Messkarten Kleinere AWG-Karten bieten einen höheren Ausgangspegel

Autor / Redakteur: Oliver Rovini* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die AWG-Messkarten der Familie M2p.65xx sind kleiner und bieten eine höhere Auflösung. Dank integrierter Optionen ist ein höherer Ausgangspegel möglich und sie sind mit älteren AWGs kompatibel.

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AWG-Karte: Die Serie M2p.65xx (oben) ist halb so groß wie das Vorgängermodell M2i.60xx. Sie ist außerdem mit doppelt so vielen Kanälen erhältlich.
AWG-Karte: Die Serie M2p.65xx (oben) ist halb so groß wie das Vorgängermodell M2i.60xx. Sie ist außerdem mit doppelt so vielen Kanälen erhältlich.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

In jedem Labor gibt es den klassischen Signalgenerator als universelle Signalquelle. Sobald die Signalform anspruchsvoller wird als der Standard wie Sinus, Rechteck oder Sägezahn, kommt der Arbitrary Waveform Generator (AWG) zum Einsatz. Er spielt aus dem eigenen Arbeitsspeicher beliebige (arbiträre) Signalformen ab. Diese Universalität macht den AWG zur idealen Signalquelle für die verschiedensten Aufgaben in Testaufbauten, Forschung, automatisierten Produktionstests oder als spezialisierte programmierbare Anregung in OEM-Geräten.

Die Berechnung der AWG-Daten erfolgt über den PC, sei es aus eigenen Programmen, Tools wie Matlab oder im Feld aufgenommenen realen Signalverläufen. Deshalb ist es sinnvoll, den AWG gleich als Steckkarte im PC zu realisieren. Bereits im Jahr 1995 erschien mit der DAP116 bei Spectrum Instrumentation der erste AWG für den PC, damals noch als einkanalige ISA-Steckkarte. Der Erfolg führte zu weiteren Modellen, zuerst auf Basis PCI und dann später auf PCI-Express. Die 2006 vorgestellte Serie von AWGs, M2i.60xx, wurde zu einem Verkaufsschlager und insgesamt wurden mehrere 1.000 Stück davon weltweit verkauft.

Ein Nachfolgemodell der AWG-Karten wird entwickelt

Auf diesen PCI- und PCIe-Karten befinden sich auch ältere Bauteile, deren Einkauf immer schwieriger wird, oder die abgekündigt wurden und sich nur noch als Vorrat im Spectrum-Bauteilelager finden. Aus diesem Grund wurde ein Nachfolgemodell notwendig. Ein wichtiges Thema ist die Kontinuität der Produkte und die Pflege der langjährigen Kundenbeziehungen. Es war also klar, dass sich das Nachfolgemodell als direkter Ersatz in bestehende Projekte einpassen sollte, aber gleichzeitig eine ganze Reihe von gesammelten Ideen zur Verbesserung umgesetzt werden mussten. Auf der Wunschliste standen eine kleinere Bauform, höhere Auflösung, mehr Kanäle, höhere Taktgenauigkeit, schnellerer FIFO-Streamingmodus und ein deutlich höherer Signalpegel.

Mit der bereits für die aktuellen Digitizer eingesetzten M2p-Plattform stand bereits die passende PCIe-Basiskarte zur Verfügung. Alle Messkarten 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 analoge Schnittstelle, in diesem Fall den D/A- Umwandler, den Ausgangsverstärker, sowie andere Peripheriebaugruppen. Die Kombination aus Basiskarte und ein oder zwei verschiedenen Modulen erlaubt es Spectrum, insgesamt 14 verschiedene AWG-Karten der M2p.65xx-Serie auf den Markt zu bringen.

Die Messdaten mit hoher Geschwindigkeit übertragen

Die M2p-Plattform ist eine PCIe-Karte mit halber Baulänge. Damit ist die Länge im Vergleich zum Vorgängermodell mit voller Baulänge in etwa halbiert. Die volle Baulänge entspricht laut Spezifikation 312 mm und halbe Baulänge 168 mm. Das PCIe-x4-Interface mit einem ins FPGA integrierten PCIe-Interface sowie schnellem DMA-Core erlaubt eine Übertragungsrate von ungefähr 700 MByte/s. Im Vergleich dazu hat das Vorgängermodell lediglich 160 MByte/s geschafft. Diese Übertragungsrate erlaubt es mit hoher Geschwindigkeit kontinuierlich Daten zu streamen. Dazu sagt Carsten Gralla, Managing Director bei Spectrum: „Der integrierte, sehr schnelle FIFO-Modus ist einer der herausragenden Vorteile der Spectrum AWG-Karten, kein Stand-Alone-AWG kann hier mithalten und mit solcher Geschwindigkeit kontinuierlich berechnete Daten ausgeben. So ist es möglich, vier synchrone Kanäle mit 80 MS/s Ausgaberate dauerhaft über Stunden oder sogar Tage auszugeben.“

Im Analogmodul ist nicht alles realisierbar

Besonderes Augenmerk haben die Entwickler auf das Takt-Design gelegt, bei dem eine differentielle Jitter-arme-Taktquelle anstelle eines herkömmlichen Single-Ended-Taktes verwendet wurde. Die differentielle Taktung senkt den Jitter, indem sichergestellt wird, dass der D/A-Wandler kein Taktrauschen der Umgebung aufnimmt. Die Taktschaltung verwendet 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.

Die Anforderungsliste für das Analogmodul war hoch und deren Umsetzung ging nicht ohne einige Abstriche und Kompromisse. So standen auf der Wunschliste höhere Auflösung, mehr Kanäle, höherer Ausgangspegel, mehrere hochpolige Ausgangsfilter sowie Interpolation. Nach eingehender Marktanalyse des Angebots an D/A-Wandler war klar, dass die gewünschte Auflösung von 16 Bit unproblematischer Standard ist, aber D/A-Wandler mit integrierter Interpolation aufgrund des vorhandenen Platzes und des Wunsches nach vier D/A-Wandlern pro Modul, also damit acht pro Karte, nicht realisierbar waren. Ebenfalls aus Platzmangel konnten auch nur vier verschiedene Ausgangsfilter mit einer Güte zwischen dritter und fünfter Ordnung realisiert werden.

Ein Blick auf Stromversorgung und Wärmeentwicklung

Die AWG-Karte des Typs M2p.6533-x4 mit acht Kanälen, 40 MS/s und Kühlkörper.
Die AWG-Karte des Typs M2p.6533-x4 mit acht Kanälen, 40 MS/s und Kühlkörper.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Als größte Baustelle hat sich recht schnell die Stromversorgung und Hitzeentwicklung der D/A-Wandler und Ausgangsverstärker herausgestellt. Hatte das Vorgängermodell M2i.60xx für die Ausgabe höherer Pegel bis ±10 V noch eine zusätzliche Steckkarte mit separaten Verstärkern, so sollten diese jetzt unbedingt integriert werden und auf Wunsch einiger OEM-Kunden auch gleich ±12 V liefern. Denn die separate Lösung hatte neben dem Platzbedarf, dem umständlichen Handling und der rauschtechnisch ungünstigen externen Verkabelung immer das Problem der ungenügenden Kalibrierung. Die gefundene Lösung mit automatisch umschaltendem Operationsverstärker als Booster funktionierte zwar einwandfrei, doch der Strombedarf war bei acht Kanälen deutlich höher, als die bereits fertig entwickelte Basiskarte liefern konnte.

Immerhin müssen die Ausgänge bei einer Serienterminierung von 50 Ohm und eine externe Terminierung von 50 Ohm pro Kanal 120 mA bereitstellen. Benötigt werden 1,44 W pro Kanal. Dieser Wert ist jetzt die reine Ausgangsleistung. Die Lösung war die Beschränkung auf entweder acht Kanäle mit niedrigem Ausgangspegel oder vier Kanäle mit hohem Ausgangspegel. Operationsverstärker mit einem hohen Ausgangspegel haben leider auch die unangenehme Eigenschaft, signifikante Abwärme zu erzeugen. Da ein PC-Gehäuse außerhalb des CPU-Bereichs leider nicht mit irgendeinem spezifizierten Mindestluftstrom aufwarten kann, war es nötig, einige Modelle mit zusätzlichen Kühlkörpern auszustatten. Die relativ kompakten Ausgangsverstärker hätte sonst schnell der Hitzetod ereilt. Aufgrund der sehr kompakten Bauform passen diese Kühlkörper leider nicht mehr auf die knapp bemessene eine Slotbreite, sondern ragen in den Nachbarslot hinein.

Bis zu 16 Streckkarten lassen sich synchronisieren

Das Blockdiagramm der Serie M2p.65xx. Die Basiskarte kann ein oder zwei Analogmodule (im Bild grün hinterlegt) aufnehmen.
Das Blockdiagramm der Serie M2p.65xx. Die Basiskarte kann ein oder zwei Analogmodule (im Bild grün hinterlegt) aufnehmen.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Auch die passiven Kühlkörper benötigen einen gewissen Luftstrom, um die Abwärme abzutransportieren. Um hier eventuellen Problemen vorzubeugen, wurden entsprechende Temperatursensoren integriert. Diese haben eine doppelte Aufgabe: Zum einen kann per Software die aktuelle Temperatur überwacht werden, um rechtzeitig bei Problemen mit der Kühlung einschreiten zu können oder um verschiedene PC-Kühlungssysteme bewerten zu können. Zum anderen wird hierüber eine Notabschaltung realisiert, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Eine gemeinsame Basis mit M2p für verschiedene Kartentypen erlaubt es, zusammen mit Spectrums eigenem Star-Hub-Verteilungsmodul problemlos bis zu 16 Steckkarten zu synchronisieren. Dabei können beliebige Produkttypen gemischt werden: schnelle und langsame AWGs mit schnellen und langsamen Digitizern sowie dedizierten Digital I/O-Karten. Die gemeinsame Takt- und Triggerbasis erlaubt das einfache Zusammenspiel der unterschiedlichen Kartenfunktionen. Dabei können einzelne Karten auch langsamer mit geteiltem Takt arbeiten.

Die Modellbandbreite der M2p.65xx-AWGs wurde dabei auf die bereits bestehende Reihe der Digitizer angepasst, so dass genau zueinander passende Paare aus AWG und Digitizer gebildet werden können. Ein Beispiel: Die Kombination aus M2p.6568-x4 und M2p.5968-x4 mit dem Star-Hub ergibt ein synchrones Testsystem mit 8 D/A Kanälen und 8 A/D Kanälen mit jeweils 125 MS/s Abtastrate, wie es in MIMO-Anwendungen benötigt wird. Dank des modularen Konzepts kann das System auch durch einfaches Hinzustecken von neuen Karten in der Kanalzahl erhöht werden.

Mit SCAPP die Signale schnell in der GPU berechnen

Tabelle: Vergleich der AWG Serie M2p.65xx mit dem Vorgängermodelle M2i.60xx. Trotz deutlich verringerter Größe bieten die neuen Karten viele Vorteile, besonders im Hinblick auf die Ausgangspegel.
Tabelle: Vergleich der AWG Serie M2p.65xx mit dem Vorgängermodelle M2i.60xx. Trotz deutlich verringerter Größe bieten die neuen Karten viele Vorteile, besonders im Hinblick auf die Ausgangspegel.
(Bild: Spectrum)

Ein weiteres Feature der M2p-Serie von Spectrum ist, dass sie die SCAPP-Softwareoption unterstützt. Die Abkürzung SCAPP steht für Spectrum’s CUDA Access for Parallel Processing. Mit SCAPP kann eine Grafikkarte mit einem CUDA-basierter Prozessor (GPU) auf direktem Weg die Daten für die Spectrum AWGs liefern. Der große Vorteil: Die GPU, die mit bis zu 5.000 Kernen eine viel schnellere parallele Verarbeitung bietet als die CPU des PCs mit nur acht oder 16 Kernen, schickt die Daten direkt nach der Berechnung an den AWG. So können komplexe Modulationen und Datenströme in der GPU berechnet und ausgegeben werden.

Ein Fazit: Das Team bei Spectrum hatte das Ziel, die älteren AWGs der Serie M2i.60xx durch eine Serie neuer Modelle von hochpräzisen Produkten zu ersetzen. Die AWGs der Familie M2p.65xx sind kleiner, bieten eine höhere Auflösung, integrierte Optionen für höheren Ausgangspegel und doppelt so viele Kanäle auf einer Karte. Die Software-API-Schnittstelle ist voll kompatibel und erleichtert den Übergang. Für bestehende OEM-Kunden wird die alte Baureihe dank des umfangreichen Bauteillagers noch mehrere Jahre zur Verfügung stehen. M2p.65xx ist ein gutes Beispiel, dass eine gut konzipierte PCIe-Karte den meisten herkömmlichen Tischgeräten überlegen sein kann.

* Oliver Rovini ist Technischer Leiter bei Spectrum Instrumentation in Grosshansdorf.

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