ADC

Analog-Digital-Wandler (ADC) sind elektronische Schaltungen, die ein analoges Eingangssignal in eine Folge digitaler Messwerte umwandeln. Dazu wird die momentane Signalamplitude in regelmäßigen zeitlichen Abständen abgetastet und mit einer definierten Auflösung quantisiert. High-Speed-ADCs mit Abtastraten von mehreren Gigasamples pro Sekunde (GS/s) werden häufig auch als „Digitizer“ oder „Transientenrekorder“ bezeichnet. Sie ermöglichen es, sehr kurze elektrische Pulse und schnelle Signalverläufe vollständig zu erfassen und anschließend digital auszuwerten.

Zwei wesentliche Kenngrößen sind die Abtastrate (Sampling Rate) und die vertikale Auflösung (Resolution). Die Abtastrate bestimmt den zeitlichen Abstand zwischen den einzelnen Messpunkten. Bei einer Abtastrate von beispielsweise 6 GS/s wird das Eingangssignal etwa alle 167 ps abgetastet. Die Auflösung in Bit beschreibt dagegen, wie fein der Eingangsspannungsbereich in einzelne Amplitudenwerte unterteilt werden kann. Ein 12-Bit-ADC unterscheidet theoretisch 4096 verschiedene Werte.

Im Gegensatz zu einem Time-to-Digital Converter (TDC), der hauptsächlich den Zeitpunkt eines Ereignisses erfasst, digitalisiert ein ADC den zeitlichen Verlauf des analogen Eingangssignals. Dadurch bleiben neben dem Ereigniszeitpunkt auch Informationen über Amplitude, Pulsform und Pulsfläche erhalten. High-Speed-ADCs eignen sich daher insbesondere für Anwendungen, bei denen die vollständige Form schneller Detektorsignale für die weitere Analyse relevant ist.

Bei Abtastraten von mehreren GS/s entstehen sehr große Datenmengen. Die High-Speed-Digitizer von cronologic sind deshalb darauf optimiert, Pulse bereits während der laufenden Datenerfassung zu erkennen und die relevanten Abtastdaten direkt in den Hauptspeicher des Computers zu streamen. Dadurch muss nicht kontinuierlich der vollständige ADC-Datenstrom gespeichert werden. Dies reduziert die zu übertragende Datenmenge sowie Latenzzeiten und CPU-Auslastung.

Ein speziell entwickelter PCIe-DMA-Controller ermöglicht dabei Datenübertragungsraten von bis zu 6 GByte/s und verwaltet die erforderlichen Pufferdatenstrukturen weitgehend ohne Softwareeingriff. Auf diese Weise können auch hohe Ereignisraten effizient verarbeitet werden.

High-Speed-ADCs beziehungsweise Digitizer werden unter anderem in der Time-of-Flight-Massenspektrometrie (TOF-MS), LIDAR, Spektroskopie sowie bei der Erfassung schneller Photonen- und Teilchendetektorsignaleeingesetzt.

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