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Erzeugen, Aufzeichnen, Übertragen von AWG-SignalenErzeugen, Aufzeichnen und Übertragen von Signalen beim Einsatz von Arbitrary Waveform-Generatoren unter Verwendung der Software SBench 6

Der Arbitrary Waveform-Generator (AWG) ist ein leistungsstarker und flexibel einsetzbarer Signalgenerator zur Ausgabe von Signalen beliebiger Formen innerhalb der Bandbreite des Generators. Nach der Anschaffung des AWG muss er mit verschiedenen Signalformen beladen werden. Die Kosten für das Erzeugen, Aufzeichnen, Bearbeiten und Übertragen von Signalformen im Rahmen von Tests können schnell die Kosten des Generators erreichen. Dieser Artikel zielt darauf ab, den Prozess durch Bereitstellung von Beispielen für das Erzeugen, Aufzeichnen, Bearbeiten und das Übertragen von Signalformen auf Ihren AWG zu vereinfachen. Behandelt werden die Bereiche Funktionsgenerator, Signalerzeugung mithilfe von Gleichungen sowie die Übertragung aufgezeichneter Signale von Digitizern, Oszilloskopen und Mathematikprogrammen von Drittherstellern wie MATLAB. Darüber hinaus wird das Be- und Verarbeiten dieser Wellenformen erläutert. Der Fokus im Bereich Hardware liegt auf den AWG-Modellen M2i.6xxx und M4i.66xx PCIe (Bild 1) von Spectrum.

Diese modularen AWG-Produkte umfassen insgesamt 16 Modelle mit 1 bis 4 Kanälen und Abtastraten von 20 MS/s bis 1,25 GS/s mit Bandbreiten von 10 MHz bis 400 MHz bei einer Auflösung von 8, 14 oder 16 Bit. Sämtliche AWG-Produkte nutzen identische Treiber und Unterstützungs-Software.

Verwendung Ihres AWG-FunktionsgeneratormodusJeder AWG lässt sich als einfacher Funktionsgenerator nutzen. Er ermöglicht die Erzeugung und Ausgabe von Sinus-, Rechteck-, Dreieck-, Sägezahn- und DC-Signalen auf direktem Weg und ohne komplexe Operationen. Spectrum bietet die Funktion Easy Generator als Teil seines Softwarepakets SBench 6 für Messanwendungen an. SBench 6 ist eine leistungsstarke, intuitive und interaktive Messsoftware für die Aufzeichnung, Verarbeitung und Erzeugung von Signalen. Sie ist auf die Verwendung mit

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Bild 1: Die Familie M4i.66xx der PCI-Express-basierten AWGs von Spectrum umfasst 4-, 2- und 1-Kanal-Versionen mit Abtastraten von bis zu 1,25 GS/s und Bandbreiten von bis zu 400 MHz.

Bild 2: Die Funktion Easy Generator in SBench 6 von Spectrum bietet die sofortige Ausgabe von Sinus-, Rechteck-, Triangulations-, Sägezahn (Rampen)-, SINC- und DC-Signalformen für jeden AWG-Kanal. Amplitude, Frequenz und Phase können vom Benutzer angepasst werden.

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allen Digitizern, AWGs und LAN-basierten digitizerNETBOX-Systemen von Spectrum ausgelegt.

Easy Generator (Bild 2) ist eine Komponente der Software SBench 6 von Spectrum.

Easy Generator vereinfacht die Auswahl einer beliebigen von sechs Wellenformen des Funktionsgenerators. Dazu gehören Sinus-, Rechteck-, Dreieck-, Sägezahn-, SINC- und DC-Wellenformen. Frequenz, Phase und Amplitude jeder Wellenform können vom Benutzer angepasst werden, ebenso das Tastverhältnis jedes Rechteck-, Dreieck- und Sägezahnsignals.

Zu jedem verfügbaren Ausgangskanal lassen sich individuelle Einstellungen auswählen. Durch Klicken auf die Schaltfläche Start werden alle aktivierten Signale auf die AWG-Ausgänge gegeben.

Easy Generator bietet eine einfache Möglichkeit der Ausgabe von Standardsignalen über den Funktionsgenerator an den AWG.

Erzeugen durch mathematische Gleichungen in SBench 6Die genauesten Ergebnisse bei der Erzeugung von Signalformen erhält man, wenn man mathematische Gleichungen heranzieht. Sie sind präzise und wiederholgenau und ermöglichen die Erzeugung unterschiedlichster Testsignale. SBench 6 enthält einen Editor (Bild 3) als Teil eines Funktionsgenerators, der die Erzeugung von Wellenformen mithilfe textbasierter Gleichungen ermöglicht.

Der Editor des Funktionsgenerators lässt die Erstellung von Gleichungen in Textform zu und ermöglicht die Auswahl von Abtastrate, Amplitude und Dauer der Wellenform.

Der Editor verwendet die folgenden Operatoren:

Operatoren

+ Addition

- Subtraktion

* Multiplikation

/ Division

% Modulo

^ Power

& bitweise AND

| bitweise OR

<< bitweise left shift

>> bitweise right shift

Er ermöglicht auch die Verwendung vordefinierter Konstanten:

e = Eulers Zahl = 2.7182...

pi = PI = 3.14159 ...

Die folgenden Funktionen sind zulässig:

sin(x) Sinus

cos(x) Kosinus

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tan(x) Tangens

asin(x) Arkussinus

acos(x) Arkuskosinus

atan(x) Arkustangens

sinh(x) Hyperbolischer Sinus

cosh(x) Hyperbolischer Kosinus

tanh(x) Hyperbolischer Tangens

ln(x) Natürlicher Logarithmus

abs(x) Absolutwert

Sämtliche Funktionen erfordern ein Argument. Das Standardargument ist x (aktuelle Abtastung), das von Null bis [Länge-1] verläuft. Dieses Argument kann auch mithilfe eines anderen Ausdrucks verändert werden. Dadurch lässt sich die Zeitbasis des resultierenden Signals beeinflussen.

Zudem nehmen die folgenden konditionalen Funktionen Werte auf Grundlage der Argumente an.

if (x, min, max) wenn x >= min und x <= max, dann ist das Ergebnis 1, anderenfalls null

sign (x) ist -1, wenn das Argument negativ ist, und +1, wenn es positiv ist

tri (x,d) Dreieck mit d% einer ansteigenden Periode, die andere 100-d% fallend

rect (x,d) Rechteck mit d% einer hohen Periode, die andere 100-d% niedrig

In Bild 4 ist ein Beispiel für die Erzeugung des Sinus-Sweeps unter Anwendung der oben aufgeführten Operatoren und Funktionen zu sehen.

Spectrum hat dazu einen Anwendungshinweis mit 24 Beispielen für Gleichungen zur Erzeugung von Signalformen veröffentlicht. Das Dokument steht auf der Homepage (http://spectrum-instrumentation.com) zur Verfügung.

Importieren von SignalformenSignalformen können wie gezeigt lokal in der Software SBench 6 von Spectrum erzeugt werden. Signalformen können auch durch anderer Quellen erzeugt oder aufgezeichnet werden, u. a. mit Messgeräten wie Digitizern und digitalen Oszilloskopen oder Softwaretools wie Tabellenkalkulationen, Mathematikprogrammen und Systemintegrationssoftware. Signalformen aus diesen Quellen können in SBench 6 importiert und in einem der nachstehend aufgeführten Importformate an den AWG gesendet werden.

SBench 6 importierenBei dieser Funktion wird eine zuvor im Format SBench 6 gespeicherte Datendatei einschließlich aller darin enthaltenen Signale geladen.

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Bild 4: Beispiel für die Erzeugung eines Gleitsinussignals mithilfe von Gleichungen in SBench 6

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SBench 5 importierenBei dieser Funktion wird eine Datendatei im Format SBench 5 importiert. Das Datenformat wird von der vorherigen Version von SBench verwendet.

ASCII-Datei importierenBei dieser Funktion wird eine ASCII-Datei importiert, die spaltenbasierte Signaldaten enthält. Diese Funktion versucht zunächst, das Datenformat zu bestimmen, und konvertiert die Daten anschließend in ein gültiges Signal.

Wave-Datei importierenMit dieser Funktion lässt sich eine Standard-Audiodatei im weltweit verbreiteten Format *.wav importieren. Ein oder mehrere Signale werden von der Wave-Datei abgeleitet und in SBench 6 angezeigt. Die nicht in der Wave-Datei enthaltenen Dateninformationen werden auf einen Standardwert gesetzt.

Binäre Datei importierenDiese Funktion ermöglicht den Import einer reinen Binärdatei, die ausschließlich Signaldaten ohne Header-Informationen enthält. Die Funktion sucht nach einem zusätzlichen, von SBench 6 geschriebenen Header, und verwendet die darin gespeicherten Informationen. Wird keine Header-Datei in den grundlegenden Informationen gefunden, fordert SBench 6 zur Eingabe der erforderlichen Informationen auf.

In der nachstehenden Übersicht sind die gängigsten Importformate für zahlreiche Signalquellen aufgeführt:

Spectrum Digitizer .sb6dat, ASCII, Binärdatei

Spectrum AWG .sb6dat, ASCII, Binärdatei

Spectrum digitizerNETBOX .sb6dat, ASCII, Binärdatei

Digitizer (Dritthersteller) ASCII

Digitales Oszilloskop ASCII

Tabellenkalkulationsprogramm (Excel) ASCII

Mathematikprogramm (MATLAB) ASCII, Binärdatei

Systemintegrationssoftware (LabVIEW) ASCII, Binärdatei

Audioaufzeichnung .WAV

Importieren von Signalformen von einem Spectrum DigitizerDas Importieren von Signalformen von einem Digitizer von Spectrum mit SBench 6 ist einfach. Zu jedem Gerät (Digitizer und AWG) von Spectrum wird eine Instanz der Software SBench 6 aufgerufen. Das gewünschte Signal wird mit dem Digitizer aufgenommen wobei man sicherstellen muss, dass Amplitude, Bandbreite und

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Bild 5: Verfahren zum Importieren einer Signalform von einem Digitizer in die AWG-Instanz von SBench 6 mithilfe der Importfunktion im Menü Datei

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Abtastrate des Signals innerhalb des zulässigen Bereichs des AWG liegen. Nach Abschluss der Aufzeichnung wird das Menü <File> geöffnet, dort der Menüeintrag <Export/Save> gewählt und im entsprechenden Untermenü den Eintrag <SBench6>, um das aufgezeichnete Signal im Format für SBench 6 (.sb6dat) zu exportieren. Den Dateipfad und -namen, unter dem die exportierte Wellenformdatei gespeichert wird, muss man sich merken oder notieren.

Nun wird die AWG-Instanz von SBench 6 geöffnet. In Bild 5 sind die für den Import des Signals in den AWG erforderlichen Schritte dargestellt.

Gewählt wird im Menü <File> der Eintrag <Import/Load und das Format <SBench6>. Nun navigiert man im Fenster „Zu importierende Datei auswählen“ zur gewünschten Datei (die zuvor aus der Digitizer-Instanz von SBench 6 exportiert wurde) und öffnet sie durch anklicken. Die in der ausgewählten Datei gespeicherten Signale werden im Fenster „Eingangskanäle“ in der oberen linken Ecke von SBench 6 unter Import angezeigt. Nun klickt man mit der rechten Maustaste auf das gewünschte Signal und wählt „Zur Anzeige hinzufügen“ aus, um das Signal anzuzeigen.

Jetzt wechselt man zum Fenster „Ausgangskanäle“ in der unteren linken Ecke der AWG-Instanz von SBench 6. Der gewünschte Ausgangskanal wird ausgewählt. Nun klickt man auf den gewünschten Eingangskanal und zieht ihn zum gewünschten Ausgangskanal. Im zugewiesenen Datenfeld des Ausgangskanals sollte jetzt der Name des importierten Signals angezeigt werden.

Anschließend klickt man mit der rechten Maustaste auf den Ausgangskanal und wählt <Einstellungen>. Im Popup-Fenster „Einrichtung Kanal“ wird die Konfiguration des Ausgangskanals einschließlich der neu zugewiesenen Datendatei angezeigt. Nun aktiviert man die Option <Ausgabe aktivieren>, wenn das Signal vom ausgewählten AWG-Kanal ausgegeben werden soll (Bild 6).

Es ist zu beachten, dass das gewünschte Ausgangssignal dem gewählten Ausgangskanal auch mithilfe des Popup-Fensters „Einrichtung Kanal“ zugewiesen werden kann. Außerdem muss beachtet werden, dass in diesem Popup-Fenster der Amplitudenbereich und die zugehörigen Konfigurationspunkte für den Ausgangskanal festgelegt werden können.

Übertragen eines bearbeiteten Signals auf den AWGBild 7 zeigt eine Situation, in der fünf Ultraschallwellenformen mithilfe des Mehrkanal-Aufzeichnungsmodus des Digitizers aufgezeichnet wurden. Diese Signale wurden in die AWG-Instanz von SBench 6 importiert. Das für die Simulation dieser Aktion gewünschte Signal ist der Durchschnitt der fünf importierten Signale. Die Berechnung kann in SBench 6

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Bild 6: Übertragen der Signalform auf den gewünschten Ausgangskanal mit Aktivierung des AWG-Ausgangs

Bild 7: Schritte zum Übertragen einer gemittelten Signalform auf einen AWG-Ausgangskanal

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erfolgen, indem man mit der rechten Maustaste auf das importierte Signal klickt und im anschließend angezeigten Kontextmenü die Option <Calculation> auswählt. Im nächsten Untermenü stehen verschiedene Berechnungsoptionen zur Auswahl. Hier wählt man <Signal Averaging> und im nächsten Untermenü den Eintrag <Average Multi>. Im Fenster „Average Multi“ besteht die Möglichkeit, die Anzahl der Segmente, aus denen der Mittelwert gebildet werden soll, anzugeben. Im Beispiel soll der Mittelwert aller Segmente gebildet werden. Durch Klicken auf die Schaltfläche <Start> wird die Berechnung gestartet. Das Ergebnis wird im Fenster „Eingangskanal“ als Kurve MAV_Ch-1 angezeigt. Nun fügt man dieses Signal zur Anzeige hinzu, um es genauer zu untersuchen, und stellt dabei sicher, dass es sich um die gewünschte Simulationswellenform handelt. Handelt es sich um das richtige Signal, klickt man auf MAV_Ch-1 und zieht sie zum gewünschten Ausgangskanal. Nun liegt der Mittelwert der Ultraschallsignale am Ausgang des AWG an. Dies kann mit einer Wellenform eines beliebigen Zeitbereichs, die das Ergebnis einer Berechnung ist, durchgeführt werden.

Import von einem digitalen Oszilloskop oder DigitizerMithilfe digitaler Oszilloskope können Signale in verschiedenen Dateiformaten aufgezeichnet und gespeichert werden. In der Regel gibt es ein proprietäres binäres Format, das für die interne Speicherung verwendet wird. Es gibt auch textbasierte Formate einschließlich der Formate für ASCII, MATLAB (.dat) und Tabellenkalkulationsprogramme (.csv). Am einfachsten lassen sich diese textbasierten Formate durch die Importfunktion von SBench 6 auf den AWG übertragen.

SBench 6 kann ASCII-Importe mit einer Spalte für die Amplitude (Y) oder mit zwei Spalten für die Amplitude (Y) und die Zeit (X) verarbeiten. Die Software durchsucht die Datei und versucht automatisch das Datenformat einschließlich Länge der Datei, Taktfrequenz und Amplitudenbereich zu bestimmen.

Das Signal sollte mit Einstellungen zu Amplitudenbereich, Abtastrate und Speicherlänge aufgezeichnet werden, die mit dem AWG kompatibel sind. Gespeichert wird die Signalform entweder in einem Format mit einer Spalte für die Amplitudendaten oder mit zwei Spalten für die Amplituden- und Zeitdaten. Das Format und den Dateinamen, unter dem die Signalform gespeichert wird, sollte notiert werden.

Nun importiert man die Datei über den Eintrag <Import/Load> im Menü „File“ von SBench 6 (Bild 8).

Wird als Importformat ASCII wählen, wird man in einem Popup-Fenster zur Auswahl der zu importierenden Quelldatei aufgefordert. Nach Auswahl der Quelldatei wird das Fenster „Basic File Setup“ angezeigt. Nun gibt man die Details zum verwendeten ASCII-Dateiformat sowie die relevanten Geräteeinstellungen an. Das überlagerte Fenster in Bild 8 zeigt den

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Bild 8: Schritte zum Importieren einer ASCII-Datei von einem digitalen Oszilloskop in SBench 6

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Oszilloskop-Bildschirm sowie einen Ausschnitt der Informationen der ASCII-Datei, in die der Datensatz gespeichert wurde. Im Header der DSO-Datei finden sich Informationen zu Dateilänge und Abtastperiode. SBench 6 sollte diese Informationen bereits erfasst haben. Die Daten sind in Form von zwei Spalten strukturiert. Die erste enthält die Zeitinformationen, die zweite die Amplitudeninformationen im wissenschaftlichen Zahlenformat. Das Trennzeichen ist das Komma, eine neue Zeile wird durch Zeilenumschaltung und Zeilenvorschub bewirkt. Der letzte Schritt der Einrichtung besteht darin, die Anzahl der zu überspringenden Zeilen anzugeben, damit der Header nicht berücksichtigt wird. In diesem Fall enthält der Header zehn Punkte. Sobald diese Daten im Fenster „Basic File Setup“ eingegeben oder überprüft wurden, klickt man auf die Schaltfläche <OK>, um das Signal zu importieren.

Nachdem das Signal importiert wurde, zieht man das Quellsignal vom Importfeld im Fenster „Kanäle“ zum gewünschten Ausgangskanal, wie im weiter oben dargestellten Beispiel für den Import bei einem Digitizer von Spectrum.

Importieren von Signalen aus Software von DrittanbieternSignalformen können auch durch Mathematik-, Tabellenkalkulations- und Systemintegrationsprogramme von Drittanbietern, beispielsweise MATLAB, Excel oder LabVIEW, erzeugt werden. Das allgemeine Verfahren ist insofern identisch, als die Signaldaten als ASCII-Datei gespeichert und in SBench 6 importiert werden. In Bild 9 ist ein Beispiel für die Verwendung von MATLAB dargestellt. Die Abtastrate und der Amplitudenbereich des Signals sollten innerhalb des Arbeitsbereichs des verwendeten AWG liegen. Eine bei optischen Messungen häufig genutzte Ein-Volt-SINC2-Funktion wird unter Verwendung einer Abtastrate von 100 MS/s berechnet und als ASCII-Datei gespeichert. Im Menü „Datei“ wird erneut die ASCII-Importfunktion aufgerufen, anschließend wird das Quellensignal ausgewählt und im Fenster „Basic File Setup“ werden die entsprechenden ASCII-Einstellungen vorgenommen. Nach Bestätigung der ASCII-Einstellungen wird das Signal importiert und im Fenster „Eingangskanal“ in der oberen linken Ecke von SBench 6 angezeigt. Nun kann sie auf den gewünschten Ausgangskanal oder in die analoge Anzeige gezogen werden. In SBench 6 kann das Signal auch durch Berechnungstools verarbeitet und anschließend auf einen Ausgangskanal übertragen werden.

MATLAB und LabVIEW bieten hervorragende Tools zur Formatierung von Dateien. Mit etwas Programmiererfahrung können Benutzer Daten in einem Binärformat ausgeben. Mithilfe geeigneter Treiber von Spectrum können die Signale auch direkt in den AWG laden werden, um mit ihm zu kommunizieren. Diese Treiber und die zugehörigen Handbücher stehen auf

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Bild 9: Zusammengesetzte Abbildung zur Veranschaulichung der Schritte zum Importieren einer Signalform aus MATLAB (MATLAB Editor- und Plotfenster abgebildet) in SBench 6 durch Import einer ASCII-Datei. Öffnen des Menüs „Datei“, wählen des Menüeintrags <Importieren/Laden> und im entsprechenden Untermenü den Eintrag <ASCII>und angeben der Quelldatei. Überprüfen der Einstellungen im Fenster „Grundlegende Dateieinstellungen“ und klicken auf die Schaltfläche <OK>, um den Import zu starten.

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der Website von Spectrum zur Verfügung: http://spectrum-instrumentation.com/en/downloads/drivers

Importieren von Wave-Dateien im Format *.wavAudiodateien, auch *.wav-Dateien genannt, werden zur Codierung von Geräuschen, Musik und ähnlichen Signalformen verwendet. Diese Dateien können auch in SBench 6 importiert werden (Bild 10).

Die Importfunktion steht ebenfalls im Menü „Datei“ zur Verfügung. SBench 6 fordert zur Eingabe eines Dateinamens und eines Amplitudenbereichs auf. Wie bei den anderen Verfahren zum Importieren von Signalen lassen sich importierte Signalformen per Drag & Drop an den gewünschten Ausgabeport oder in eine der analogen Anzeigen ziehen.

ZusammenfassungSBench 6 ist ein leistungsstarkes Tool zur Erzeugung von Signalformen, das sämtliche Arbitrary Waveform-Generatoren von Spectrum unterstützt. Der Einsatzbereich reicht vom Betrieb einfacher Funktionsgeneratoren über die Erzeugung komplizierter Signalformen und Vorsignalverarbeitung bis hin zum schnellen Import mehrerer Signalformate. Die Software dient als Schnittstelle zwischen dem AWG und anderen Signalquellen, indem es das direkte Laden von Signalformen in den AWG ohne zusätzliche Programmierung ermöglicht..

Autoren:Arthur Pini unabhängiger BeraterGreg Tate Asian Business Manager, Spectrum GmbHOliver Rovini Technical Director, Spectrum GmbH

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Bild 10: Im Menü „File“ wählen des Menüeintrags <Import/Load> und im entsprechenden Untermenü den Menüeintrag <Wave>, um eine Signalform im Format Audio bzw. *.wav zu importieren. Bei dem gezeigten Beispiel handelt es sich um eine 1,2 Sekunden lange „Trompetenfanfare“. Nach dem Import lässt sich die Signalform über die Ausgänge des AWG wiedergeben.