Nächste Generation von 16-Bit-Digitizern

Bild 1: Die Basiskarte M2p wird die PCIe-Plattform für alle Spectrum-Produkte der nächsten Jahre sein. Spectrum Instrumentation

Das erste Modul für die Basiskarte M2p nennt sich 59xx und wird in vielen Varianten hergestellt. Die M2p-Basis und die 59xx-Module ergeben zusammen 13 verschiedene Digitizer-Karten mit vielen Optionen hinsichtlich Geschwindigkeit und Kanalzahl. Oliver Rovini, Technischer Leiter bei Spectrum, erklärt: „Diese Produkte sind das Kernstück unserer neuen Mid-Range-Digitizer für Signalfrequenzen von 1 MHz bis 40 MHz. In diesem Bereich wird die neue Serie nach und nach unsere bisherigen Modelle mit 12, 14 und 16 Bit ersetzen. Dabei bieten wir unseren Stammkunden einen zuverlässigen Weg für Upgrades, die dann viele technische Verbesserungen enthalten. Für unsere neue Serie sehen wir viele Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Ultraschall, Laser, Lidar, Radar, Automotive und bei komplexen Experimenten in der Forschung.”

13 verschiedene Modelle durch das modulare Konzept

Die M2p.59xx-Serie wird beim Marktstart mit drei verschiedenen Geschwindigkeiten von 20 MS/s, 40 MS/s und 80 MS/s angeboten, mit einer frei wählbaren Kanal-Anzahl von eins bis acht pro Karte. Dadurch ergeben sich 13 verschiedene Produkte, sodass jeder Kunde ein exakt passendes Modell für seine Anwendung wählen kann. Weitere Produktvarianten sind für 2018 in Vorbereitung.

Die Entwickler haben es geschafft, die Länge der neuen Basiskarte auf nur 167 mm zu verkleinern, was laut Norm einer PCIe-Karte mit halber Größe entspricht. Trotzdem hat jeder Kanal der neuen Digitizer einen separaten A/D-Wandler und einen komplett individuell programmierbaren Eingangsverstärker im Bereich zwischen ±200 mV und ±10 V. Geboten werden außerdem programmierbare Eingangs-Offsets für unipolare Messungen, programmierbare Eingangsterminierung von 50 Ω und 1 MΩ sowie eine integrierte Kalibrierung. Die Modelle sind mit bis zu acht massebezogenen Kanälen oder mit bis zu vier differenziellen Kanälen erhältlich.

Kleine und schnelle 16-Bit-Digitizer

Die geringe Länge von 167 mm ermöglicht den Einsatz der 16-Bit-Digitizer in deutlich kleineren PC-Systemen als früher – perfekt für kompakte OEM-Geräte. Das PCIe x4–Interface erhöht die Datenmenge beim Streamen auf über 600 MByte/s – oder mehr als 75 MS/s bei vier Kanälen. Ergänzt wird dies durch den Onboard-Speicher von 1 GByte, sodass Anwendungen mit kontinuierlicher Datenspeicherung und schneller Online-Berechnung möglich werden. Intelligente Aufzeichnungsmodi wie Multiple Recording, Gated Sampling sowie ABA – die Kombination von schnellen Einzelaufnahmen und langsamen kontinuierlichen Aufnahmen – machen fast jede Anwendung möglich.

Mit der Spectrum-eigenen Star-Hub-Technologie können bis zu 16 Karten in einem System synchronisiert werden. Ein einzelnes Gerät kann so bis zu 128 Kanäle haben, die sich alle ein gemeinsames Takt- und Trigger-Signal teilen. Um externes Equipment zu synchronisieren, sind Ein- und Ausgänge für Takt und Trigger als Standard inklusive. Um noch flexibler zu sein, sind zusätzlich vier individuell programmierbare Anschlüsse direkt auf der Frontplatte vorhanden. Diese können vielfältige Aufgaben übernehmen: als zusätzliche Trigger-Eingänge, Status-Ausgänge, synchronisierte Digitaleingänge, asynchrone I/Os oder als Referenz-Takt-Eingang für die integrierte Zeitstempel-Einheit (Time Stamp).

Reichlich Software-Support von Spectrum

Die Karten basieren auf Spectrums eigenem Treiber-API, das 2006 vorgestellt wurde. Bis heute arbeiten mehr als 400 verschiedene Spectrum-Produkte mit diesem allgemeinen Treiber, wodurch einfaches Wechseln zwischen langsamen und schnellen Karten ermöglicht wird. Auch das Kombinieren von PCIe, PXIe oder Ethernet/LXI-Produkten wird mit diesem generellen Software-Interface möglich. Ein komplettes Software-Development-Kit (SDK), basierend auf Windows und Linux, ist ebenfalls enthalten. Treiber und Programmierbeispiele für alle marktüblichen Programmiersprachen werden mitgeliefert, sodass der Kunde sein bevorzugtes Interface nutzen kann. Das aktuelle SDK enthält C, C++, C#, Delphi, VB.NET, J#, Python, Java, Labview, Matlab und Labwindows/CVI.

Alle Produkte werden vor dem Versand ausgiebig getestet. Im Lieferumfang ist eine Basisversion von der Software SBench6 enthalten, mit der sofort mit ersten Tests und Messungen gestartet werden kann. Die Professional-Version der Software bietet vollständigen Zugriff auf alle Aufzeichnungs-Modi, viele Signalanalysen, weitere Displays sowie Kontroll- und Reporting-Funktionen.

„Nach mehr als 25 Jahren Entwicklung, Produktion und Endkontrolle in Deutschland ist unser Qualitätsniveau extrem hoch, daher bieten wir eine in der Branche einzigartige Gewährleistungsdauer von fünf Jahren”, erklärt die Geschäftsführerin Gisela Haßler. „Außerdem sind während der langen Einsatzzeit des Produkts alle Software- und Firmware-Updates kostenlos. Für den Support erhält der Kunde direkten Zugang zu unseren Ingenieuren – von der Anfrage bis zur Lösung vergehen meistens nur wenige Stunden.”

Schlüssel zum weltweit stärksten Indoor-Magnetfeld

Bild 2: Der Puls-Magnet des ISSP-Labors an der Universität Tokio kann bis zu unglaublichen 760 Tesla betrieben werden. Spectrum Instrumentation

Ein Anwendungsbeispiel der vielfältigen modulaten Messgeräten von Spectrum Indstrumentation ist das internationale „Mega-Gauß“-Labor, ein Teil des ISSP (Institute Solid State Physics) an der Universität in Tokio. Dort soll ein neuer Weltrekord für das stärkste jemals innerhalb eines Gebäudes erzeugte Magnetfeld erzielt werden. Um dies zu erreichen, müssen die Forscher am ISSP die Präzision des Zündungsprozesses an ihrem riesigen Puls-Magneten verbessern. Die dafür nötigen Messungen müssen den Bruchteil einer Milliardstel Sekunde auflösen können und werden mit einem Digitizer von Spectrum Instrumentation durchgeführt. Die sehr starken Magnetfelder des ISSP werden benutzt, um die Eigenschaften von Materialien zu untersuchen, wenn sie sehr hohem Magnetismus ausgesetzt werden. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen auch zur Entwicklung neuer Materialien und Werkstoffe. Der Puls-Magnet des Labors kann bis zu 87 Tesla generieren, ohne den zu untersuchenden Werkstoff zu zerstören. Nimmt man die Beschädigung der Probe in Kauf, kann der Puls-Magnet in einem Bereich von 100 Tesla bis zu unglaublichen 760 Tesla betrieben werden – der aktuelle Weltrekord für ein künstliches Magnetfeld, das in einem Gebäude erzeugt wird.

Präzision im Sub-Nanosekunden-Bereich

Der Puls-Magnet, auch Mega-Gauß-Maschine genannt, muss viele Reihen von großen Kondensatoren im Abstand von jeweils weniger als 10 ns auslösen. Um diese hohe Präzision zu erreichen, müssen die Trigger-Impulse untersucht werden. Die Charakteristika der Signale und deren zeitliche Zusammenhänge werden genauestens analysiert, um optimale Auslöse-Impulse und damit maximale Magnetfelder zu erhalten. Dies ist sehr wichtig, denn der Mega-Gauß-Magnet darf nur wenige Male pro Tag abgefeuert werden.

Um die Trigger-Impulse zu erfassen und zu untersuchen, benötigte das ISSP ein in sich völlig synchrones 10-Kanal-Digitizer-System mit einer Abtastrate von mindestens 1 GS/s. Durch diese hohe Abtastrate kann die Form und Frequenz der Trigger-Impulse genau festgehalten werden, wobei das synchrone Sampling auf 10 Kanälen die zeitlichen Verschiebungen der Signale untereinander im Nanosekundenbereich erfassen soll. Eine große Schwierigkeit dabei ist, dass die extrem starken Magnetfelder für die Messinstrumente und die Forscher sehr gefährlich sind. Die Messapparaturen müssen sich direkt bei der Mega-Gauß-Maschine befinden und werden deswegen aufwendig abgeschirmt. Die Forscher-Crew bringt sich im Kontrollraum in Sicherheit, daher muss das Digitizer-System auch vollständig fernsteuerbar sein.

Die Wahl der Forscher fiel auf die DN6.221-12 Digitizernetbox (Eigenschreibweise: digitizerNETBOX) von Spectrum Instrumentation. Dieses Gerät löste in Japan alle Probleme: 12 komplett synchrone Kanäle, jeder mit 1,25 GS/s und damit 800 ps zeitlicher Auflösung. Die LXI-kompatible Box ist über Ethernet komplett fernsteuerbar und liefert ihre Messdaten zu jedem gewünschten Computer im Netzwerk des Labors. Mithilfe der Digitizernetbox können die Forscher der Universität Tokyo die Mega-Gauß-Maschine jetzt weiter optimieren. Der nächste Weltrekordversuch, um ein noch höheres Magnetfeld zu erzeugen, ist für Ende dieses Jahres geplant.