Komplett neuartige PCIe-Digitizer-Serie: Kleiner, besser und deutlich schneller

Mit der PCIe-Digitizer-Plattform M2p.59xx hat Spectrum Instrumentation eine zukunftsweisende Entwicklung vorgestellt: Auf halber Baugröße bieten die neuen Module gegenüber der Vorgängerserie deutliche Vorteile in Abtastrate, Bandbreite, Speicher und Datenübertragungsgeschwindigkeit.

Spectrum Instrumentation Bildquelle: © Spectrum Instrumentation

Bild 1: Die M2p.59xx-Serie (oben) ist eine PCIe-Karte halber Größe mit den Maßen 167 mm x 107 mm x 20 mm. Im Vergleich dazu haben die älteren M2i.49xx-Produkte (unten) die Maße 312 mm x 107 mm x 20 mm und belegen einen PCIe-Slot voller Länge.

 

Bei der Entwicklung der neuen M2p-Plattform bestand die Herausforderung nicht nur darin, alle Spezifikationen der älteren Serie zu erfüllen, sondern sämtliche Werte zu verbessern – insbesondere die Messgeschwindigkeit und die Genauigkeit«, erklärt Oliver Rovini, Technischer Leiter und Prokurist bei Spectrum Instrumentation. »Darüber hinaus sollte die Neuentwicklung auf einer PCIe-Karte der halben Länge Platz finden, damit die verbesserten Messkarten auch in kleineren PC-Systemen verwendet werden können.« Das ist den Spectrum-Ingenieuren eindrucksvoll gelungen.

Modularer Aufbau für bis zu 20 Varianten

Alle Spectrum-Digitizer sind modular aufgebaut, bestehend aus einer Basisplatine (Plattformkarte) und einem oder zwei Modulen. Die Plattformkarte enthält typischerweise die Stromversorgung, das Taktsystem, den Speicher, das Speichermanagement und die PCIe-Schnittstellensteuerung. Die Module beherbergen die Erfassung (ADC und Verstärker) sowie andere Peripheriegeräte.

Das modulare Konzept ermöglicht es, für eine Plattformkarte wie der neuen M2p verschiedene Module zu wählen, die sich in Kanalanzahl und Geschwindigkeit unterscheiden. Für die 59er-Digitizer-Familie gibt es z.B. acht verschiedene Module, von denen ein oder zwei auf dem M2p-Plattformboard Platz finden. Das ergibt 20 verschiedene Digitizer.

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Bild 2: Blockdiagramm der M2p.59xx Digitizer, bei denen die Plattformkarte verschiedene Aufzeichnungsmodule sowie Erweiterungsmodule wie den Star-Hub aufnehmen kann. Grüne Teile gehören zum Modul, rote zum optionalen Star-Hub.

Jitter-arme differentielle Taktung

»Bei der Entwicklung der neuen M2p-Plattformkarte haben wir unser Augenmerk besonders auf das Takt-Design gelegt, bei dem eine differentielle Jitter-arme Taktquelle anstelle eines herkömmlichen Single-Ended-Taktes verwendet wurde«, führt Rovini aus. »Die differentielle Taktung reduziert Jitter, indem sichergestellt wird, dass der ADC kein Taktrauschen der Umgebung aufnimmt.« Die Taktschaltung verwendet darüber hinaus eine PLL-Architektur (Phase-Locked-Loop) mit einer höheren Genauigkeit als ±1 ppm und hoher Stabilität.

Das Takt-Design ist sehr flexibel, mit verschiedenen internen oder externen Taktmodi und stellt eine präzise Synchronisation zwischen den Kanälen sicher. »Ein weiteres Merkmal ist, dass Takt und Trigger über Spectrums Star-Hub-Verteilungsmodul problemlos mit anderen Digitizern geteilt werden können«, fährt der Experte fort. »Ein einzelner Star-Hub kann bis zu 16 Karten synchronisieren, wodurch Digitizer-Systeme mit bis zu 128 vollständig synchronen Kanälen möglich sind. Der Star-Hub wird zusätzlich auf einer der 16 Plattformkarten montiert.«

Die Auswahl des A/D-Wandlers

Das Herz eines jeden Digitizers ist der A/D-Wandler. Für die M2p.59xx-Serie hat Spectrum die A/D-Technologie der neusten Generation gewählt, die eine kosteneffektive Mehrkanal-Leistung bietet und gleichzeitig eine große Anzahl von verschiedenen Eingangsfrequenzen verarbeiten kann. »Wir haben uns für eine 16-Bit-A/D-Familie von Linear Technology entschieden, die Varianten mit Abtastraten von 20 bis 125 MSample/s, Pin-Kompatibilität und eine LVDS-Schnittstelle bietet«, so Rovini. »Die A/D-Wandler haben auch einen relativ geringen Stromverbrauch und sind damit perfekt für Digitizer-Karten mit vielen Kanälen.«

Wie das Blockdiagramm in Bild 2 zeigt, weist das Schaltungsdesign bei Spectrum immer pro Kanal einen ADC mit unabhängigen Signalkonditionierungsschaltungen auf. Dies ermöglicht bei Mehrkanal-Anwendungen die präzise Erfassung von Signalen mit völlig unterschiedlichen Amplituden. Für die Digitizer der Serie M2p.59xx hat jeder Kanal sechs verschiedene Signaleingangsbereiche (±200 mV bis ±10 V), Signal-Offset, wählbare Impedanz (50 Ω und 1 MΩ), Überspannungsschutz und Kalibrierung. Die Kanäle sind wahlweise als Single-Ended oder True-Differential konfigurierbar.