Erzeugen, Aufzeichnen, Übertragen von AWG-Signalen

Application Note
Erzeugen, Aufzeichnen, Übertragen von AWG-Signalen
Erzeugen, Aufzeichnen und Übertragen von Signalen beim Einsatz von Arbitrary WaveformGeneratoren 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
Bild 1: Die Familie M4i.66xx der PCI-Express-basierten
AWGs von Spectrum umfasst 4-, 2- und 1-KanalMathematikprogrammen von Drittherstellern wie
MATLAB. Darüber hinaus wird das Be- und Verarbeiten Versionen mit Abtastraten von bis zu 1,25 GS/s und
Bandbreiten von bis zu 400 MHz.
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-Funktionsgeneratormodus
Jeder 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
© Spectrum GmbH, Germany
Bild 2: Die Funktion Easy Generator in SBench 6 von Spectrum bietet die sofortige
Ausgabe von Sinus-, Rechteck-, Triangulations-, Sägezahn (Rampen)-, SINC- und DCSignalformen für jeden AWG-Kanal. Amplitude, Frequenz und Phase können vom
Benutzer angepasst werden.
1/8
Application Note
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 DCWellenformen. 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 AWGAusgänge gegeben.
Easy Generator bietet eine einfache Möglichkeit der Ausgabe von Standardsignalen über den
Funktionsgenerator an den AWG.
Erzeugen durch mathematische Gleichungen in SBench 6
Die 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
© Spectrum GmbH, Germany
2/8
Application Note
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
Bild 4: Beispiel für die Erzeugung eines Gleitsinussignals mithilfe von Gleichungen in
veröffentlicht. Das Dokument SBench 6
steht auf der Homepage
(http://spectrum-instrumentation.com) zur Verfügung.
Importieren von Signalformen
Signalformen 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 importieren
Bei dieser Funktion wird eine zuvor im Format SBench 6 gespeicherte Datendatei
einschließlich aller darin enthaltenen Signale geladen.
© Spectrum GmbH, Germany
3/8
Application Note
SBench 5 importieren
Bei dieser Funktion wird eine Datendatei im Format SBench 5 importiert. Das Datenformat
wird von der vorherigen Version von SBench verwendet.
ASCII-Datei importieren
Bei 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 importieren
Mit 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 importieren
Diese 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 Digitizer
Das 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
© Spectrum GmbH, Germany
4/8
Bild 5: Verfahren zum Importieren einer Signalform von einem Digitizer in die AWGInstanz von SBench 6 mithilfe der Importfunktion im Menü Datei
Application Note
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
Bild 6: Übertragen der Signalform auf den gewünschten
Signale werden im Fenster „Eingangskanäle“ in der
Ausgangskanal mit Aktivierung des AWG-Ausgangs
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 AWGInstanz 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 AWG
Bild 7 zeigt eine Situation, in
der fünf
Ultraschallwellenformen
mithilfe des MehrkanalAufzeichnungsmodus 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
© Spectrum GmbH, Germany
5/8
Bild 7: Schritte zum Übertragen einer gemittelten Signalform auf einen AWGAusgangskanal
Application Note
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 Digitizer
Mithilfe 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.
Bild 8: Schritte zum Importieren einer ASCII-Datei von einem digitalen Oszilloskop in
Nun importiert man die Datei SBench 6
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
© Spectrum GmbH, Germany
6/8
Application Note
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 Drittanbietern
Signalformen 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
Bild 9: Zusammengesetzte Abbildung zur Veranschaulichung der Schritte zum
Signals sollten innerhalb des
Importieren einer Signalform aus MATLAB (MATLAB Editor- und Plotfenster
Arbeitsbereichs des
abgebildet) in SBench 6 durch Import einer ASCII-Datei. Öffnen des Menüs „Datei“,
verwendeten AWG liegen. Eine wählen des Menüeintrags <Importieren/Laden> und im entsprechenden Untermenü
den Eintrag <ASCII>und angeben der Quelldatei. Überprüfen der Einstellungen im
bei optischen Messungen
Fenster „Grundlegende Dateieinstellungen“ und klicken auf die Schaltfläche <OK>,
häufig genutzte Ein-Voltum den Import zu starten.
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
© Spectrum GmbH, Germany
7/8
Application Note
der Website von Spectrum zur Verfügung:
http://spectrum-instrumentation.com/en/downloads/drivers
Importieren von Wave-Dateien im Format *.wav
Audiodateien, auch *.wavDateien 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.
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.
Zusammenfassung
SBench 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
Greg Tate
Oliver Rovini
unabhängiger Berater
Asian Business Manager, Spectrum GmbH
Technical Director, Spectrum GmbH
© Spectrum GmbH, Germany
8/8