Einführung in modulare Waveform Digitizer

Moderne Digitizer kamen erstmals in den 50er und 60er Jahren auf den Markt als der Bedarf entstand, schnelle Signale zu wandeln, speichern und weiterzuverarbeiten. Die ersten Digitizer wurden als NIM (Nuclear Instrumentation Module) oder CAMAC- (Computer Automated Measurement And Control)-Module auf den Markt gebracht. Beide Standards definieren einen allgemeinen Bus sowie ein modulares Gehäusesystem und werden bei Teilchen- und atomphysikalischen Experimenten verwendet. Die Einführung eines standardisierten Messgeräteinterfaces (GPIB/IEEE-488) in den 1970er Jahren bildete die Grundlage für Test- und Messsysteme mit vielen gesteuerten Instrumenten. Gleichzeitig führte die Entwicklung des PCs zu standardisierten Schnittstellen wie PCI (Peripheral Component Interconnect) und VMEbus (Versa Modular Eurocard Bus) zur Erweiterung des PC mit Einbaukomponenten. Diese Computerbusse wurden später als Basis zur Entwicklung von speziellen Messgeräte-Bussen wie PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) und VXI (VME eXtensions for Instrumentation) genutzt. Der Bedarf nach schnellen Testdurchläufen und einfacher Integration von verschiedensten Messgeräten führte zur Entwicklung des LXI-(LAN eXtensions for Instrumentation)-Standards.

Bild 1: Die zwei- und vierkanaligen 14 Bit auflösenden, 500 MS/s schnelle Digitizer M4i.4451 von Spectrum mit PCIe-x8-Gen2-Interface.Spectrum Systementwicklung Microelectronic

Heutige modulare Digitizer basieren auf bewährten und etablierten Architekturen, erweitert um neue serielle High-speed-Schnittstellen wie PCI Express (PCIe). In Bild 1 sieht man als Beispiel die M4i-Serie von Spectrum, ein Digitizer mit 2 oder 4 Kanälen mit einer Abtastrate von 500 MS/s und bis zu 16 Bit Auflösung mit einem PCI-Express-x8-Gen2-Interface, das Transferraten bis zu 3,4 GByte/s erreicht.

Bandbreite und Abtastrate

Die benötigte Bandbreite des Digitizers wird durch die Frequenzanteile des zu messenden Signals definiert. Für sinusförmige Signale sollte die Bandbreite mindestens doppelt so hoch sein wie die Signalfrequenz. Wenn das Signal eher pulsförmig mit steilen Sprüngen ist, so sollte die Bandbreite mindestens fünfmal so hoch sein, wie die Frequenz des Pulssignals um Frequenzanteile bis zur fünften harmonischen Oberwelle aufzunehmen. In Bild 2 wird deutlich, dass mindestens die fünfte Oberwelle nötig ist, um sich einem Rechtecksignal anzunähern.

Bild 2: Die fünfte harmonische Oberwelle wird benötigt um sich einem Rechtecksignal anzunähern.Spectrum Systementwicklung Microelectronic

Das Abtasttheorem nach Nyquist und Shannon besagt, dass die Abtastrate eines Digitizers mindestens doppelt so hoch sein soll wie die höchste im Signal vorkommende Frequenzkomponente. Eine Abtastrate die gerade mal bei dem doppelten der höchsten Frequenzkomponente liegt ist allerdings nicht ausreichend, um schnelle Flanke im Zeitsignal zu reproduzieren. Eine genaue Abtastung eines Signals benötigt eine Abtastrate, die eher beim vier- bis fünffachen der benötigten Bandbreite liegt.

Auflösung und Dynamikbereich

Die Auflösung bestimmt den Dynamikbereich des Digitizers. Der Dynamikbereich ist das Verhältnis zwischen höchstem und kleinstem Signalpegel, den ein Digitizer zur gleichen Zeit auflösen kann. Anwendungen, bei denen dynamische Signale (also Signale mit gleichzeitig großen und sehr kleinen Spannungskomponenten) aufgezeichnet werden sollen, benötigen hochauflösende Geräte. Als erste Näherung zur Berechnung des benötigten Dynamikbereichs kann der höchste erwartete Signalpegel durch den niedrigsten erwarteten Signalpegel geteilt werden. Als Beispiel soll bei einem Eingangsbereich von 1 V ein Signal mit einem Pegel von nur 100 µV noch sichtbar sein. Das Verhältnis der beiden Signalpegel zueinander ist 10.000:1 oder 80 dB. Mit 6 dB pro Bit benötigt diese Aufzeichnung im Idealfall eine ADC-Auflösung von 13,3 Bit ohne hierbei den Rauschanteil zu beachten. Ein idealer 14-Bit-Digitizer würde also reichen.

Bild 3: Die maximale Abtastrate einer Auswahl an verfügbaren High Resolution PCI Express Digitizern, aufgetragen über die Auflösung. Die M4i-Serie wird separat dargestellt und zeigt eine höhere Abtastrate als 11 der 12 Vergleichsprodukte.Spectrum Systementwicklung Microelectronic

Die Auswahl eines Digitizers ist dabei immer ein Kompromiss zwischen Auflösung und maximaler Abtastrate. Eine höhere Auflösung führt immer zu einer niedrigeren maximalen Abtastrate. Dieses Verhältnis ist in Bild 3 sichtbar, wo die maximale Abtastrate von verschiedenen Digitizern unterschiedlicher Hersteller als Funktion über die Auflösung aufgetragen wird. Die 14-Bit- und 16-Bit-Modelle von Spectrums M4i.44xx-Serie sind hier mit ihrer hohen effektiven Abtastrate sichtbar. Es ist möglich die Abtastrate durch Interleaving von mehreren ADCs virtuell zu erhöhen, aber diese Technik bedingt wiederum eine niedrigere Anzahl effektiver Bit (ENOB) durch das zusätzliches Rauschen, das durch unterschiedlichen Offset, Verstärkung und Linearität der einzelnen ADCs entsteht. Beim Vergleich von Auflösung und maximaler Abtastrate von verschiedenen Produkten sollte daher immer spezifiziert sein, ob diese monolithische oder interleaved ADCs benutzen.

Länge des Aufzeichnungsspeichers

Der im Digitizer integrierte Aufzeichnungsspeicher bestimmt die maximale Aufzeichnungslänge bei Einzelschussaufnahmen. Umgekehrt wird dadurch bei gegebener Aufzeichnungslänge die erreichbare Abtastrate begrenzt. Die erreichbare Aufzeichnungslänge ist einfach aus dem Abtastintervall (1/Abtastrate) multipliziert mit dem Aufzeichnungsspeicher errechenbar.

Trigger

Das Triggerereignis synchronisiert die Datenaufzeichnung mit externen Ereignissen. Eine effektive Nutzung von schnellen Digitizern setzt zwingend eine große Flexibilität bei der Triggererkennung voraus. Einfache Flankentriggerung mit programmierbaren Pegeln sind bei Digitizern der Mindeststandard. Vielfach wird auch Fenstertrigger angeboten. Triggerquellen können die Aufzeichnungskanäle selbst sowie mehrere externe dedizierte Triggereingänge sein. Für eine maximale Triggerflexibilität können diese mit Re-Arm-Funktionen sowie logischen Verknüpfungen kombiniert werden und damit erweiterte Triggerereignisse abbilden.

Anzahl der Kanäle sowie Synchronisation

Jeder Digitizer ist mit einer festgelegten Anzahl Kanäle pro Karte ausgestattet. Wenn mehr Kanäle benötigt werden, können mehrere Karten parallel betrieben werden. Zur Synchronität der Kanäle müssen mehrere Karten intern synchronisiert werden, um die exakt gleichen Takt- und Triggerinformationen zu nutzen. So sind zum Beispiel bis zu acht der in Bild 1 dargestellten Digitizer mithilfe eines Star-Hub-Moduls kombinierbar, sodass zwischen den dann insgesamt bis zu 32 Kanälen kein Phasenversatz entsteht.

Aufzeichnungsmodi und Datentransfer

Digitizer ermöglichen die Datenaufzeichnung in verschiedenen Aufzeichnungsmodi. Die M4i-Serie von Spectrum ist von Haus aus zum Beispiel mit den folgenden Aufzeichnungsmodi ausgestattet: Ring-Buffer (entspricht dem Oszilloskopbetrieb), kontinuierlicher FIFO oder Streaming-Modus, Multiple Recording (Segmentaufzeichnung), Gated Sampling (Torsignalgesteuerte Aufzeichnung) sowie eine doppelte Zeitbasis (ABA) wo langsame kontinuierliche Aufzeichnung mit schnellen Einzelaufnahmen um die Triggerereignisse herum kombiniert wird. Alle diese Aufzeichnungsmodi benötigen eine kurze Totzeit zwischen den Ereignissen. Die bereits vorgestellten M4i-Digitizer kommen hier mit 40 Sampletakten (80 ns bei 500 MS/s Abtastrate) aus. Alle diese verschiedenen Aufzeichnungsmodi ermöglichen die Konfiguration des Digitizers zur optimalen Ausnutzung des Aufzeichnungsspeichers für verschiedene Anwendungen.

Einer der Hauptvorteile von Digitizern ist die Möglichkeit die Daten schnell und kontinuierlich zum Computer für weitere Analysen oder zur Datenarchivierung zu übertragen. Die Spectrum Digitizer sind für einen schnellen FIFO-Modus (Streaming Modus) optimiert und erreichen eine Dauertransferrate zwischen Kartenspeicher und PC-Speicher von bis zu 3,4 GByte/s unter Nutzung einer PCI-Express-x8-Gen2-Schnittstelle.

Bauform

Moderne Digitizer sind in verschiedenen Bauformen und für verschiedene Standards verfügbar. Heutzutage am weitesten verbreitet sind PCI Express, immer dann wenn Größe und Systemkosten kritisch sind und die Karte in einem PC eingebaut werden soll, sowie PXI. Beim Aufbau großer automatischer Testsysteme mit vielen verschiedenen Geräten vereinfacht die Wahl einer weitverbreiteten und zukunftsträchtigen Schnittstelle die Integration deutlich.

Treiber und Software

Die Digitizer von Spectrum werden mit Treibern für Windows (XP, Vista, Windows 7 und Windows 8, jeweils 32 Bit und 64 Bit) sowie vorcompilierte Linux-Kernel-Module für die am weitesten verbreiteten Distributionen wie Redhat, Fedora, Suse, Ubuntu oder Debian ausgeliefert. Die Linux-Unterstützung beinhaltet SMP-Systeme und ebenfalls 32 Bit und 64 Bit.

Bild 4: Ein Beispiel einer typischen Messaufgabe für einen Digitizer mit einigen grundlegenden Messungen sowie einer FFT, dargestellt mit Spectrums Software S Bench 6.Spectrum Systementwicklung Microelectronic

Programmierbeispiele für Visual C++, Borland C++ Builder, LabWindows/CVI, Borland Delphi, Visual Basic, VB.NET, C#, J#, und IVI sind ebenfalls enthalten. Sollten Drittprodukte wie LabVIEW oder Matlab genutzt werden, so sind hierfür ebenfalls Treiber sowie Beispiele enthalten.

Obwohl die meisten Digitizer von selbstgeschriebener Software gesteuert werden, ist die Verfügbarkeit einer Bediensoftware vom Hersteller für die Systemintegration sowie Tests der Hardware trotzdem für alle Anwender ein wichtiger Punkt. Die von Spectrum mitgelieferte Software läuft unter dem Namen S Bench 6 und wird in Bild 4 gezeigt. Die Software kann flexibel eingesetzt werden und ist speziell für die Hardware des Herstellers entwickelt. Dabei können sowohl Karten mit einzelnen Kanälen als auch für Systeme mit hunderten synchronisierter Kanäle gesteuert werden. Daneben bietet die Software verschiedene Messverfahren, Analysen und Signalberechnungen. Im Screenshot wird sowohl die aufgezeichnete Signalform (Schalldruck eines akustischen Klicks) als auch die beiden Messcursoren mit einer passenden Einheit und Umrechnung (Pascal) dargestellt. Daneben wird die FFT des aufgezeichneten Signals dargestellt.

(jj)