DAQ
Datenakquise, Datenerfassung, Data Acquisition, Messdatenerfassung, ADC, Digitizer, TDC, Time Tagger
DAQ ist die Abkürzung für Data Acquisition, auf Deutsch Daten- oder Messdatenerfassung. Damit bezeichnet man die Erfassung, Digitalisierung, Übertragung und Bereitstellung von Messsignalen für Speicherung, Auswertung oder Steuerung. Sensoren und Detektoren wandeln physikalische Größen wie Licht, Druck, Temperatur oder die Ankunft eines Teilchens in elektrische Signale um. Ein DAQ-System bereitet diese Signale auf und überträgt die gewonnenen Messdaten an einen Computer oder ein anderes Verarbeitungssystem.
Je nach Messaufgabe kommen unterschiedliche Digitalisierungsverfahren zum Einsatz. Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) tastet die momentane Amplitude eines analogen Signals in regelmäßigen Zeitabständen ab und quantisiert sie. Schnelle ADCs beziehungsweise Digitizer mit Abtastraten von mehreren Gigasamples pro Sekunde erfassen dadurch auch kurze Pulse und schnelle Signalverläufe. Neben dem Ereigniszeitpunkt bleiben Informationen über Amplitude, Pulsform und Pulsfläche erhalten.
Ein Time-to-Digital Converter (TDC) erfasst dagegen hauptsächlich den Zeitpunkt einer Signalflanke oder die Zeitdifferenz zwischen Ereignissen. Das Ergebnis sind Zeitstempel oder Zeitintervalle, nicht der vollständige analoge Signalverlauf. TDCs eignen sich daher besonders, wenn eine sehr hohe Zeitauflösung benötigt wird, die Pulsform jedoch nicht relevant ist. Je nach Gerät können zusätzlich steigende und fallende Flanken und damit auch Pulsbreiten erfasst werden.
Zu einem schnellen DAQ-System gehören neben ADC oder TDC häufig eine analoge Eingangsstufe, Diskriminatoren, Trigger- und Synchronisationsfunktionen, eine präzise Zeitbasis, FPGA-basierte Verarbeitung, Datenpuffer sowie eine leistungsfähige Schnittstelle zum Host-PC. Bei hohen Abtast- oder Ereignisraten erfolgt die Übertragung häufig per PCIe und Direct Memory Access (DMA) direkt in den Arbeitsspeicher.
Die Leistung eines DAQ-Systems lässt sich nicht durch einen einzelnen Kennwert beschreiben. Bei ADCs sind unter anderem Abtastrate, analoge Bandbreite, Auflösung, effektive Bitzahl und kontinuierliche Datenrate relevant. Bei TDCs sind Binbreite, Messunsicherheit, Doppelpulsauflösung, Totzeit und dauerhaft unterstützte Ereignisrate entscheidend. Hardwarebasierte Triggerung, Pufferung und Datenreduktion – beispielsweise durch die Übertragung ausschließlich relevanter Pulsbereiche – können die zu verarbeitende Datenmenge erheblich reduzieren.
Schnelle DAQ-Systeme werden unter anderem in der Flugzeit-Massenspektrometrie, bei LIDAR und Time-Domain-Reflectometry, in der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung sowie bei schnellen Photonen- und Teilchendetektoren eingesetzt.
Ein DAQ-System wandelt Detektorsignale in digitale Messdaten um. Ein schneller ADC erfasst den Signalverlauf als Folge von Amplitudenwerten, wohingegen ein TDC präzise Zeitstempel für erkannte Ereignisse liefert. Triggerung, FPGA-Verarbeitung, Pufferung und eine schnelle Host-Schnittstelle ermöglichen die kontinuierliche Verarbeitung hoher Datenraten.