Interview Oliver Rovini, Spectrum Instrumentation „Maßgeschneiderte Synchronisation minimiert Phasenfehler“

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Im März stellte Spectrum Instrumentation die Netbox-Serie DN2.33x vor, die Abtastraten zwischen 3,2 und 10 GS/s bietet. Sie eignet sich für präzise Messungen bei hohen Datenraten. Welche Herausforderungen es bei der Entwicklung gab und welche technischen Details die Box bietet.

Die Weiterentwicklung messtechnischer Systeme erfordert kontinuierliche technische Anpassungen und durchdachte Ansätze, um den steigenden Anforderungen industrieller Anwendungen gerecht zu werden. Ein Beispiel ist die Netbox-Serie DN2.33x von Spectrum Instrumentation. Ich habe mit dem Chefentwickler Oliver Rovini von Spectrum Instrumentation gesprochen. Im Gespräch gibt er Einblicke in die technischen Herausforderungen bei der Signalverarbeitung sowie in Fragen der Systemintegration. Dabei stehen insbesondere die praktischen Anforderungen an Präzision, Datenrate und Kompatibilität im Vordergrund.

Herr Rovini, wie ist die Netbox entstanden und worin bestanden die Herausforderungen bei der Entwicklung?

Viele unserer Kunden hatten den Wunsch geäußert, unsere PC-Karten zu nutzen. Sie wollten aber eine sofort einsatzbereite Komplettlösung, ohne einen passenden PC beschaffen und konfigurieren zu müssen. Das war die Geburtsstunde der DN2-Serie, die in einem kompakten Gehäuse bis zu zwei unserer Karten enthält und über Ethernet einfach mit jedem PC oder Netzwerk verbunden werden kann. Später folgte die DN6-Serie im 19-Zoll-Rackformat, die bis zu sechs Karten enthält und bis zu 48 synchrone Digitizer- oder Generatorkanäle bietet.

Seit einigen Jahren gibt es die hybridNETBOX-Produkte, die Signalerzeugung als auch Signalerfassung in einer Netbox vereinen. Für die jetzt vorgestellten Digitizerkarten, die Signale bis zu 4,7 GHz verarbeiten können, funktionierte das bestehende DN2-Gehäusekonzept mit internen Adapterkabeln nicht mehr. Unsere Entwickler mussten das Gehäuse intern komplett überarbeiten. Jetzt liegen die Anschlüsse der Digitizerkarte direkt auf der Frontblende, so dass die perfekte Signalqualität gewährleistet werden kann.

Wie ist die Signalqualität (Signal-Rausch-Verhältnis, SFDR, ENOB) bei maximaler Abtastrate von 10 GS/s?

Die SNR (Signal Noise Ratio) liegt beim Spitzenmodell mit einer Bandbreite von 4,7 GHz bei über 50 dB, und das unabhängig von der getesteten Signalfrequenz und dem verwendeten Eingangsbereich. Zusammen mit einer THD (Total Harmonic Distortion), die im Bereich zwischen -57 und -70 dB liegt, ergibt sich daraus eine ENOB (Effective Number of Bits) von besser als 8,0 für alle Bereiche und alle getesteten Eingangssignale. Um so einen hochwertigen Digitizer zu testen, ist eine Kombination aus hochwertigem Signalgenerator zusammen mit einem passenden, sehr steilen Bandpass-Filter notwendig.

Spectrum verwendet verschiedene Filter zwischen 10 MHz und 1,2 GHz, um die Digitizer spezifizieren zu können. Im Endtest direkt vor der Lieferung wird jedes einzelne Modell auf die Einhaltung der Spezifikation überprüft und alle Messwerte werden dokumentiert.

Welche effektive Eingangsempfindlichkeit und Linearität erreichen die A/D-Wandler über den gesamten Eingangsbereich?

Die Serie DN2.33x ist der einzige Digitizer auf dem Markt, der bei dieser Abtastrate und Bandbreite noch vier verschiedene, per Software schaltbare Eingangsbereiche bietet. Damit kann die volle Auflösung von 12 Bit sowohl für Signale von ±200 mV als auch von ±2,5 V genutzt werden. Im kleinsten Eingangsbereich bietet der Digitizer dann eine Auflösung von 97 µV pro ADC-Stufe an. Der Eingangsverstärker ist auf einen möglichst linearen Frequenzgang optimiert und befindet sich bis über die Hälfte der Bandbreite innerhalb eines Fensters von ±0,5 dB, beispielsweise bis 1,8 GHz bei einer Bandbreite von 3,0 GHz.

Welche Möglichkeiten zur Echtzeitdatenverarbeitung bietet die Digitizer Netbox?

Die schnellen Digitizer sind mit einem Speicher von bis zu 8 GSample (16 GByte) verfügbar. Hier können insgesamt 800 ms an Daten abgelegt werden. Kombiniert wird der große Speicher mit verschiedenen Aufzeichnungsmodi, die eine intelligente Nutzung des Speichers erlauben. So bietet der Multiple-Recording-Modus die Möglichkeit, viele schnell hintereinander folgende Triggerereignisse einzeln aufzunehmen und im Speicher als Segmente abzulegen.

Interessant ist dabei die sehr kleine Totzeit von 35 ns. Als Weiterentwicklung ist der optionale Block-Averaging-Modus verfügbar, bei dem die Segmente aufsummiert werden, um bei wiederkehrenden Signalen auch kleinste Signalanteile durch Reduktion des Rauschpegels sichtbar zu machen. Ergänzt werden die verschiedenen Aufzeichnungsmodi durch drei verschiedene Speichermodi: Im Standardmodus werden die 12-Bit-Daten in einem 16-Bit-Datenwort gespeichert, das direkt als 16-Bit-Integer in verschiedensten Programmiersprachen verwendet werden kann.

Im 8-Bit-Modus, der zu einer Verminderung der ENOB von maximal 0,7 führt, werden nur die höherwertigen 8 Bit der Daten gespeichert, so dass sich der Platzbedarf halbiert. Der 12-Bit-Packed-Modus speichert jeweils zwei Samples in drei Bytes, um ohne Reduzierung der ADC-Auflösung das Maximum aus dem Speicher zu holen.

Wie einfach lässt sich die Digitizer Netbox mit vorhandener Mess- und Automatisierungssoftware integrieren?

Alle Produkte von Spectrum nutzen eine gemeinsame API mit einem einfach zu nutzendem und sehr flexiblen Register-Modell. Die API selber besteht nur aus einer handvoll Funktionen, die in eine eigene Software eingebunden werden kann. Ausführliche Beispiele für die verschiedenen Betriebsarten sind für alle gängigen Programmierumgebungen verfügbar. Dazu zählen Python, C/C++, C#, VB.NET, Java, Julia sowie MATLAB und LabVIEW. Die verschiedenen SDKs sind frei verfügbar und werden regelmäßig aktualisiert und auch um neue Beispiele und Programmiersprachen erweitert. Als LXI-kompatibles Gerät wird auch die IVI-Schnittstelle unterstützt, so dass eine einfache Einbindung in größere Messsysteme möglich ist.

Gibt es eine Möglichkeit, mehrere Geräte synchron zu betreiben, um mehrkanalige Systeme mit erweiterten Kanalzahlen aufzubauen?

Digitizer mit so hohen Abtastraten benötigen eine maßgeschneiderte Synchronisation, um Phasenfehler zu minimieren und einen möglichen Triggerjitter zwischen mehreren Digitizern zu verhindern. Spectrum setzt auf eine interne, genau für die Bedürfnisse der schnellen Messkarten entwickelte Lösung: den Star-Hub. Der Star-Hub verteilt Takt-, Trigger- und Steuersignale zwischen den Digitizern und erlaubt eine feine Justierung der Taktphasenlage, um kleinste Abweichungen in der Hardware und der Verkabelung auszugleichen und so den Phasenversatz (Skew) zwischen den Digitizern zu minimieren.

Der Star-Hub kann entweder direkt auf PCIe direkt genutzt werden oder ist integriert in größere Netboxen mit mehr Kanälen, die später in diesem Jahr vorgestellt werden. Eine gleichwertige externe Synchronisation zwischen mehreren Netboxen ist bei einer zeitlichen Auflösung von 100 ps nicht möglich.

Wie stellt Spectrum Instrumentation sicher, dass die Digitizer der Serie DN2.33x langfristig kompatibel bleiben, insbesondere hinsichtlich zukünftiger Technologien, Schnittstellenstandards und Softwareplattformen?

Spectrum Instrumentation ist seit mehr als 35 Jahren auf dem Markt und setzt seit etwa 25 Jahren auf modulare Systeme, bestehend aus digitaler Trägerkarte und verschiedenen Front-End Modulen, sowie mit einer einheitlichen API. Dieses modulare Konzept ermöglicht es, die Produkte flexibel auf die aktuelle Technologie und die aktuellen Schnittstellen anzupassen. Im Laufe der Zeit hat Spectrum Produkte für ISA, PCI, PCIe, PXI, PXIe, cPCI und Ethernet auf den Markt gebracht. Dank der einheitlichen API, die sowohl für alte als auch neue Produkte genutzt wird, können PCI-Karten aus dem Jahr 2000 mit der gleichen Schnittstelle wie aktuelle PCIe x16 Karten oder die vorgestellte digitizerNETBOX betrieben werden.

Dieses Konzept garantiert, dass auch die bestehende Produktpalette auf den neuesten Betriebssystemen lauffähig ist. Einen Zwang für Bestandskunden, sich neue Hardware kaufen zu müssen, weil eine aktuelle Windows-Version auf den Markt kommt, ist für uns undenkbar. Selbst für alte PCI-Karten, die vor 2000 geliefert wurden, gibt es noch frei verfügbare Treiberupdates für die aktuellen Betriebssysteme. (heh)

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