Digitizer
ADC, Analog-Digital-Wandler, Transientenrekorder, DAQ, TDC, Time Tagger, Time-to-Digital Converter, Zero Suppression, Averager, Sampling Rate
Ein Digitizer (auch High-Speed-Digitizer, modulare Datenerfassungskarte oder Transientenrekorder) ist ein vollständiges Messsystem zur kontinuierlichen oder ereignisbasierten Digitalisierung schneller elektrischer Signale. Im Unterschied zu einem einzelnen Analog-Digital-Chip (ADC-IC) umfasst ein Digitizer die gesamte Signalkette: ein analoges Frontend (AFE), rauscharme Taktquellen, hochauflösende A/D-Wandler, FPGA-basierte Echtzeit-Signalverarbeitung sowie schnelle Rechnerschnittstellen (z. B. PCIe).
In der Messtechnik und Elektronik wird der Begriff „Digitizer“ praktisch synonym mit einem schnellen ADC-basierten Messsystem verwendet.
Aufbau und Kernkomponenten eines High-Speed-Digitizers
- Analog Front-End (AFE): Passt das Eingangssignal an (50-Ω- oder hochohmige Terminierung, Verstärkung/Dämpfung, Offset-Korrektur und Anti-Aliasing-Filterung), um Signale verzerrungsarm an den ADC-Chip zu übergeben.
- Abtastrate und Auflösung: Moderne Digitizer wie die Ndigo6G-12 erreichen Abtastraten von bis zu 6.4 Gsps bei einer vertikalen Auflösung von 12 Bit. Dadurch lassen sich selbst Pikosekunden-Transienten und hochfrequente Signalpulse formgetreu erfassen.
- FPGA-Echtzeitverarbeitung: Auf dem Board integrierte FPGAs verarbeiten den Datenstrom parallel zur Messung. Typische Funktionen sind Nullunterdrückung (Zero Suppression) zur Datenreduktion, Baseline-Restoration, digitale Schwellenwertdetektion sowie hardwarebasiertes Averaging.
- Streaming-Architektur via PCIe-DMA: Moderne PCIe-Digitizer übertragen kontinuierliche Datenströme per Direct Memory Access (DMA) direkt in den RAM des Host-Computers.
Digitizer im Vergleich zu TDCs und Oszilloskopen
In der zeitaufgelösten Messtechnik ergänzen sich Digitizer und Time-to-Digital Converter (TDCs):
- Digitizer (ADC): Digitalisiert den gesamten zeitlichen Spannungsverlauf. Dies erhält sämtliche Informationen über Pulsform, Peakhöhe, Signalfläche (Ladung) und Mehrfachpulse (Pile-up). Dies ist unverzichtbar, wenn sich Detektorpulse in Form oder Amplitude dynamisch verändern.
- Time-to-Digital Converter (TDC): Registriert ausschließlich diskrete Flankenzeitpunkte (Events) mit extrem hoher zeitlicher Präzision (Pikosekunden-Auflösung). TDCs erzeugen deutlich geringere Datenmengen, verwerfen jedoch die analoge Signalform.
Typische Anwendungsbereiche
High-Speed-Digitizer von cronologic werden überall dort eingesetzt, wo schnelle Detektorsignale präzise abgetastet und ausgewertet werden müssen:
- Flugzeit-Massenspektrometrie (TOF-MS & ToF-SIMS)
- Full-Waveform-LIDAR und optische Abstands- und Atmosphärenmessung
- Kern- und Teilchenphysik (Auslese von PMTs, MCPs, SiPMs und Szintillatoren)
- Time-Domain-Reflektometrie (TDR/OTDR) und Zerstörungsfreie Materialprüfung (NDT)
- Quantenforschung und Auslese supraleitender Qubits / Resonatoren
Erfahren Sie mehr über die High-Speed-Digitizer von cronologic: Ndigo5G-10 und Ndigo6G-12.
Architektur eines High-Speed-Digitizers: Das analoge Eingangssignal wird konditioniert, mit mehreren GS/s digitalisiert und im integrierten FPGA verarbeitet (z. B. Zero Suppression oder Hardware-Averaging). Die gefilterten Waveform-Daten werden über PCIe-DMA ohne CPU-Belastung direkt in den Host-Speicher gestreamt.