Ω, die Daten-takt-, HF- und Videoleitungen mit 50 bis 90 Ω und lange Datenlei-

Bild 5: Thermische Energie beeinfl usst die spontane Magnetisierung, bei der Curie-Temperatur wird das Material unmagnetisch.

Bild 3: Der Tiefpass ist die häufi gste Filtervariante in der EMV.

Bild 4: Gleichtaktstörungen addieren sich und Gegentaktstörungen heben sich auf.

Rund um das Thema EMVDie elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) betrifft Entwickler aller Branchen und es ist ratsam, diese Thematik von Anfang an in die Ent-wicklungsarbeiten mit einzubeziehen. Der Labortag vermittelte dazu interessante und nützliche Informationen. Aufgezeigt wurden die un-terschiedlichen Filterungen, Möglichkeiten zur Reduzierung der Stör-emissionen und zur Erhöhung der Störfestigkeit, ohne das Nutzsignal zu beeinfl ussen.


Auf einen Blick

Bild 4: Übertragungs-verhalten von Tiefpass erster und zweiter Ordnung.



EMV

tungen liegen zwischen 90 und > 150 Ω. Beispielhaft wird im Fol-genden die Einfügungsdämpfung in einer Spannungsversorgung betrachtet, und davon ausgegangen, dass eine Dämpfung von > 20 dB bei 200 MHz benötigt wird (Bild 7).

Ausgehend von diesen Werten sucht man die Impedanz des ent-sprechenden Ferrits und sieht in einer nachfolgenden Messung das gewünschte Ergebnis (Bild 8). Eine wirksame Filterung ist nur bis zu einer gewissen Systemimpedanz möglich. Welche Filtertopolo-gie zum Einsatz kommt, richtet sich nach der Höhe der Quell- und der Lastimpedanz. Würth hat für die verschiedenen Filtertopologi-en ein Demoboard entwickelt, mit dem unter Zuhilfenahme von LTSpice die Stufen der Filterung unter Einsatz von SMD-Ferriten simuliert werden können. So zeigt Bild 9 die Dämpfungskurve ei-nes L-Filters realisiert mit einem SMD-Ferrit WE-CBF und ver-gleicht die Simulation mit den gemessenen Werten. Zu sehen ist die breitbandige Dämpfungswirkung.

Erweitert man das Filter um weitere frequenzabhängige Bauteile wie zum Beispiel um drei parallele Kondensatoren, ergibt sich ein Dämpfungsverlauf wie in Bild 10 gezeigt. In diesem Falle gibt es drei Resonanzstellen. Beim Einsatz eines pi-Filters, ergibt sich ein breitbandiger Dämpfungsverlauf. Bei einem T-Filter hingegen ist der Verlauf wie der eines LC-Filters. Wie bereits erwähnt ist es je-doch erforderlich, die Systemimpedanz zu beachten. Hier gilt als Faustregel, dass in einem niederohmigen System ein pi-Filter ein-zusetzen ist und in einem hochohmigen ein T-Filter.

Praxisbeispiel: EMV-Filter am DC/DC-WandlerDer Vortrag wurde beendet mit einem praktischen Beispiel eines DC/DC-Wandlers. Mögliche Störquellen sind in diesem Fall gelei-tete Emissionen am Eingang und Ausgang sowie abgestrahlte Emissionen im getakteten Schalttransistor. Eingangs- und Aus-gangsstrom werden durch Spannungsripple beeinflusst, was zu ge-

leiteten Emissionen führt. Vom Schalter und der zugehörigen Drossel gehen abgestrahlte Emissionen aus, die mit der Länge der Leitungen an Ein- und Ausgang zunehmen.

Die empfohlene Filterlösung am Eingang ist ein breitbandiges T-Filter mit einer Drossel für die niedrige Schaltfrequenz des DC/DCs, ergänzt mit Ferriten für hohe Frequenzen und einem Kon-densator zwischen 220 pF und 1 nF mit niedigem ESR, der AC-Rauschen nach Masse abführt. Für den Ausgang empfiehlt sich der Einsatz eines T-Filters mit seinem breiten Dämpfungsverlauf. Eine Drossel filtert die Schaltfrequenz des DC/DCs, Ferrite dämpfen hohe Frequenzen. Diese Art des Ausgangsfilters wird besonders dann empfohlen, wenn der DC/DC ein Radio versorgt. Es ist zu beachten, dass das T-Filter nicht geeignet ist, Gleichtaktstörungen an Aus-/ oder Eingang zu unterdrücken.

Beim Nachmittagsprogramm referierte Prof. Dr. Josef Scherer, Wirtschaftsrechtskanzlei Prof. Dr. Scherer, Dr. Rieger & Partner zum Thema Produkthaftungsrecht. Anschließend folgten Ausfüh-rungen über „Die Maschinenrichtlinie – Anforderung, Umset-zung, Praxisbeispiele“ von Max Rembeck, EMV Testhaus. Abge-rundet wurde die Veranstaltung mit den zwei Workshops: „Risiko-analyse (FMEA) mit Hilfe von Safe Expert“ und „EMV im Maschi-nen- und Anlagenbau“.

Würth ist ein bedeutender Anbieter von EMV-Komponenten. EMV-Testhaus bietet ein umfangreiches Dienstleistungspro-gramm. Dazu gehören EMV-Messplätze für Funk, Emissions- und Störfestigkeitsprüfungen in allen relevanten Frequenzbereichen. Durchgeführt werden akkreditierte Funkmessungen bis 26,5 GHz nach allen gängigen ETSI-Standards. Weiter im Programm sind Geräuschemission, Umweltsimulation, Thermografie sowie Öko-design-Richtlinien und Zertifizierungen weltweit. (ah) n

Der Autor: Siegfried W. Best ist freier Journalist in Regensburg.

Bild 9: Breitbandiger Dämpfungsverlauf nach Einsatz eines SMD-Ferrits. Bild 10: Dämpfungsverlauf eines Filters mit drei parallelen Kondensatoren.

Bild 7: Messung von abgestrahlten Emissionen. Unter anderem bei 200 MHz werden die erlaubten Grenzwerte überschritten.

Bild 8: Ausgehend vom gewünschten Dämpfungswert wird über die Systemimpedanz die Impedanz des Dämpfungsferrits ausgesucht.



EMV EMV

Mit der R-Serie von TDK-Lambda bringt die TDK Corporation leistungsfähige und flache EMV-Filter auf den Markt. Die einpha-sigen (RS-Serie) und dreiphasigen (RT-Serie) Filter sind abge-stimmt auf den Einsatz im Umfeld von Schaltnetzteilen, um in Anlagen mit erhöhten Störeinflüssen die Anforderungen an Funk-entstörung einzuhalten. Im Fokus stehen dabei Anlagen in den Bereichen Medizin, Industrie, Test- und Messwesen sowie in der Kommunikationstechnik. Verschiedene Anlagen benötigen zu-sätzliche Leitungsfilter, um den EMV-Anforderungen zu genü-gen – auch wenn die eingesetzte Stromversorgung als Einzelkom-ponente betrachtet die Anforderungen erfüllt.

Beispielsweise geht von manchen Anwendungen wie von Motor- oder Antriebswandlern eine eigene Störaussendung in einem Fre-quenzbereich aus, den die Filter im Netzteil nicht abdecken. Oder es kommen mehrere Netzteile in einem System zum Einsatz, wobei durch Überlagerungen mehrer Störspektren insgesamt die EMV-Grenzwerte für das Endgerät zu hoch sind. Zudem können auch lange Leitungen im System wie Antennen wirken und damit das Funkstörspektrum negativ beeinflussen.

Die R-Serie umfasst ein- und zweistufige Filter und liefert damit sowohl Standard- als auch sehr hohe Dämpfungswerte zwischen 150 kHz und 30 MHz. Einige Modelle haben zusätzlich eine hohe Impulsdämpfung, um etwa Spannungsspitzen auf Leitungen durch Schaltvorgänge zu dämpfen. Die Nennströme der einphasigen Fil-ter der RS-Reihe liegen zwischen 0,5 A und 300 A bei Leitungs-spannungen bis 250 VAC oder 250 VDC und einem Ableitstrom von maximal 1 mA; auch Modelle mit niedrigem Ableitstromstrom von 10 µA bei 250 VAC und 60 Hz insbesondere für Anwendungen im Medizinbereich sind verfügbar.

Bei der dreiphasigen RT-Serie liegen die Nennströme zwischen 6 und 1000 A bei Leitungsspannungen bis 500 VAC oder 500 VDC; der maximale Erdableitstrom beträgt 2,5 mA bei 250 VAC, 60 Hz, und 5 mA bei 500 VAC und 60 Hz. Die einphasigen RS-Filter haben Si-cherheitszulassungen gemäß UL1283, CDA C22.2 No. 8 und EN60939 (bis zu 30 A). Die dreiphasigen RT-Filter sind zugelassen nach UL1283 (bis zu 150 A) und EN60939 (bis zu 300 A). Der Be-triebstemperaturbereich liegt bei -25 bis +85 °C. (rao) n

Die EMV-Filter-Serie gibt es ein- und dreiphasig für Standard- oder für besonders hohe Stördämpfungen.

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: TDK

Lam

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Optimale EMV-Lösungen

– EMV-Filter für 1- und 3-Phasen-Systeme– Kombielemente mit Netzfi lter– Filter für AC- und DC-Anwendungen– Verschiedene Drosseln und Impulstransformatoren– Kundenspezifi sche Lösungen

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Flache EMV-FilterFür Stördämpfung von 150 kHz bis 30 MHz

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Der von Data Modul entwickelte PCAP-Screen Easy-Touch hat sich schon in zahl-reichen industriellen Anwendungen, wie zum Beispiel HMIs, durchgesetzt. Um die PCAP-Einheit vor äußeren Einflüssen oder Staub zu schützen, wird diese meist mit ei-nem vorwiegend kundenspezifischen Frontglas versehen. Dabei hat sich ein spe-zieller Glastyp als besonders gut für PCAP-Systeme ausgezeichnet und zwar ein 3 mm thermisch gehärtetes Glas. Neben seiner extremen Härte wird es zusätzlich mit ei-ner Anti-Glare-Beschichtung versehen. So ist es leicht zu reinigen und eine gute opti-sche Eigenschaft, auch bei Sonneneinstrah-lung, ist gewährleistet. Der eigentliche Ea-sy-Touch-PCAP-Screen wird dann auf das ausgewählte Glas gebondet. Neben den verbesserten optischen Eigenschaften wird

Easy-Touch als fertige StandardlösungPCAP-Screen mit gebondeter Glasfront und passendem Display

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so eine gute Touch-Funktionalität sicher-gestellt. Der Kunde kann aus einer Vielzahl von passenden Displays wählen. Dieses wird mit der gebondeten Einheit, zusam-men mit einem 1,1 mm doppelseitigen Klebeband verklebt. Der entstandene Luft-spalt schützt vor einer möglichen Display-

Abstrahlung. Abgerundet wird das System von dem von Data Modul eigenentwickel-ten USB-Touch-Controllerboard, aufge-setzt auf der Maxtouch-Technologie von Atmel. Dank der driverless Firmware kann der USB-Controller an jedes gängige Be-triebssystem angekoppelt werden. Auf Ba-sis des obengenannten Aufbaus wurden drei Größen definiert und aufgebaut: 7,0, 12,1 und 18,5 Zoll. Die Glasbedruckung wurde nur mit einem neutralen schwarzen Rand versehen, sodass jeder Kunde das fer-tige Gerät in seine Endapplikation einbau-en kann. Hinzu kommt, dass das fertige PCAP-System gut auf nahezu jede Umge-bung abstimmt wurde und somit einen problemlosen Ablauf garantiert. (ah) n

Den PCAP-Screen Easy-Touch gibt es jetzt als fertige Standardlösung.


Erni Electronics präsentiert Erweiterungen im Rahmen seiner Whitespeed-COM-Fa-milie. Dabei werden die bisher verfügbaren Module sowohl in Bezug auf höhere Per-formance als auch für besonders kosten-sensitive Anwendungen durch neue Vari-anten ergänzt. Die Familie von pin-kompa-tiblen ARM-basierten Mezzanine-Modu-len unterscheiden sich im Wesentlichen durch die CPU-Performance (Taktfre-quenz, Anzahl der Cores, Coprozessoren) und I/Os beziehungsweise Speicher. Darü-ber hinaus steht ein umfangreich ausgestat-tetes, adaptierbares Basisboard zur Verfü-gung, das optional auch mit einem Display geliefert werden kann. Mit vier Micro-speed-Signal-Steckverbindern und einem

Erni baut COM-Portfolio ausErweiterungen im Value- und High-end-Bereich

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Microspeed-Powermodul wird die White-speed-1.0-Schnittstelle zum Basisboard re-alisiert. Unterstützt werden dabei Ethernet 10 MByte / 100 MByte / 1GByte, SATA, PCIe x1/x4, Express Card, UART, USB 2.0 High Speed, CAN, I2C, SMB (System-Ma-nagement-Bus), SPI, LVDS-LCD-Display, SDVO (Serial Digital Video Out), HDA (High Definition Audio), Secure-Digital-Speicherkarten-Interface, GPIOs, Reset, Watchdog, PWM und optional ein Kame-ra-Interface.

Die bisherigen Module (CA8-1/Min be-ziehungsweise CA8-1/Max) bieten auf Kre-ditkarten-Format (85 mm x 55 mm) eine leistungsfähige i.MX537-CPU von Freesca-le mit ARM-Cortex-A8-Kern (bis zu 800

MHz bei -40 bis 85 °C). Zur Speicher-Aus-stattung gehören DDR3-RAM (512 MByte oder 1 GByte), zuverlässige NOR-Flash-speicher (64 oder 128 MByte) für den Boot-Code, NAND-Flash und I2C-EE-PROM mit bis zu 128 kByte für die Konfi-gurationsdaten. Weiterhin bieten die CPUs umfangreiche Power-Management-Funk-tionen.

Nach oben hin wird die Familie nun um ein Hochleistungsmodul auf Basis der Freescale-i.MX6-CPU mit Cortex-A9-Kern erweitert. Diese High-end-Lösung ist als Ein-, Zwei- oder Vierkern-Version ver-fügbar und der ideale Upgrade zu den bis-herigen CA8-1-Modulen. Die multime-diafähigen COM-Module unterstützen Sound, Grafik und Touch-Displays. Es können gleichzeitig zwei Displays per HD-MI und LVDS angesteuert werden. Auf Ba-sis eines Cortex A5 empfiehlt sich das an-dere neue Modul als geeigneter Nachfolger für ARM9- und ARM11-Lösungen. Beide Module werden einzeln oder als Entwick-lungskits zusammen mit dem Whitespeed-Basisboard ab Ende 2014 verfügbar sein. Board-Support-Packages unterstützen beim Design. (ah) n


Erni erweitert sein Produktportfolio im Rahmen seiner Whitespeed-COM-Familie um ein Hochleistungsmo-dul auf Basis der Freescale-i.MX6-CPU mit Cortex-A9-Kern.

Highlights

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Neue Produkte

Die SD- beziehungsweise Micro-SD-Memory-Karten S-40 und S-40u Series von Swissbit eignen sich für TCO-optimierte Applikati-onen. Sie verfügen über eine au-tonome Datenauffrischung ohne Eingreifen des Hosts oder der Ap-plikation. Dank intelligenter Algo-rithmen haben diese Speicher-karten einen bis zu 100-mal län-geren Datenerhalt als herkömmli-che SD-Memory-Karten. Die Speicherkarten sind mit dem Read-Disturb-Management und dem autonomen, performance-

Der Industrie-Chassis-Monitor DT-M240CAD von Distronik ist mit einer Bilddiagonale von 24 Zoll das größte Gerät in der beste-henden Produktpalette. Verbaut wird ein langfristig verfügbares Industrie-TFT-Modul mit einer Full-HD-Auflösung (1980 x 1080 Bildpunkte). Der Monitor hat eine sehr gute Bilddarstellung mit 24 BIT Farbtiefe und einem Betrach-tungswinkel von 178 ° horizontal/vertikal. Er ist damit sehr gut ge-eignet für Anwendungen im In-dustriebereich. Die Außenabmes-sungen betragen 578,3 x 345,5 x

SD- und Micro-SD-Karten

Speicherkarten mit sehr langem DatenerhaltTFT-Industrie-Einbaumonitor im Wide Format

Monitor mit 24-Zoll-Bilddiagonale

neutralen Hintergrundprozess „Auto Refresh“ ausgestattet. Die-ses „Data-Care-Management“ steigert die Datenzuverlässigkeit ganz erheblich und kompensiert die erhöhten Limitierungen des MLC NAND Flash bei hohen Be-triebsstunden und langen Feld-einsätzen. Die Datentransferraten erreichen beim Schreiben über 11 MByte/s sowie bis zu 22 MByte/s beim Lesen und erfüllen die SD3.0 Speedclass 6. Diagnose-funktionen mit sehr detaillierten Zustandsinformationen und eine selbstständige Datenpflege ga-rantieren den Datenerhalt (Data Retention) über viele Jahre hin-weg auch in besonders rauen Ein-satzgebieten und bei extremen Temperaturen. Die S-40-SD-Kar-ten sind bis 32 GByte erhältlich, die S-40u-Micro-SD-Karten von 4 bis 16 GByte.

32 mm3 (B x H x T). Aktuell wer-den VGA-analog und DVI-Ein-gangssignale verarbeitet, der Dis-playport kommt in Kürze. Durch die stromsparende LED-Hinter-grundbeleuchtung hat der 24-Zoll-Monitor eine Leistungs-aufnahme von < 40 W, die Le-bensdauer wird mit 50.000 Stun-den / halbe Helligkeit angegeben. Gleichzeitig sind Touchvarianten mit USB-Anschluss verfügbar. Die Zielmärkte sind Industrieanwen-dungen und Digital Signage.

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Halle 2.139

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Bild: Distronik

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System on Module

SoM vereint FPGA- und MCU-Welten

Denx Computer Systems erwei-tert sein Angebot an eigenentwi-ckelten SoMs um das Modul MCV. Aufbauend auf dem Cyclone V von Altera verbindet dieses Modul das klassische SoM-Design mit der Funktionalität von FPGAs und schafft so die Grundlage für viel-fältige Einsatzmöglichkeiten. Mit-hilfe des MCVs als Plattform kann der Kunde über Applikations-boards unterschiedlichste Anfor-derungen abdecken und Material- und Kostenaufwand reduzieren. Die Synthese mit dem FPGA bietet eine Vielzahl an Schnittstellen-Optionen, die sich aufbauend auf einer einzigen Plattform kostenef-fizient für unterschiedliche An-wendungen auch kleiner Stück-zahl realisieren lassen. Geliefert wird das SoM mit allen notwendi-gen Komponenten vorintegriert und aufeinander abgestimmt.


Wireless 4G LTE Gateway

Für eine zuverlässige, ununterbrochene Internetanbindung

Der Airlink ES440 Gateway- und Terminal-Server von Sierra Wire-less ermöglicht eine sichere 4G-LTE-Anbindung und Fernwartung zur permanenten Online-Verfüg-barkeit von Handelsketten, Nie-derlassungen und Kundentermi-nals. Er stellt die geschäftskriti-sche 4G-LTE-Anbindung sicher, sofern klassische Internet-Kabel-verbindungen nicht verfügbar sind und ist daher besonders gut für dezentral aufgestellte Unter-nehmen mit Niederlassungen ab-seits der Infrastruktur des Haupt-sitzes geeignet. Diese Kunden benötigen eine zuverlässige, un-

unterbrochene Internet-anbindung und eine automatische Ausfall-sicherung, um jeder-zeit Transaktionen

tätigen zu können. Der Airlink ES440 lässt sich

aus der Ferne konfigurie-ren, ausrollen und überwa-

chen. Darüber hinaus können Mobilfunk-Vereinbarungen über mehrere Mobilfunk-Provider hin-weg gemanagt werden, indem der Airvantage-Management-Service (AVMS) eingesetzt wird. Mit AVMS können Netzwerkadmi-nistratoren auch Konfigurations-vorlagen entwerfen, um große Rollouts zu beschleunigen oder neue Installationen in Sekunden online zu bringen. Der Server ist bei Sierra-Wireless-Distributoren und Resellern in Nordamerika und Europa erhältlich.


Bild: Sierra Wireless

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Neue Produkte

MXE-5400, das lüfterlose Embed-ded-Computersystem von Adlink, ist ausgestattet mit einem Intel- Core-i7-4700EQ-Quad-Core-Pro-zessor der 4. Generation. Das System bietet hohe Leistung, sehr gute Verwaltbarkeit, gute Konnek-tivität sowie ein robustes Design im kompakten Gehäuse. Umge-setzt wurden die Designprinzipien der Matrix-Serie, die dafür sor-gen, dass das Produkt sehr rauen Umweltbedingungen widersteht. Mittels des SEMA-Werkzeugs (Smart Embedded Management Agent) wird die Verwaltbarkeit und Sicherheit für eine Vielzahl an

Frequenzumrichter

Umrichter mit Bypass-Funktion

Anwender kann die By-pass-Funktion über einen Schalter an der Frontseite des Schaltschrank-Ele-ments entweder auf manuelles oder auto-matisches Umschal-ten von Umrichter auf Bypass im Störfall einstellen. Das frei-stehende System eignet sich vor allem für die zuverlässige, energieeffiziente Steuerung von Asyn-chronmotoren zum Antrieb von Pumpen und Lüftern im HLK-Bereich, zum Beispiel

in Krankenhäusern, Flughä-fen, Bürogebäuden, Hotels oder Einkaufszentren.

Applikationen maximiert. So wird die Matrix-Serie zu einer sehr gut geeigneten Lösung für intelligen-tes Transportwesen, digitale Überwachung, Sicherheit und In-dustrieautomation. Das auf dem Intel-Media-SDK aufbauende MS-DK+ und die Quick-Sync-Techno-logie bringen die Media-Strea-ming-Fähigkeit voran und sorgen für verminderte CPU-Last. Das robuste Design hält Stößen bis zu 50 g stand und bietet einen er-weiterten Betriebstemperaturbe-reich von -20 bis +60 °C.

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: Adl

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: WEG

WEG erweitert die Funktionalität des Frequenzumrichters CFW701 für den Bereich Heizung, Lüftung und Kli-ma (HLK) um eine manuel-le beziehungsweise auto-matische Bypass-Funkti-on. Dank eines integrier-ten Motorschützes gewährleistet das Sys-tem, bestehend aus ei-nem Schaltschrank-Ele-ment mit aufmontiertem Frequenzumrichter CFW701, redundantem Motorschutz und einem dauerhaft zuverlässigen Betrieb. Sollte der Fre-quenzumrichter beschä-digt werden oder ausfal-len, wird der drehzahlgere-gelte Motor über das Ausgangsre-lais des CFW701 direkt vom Netz über einen externen Überbrü-ckungs-Schaltkreis gespeist. Der

Lüfterloses Embedded-Rechnersystem

Rechnerplattform für sehr raue Umgebungen



Mit dem 2,5-Zoll-PICO-ITX-Sing-le-Board-Computer Modell Hy-per-KBN stellt Comp-Mall ein leis-tungsstarkes Embedded Mother-board, basierend auf der AMD-Embedded G-Serie vor. Mit dem sehr kleinen Format (100 x 72 mm2) und dem geringen Energie-bedarf bietet dieser Embedded-Single-Board-Computer einen schnellen und kosteneffizienten Einstieg in die Entwicklung grafik-intensiver Small-Form Faktor-Ap-plikationen. Benutzer können mit dem einsatzfertigen Pico-ITX-

Embedded-Single- Board-Computer

SBC basierend auf AMD-Embedded G-Serie

SBC-Modell Hyper-KBN sehr kompakte aber leistungsstarke Multimedia-Anwendungen mit DX11.1, OpenGL 4.1, Full-HD-Vi-deo-Wiedergabe, Dual-Display-Funktion und VGA-Auflösung bis 2048 x 1536 schnell und einfach umsetzen. Applikationen finden sich in Digital Signage, Embed-ded-Systemen, Thin Client, Video- Überwachung, Robotics und Steuerungen, tragbaren Syste-men und mehr. Mit vier unter-schiedlichen Dual- / Quad-Core-SoCs ist der SBC lieferbar. Deren TDP reicht von 9 W für lüfterfreien Betrieb bis 25 W. Ein 204-pin-Stecker erlaubt 1600/1333 sing-le-channel DDR3/DDR3L SO-DIMM bis maximal 8 GByte. Die progammierbare Grafikeinheit (GPU) bietet Frequenzen von 300 bis 600 MHz.

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Evaluierung und Test

Starterkit für Nano-RISC-Prozessormodule

Zur Evaluierung und zum Test von ihrer Nano-RISC-Modulfamilie MSC-Nanorisc-AM335X mit ARM-Prozessor AM335x von TI bietet MSC das Starterkit Nanorisc-SK-MB2 an. Es umfasst das Base-board Nano-RISC-MB2 mit Stromversorgung, ein 17,8 cm (7 Zoll) WVGA-TFT-Display und ein 17,8 cm (7 Zoll) PCT-Touch-Panel. Das Betriebssystem Debian Linux steht zum freien Download oder optional auf einer bootfähigen SD-Karte zur Verfügung. Damit ist das Starterkit unmittelbar ein-satzfähig. Zwar weist das Basis-board Nano-RISC-MB2 einen Ein-gang für den Anschluss von resis-tiven 4-Draht-Touch-Panels auf, doch wurde mit der aktuellen Überarbeitung auch ein Controller für projiziert-kapazitive Touch (PCT)-Panels hinzugefügt. Daher weist diese neue Version eine sol-che Touch-Funktion beim 7-Zoll- Display auf, was dem Trend nach anwenderfreundlichen, iPhone-ähnlichen Benutzerschnittstellen

entgegenkommt, die zunehmend auch in industriellen Anwendun-gen zum Tragen kommen. Pas-send zum Starterkit wird ein 70 x 50 mm2 kleines Nano-RISC-Mo-dul aus der Nanorisc-AM335X-Familie von MSC ausgewählt. Diese basieren auf einem AM335x von TI mit Cortex-A8-CPUs. Das Nano-RISC-Modul wird mit 300 MHz getaktet mit einer Verlust-leistung von 1,7 W.

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Neue Produkte

Stark erweiterte Kontroll- und Testverfahren für Multi-Core-Tar-gets, optimierte Visualisierungs-möglichkeiten beim System-Le-vel-Debugging sowie die dedi-zierte Unterstützung einer Vielzahl aktueller 32-Bit-Multi-Core-SoCs verschiedener Hersteller zeichnet die Universal Debug Engine (UDE) 4.2 von PLS Programmierbare Lo-gik & Systeme aus. Die Kontrolle eines Multicore-Systems und das Debugging erfolgt bei der UDE 4.2 in einem konsistent gestalteten Nutzerinterface. Unterschiedliche vom Anwender festlegbare Far-ben und selbst definierbare An-

Erweiterte Kontroll- und Testverfahren

Echtes Multicore-Debugging selbst bei tief eingebetteten Systemen

sichtsgruppen für einzelne Funk-tionseinheiten sorgen dabei für eine schnelle Übersicht und eine einfache Navigation auch in kom-plexen SoCs. Für die Kontrolle durch den Debugger können die einzelnen Cores gezielt selektiert und synchronisiert werden. Dazu werden auch die vorhandenen On-Chip-Trigger- und Synchroni-sations-Möglichkeiten unter-schiedlicher Bausteine-Hersteller ausgenutzt. Die bei der UDE 4.2 immer gleichbleibende Benutzer-oberfläche garantiert hohe Flexi-bilität bei der Steuerung eines Multi-Core-Targets, ohne die zu-

grundeliegende On-Chip-Logik im Detail kennen zu müssen. Mit zahlreichen neuen Eigenschaften wurde auch das Trace-Frame-work ausgestattet. Eine noch effi-zientere Nutzung der von Infine-on, Freescale und STMicroelect-

ronics für einige SoCs angebote-nen Emulation Devices ermöglicht eine Erweiterung des Universal Emulation Configurators (UEC) der Universal Debug Engine.

Der SV1-CLIP von EKF Elektronik eignet sich als leistungsstarke Grafik für Compact-PCI-Serial-Systeme. Das Trägerboard nimmt

Compact-PCI-Serial-Systeme

Vierfach-Display-Port-Grafik

ein MXM-3.0-Grafikmodul auf und erlaubt den Anschluss von bis zu vier Bildschirmen über Dis-play-Port-Steckverbinder. MXM ist ein verbreiteter Industriestan-dard für Embedded Grafikmodule. In Verbindung mit dem AMD Ra-deon E6460 erzielt der SV1-CLIP eine sehr gute Performance in ei-nem Compact-PCI Serial Fat Pipe Slot mit PCIe-x-8-Anbindung.

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Der ADLQM87HD ein 3,5-Zoll-Single-Board-Computer (SBC) von ADL Embedded Solutions auf Basis der vierten Generation von Intel-Core-Quad/DC-i3/i5/i7-Pro-zessoren. Er nutzt Intels neueste HD-4600-Grafikeinheit und un-terstützt DirectX11.1, OpenGL 4.0 und OpenCL 1.2. Zudem verfügt er über den neuen AVX2-Befehls-satz sowie über TPM-1.2- (Trus-ted Platform Module) und USB-3.0-Funktionalität. Er zeich-net sich durch ein breites Schnitt-stellenangebot aus. Dazu gehören Video-Ports für DVI/VGA und HD-MI/DP, acht USB-2.0-, drei USB-3.0- und drei RS232-COM-

3,5-Zoll-Single-Board-Computer

SBC auf Basis der vierten Generation von Intel-Core-Quad/DC-i3/i5/i7-Prozessoren

Schnittstellen, zwei bootfähige Gigabit-Ethernet-LAN-Ports so-wie ein 7.1-Kanal-HD-Audio-In-terface mit SPDIF-Ein-/Ausgän-gen. Weitere Merkmale sind vier SATA-6-GByte/s-Kanäle mit Intel-Rapid-Storage-Technology RAID-0/1/5/10 und ein Arbeits-speicher mit bis zu 16 GByte DDR3L-1600-DRAM. Die Erweite-rungsmöglichkeiten umfassen ei-nen Mini-PCI-Sockel sowie einen 2x40-Pin-PCIe-Erweiterungsan-schluss mit vier PCIe-x1-Lanes oder einer PCIe-x4-Lane für zu-sätzliche Breakout- oder Mezza-nine-Board-Funktionalität. Der 102 mm x 147 mm große SBC

wird mit einer Versorgungsspan-nung von 5 oder 12 V betrieben. Er läuft unter Microsoft-Betriebs-systemen wie Windows 7, Win-dows 7 Embedded Standard, Win-dows 7 Embedded Compact, XP Embedded und Linux. Konzipiert ist er für den Betrieb bei Tempera-

turen von -40 bis +85 °C mit Ruggedized-Optionen. Er eignet sich für ruggedized Small-Form-Faktor-Systeme und ist für die In-tegration in das Gehäusesystem ADLMES-8200 optimiert.


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Literatur

Die Rittal-Technik-Bibliothek ver-öffentlicht „Das Schaltschrank-Expertenwissen“, Band 3. Das 164 Seiten umfassende Fachbuch stellt eine kompakte Sammlung von Daten und Fakten rund um den Schaltschrank vor. Es gibt passende Hintergrundinformatio-nen, wie übersichtliche Tabellen zu elektrotechnischen Größen, Einheiten und Formeln sowie Vor-schriften und Normen für Schalt-schränke. Zur Wahl des richtigen Betriebsmittels sind in dem Buch technischen Daten zu Installati-onsmaterial, Kabeln, Stromschie-nen sowie Sicherungen und Mo-toren enthalten.Der Band gibt Tipps zu Berechnungsgrundlagen zur Schaltschrank-Klimatisierung, Übersichten zu Schutzarten und Ausführungsbeispielen für den Schaltschranktransport. Im Fokus stehen besonders diverse Hinwei-se zur sicheren elektrischen Aus-rüstung von Maschinen gemäß der VDE 0113-1/DIN EN60-204-1 und zum normgerechten Schalt-anlagenbau nach DIN-EN61-439.

Die Zahl der Neuauflagen spricht für sich. Würth Elektronik bringt das Applikations-handbuch „Trilogie der induktiven Bauele-mente“ in der 4. Auflage auf den Markt. Das Applikationshandbuch für EMV-Fil-ter, getaktete Stromversorgungen und HF-Schaltungen ist komplett überarbeitet, gut strukturiert und enthält eine Vielzahl an Bauteilen und Applikationen.

Induktive Bauelemente den Kunden und Anwendern mit ihren Eigenschaften und Applikationen praxisnah und ohne Ballast näher zu bringen – das ist und bleibt der Anspruch des Fachbuches „Trilogie der in-duktiven Bauelemente“. Das erstmals vor acht Jahren erschienene Buch, ist mittler-weile ein Standardwerk in vielen Entwick-lungsabteilungen und Universitäten und wurde über 15.000 Mal verkauft. Das Fach-buch gliedert sich in drei Hauptkapitel: Grundlagen, Bauelemente und Anwen-dungen. Ein Fach- und Stichwortlexikon

Die Stromversorgungen von Me-an Well für LED-Anwendungen zeigt der 33 Seiten umfassende Katalog LED-Stromversorgungen

Rittal-Technik-Bibliothek stellt den dritten Band vor

Daten und Fakten rund um den Schaltschrank

4. Auflage: Trilogie der induktiven BauelementeApplikationshandbuch komplett überarbeitet

Emtron-Katalog 2013 zu LED-Stromversorgungen

Große Auswahl auf 33 Seiten

Ebenso beinhaltet das Fachbuch Wissenswertes zu EMV/HF-ge-schirmte Gehäuse, CE-Zeichen, Ex-Schutz, UL508, 508A, Appro-bationen, Zulassungen und Erd-bebensicherheit, Hinweise zur Kennzeichnung von Bauteilen, Schaltzeichen in Plänen und von Prüfzeichen. Bislang erschienen Band 1 „Der normgerechte Schalt- und Steuerungsanlagen-bau“ und Band 2 „Schaltschrank- und Prozesskühlung“.

sowie eine Formelsammlung runden das Buch ab. In der 4. Auflage wurde bewusst auf Erklärung älterer Techniken und Bau-teile verzichtet, um neuen Bauelementen und Applikationen mehr Raum zu geben.

Bemerkenswert sind die vielen externen Autoren sowohl aus dem Kundenkreis als auch von namhaften Herstellern, deren Er-fahrungen und Lösungen hinsichtlich den Grundlagen und der Schaltungstechnik sich in diesem Buch wiederfinden.

Im Folgenden werden eine Reihe ver-schiedener Artikel genannt, die exempla-risch für weitere Neuheiten stehen: Berech-nung, Dimensionierung und Bau von kun-denspezifischen Übertragern (Do-it-Your-self-Transformer Design), Auswirkungen der Eigenschaften eines Übertragers auf die Reflexionsdämpfung, Applikation Class-D-Audioverstärker, Prinzipien der Frequenzgangkorrektur für Schaltregler und aktuelle Grundlagen zu Ethernet &

2013 von Emtron. Enthalten ist alles von der Low-Cost-AP-Serie bis zu hocheffizienten Stromver-sorgungen der HLG-Serie (40 bis 320 W). Insgesamt decken die Serien den 12- bis 320-W-Be-reich ab. Sie weisen unterschied-liche Merkmale wie eine Dimm-funktion auf und haben verschie-dene Gehäuseausführungen.

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PoE. Darüberhinaus gibt es über 200 Pra-xisbeispiele zu Filter-, Audio-, Videoappli-kationen, zu Schnittstellen, HF-Schaltun-gen, Motorsteuerung und Ähnliches. Das über 700 Seiten umfassende Buch kostet 49 Euro inklusive Mehrwertsteuer. (sb) n

Syfer erweiterte den EMV-Filter-Katalog um detaillierte Informati-onen. Sein Quick Reference Guide sorgt für eine schnelle Übersicht,

Syfer ergänzt EMV-Filter-Katalog

Technische Daten für den Entwickler

der Hauptkatalog enthält: Oberflä-chenmontierbare und panelmon-tierbare EMV-Filter, hermetisch abgedichtete keramische panel-montierbare EMV-Filter, kunst-harzversiegelte Metallfilm-Filter für die Panelmontage, scheiben-förmige Kondensatoren und Pla-nar-Arrays sowie Spezialfilter und fertige Baugruppen.

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High Tech Toy

80 elektronik industrie 02 / 2014

2005 war noch ein H8-Prozessor von Hitachi das Herzstück des Rechners, nach dem ARM7 AT-91SAM7S 256 von Atmel im Jahre

2006 kommt in der neuesten Version im sogenannten EV3-Stein (Bild 2) nun ein mit 300 MHz getakteter ARM-9-AM-1808- Prozessor mit einem auf Linux basierenden Betriebssystem zum Einsatz. Die Speicher-ausstattung umfasst den 16 MByte Flash-

Intelligente Lego-SteineLego-Mindstorms-Roboter

Erstmals haben wir ihn 2006 im Dezember auf dieser Seite vorgestellt. Inzwischen hat sich der intelligente Roboterbausatz mehrfach gewandelt. Ein Blick in sein Inneres blieb uns wieder verwehrt, was sich in dem rund 10 cm x 18 cm x 4 cm messenden EV3-Stein abspielt und wie welche Komponenten agieren, können wir aber wiedergeben. Autor: Siegfried W. Best

Bild 2a: Das Blockschalt-bild des EV3-Steins. Herz ist der ARM-9-AM-1808- Prozessor, der die gesamte Rechenleistung über-nimmt. Frühere Versionen von Lego-Mindstorms waren auf die Hilfe von Co-Prozessoren angewie-sen.

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Erstmals haben wir ihn 2006 im Dezember auf dieser Seite vorgestellt. Inzwischen hat sich der intelligente Roboterbausatz mehrfach gewandelt. Ein Blick in sein Inneres blieb uns wieder verwehrt, was sich in dem rund 10 cm x 18 cm x 4 cm messenden EV3-Stein abspielt und wie welche Komponenten agieren, können wir aber

Autor: Siegfried W. Best

Bild 2a: Das Blockschalt-bild des EV3-Steins. Herz ist der ARM-9-AM-1808- Prozessor, der die gesamte Rechenleistung über-nimmt. Frühere Versionen von Lego-Mindstorms waren auf die Hilfe von Co-Prozessoren angewie-

Bild 4: Der große Motor ermöglicht es, den Roboter so zu programmieren, dass er präzise und leistungsstark agiert.

Bild 2: Der EV3-Stein: Über die Tasten erfolgt menügeführt am Display die Programmierung mittels LabView-ähnlicher Software und die Steuerung der Roboterbewegungen.

Bild 3: Der mittlere Motor ist präzise, und kompakt und hat eine schnelle Reaktion, was sich geringfügig auf seine Leistung auswirkt.

Speicher, der mit einer SD-Karte bis 32 GByte erweiterbar ist und den 64 MByte Arbeitsspeicher.

Der EV3-Stein bietet PC-Host-Kommu-nikation mittels USB-Host-Mode über USB 2.0 mit 12 Mbit/s. Der Anschluss ei-nes WLAN-Dongles erfolgt ebenfalls über USB (480 Mbit/s). Eine weitere Kommuni-kationsmöglichkeit besteht über das Blue-tooth-2.1-Modul von Panasonic (Bild 9).

Außerdem sind An-schlussboxen für bis zu vier Sensoren und bis zu vier Motoren vorgesehen. Bild 2a zeigt das Blockschalt-bild des EV3-Steins und das Zu-sammenspiel der Komponenten. Ihre Beweglichkeit erhalten die Lego-Mindstorms-Roboter von zwei unterschiedlichen Motoren.

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High Tech Toy

81elektronik industrie 02 / 2014

Bild 1: Der 44 cm hohe EV3Storm ist einer von fünf Robotern, die man in der Grundausstattung bauen kann. Links unten die Infrarot-Fernsteuerung, außerdem können die Roboter über Bluetooth von „Android“, iPod, iPhone und iPad programmiert und gesteuert werden.

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als der mittlere Motor (Bild 3). Dieser Motor läu mit 240 bis 250 U/min, mit einem Laufmo-ment von 8 Ncm sowie mit ei-

nem Kippmoment von 12 Ncm, er ist somit schneller,

jedoch nicht ganz so leis-tungsstark.

Damit der Roboter ein Roboter wird, benötigt er ei-

ne Anzahl von digitalen und analogen Sensoren. Beim Farbsensor handelt es sich um einen digitalen Sensor, der die Farbe oder die Stärke des Lichts erkennen kann, die durch

das kleine Fenster an der Vorderseite des Sensors eindringen. Dieser Sen-

sor kann in drei verschiedenen Modi verwendet werden: Farb-modus, Modus „Stärke des re- ektierten Lichts“ und Modus

„Stärke des Umgebungslichts“. Beim Berührungssensor (Bild 6)

handelt es sich um einen analogen Sensor, der erkennt, wenn die rote Taste des Sen-sors gedrückt und wieder ausgelassen wird. Das heißt, der Berührungssensor lässt sich so programmieren, dass er unter

Verwendung von drei Zuständen – ge-drückt, ausgelassen oder angestoßen (ge-drückt und wieder ausgelassen) – Aktio-nen auslöst.

Der Infrarotsensor ist ein digitaler Sen-sor, der von Festkörpern re ektiertes Inf-rarotlicht erkennen kann. Darüber hinaus ist er aber auch in der Lage, Infrarotlicht-Signale wahrzunehmen, die er von der Inf-rarotfernsteuerung (Bild 5) empfängt. In drei verschiedenen Modi kann der Infra-rotsensor verwendet werden: Nähemodus (Reichweite 70 cm), Signalmodus (Reich-weite 2 m) und Fernsteuerungsmodus.

Mit dem Bausatz lassen sich fünf Robo-tervarianten au auen. Von Fans kreierte Bauanleitungen für zwölf weitere Roboter, die auch mit dem Bausatz gebaut werden können, sind auf Lego.com erhältlich. Die So ware, gemeinsam von NI und Lego entwickelt, ist über die Website erhältlich. Es gibt zwei die Startpakete, Lego Mind-storms EV3 Education Core und Lego Mindstorms EV3 Home Edition. Der Lego Mindstorms EV3 eignet sich ab einem Al-ter von zehn Jahren und wird für 349,99 Euro (Home Edition) angeboten. (ah)

Bild 1: Der 44 cm hohe EV3Storm ist einer von fünf Robotern, die man in der Grundausstattung bauen kann. Links unten die Infrarot-Fernsteuerung, außerdem können die Roboter über Bluetooth von „Android“, iPod, iPhone und iPad programmiert und gesteuert werden.

als der mittlere Motor (Bild 3). Dieser Motor läu mit 240 bis 250 U/min, mit einem Laufmo-ment von 8 Ncm sowie mit ei-

nem Kippmoment von 12 Ncm, er ist somit schneller,

jedoch nicht ganz so leis-tungsstark.

benötigt er ei-ne Anzahl von

digitalen und analogen Sensoren. Beim Farbsensor handelt es sich um einen digitalen Sensor, der die Farbe oder die Stärke des Lichts erkennen kann, die durch

das kleine Fenster an der Vorderseite des Sensors eindringen. Dieser Sen-

sor kann in drei verschiedenen Modi verwendet werden: Farb-modus, Modus „Stärke des re- ektierten Lichts“ und Modus

„Stärke des Umgebungslichts“. Beim Berührungssensor (Bild 6)

handelt es sich um einen analogen Sensor, der erkennt, wenn die rote Taste des Sen-sors gedrückt und wieder ausgelassen wird. Das heißt, der Berührungssensor lässt sich so programmieren, dass er unter

High Tech Toy

Verwendung von drei Zuständen – ge-

Bild 5: Die Infrarotfernsteuerung ermöglicht die Fernsteuerung des Roboters.

Bild 7: Bluetooth-Modul PAN1325 von Panasonic im winzigen 9 mm x 9,5 mm x 1,8 mm messenden Gehäuse, es verfügt über den neuesten CC2560-Controller von TI.

Bild 6: Der Berührungssensor erkennt drei verschiedene Zustände – gedrückt (berührt), ausgelassen und angestoßen (gedrückt und wieder ausgelassen). Mit diesem Sensor kann der Roboter fühlen und entsprechend reagieren.

Der große Motor (Bild 4) läu mit 160 bis 170 U/min, mit einem Laufmoment von 20 Ncm sowie mit einem Kippmoment von 40 Ncm. Er ist damit langsamer, aber stärker

Der Autor: Siegfried W. Best ist freier Redakteur in Regensburg.


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Impressum/Verzeichnisse

beflex electronic 23Beta LAYOUT 59Bicker Elektronik 75Congatec 45Densitron 3. USDeutschmann 14Digi-Key Corporation TS, 2. USDirks Compliance Beilage

Display Elektronik 59ELECTRONIC ASSEMBLY 57EMCCons DR. RASEK 73ETAS 4. USFischer Elektronik 3FORTEC Elektronik 65GlobTek 61Hilscher 11, 12

Ineltek 33Iriso Electronics 39Kurz 41LANGER EMV-Technik 53Maxim Integrated 7Mesago PCIM 15MSC Vertriebs 5MTS Systemtechnik 77

National Instruments TitelseiteNETZSCH 25REED Messe Wien 13Rigol Technologies 21Rohde & Schwarz 30, 31RS Components 9Schurter 73TRINAMIC 49

Inserenten

ABB 15Acal BFi 36Acam-Messelectronic 45Actron 54Acute Technology 27ADL Embedded Solutions 77Adlink 76Advantech 65Agilent 27, 28, 79Arrow Electronics 44Atmel 60Avnet 13Beflex 10Broadcom 36Comp-Mall 76Data Modul 54, 74Datatec 79Demmel Products 65Densitron 54, 65Denx Computer Systems 75Display Solution 15Distronik 75

DLC Display 13EADS T&S 13EDT 64EKF Elektronik 77Emtron 78EMV-Testhaus 70Erni Electronics 74Exar 49Farnell Element14 65FBDi 8Fraunhofer IPMS 14FTDI 64Glyn 64GW Instek 27Hacker-Datentechnik 27Hilscher 49Hy-Line Systems 42Industrieverbund KLiB 8Intersil 35, 44Keithley Instruments 20Lego 80Linear Technology 50

Littelfuse 68Mathworks 32Mean Well 78Microchip 79Molex 8MSC Technologies 13, 54, 63, 76National Instruments 16NXP Semiconductors 44Opto 22 42Osram Opto Semiconductors 9Panasonic 80PLS 77Renesas 8, 79Rittal 78Rohde & Schwarz 27Rutronik 13, 54Samsung 15SE Spezial-Electronic 35Sierra Wireless 75Silica 35Silicon Labs 41STMicroelectronics 46

Swissbit 75Syfer 78TDK Corporation 73TDK-Lambda 73Tektronix 20, 27Teledyne Lecroy 24, 27Texas Instruments 38, 76Trinamic 35U-Blox 49WEG 76Wiznet 36Würth Elektronik 70, 78Xilinx 32Hameg 27

Unternehmen

Impressum

REDAKTION

Chefredakteur: Dipl.-Ing. Hans Jaschinski (jj) (v.i.S.d.P.) Tel: +49 (0) 8191 125-830 E-Mail: [email protected]

Redaktion: Dipl.-Ing. Andrea Hackbarth (ah), Tel: +49 (0) 8191 125-243 E-Mail: [email protected]

Dipl.-Ing. Alfred Vollmer (av), freier Mitarbeiter Tel: +49 (0) 89 60 66 85 79, E-Mail: [email protected]

Redaktion all-electronics: Melanie Feldmann (mf), Tel: +49 (0) 6221 489-463 Stefan Kuppinger (sk), Tel: +49 (0) 6221 489-308 Dr. Achim Leitner (lei), Tel: +49 (0) 8191 125-403 Ina Susanne Rao (rao), Tel: +49 (0) 8191 125-494

Office Manager und Sonderdruckservice: Waltraud Müller, Tel: +49 (0) 8191 125-408 E-Mail: [email protected]

ANzEIgEN

Anzeigenleitung: Frank Henning, Tel: +49 (0) 6221 489-363 E-Mail: [email protected]

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Kündigungsfrist: Jederzeit mit einer Frist von 4 Wochen zum Monatsende.

Leserservice: E-Mail: [email protected] Tel: +49 (0) 6123 9238-201, Fax: +49 (0) 6123 9238-244

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Angeschlossen der Informationsgemeinschaft zur Feststellung der Verbreitung von Werbeträgern (IVW) (Printed in Germany)

www.elektronik-industrie.de 45. Jahrgang ISSN 0174-5522

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Art Director: Jürgen Claus

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