Digitizerkarte Spectrum

Das Modell M5i.3337-x16 mit bis zu 6,4 GS/s Geschwindigkeit und 12 Bit-Auflösung (Bild: Spectrum)

Spectrum Instrumentation bringt zwei PCIe-Digitizer auf den Markt, die mit einem PCIe x16 Interface, Gen 3, in der Lage sind, erfasste Daten mit 12,8 GB/s kontinuierlich über den Bus zu streamen. Darüber hinaus können die neuen Karten dauerhaft mit ihrer maximalen Abtastrate von 6,4 GS/s und 12 Bit Auflösung aufzeichnen und die erfassten Daten direkt an den PC-Speicher oder sogar an CPUs und CUDA-basierte GPUs zur sofortigen Verarbeitung und Analyse übertragen.

Zu den neuen Produkten gehört das Modell M5i.3330-x16, eine Einkanal-Karte mit bis zu 6,4 GS/s Abtast-Geschwindigkeit, sowie die Variante M5i.3337-x16, eine Zweikanal-Karte mit synchronem 3,2 GS/s-Sampling auf zwei Kanälen oder vollen 6,4 GS/s auf einem Kanal. Mit einer Auflösung von 12 Bit bieten diese schnellen Digitizer einen außergewöhnlichen Dynamikbereich. Dieser ist bis zu 16-mal besser als bei den meisten digitalen Oszilloskopen oder vergleichbaren 8-Bit-Digitizern. Die zusätzliche Auflösung führt zu einer stark verbesserten Genauigkeit der Spannungsmessung und ermöglicht es, feinste Signaldetails darzustellen, die von Geräten mit niedrigerer Auflösung oft nicht erfasst werden. Timing-Messungen sind dank einer PLL-basierten internen Clock mit einer Genauigkeit von mehr als 1 ppm ebenfalls äußerst präzise.

Die Karten sind für eine Vielzahl von Signalen ausgelegt und verfügen über ein voll funktionsfähiges Frontend mit einer Bandbreite von über 2 GHz, programmierbare Eingangsbereiche von ±200 mV bis zu ±2,5 V sowie einen variablen Offset. Der integrierte Speicher erleichtert die Erfassung langer und komplexer Wellenformen. 4 GB (2 GSamples) Arbeitsspeicher sind standardmäßig vorhanden und können bei Bedarf auf 16 GB (8 GSamples) erweitert werden. Zudem unterstützen die Geräte Single-Shot- und Multiple-Aufzeichnungsmodi, zusammen mit Trigger-Zeitstempeln. Die Mehrfachaufzeichnung unterteilt den Arbeitsspeicher in Segmente und ermöglicht die Erfassung zahlreicher Ereignisse, selbst bei sehr hohen Triggerraten. Dies ist geeignet für Situationen, wie sie beim Testen serieller Busse auftreten, oder bei Stimulus-Response-Anwendungen wie Lidar und Radar. Für zusätzliche Flexibilität lässt sich der integrierte Speicher als Ringpuffer verwenden, der ähnlich wie ein herkömmliches Oszilloskop funktioniert, oder als FIFO-Puffer für das kontinuierliche Streamen von Daten in die PC-Umgebung.

Die Integration der Karten in fast jedes Testsystem ist unkompliziert, da die Frontplatten über SMA-Buchsen für die Kanaleingänge sowie vier multifunktionale digitale I/O-Leitungen verfügen. Ebenfalls als SMA-Anschlüsse sind die Eingänge und Ausgänge für Takt und Trigger ausgeführt, mit deren Hilfe die Karten z. B. mit weiteren Digitizern oder anderen Messgeräten synchronisiert werden können.

Die Karten eignen sich etwa für Testsituationen, die eine Erfassung und Analyse von Hochfrequenz-Signalen erfordern, wie in der Glasfaseroptik, Massenspektrometrie, Halbleiterprüfung sowie für HF-Aufzeichnung und Quantentechnologie. Das Weiterleiten von erfassten Daten mit Geschwindigkeiten von bis zu 12,8 GB/s auf die neuesten Prozessortechnologien (CPUs und GPUs) eröffnet ebenso neue Anwendungsgebiete, bei denen eine intensive Signalverarbeitung erforderlich ist. Beispielsweise nutzen Systeme mit künstlicher Intelligenz (KI) jetzt Funk- und Mikrowellensensorik zur Objekterkennung. Dabei werden Signale im MHz- und GHz-Bereich erfasst und analysiert, wobei riesige Mengen an Informationen verarbeitet werden müssen. In ähnlicher Weise scannen Astronomen den Himmel, um Licht oder Radiowellen von entfernten Objekten im Weltall zu sammeln. Diese Datenmengen sind gigantisch und ihre Analyse erfordert eine enorme Rechenleistung. Hier ist der extrem schnelle Bus der M5i-Produkte ein echter Wendepunkt, denn die Daten lassen sich jetzt genau so schnell verarbeiten, wie sie erfasst werden. Eine schnellere Datenübertragung führt auch zu höheren Messgeschwindigkeiten, was die Produktivität erhöht, insbesondere bei automatisierten Testprozessen. Und schließlich gibt es noch die verbesserte Auflösung: Die stark erhöhte Messgenauigkeit erlaubt Testingenieuren, Versuche mit engeren Toleranzen durchzuführen, was wiederum zu einer besseren Testqualität führt.

Um die Übertragungsgeschwindigkeit der neuen Digitizer zu überprüfen, erprobte das Entwicklerteam von Spectrum die Karten auf einer Vielzahl unterschiedlicher PC-Plattformen. Die maximalen Übertragungsgeschwindigkeiten wurden mit einem AMD EPYC Model 7252 Serverprozessor erreicht. Die Entwickler testeten auch direkte RDMA-Datenübertragungen bei voller Geschwindigkeit von den Digitizer-Karten zu einer Nvidia-P2000-GPU. Um Daten direkt auf eine CUDA-GPU mit bis zu 5000 Prozessor-Kernen zu streamen, ist das SCAPP-Paket (Spectrum’s CUDA Access for Parallel Processing) nötig. SCAPP enthält die notwendigen Treiber für die CUDA-GPU-Unterstützung und ermöglicht Benutzern, ihre eigenen Verarbeitungsroutinen zu entwickeln. Arbeitsbeispiele für gängige Funktionen wie kontinuierliche Mittelwertbildung zur Rauschunterdrückung und FFTs zur Spektralanalyse sind ebenfalls enthalten.

Werden die Digitizer in einem PC installiert, auf dem ein Windows- oder Linux-Betriebssystem läuft, können die Karten in fast jeder gängigen Sprache programmiert werden. Dazu gehören C, C++, C#, Delphi, VB.NET, J#, Python, Julia, Java, LabVIEW und MATLAB. Jede Karte wird mit einem Software-Development-Kit geliefert, das alle notwendigen Treiberbibliotheken und Programmierbeispiele enthält. Wer keinen eigenen Code schreiben möchte, für den bietet das Unternehmen alternativ SBench 6 an. Diese leistungsstarke Messsoftware bietet vollständige Kartenkontrolle sowie eine Vielzahl von Anzeige-, Analyse-, Speicher- und Dokumentationsfunktionen.

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