Дигитайзеры реализуют всю мощь аналого-цифрового преобразования, дополняя его рядом важных компонентов, таких как прецизионное тактирование, предварительная обработка входного сигнала, буферная память, программное обеспечение для обработки сигналов и скоростные шины данных для передачи оцифрованной информации. Именно эти дополнения сделали АЦП универсальным и позволили использовать его максимально эффективно в постоянно расширяющемся спектре приложений. Однако так было не всегда.
История современных дигитайзеров началась примерно с 1970-х годов, когда для эффективной реализации захвата и оцифровки быстрых сигналов были использованы полупроводниковые технологии аналого-цифрового преобразования. Устройства, известные как регистраторы переходных процессов, были громоздки, сложны в использовании и дорогостоящи, и поэтому применение их было ограничено. В конце 1980-х годов регистратор переходных процессов был в большинстве случаев заменён цифровым осциллографом, поскольку цифровой осциллограф предложил простой способ захвата сигналов, дополненный к тому же таким функционалом, как предварительная обработка сигнала, расширенные возможности синхронизации и анализа сигнала. Это было такое сочетание, которое позволяло использовать его в гораздо более широком диапазоне применений. Такое положение сохранялось до начала 1990-х годов, когда с расцветом персональных компьютеров были обновлены и дигитайзеры. Аппаратная часть и программное обеспечение компьютеров стали быстро совершенствоваться, и дигитайзеры смогли воспользоваться преимуществами и высокой производительностью новых компьютерных шин. Платы модульных дигитайзеров, совместимые с технологиями ISA и PCI, стали устанавливаться непосредственно в ПК, а программные инструменты делали их применение всё более удобным. В это же время как никогда широкая доступность быстродействующих микропроцессоров позволила достичь больших успехов в обработке и скорости измерения сигнала. С тех пор дигитайзеры непрерывно совершенствуются. Как и прежде, они работают совместно с ПК, но теперь они доступны в постоянно расширяющемся разнообразии форматов. Сегодня модульные дигитайзеры – это устройства, устанавливаемые как внутрь ПК с использованием новейшей шины PCIe, так и выполненные в одном из многих промышленных стандартов: PXI, CPCI или LXI для внешнего подключения.
Дигитайзеры могут комплектоваться готовым программным обеспечением и выполнять функции осциллографа, устройства записи сигналов, регистратора данных, спектроанализатора, мультиметра и множества других измерительных приборов. Они могут быть запрограммированы и настроены таким образом, чтобы интегрироваться в автоматизированные системы тестирования, а также встраиваться в качестве основного устройства сбора данных в измерительный или аналитический прибор.
Основанная в 1989 году в Германии компания Spectrum сыграла ключевую роль в эволюции и продвижении на рынок высокопроизводительных модульных дигитайзеров. К своему 25-летнему юбилею компания подготовила справочное издание по дигитайзерам (Digitizer Handbook), русская версия которого, начиная с этого номера, будет частями публиковаться в журнале СТА. Мы надеемся, что этот справочник поможет специалистам понять особенности, разобраться в характеристиках и воспользоваться широчайшими возможностями, которые открывают эти мощные устройства.
Введение в теорию и практику оцифровки сигналов
Дигитайзер является электронным устройством для сбора данных, обрабатывающим аналоговые сигналы посредством аналого-цифровых преобразователей и сохраняющим цифровую модель сигнала в буфере данных для последующей обработки в компьютере. Так сложилось, что современные цифровые преобразователи начинают свою историю с пятидесятых-шестидесятых годов, когда стала насущной необходимость быстрого сбора, хранения и обработки нескольких каналов данных. Большинство первых дигитайзеров были построены на базе стандартов шин NIM (Nuclear Instrumentation Module) или CAMAC (Computer Automated Measurement And Control). Эти модульные стандарты и одноимённые шины применялись для устройств сбора данных и управления, а также в экспериментах с элементарными частицами в ядерной физике. Создание стандарта инструментального интерфейса шины GPIB/IEEE 488 в 1970-х годах заложило основу построения многофункциональных тестовых и измерительных систем. В то же время развитие персональных компьютеров стимулировало создание ряда стандартов компьютерных интерфейсов, таких как PCI (Peripheral Component Interconnect) и VMEbus (Versa Modular Eurocard bus), обеспечивающих типовой механизм объединения периферийных устройств в компьютере. Посредством создания на их базе ряда соответствующих инструментальных интерфейсных шин, таких как PXI (PCI extensions for Instrumentation) и VXI (VME extensions for Instrumentation), эти компьютерные шины были адаптированы для поддержки модульных приборов. Растущая потребность в сокращении времени обработки и росте пропускной способности инициировали разработку стандарта LXI (LAN extensions for Instrumentation) для встраиваемых измерительных систем. Таким образом, все элементы быстродействующих многоканальных измерительных систем оказались на своём месте.
Современные модульные дигитайзеры имеют схожую с классической архитектуру, дополненную новыми высокоскоростными последовательными интерфейсами, такими как PCIExpress (PCIe). На рис. 1 в качестве примера показан дигитайзер серии M4i.44xx компании Spectrum.

Данные устройства поддерживают от 2 до 4 каналов с частотой дискретизации до 500 млн опросов 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 особенностям применения. Далее приведён словарь базовых терминов и определений, общих для всех дигитайзеров.2N уровней квантования сигнала. К сожалению, 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 дигитайзером.
Критерии выбора дигитайзера
Выбор дигитайзера требует анализа соответствия ваших потребностей ключевым параметрам дигитайзера. В данном разделе приведены некоторые общие практические правила, которые помогут в этом.

На этой же диаграмме отдельно отмечены параметры дигитайзеров Spectrum серии M4i.44xx, имеющих более высокую частоту дискретизации, чем у остальных 11 представленных для сравнения устройств конкурентов.
Следует отметить, что требуется компромисс между разрешающей способностью и максимальной частотой дискретизации. Высокое разрешение дигитайзера будет стоить нам более низкой максимальной частоты дискретизации. Это показано на рис. 3, где максимальная частота дискретизации для представленных дигитайзеров является зависимостью от количества битов разрешения, при этом 14- и 16-битовые модели Spectrum серии M4i.44xx обладают более высокой частотой дискретизации, нежели их конкуренты. Компромисс между разрешением и частотой дискретизации является одним из основных инженерных компромиссов. Обратите внимание, что максимальную частоту дискретизации возможно увеличить путём чередования нескольких АЦП, но это, как правило, приводит к снижению эффективного числа битов (ENOB) из-за шума, несогласованности усиления АЦП, смещений и нелинейности их цепей. Когда вы сравниваете разрешение и максимальную частоту дискретизации дигитайзеров, обратите внимание, использует ли дигитайзер один АЦП или несколько чередующихся.
На рис. 4 представлены типовая осциллограмма и диаграмма быстрого преобразования Фурье (БПФ) сигнала, полученные в результате опроса дигитайзером одного из каналов с использованием программного обеспечения Spectrum SBench 6.

Несмотря на то что большинство дигитайзеров работают под управлением пользовательского ПО, очень важно иметь ПО от производителя для прямого управления аппаратной частью, системной интеграции и тестирования оборудования. Компания Spectrum предлагает такую программу под названием SBench 6 (рис. 4). Данное ПО обладает большой гибкостью и может быть адаптировано в соответствии с вашими требованиями для обработки от одного до сотни каналов и синхронизации нескольких модулей. SBench 6 предлагает также мощные возможности измерений, анализа и различные функции обработки сигналов. В дополнение к визуализации оцифрованных данных (уровень звукового давления акустического щелчка) как курсор, так и измеренные параметры отображаются в соответствующих единицах уровня звукового давления (паскаль). Программа включает в себя возможности математической обработки сигналов, а также выполнения сложных расчётов, таких как построение гистограмм и БПФ.
Дигитайзер или цифровой осциллограф?
Дигитайзеры имеют с цифровыми осциллографами много общего и поэтому логично спросить: «Какой из приборов лучше всего подходит для измерений в моём приложении?» Есть пять вопросов, которые вы должны задать себе, чтобы решить, что именно использовать.Вывод
Надеемся, что когда вам потребуется в следующий раз собирать данные, вы рассмотрите в качестве инструмента модульный дигитайзер и воспользуетесь всеми преимуществами этого замечательного устройства.Преимущества широкополосных дигитайзеров высокого разрешения
Двумя ключевыми характеристиками дигитайзеров являются пропускная способность и разрешение по амплитуде. Однако они взаимозависимы: увеличение разрешения достигается за счёт снижения пропускной способности, поэтому для решения своих задач пользователи вынуждены идти на компромисс в выборе дигитайзера. В этом разделе обсуждаются преимущества и ограничения широкополосных дигитайзеров с разрешением больше 12 бит и пропускной способностью выше 20 МГц.Разрешение и динамический диапазон
Дигитайзеры преобразовывают выборки аналогового сигнала в цифровые значения с использованием АЦП. Разрешение АЦП – это количество разрядов, используемых им для оцифровки входных выборок. Для N-разрядного АЦП количество дискретных цифровых уровней, которые могут быть реализованы, равно 2N. Таким образом, 12-разряд-ный дигитайзер может обеспечить 212, или 4096 уровней квантования. Бит lsb (least significant bit – младший значащий бит) представляет собой наименьший интервал, который может быть распознан. Для 12-разрядного дигитайзера он составит 1/4096, или 2,4 × 10–4. Чтобы преобразовать lsb в вольты, возьмём входной диапазон дигитайзера и поделим его на 2N, где N – разрешение дигитайзера. В табл. 1 показаны значения lsb для входного сигнала амплитудой в 1 В (± 500 мВ) при использовании дигитайзеров с разрешением от 8 до 16 бит.
Разрешение определяет точность измерения. Чем больше разрешение дигитайзера, тем более точными будут значения измерений. Дигитайзер с 8-разрядным АЦП делит амплитудный диапазон входного усилителя на 256 дискретных уровней. При диапазоне в 1 В 8-разрядный АЦП не может идеально распознать изменение напряжения сигнала менее чем 3,92 мВ, в то время как 16-битовый АЦП с 65536 дискретными уровнями может без проблем зарегистрировать изменение величиной 15 мкВ.
Одна из сфер использования дигитайзера высокого разрешения – это измерение малых сигналов. Можно предположить, что для сигнала с минимальным входным уровнем мы могли бы использовать более низкое разрешение прибора и меньший диапазон шкалы, предназначенной для измерения небольших напряжений. Однако в реальности во многих случаях в сигнале присутствуют компоненты как малых, так и больших величин. Таким образом, для измерения больших и малых составляющих напряжения требуется инструмент с высоким разрешением, имеющий большой динамический диапазон и способность одновременного измерения малых и больших сигналов.
Рассмотрим, как будет выглядеть сигнал после его обработки дигитайзерами с различным разрешением.
На рис. 5 сравниваются идеальные, с точки зрения отсутствия помех, затухающие синусоидальные волны амплитудой ± 200 мВ, полученные от 12-,14- и 16-битовых дигитайзеров.

Выбранный сегмент находится близко к заключительной фазе сигнала и имеет малую амплитуду. 14- и 16-разрядные дигитайзеры имеют достаточное разрешение для точного отображения сигнала, а 12-разрядному дигитайзеру с разрешением 100 мкВ (с полной шкалой ±200 мВ) уже не удаётся распознать уровни менее 100 мкВ. С уменьшением амплитуды сигнала при любом разрешении будут увеличиваться и ошибки чтения. Имейте в виду, что это идеальный случай, позже мы рассмотрим факторы, ограничивающие точность и надёжность измерений в реальных условиях.
Разрешение и частота дискретизации
Как упоминалось ранее, требуется компромисс между разрешением и максимальной частотой дискретизации, а следовательно, и пропускной способностью. Более высокое разрешение влечёт за собой снижение максимальной частоты дискретизации. Это ещё раз иллюстрирует рис. 3, где максимальная частота дискретизации нескольких конкурирующих моделей модульных дигитайзеров изображена как функция разрешения в битах. В 14- и 16-разрядных моделях Spectrum серии M4i эффективная частота дискретизации выше, чем у остальных.Ограничения максимального разрешения
В системах на основе дигитайзеров существует несколько источников ошибок. В простейшем случае типы этих источников можно подразделить на шумы и искажения.Искажения являются ошибками в полученном сигнале, напрямую связанными с измеряемым сигналом. Искажения не случайны и зависят от входного сигнала. Наиболее распространённой формой являются гармонические искажения. В их случае искажения появляются как составляющие, кратные входной частоте. Типичными источниками гармонического искажения являются нелинейность передаточной функции системы дигитайзера, включая насыщение, обрезку, ограничение нарастания скорости и другое. Конфигурации дигитайзеров с несколькими АЦП для достижения более высокой частоты дискретизации вносят значительные искажения на частоте выборки из-за рассогласования коэффициентов усиления и смещений АЦП. Это называется чередующимися искажениями.
Шумы. В отличие от искажения шум – это помеха, не связанная с входным сигналом. Шум может быть определён как любая часть ошибки сигнала, которая не является функцией входной частоты. Шум обычно делят на категории в зависимости от характера его распределения (то есть формы гистограммы ошибки) или формы шумового спектра.
Если за основу классификации шума взять частоту, то шум, который равномерно распределяется по всем частотам, называется белым. Шум, который распределяется таким образом, что величина мощности шума на октаву является постоянной, называется розовым. Существует и много других разновидностей шумов.
Шум также характеризуется и гистограммой его распределения. Шум с нормальным распределением называется Гауссовым шумом. Существует множество источников Гауссовых шумов. Шум создается и в процессе квантования, как результат ошибки преобразования аналоговых напряжений в цифровые значения. Простейшие методы квантования производят равномерное распределение ошибки, являющееся белым шумом.
Шум возникает во всех электронных устройствах, и конструкторы делают всё возможное, чтобы уменьшить уровень шума, добавляемого к входному сигналу. Этап усиления сигнала в дигитайзере особенно способствует генерации шума и увеличению его уровня. Искажения и шумы ограничивают разрешение, которое, в принципе, может быть достигнуто дигитайзером. Шум, добавляя случайную составляющую каждому опрошенному значению, ограничивает возможности цифровых преобразователей по распознаванию малых значений амплитуды. Это показано на рис. 6, где сравниваются частотные диаграммы одного и того же затухающего сигнала синусоидальной формы, как и на рис. 5, с шумом по амплитуде и без него.

Аналогично частотной диаграмме, с добавлением и без добавления белого шума, на рис. 7 показана спектральная диаграмма затухающего синусоидального сигнала.

Обратите внимание, что наличие спектрально «плоского» шума поднимает базовую линию спектра сигнала. Любые сигналы с амплитудой ниже шумового порога будут скрыты, существенно ограничивая динамический диапазон дигитайзера.
На рис. 8 показано влияние гармонических искажений на входной сигнал.

В этом примере относительно большая третья гармоника (20%) изменяет форму оцифрованного сигнала. Как упоминалось ранее, искажения синхронно с источником сигнала добавляются в повторяющейся манере. Обычно гармонические искажения имеют гораздо более низкие уровни и не видны на временно́й диаграмме. Гармоники, как правило, выявляются на частотной диаграмме с помощью спектрального анализа на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). На рис. 9 изображена частотная диаграмма, на которой вы можете чётко увидеть третью гармонику.

Наличие гармонических и других искажений может скрыть более мелкие спектральные отклонения, ограничивающие динамический диапазон дигитайзера. Одним из показателей спектральной чистоты выхода дигитайзера является динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR, Spurious Free Dynamic Range). SFDR определяется как отношение среднеквадратичного значения (RMS-Root Mean Square) амплитуды полезного сигнала к среднеквадратичному значению следующей наибольшей спектральной составляющей на выходе (часто называемой паразитной, или побочной). Идеальный спектр, показанный на рис. 9, имеет SFDR около 81 дБ.
- Получите максимальный исследуемый сигнал в соответствии со входным диапазоном дигитайзера. Это создаст максимальное отношение сигнал–шум. Для дигитайзеров с несколькими диапазонами это сделать легче, но убедитесь, что шум не масштабировался вместе с входным затуханием. Используйте минимальную пропускную способность измерения в соответствии с приложением. Уровень шума пропорционален пропускной способности. Это может быть реализовано с помощью ограниче-ния пропускной способности на входе или при помощи цифровой фильтрации.
- Используйте усреднение сигнала, снижающее уровень шума пропорционально количеству усреднённых измерений. Однако имейте в виду, что эта методика требует повторяющегося сигнала и нескольких выборок.
- Чтобы усилить сигнал и получить максимальную величину отношения сигнал/шум, для низкоуровневых сигналов используйте внешние усилители с низким уровнем шума.
- Используйте надлежащее терминальное окончание в цепи прохождения сигнала. Для обеспечения широкой полосы пропускания правильным выбором является терминатор 50 Ом. Требуется терминирование сигнальной линии и дигитайзера.
Критерии качества для сравнения дигитайзеров по шумам и искажениям
Общие показатели качества, объективно определяющие достоинства измерительной системы, приведены в табл. 2.
Все эти характеристики, кроме базового шума, основаны на анализе частотной диаграммы на выходе дигитайзера для синусоидального входного сигнала. Они определены в стандартах IEEE 1057 и IEEE 1241. Большинство производителей дигитайзеров указывают эти значения в описаниях своих изделий. При сравнении показателей качества убедитесь, что они приведены для одинаковых входной частоты и амплитуды сигнала, частоты дискретизации и полосы пропускания.
Приложения, требующие дигитайзеров с широким динамическим диапазоном
Приложениями, которым необходимы дигитайзеры с большим динамическим диапазоном и, следовательно, более высоким разрешением, являются те, в которых измеряемые сигналы включают в себя как высокие, так и низкие амплитудные составляющие. К ним относятся:- эхолокация – измерения на основе отражённого эхо-сигнала, такие как радар, эхолот, лидар, УЗИ и рентгенография. В этих применениях мощный излучаемый импульс сопровождается более слабым обратным эхо и дигитайзер должен точно обрабатывать сигналы обеих амплитуд;
- измерения пульсаций требуют измерения высокоамплитудных сигналов с небольшими изменениями на вершине, при этом оба компонента сигнала должны быть учтены;
- анализ модуляции – сигналы с амплитудной модуляцией (АМ, SSB, QAM и т.д.), имеющие большие амплитудные диапазоны;
- масс-спектрометрия – приложения, где существует необходимость обнаружения частиц, существенно отличающихся соотношением масса/заряд, и где должна быть улучшена чувствительность масс-спектрометра;
- измерения фазы требуют измерения чрезвычайно малых изменений амплитуды для распознавания небольших фазовых девиаций;
- исследование распространения сигналов – измерение затухания сигнала, распространяющегося различными путями в различных средах, часто требует измерения значений амплитуд сигналов в очень широких пределах;
- тестирование компонентов применяется там, где требуется анализировать большие перепады напряжения или тока.

На рис. 11 показан пример измерения с использованием 14-разрядного дигитайзера Spectrum M4i.44xx.

Значение его ENOB на частоте 10 МГц составляет более 11,6 бит. Сравним это измерение с результатами моделирования данных дигитайзера, имеющего ENOB 10 разрядов. Представленные графические изображения получены с помощью программного обеспечения SBench Spectrum. На левом снимке приведены одновременно обе выборки, значения дигитайзера Spectrum показаны жёлтым цветом, другого – синим. Справа приведено то же самое изображение, увеличенное по вертикали и горизонтали. Обратите внимание, что синяя линия, ввиду более низкого разрешения, не отражает мелкие детали амплитуды.
Вывод
Разрядностью АЦП определяется лишь идеальное разрешение цифрового преобразователя. Это идеальное разрешение на практике ухудшается привнесёнными шумами и искажениями. Таким образом, реальное разрешение является функцией базового шума, SNR, SINAD и ENOB. При выборе дигитайзера необходимо учитывать соответствие истинного разрешения дигитайзера задачам ваших измерений. Вы также должны иметь в виду, что аппаратные средства дигитайзера включают помимо АЦП и входные фильтры, средства усиления и преобразования сигнала, вносящие свой вклад в ухудшение разрешения. Учитывая все эти моменты, вы сможете выбрать дигитайзеры, наилучшим образом подходящие для вашей работы. ●Авторизованный перевод
Андрея Головастова,
сотрудника фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru
Продолжение статьи читайте в следующем номере журнала.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!