SmartScope – USB-Oszilloskop, Logik-Analyzer und Signalgenerator

Das SmartScope von LabNation ist ein besonders handliches und preiswertes USB-Oszilloskop mit integriertem Logikanalyzer und Signalgenerator sowie einer Reihe bemerkenswerter Funktionen. Die meisten USB-Oszilloskope sind für die Verwendung in Kombination mit einem Windows-PC und vielleicht noch Linux-konzipiert. Das SmartScope bildet hier eine Ausnahme: Es funktioniert genauso gut mit einem Android-Tablet, einem iPad oder einem Macintosh. Die S die Benutzeroberfläche erscheint auf allen Plattformen identisch. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass die mitgelieferte Software bereits mehrere Decoder für digitale Signalprotokolle enthält.

Das SmartScope ist in dieser Woche im Elektor-Shop zum Vorzugspreis erhältlich. Einen guten Einstieg bietet das Elektor-Video, in dem Riemer Grootjans (einer der Entwickler) dem Elektor-Redakteur Jan Buiting das Oszilloskop vorstellt.

SmartScope-Hardware

Die Hardware des SmartScope steckt in einem kleinen Metallgehäuse (zwecks guter Abschirmung). Auf der Vorderseite befinden sich ein Paar BNC-Buchsen in voller Größe für die analogen Eingänge. Die 16-polige Stiftleiste auf der Rückseite bietet acht digitale Eingänge für den Logikanalyzer und vier digitale Ausgänge sowie den Ausgang des eingebauten Arbitrary Waveform Generators (AWG). Außerdem befinden sich auf der Rückseite ein Mini-USB-Anschluss zum Anschluss an ein Tablet, Smartphone oder einen Computer plus ein Micro-USB-Anschluss zum Anschluss eines externen Netzteils.
 

Auf der Platine steckt ein leistungsfähiges FPGA des Typs Spartan 6 von Xilinx. Das FPGA übernimmt die Hauptaufgaben wie die Verarbeitung der empfangenen Messdaten und die Erzeugung des AWG-Signals. Zur Umwandlung der Eingangssignale dient ein A/D-Wandler mit 100 MS/Kanal und einer Auflösung von 8 Bit. Das RAM bietet eine Pufferkapazität von 4 MS/Kanal. Ein PIC-Controller sorgt für die Kommunikation mit dem Computer über eine USB-Verbindung. An den Eingängen befinden sich mehrere Relais und Operationsverstärker für die Bereichs- und AC/DC-Umschaltung. Die Bandbreite des analogen Eingangsteils beträgt 45 MHz. Dies ist im Vergleich zu der Abtastfrequenz von 100 MHz recht groß und erlaubt daher einer möglichst minimale Dämpfung der Eingangssignale. Die nutzbare Eingangsbandbreite reicht laut LabNation bis etwa 20 MHz.

Software

Eines der wichtigsten Entwicklungsziele war eine vom Betriebssystem unabhängige, möglichst identische Benutzeroberfläche. Man kann das SmartScope also mit einem Standard-PC, Mac oder Laptop und einem Tablet oder Smartphone ohne Umgewöhnung betrieben.

Die Entwickler waren auch der Ansicht, dass die Bedienelemente der meisten USB-Scopes einschränkend sind. Die Benutzeroberfläche ist oft eine Art Kopie von normalen, nicht software-gestützten Oszilloskopen, wie es sie schon seit den 1950er Jahren gibt. Oft wird das gesamte Bedienfeld einschließlich der Drehknöpfe auf dem Bildschirm simuliert, oder es werden Pull-Down-Menüs für alle möglichen Einstellungen verwendet. Dies sieht etwas altbacken und nicht sehr intuitiv aus. Die Software für das SmartScope sollte moderne Schnittstellen wie Touchscreens nutzen. Das Ergebnis ist eine Bedienoberfläche, die Sie an die Bedienung eines Tablets oder Smartphone erinnert. Für Umsteiger ist das zu Anfang etwas ungewohnt, aber es fühlt sich bald richtig an. Es ist wie der erste Kontakt mit einem Tablet: Erst spielt man ein bisschen damit herum und nach einer Viertelstunde fühlt es sich so an, als ob man es schon das ganze Leben lang benutzt. Das Gleiche passiert mit der Software für das SmartScope. Man braucht ein bisschen Zeit, um sich daran zu gewöhnen, aber dann ist es so selbstverständlich, dass man nicht mehr zu den altmodischen Methoden zurückkehren möchte.
 
Auf der linken Seite befindet sich das Hauptmenü mit allen Einstellungen. Am unteren Rand befinden sich einige der am häufigsten verwendeten Einstellungen. Der Rest des Bildschirms wird von der Scope-Anzeige mit einer Skala eingenommen, auf der die gemessenen Signale erscheinen.
 
Dies sind die beiden Analogeingänge bzw. die acht Digitaleingänge im Logikanalyzer-Modus. Wenn einer der eingebauten seriellen Decoder verwendet wird, werden auch die dekodierten Daten angezeigt. Bis dahin gibt es noch nichts Besonderes. Auffallend ist das Fehlen von Bedienelementen und Knöpfen. Statt über Menüs und Knöpfe wird fast alles über Mausklicks oder (im Falle eines Touchscreens) mit dem Finger und Wischgesten erledigt.
 
Daran muss man sich erst einmal gewöhnen. Aber wenn man erst einmal herausgefunden hat, wie man eine Einstellung ändern kann (z.B. die Eingangsverstärkung durch Auf- und Zuziehen mit zwei Fingern), geht es einem schnell in Fleisch und Blut über. Jedes Signal hat einen gleichfarbigen Kreis auf der linken Seite des Rasters, hinter dem sich eine Reihe von Funktionen verbirgt. Wenn man ihn berührt oder mit der Maus darauf klickt, erscheint ein kleines Menü, mit dem sich die AC/DC-Kopplung, die Triggerung, die Abschwächung einstellen oder das Signal ausblenden lässt. Auf der rechten Seite des Gitters befindet sich ein ähnlicher Kreis. In dem damit verbundenen Menü lässt sich der Triggerkanal und entweder die steigende oder die fallende Flanke für die Triggerung auswählen. Es kann ein Statusfeld angezeigt werden, das die Einstellungen und viele detaillierte Informationen über das Signal enthält. Wenn es nicht mehr benötigt wird, man es einfach vom Bildschirm wegziehen.
 
 
Am oberen Rand des Displays lässt sich der Hardware-Speicherpuffer aufrufen. Hier wird der gesamte Inhalt des Puffers (4 Megasamples) angezeigt. Von hier aus lässt sich schnell und einfach ein interessierender Bereich auswählen und genauer betrachten.
  Das Menü auf der linken Seite enthält einen Bereich zur Einrichtung des Signalgenerator. Im Moment kann der Benutzer aus einer Reihe von Standard-Wellenformen wählen oder ein benutzerdefiniertes Signal aus einer CSV-Datei importieren, die in Dropbox oder auf einer lokalen Festplatte gespeichert werden kann. Die Software enthält bereits eine Reihe von Digitaldecodern. Das ist ungewöhnlich für Produkte in dieser Preisklasse (vielfach muss man dafür extra bezahlen). Mit diesen Decodern lassen sich diverse digitale Formate decodieren und die enthaltenen Daten lesbar anzeigen. In der Software sind Decoder für I²C, 3- und 4-Draht-SPI sowie UART enthalten. Es ist auch möglich, einen eigenen Decoder zu schreiben und ihn der SmartScope-Community zur Verfügung zu stellen. Ein solcher Decoder besteht aus einer einzigen DLL-Datei, die dem SmartScope-Systemordner hinzugefügt werden sollte. Das funktioniert ohne Änderungen auf allen Plattformen.

FPGA-Entwicklungsplattform

Das SmartScope basiert auf einem leistungsstarken FPGA des Typs Spartan 6 von Xilinx, was es auch für den Einsatz als FPGA-Entwicklungsplattform geeignet macht. Elektor bietet das einzigartige SmartScope Maker Kitan, das eine spezielle Version des SmartScopes sowie zwei Programmiergeräte mit passenden Kabeln enthält. Damit das SmartScope als Hardware-Plattform für FPGA-Prototyping eingesetzt werden kann, hat LabNation seine Software- und Firmware-Stacks als Open-Source zur Verfügung gestellt und für diesen Zweck optimiert. Mit Zugang zu den VHDL-Dateien der Plattform ist es einfach, eigenen FPGA-Code zu kompilieren und auf das SmartScope zu laden. Dann kann man es über die USB-Verbindung von einem Desktop, Tablet oder Smartphone aus steuern. Der ehemalige Chefredakteur von Elektor, Harry Baggen, mit einem besonderen Interesse an Messgeräten, schrieb einen Bericht über das Maker Kit. Es gab auch einen Artikel in der Ausgabe 11/2016 von Elektor, der als kostenloser PDF-Download verfügbar ist.
 
Übersetzung: Dr. Thomas Scherer