ЖУРНАЛ «СТА» 1/2016

граммированы и настроены таким об- разом, чтобы интегрироваться в автома- тизированные системы тестирования, а также встраиваться в качестве основно- го устройства сбора данных в измери- тельный или аналитический прибор. Основанная в 1989 году в Германии компания Spectrum сыграла ключевую роль в эволюции и продвижении на ры- нок высокопроизводительных модуль- ных дигитайзеров. К своему 25-лет- нему юбилею компания подготовила справочное издание по дигитайзерам (Digitizer Handbook), русская версия ко- торого, начиная с этого номера, будет частями публиковаться в журнале СТА. Мы надеемся, что этот справочник по- может специалистам понять особенно- сти, разобраться в характеристиках и воспользоваться широчайшими воз- можностями, которые открывают эти мощные устройства. В ВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ И ПРАКТИКУ ОЦИФРОВКИ СИГНАЛОВ Дигитайзер является электронным устройством для сбора данных, обраба- тывающим аналоговые сигналы по- средством аналого-цифровых преобра- зователей и сохраняющим цифровую модель сигнала в буфере данных для последующей обработки в компьютере. Так сложилось, что современные циф- ровые преобразователи начинают свою историю с пятидесятых-шестидесятых годов, когда стала насущной необходи- мость быстрого сбора, хранения и обра- ботки нескольких каналов данных. Большинство первых дигитайзеров бы- ли построены на базе стандартов шин NIM (Nuclear Instrumentation Module) или CAMAC (Computer Automated Mea- surement And Control). Эти модульные стандарты и одноимённые шины при- менялись для устройств сбора данных и управления, а также в экспериментах с элементарными частицами в ядерной физике. Создание стандарта инстру- ментального интерфейса шины GPIB/ IEEE 488 в 1970-х годах заложило осно- ву построения многофункциональных тестовых и измерительных систем. В то же время развитие персональных ком- пьютеров стимулировало создание ряда стандартов компьютерных интерфей- сов, таких как PCI (Peripheral Compo- nent Interconnect) и VMEbus (Versa Modular Eurocard bus), обеспечивающих типовой механизм объединения пери- ферийных устройств в компьютере. По- средством создания на их базе ряда со- ответствующих инструментальных ин- терфейсных шин, таких как PXI (PCI extensions for Instrumentation) и VXI (VME extensions for Instrumentation), эти компьютерные шины были адаптирова- ны для поддержки модульных прибо- ров. Растущая потребность в сокраще- нии времени обработки и росте про- пускной способности инициировали разработку стандарта LXI (LAN exten- sions for Instrumentation) для встраивае- мых измерительных систем. Таким об- разом, все элементы быстродействую- щих многоканальных измерительных систем оказались на своём месте. Современные модульные дигитайзе- ры имеют схожую с классической архи- тектуру, дополненную новыми высоко- скоростными последовательными ин- терфейсами, такими как PCIExpress (PCIe). На рис. 1 в качестве примера по- казан дигитайзер серии M4i.44xx ком- пании Spectrum. Данные устройства поддерживают от 2 до 4 каналов с ча- стотой дискретизации до 500 млн опро- сов в секунду, разрешением до 16 бит и интерфейсом PCI Express x8 Gen2, обеспечивающим скорость передачи данных до 3,4 Гбайт/с. Терминология дигитайзеров Выбор дигитайзера требует анализа соответствия его параметров особенно- стям применения. Далее приведён сло- варь базовых терминов и определений, общих для всех дигитайзеров. Память данных Цифровые данные, полученные от АЦП, хранятся в высокоскоростной бу- ферной памяти дигитайзера, называе- мой памятью данных. Ёмкость этой па- мяти определяет длину сигнала, кото- рый может быть помещён в буфер перед передачей для обработки, визуализации или сохранения. Память бо́льшего объёма позволяет также использовать более высокую частоту дискретизации и увеличить длительность записи. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) АЦП преобразует аналоговый сигнал, полученный от источника, в цифровые данные, которые могут быть обработа- ны с помощью компьютера. Полоса пропускания (–3 дБ) Ширина полосы пропускания диги- тайзера характеризует частотный диа- пазон, в котором во входном тракте прибора не происходит существенной потери амплитуды сигнала. Границы полосы пропускания обычно опреде- ляются как частоты в Гц, при которых амплитуда сигнала снижается до 1 / 2 ам- плитуды сигнала на низкой частоте, что приблизительно соответствует уров- ню − 3 дБ. Динамический диапазон Динамический диапазон дигитайзера определяет максимальный и минималь- ный уровни сигнала, которые могут быть измерены им в процессе одного опроса. Широкий динамический диа- пазон позволяет одновременно изме- рять сигналы как малых, так и больших амплитуд. Динамический диапазон свя- зан с разрешением дигитайзера. Эффективное число битов (ENOB) Разрешение АЦП определяется коли- чеством битов, используемых для пред- ставления аналогового значения, в идеале давая для N -битового сигнала 2 N уровней квантования сигнала. К со- жалению, все реальные схемы АЦП и связанные с ними предварительные усилители сигнала вносят некоторые шумы и искажения, тем самым снижая теоретически возможное количество уровней квантования. Эффективное число битов (ENOB) является показа- телем качества динамической произ- водительности АЦП и связанных с ним цепей. ENOB определяется как число битов идеального АЦП, сходного своим разрешением с реальным диги- тайзером. LXI LXI (англ. LAN eXtensions for Instru- mentation, или дословно по-русски LAN-расширение для измерительной техники) – стандарт, применяемый для системной интеграции на основе ло- кальной сети, реализующий быструю связь между несколькими приборами. Сегментация памяти Быстрые периодические сигналы для каждого события-триггера сохраняют- ся в памяти дигитайзера в виде единого сегмента. Это снижает требования к скорости передачи и экономит ресурсы памяти. ОБ ЗОР / АППА РАТ НЫЕ С Р Е ДС Т В А 25 СТА 1/2016 www.cta.ru Рис. 1. M4i.4451-x8 – 4-канальный дигитайзер компании Spectrum с интерфейсом PCIe x8 Gen2