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ハンドブック オシロスコープとデジタイザはどう違う? ver7

ハンドブック

デジタイザの基本機能や性能パラメータをやさしく解説!

目に見えない電気信号を観測するのに欠かせない“オシロスコープ”。測定波形のモニタなどの用途ならオシロスコープで充分ですが、PCでの解析が必要、また分散型大規模装置といった大きなデータを扱う際は“デジタイザ”の方が利便性、トータルコストの観点でメリットを得られる場合があります。この2つ、どのように使い分けるのがベストなのでしょうか?

ドイツ・SPECTRUM社のデジタイザを販売するエレクトロニカ IMT事業部では、オシロスコープとデジタイザの違いを解説したハンドブックを公開中。両者の比較表に加え、デジタイザの基本機能や性能パラメータについて初心者でもわかるようやさしく解説した一冊です。高速・高分解能が特長のデジタイザの製品ラインアップもチェックできるので、この機会にぜひご覧ください!

このカタログについて

ドキュメント名 ハンドブック オシロスコープとデジタイザはどう違う? ver7
ドキュメント種別 ハンドブック
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取り扱い企業 株式会社エレクトロニカ IMT事業部 (この企業の取り扱いカタログ一覧)

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このカタログの内容

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徹底解説! オシロスコープと デジタイザはどう違うver7 違いや用途、使い分けについて 初心者にもわかりやすく解説!
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デジタイザの概要 特長 省スペース、収集データを高速にPCに転送 PCに挿入(PCIeインタフェース)、PXIeシャーシに挿入(PXIeインタフェース)或いは、PCと LAN接続(NETBOX) 手持ちのPCがオシロスコープに! 主な機能 サンプリング速度:1kS/s~5GS/s 分解能:8ビット~16ビット チャネル数:1,2,4,8,16 ~48 豊富な解析機能(SBench6-Pro) デジタイザとは、アナログ量をデジタルデータに変換する装置です。 ここでは、アナログ電圧信号をデジタルデータに変換する装置に関しての説明をします。 アナログ電圧信号をデジタルデータに変換する装置と言うと、一般的には、AD変換器(Analog- to-digital converter)ですが、デジタイザは、AD変換器に、プリアンプ、メモリ、パソコンからの 制御、パソコンへのデータ転送を可能にする機構が組み込まれています。 デジタイザ 電圧 データ処理、解析、制御 アナログ電圧信号 パソコンから制御 入力電圧 パソコンに出力 時間 AD変換 電圧 電圧信号 デジタルデータ 01101100 01101101 時間 01101111 ・ 01101001 デジタルデータに変換する事・により、 パソコン上で種々の処理が容易に行えます。 用途 分光計、医療機器(OCTなど)、自動車関連、自動試験装置、大規模物理実験装置、レーザ応用(Lidarな ど)、航空宇宙、レーダー、超音波、電波望遠鏡
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デジタイザの機能と形状 製品の機能と形状 digitizerNETBOXとPCを用いて、信号を補足・表示・格納 イーサネット (有線・無線) NETBOX PC+SBench6* SBench6*を用いてLAN経由で、それぞれの計測条件をコントロール、計測結果表示+演算/報告書 デスクトップに挿入しての使用 (装置への組み込み用途) デジタイザ ボードをデスクトップPCに挿入 8カードまで同期可能 ソフトウェア対応 SBench6 https://www.imt-elk.com/products/sbench6 主な機能 Standard:波形表示、データ保存、データ生成他 SBench6-Pro:種々の演算(FFT、SN比計測)、レポーティングをサポート デジタルデータの表示、収集データの内挿・補間機能 Sbench6-Multi: SBench6-Proと一緒に使用して、複数台を同期した場合の操作 Scriptツールにより、自動化と外部ソフトウェアからのコントロールが可能 各種ソフトウェア対応 Windows/Linux環境下で、様々なプログラム言語によりコントロールする事ができます。 C/C++, Visual basic, VB.NET, C#, Delphi, Python, JAVA, LabVIEW etc.
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オシロスコープとどこが違うのか? オシロスコープとの違いは? 近年、オシロスコープはデジタル化され、 DSO(デジタルストレージオシロスコープ)と呼ばれており、 オシロスコープの中にはデジタイザの機能が含まれています。 オシロスコープとデジタイザは、同じ様な機能を持った測定器なのですが、 下記のような特徴があります。 オシロスコープ デジタイザ オシロスコープ デジタイザ 主に波形観測(既知の信号) 主に波形観測(未知の信号) ・一定の測定条件下で、収集データ ・測定条件(レンジ、サンプリング をPC等へ高速に転送する。 レート)を変更しながらディスプレイ 基本機能 ・高速のトリガ繰り返し信号を、連続 上の波形を観測する。 して格納する事ができる。 ・表示更新は速いが、測定データ格 ・連続計測モード(Streaming Mode) 納は早くない。 がある。 形態 スタンドアロン(持ち運び可能) 組み込み用(PCとの連携) 主な用途 実験、故障解析、デバッグ 検査、観測、大規模装置 データ転送速度 遅い(~5MB/s) 速い(~3.5GB/s) 入力チャンネル数 1~8程度 1 ~ 128 以上 単体価格 安い 高い トータルコスト 高い 安い
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デジタイザの機能と特徴解説 同時サンプリング SPECTRUM社のデジタイザは、独立したAD変換器を持ち全て完全な 同時サンプリングを実現しています。全てのチャネルは、独立し た入力アンプを持っており、入力チャネルに関連する種々のセッ ティングは、全て個々に設定することができます。 内蔵FPGAによる演算機能 ◆PCIe、PXIe、digitizerNETBOXの44xxと22xxシリーズのデジタイザ は、全て搭載されたFPGAにより機能拡張されます。 Block Average Processingは、多くの繰り返し信号の積算と平均化が 行えます。Block Statistics Processingは、収集データの最小、最大の ピークを求めます。 ◆PCIe、PXIe、digitizerNETBOXの44xxシリーズには、移動平均機能 が組み込まれており、ノイズを平滑して、SNR、SFDR、ENOB等を 向上する事ができます。 トランジェントキャプチャ/リングバッファモード このモードでは、トリガイベント毎に、pre, postトリガを含むデー タがバッファメモリに連続して書き込まれます。さらに、データ 収集中でも、トリガ毎にデータが格納されます。 FIFOモード FIFOモードでは、デジタイザとPCメモリ或いはハードディスク間 の連続的なデータ転送を行えます。ボード上のメモリを実際の FIFOバッファとし、非常に信頼性の高い転送を実現しています。 最大3.4GB/sで連続的な転送速度を目的としています。 マルチレコードモード このモードは、ハードウェアをソフトウェアで再スタートせずに、 トリガ毎にデータ収集を可能にします。デジタイザの内蔵メモリ は、セグメントに分割され、各トリガ毎に、データを記録します。 ゲーティドレコードモード このモードのデータ収集は、外部ゲート信号により制御されます。 ゲート信号がプログラムされた値に達した場合に、各ゲートの前 後に設定されたデータ数が収集されます。 ABAモード/デュアルタイムベース ABAモードは、マルチレコードモードに似ていますが、セグメント データ間の指定した範囲で(例えば、データモニタなどの目的の ために)より遅いサンプリングレートでのデータ収集を行えます。 ABAモードでは、1つの測定器の中で、トランジェントレコーダと 一般的なレコーダのコンビネーションが可能です。 タイムスタンプ タイムスタンプは、計測スタートからの時間、計測トリガ、GPSか らの受信信号に同期して出力されます。 これにより、異なる位置にあるシステムの収集データを正確な時 間関係で測定可能にします。
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デジタイザの機能と特徴解説 デジタイザの基本 デジタイザの基本性能を表すものとして、下記があります。 入力レンジ:入力の電圧レンジの事です。1Vレンジの場合、通常-0.5V~+0.5Vの電圧を扱う事ができます。 入力レンジは、50mV~10V程度で、切り替え可能です。 入力インピーダンス:通常50Ωか1MΩのものがほとんどです。 変換ビット数:入力の電圧信号を、何ビットのデジタル信号に変換するかのビット数の事で、ビット数が多い程、 変換に時間がかかるため、変換速度が遅くなります。 サンプリング周波数:1秒間に何回入力電圧信号を、デジタル信号に変換するかの頻度を周波数(Hz)または サンプル数(S/s)で表します。 通常デジタイザの最大値を言い、1kHz(1kS/s)~10GHz(10GS/s)程度の値になります。 プラットフォーム(インターフェース):パソコンとの接続方法の事で、PCI、PCIe、PXI、PXIe、LXIなどが使われています。 ・入力レンジ 電圧 デジタイザ ・入力インピーダンス アナログ電圧信号 ・変換ビット数 ・サンプリング周波数 入力 ・プラットフォーム 時間 デジタル信号 電圧 01101100 電圧 電圧信号 AD変換 01101101 パソコンに出力 01101111 ・ 時間 01101001 アベレージャについて デジタイザにはFPGA(Field Programmable Gate Array)を搭載している製品があり、これによりデジタイザ 自身で各種信号処理を行うことができます。 代表的な信号処理機能としては、アベレージャ(通常はオプション機能)があり、周期的な信号を何万回 も積算しての積算値、或いは積算後の平均値をPCに出力する事が可能です。このアベレージャ機能により、 ノイズに埋もれた繰り返し信号を検出することができます。これは、積算処理によりランダムなノイズ成分 が相殺されるのに対して、周期信号は積算されて行くためです。 パソコン上でも同様の処理が可能ですが、デジタイザに搭載されたFPGAでアベレージ処理を行い、結果の みをパソコンに転送する事により、収集周期ごとのパソコンへのデータ転送が不要となります。これにより、 パソコンへのデータ転送速度が処理のネックとならず、遙かに高速な繰り返し信号の処理が可能となります。 PC 電圧 デジタイザ 繰り返し信号 積算結果のみ 入力 パソコンに出力 … 時間 電圧 転送データ量が ランダムノイズ 大幅に低減 … 時間 積算後ランダムノイズが大きく低減
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デジタイザの機能と特徴解説 大量データの高速・並列処理 デジタイザには、FPGA(Field Programmable Gate Array)を搭載している製品があり、積算・ 平均化処理(アベレージャ)など各種信号処理を行う事が可能です。 しかし、FPGAで処理できるデータ長はFPGAの性能などで制限されます(アベレージャでは、通常 データ長128kS ~ 640kS程度まで処理可能)ので、非常に長い繰り返しデータの積算・平均化処 理を行いたい場合は、パソコンでの処理となります。この場合、デジタイザからパソコンへの データ転送速度がボトルネックとなったり、またパソコン自体の演算処理速度が不足する場合が あります。この様な場合、OSが介入しないPCIe直接転送RDMAと、スーパーコンピュータ並みの高速 演算処理が可能なNVIDIAのGPUを使用したCUDAによるSCAPP(以下参照)が、お勧めです。 電圧 デジタイザのFPGA上で PC 繰り返し信号 積算、平均化処理を実施 積算結果のみ 入力 … パソコンに出力 時間 電圧 転送データ量が ランダム・ノイズ 大幅に低減 … 時間 積算後ランダムノイズが大きく低減 SCAPP(Spectrum CUDA Access for Parallel Processing) Spectrum社デジタイザ 応用例 (M4i, M4X, M2p) リアルタイム処理(高速処理)要求への対応 (FFT、フィルタリング、積算・平均化処理等の演算) CPU (通常の処理) 特長 デジタイザで測定したデータをCUDAの環 ドライバオプション 境下で直接GPUに送り、GPUでの演算結果 RDMAによりデータ をCPUに送る事により、リアルタイム処理 を直接GPUに転送 に対応可能。 PCIe Gen2 x8 (GPUの処理能力は、CPUの数百倍以上) 転送速度(~3GB/s) 演算結果をCPUへ CUDA:グラフィックカードメーカーNVIDIA社が提供する GPUコンピューティング向けの統合開発環境。プログラム NVIDIA GPU 記述、コンパイラ、ライブラリ、デバッガなどから構成 されており、C言語によるプログラミングの経験があれば (Graphic Processing Unit) 扱いやすくなっています。 PCIe OS環境:LINUX、Windows
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PCIeとLXI PCIeについて PCIe(PCI Express)とは、パソコン内にある周辺機器増設用の非常に高速なシリアルインタェー スです。パソコン内のグラフィックカードもPCIeで接続されています。 デジタイザ、AWGもパソコンに組み込むためにPCIeを使用しており、Gen2 x8(Generation 2, 8レーン)では、約3GB/sの高速度でパソコンへのデータ転送が可能となっています。 電圧 デジタイザ、AWG アナログ電圧信号 入力、出力 時間 パソコンとのデータ転送 PCIe Gen 2, x8 デジタル信号 ~ 3GB/s程度 0110110010110000 0110111111000001 ・ 0110100100101011 この高速PCIeインタフェースにより、リアルタイムでのデータ収集、データ出力、データ転送、 処理、デジタイザとAWGの連係動作が可能となります。 LXIについて LXI(LAN eXtensions for Instrumentation)とは、Ethernet Interfaceを測定器用に拡張した規格で、ご使 用中のLANを介してデジタイザ、AWG等とパソコン、ノートパソコン等を簡単に接続できます。こ れにより、パソコンとデジタイザ、AWGの設置自由度が高まり、デジタイザ、AWGを分散設置して 遠隔制御し、測定することも可能になります。 データ転送速度は、ご使用のLAN環境に依存しますが、Gigabit Ethernet環境では最大100MB/s程度 です。 電圧 デジタイザ、AWG アナログ電圧信号 NETBOX 入力、出力 時間 LAN環境 LANケーブル モバイル、 直結 サービス用途
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アプリケーション例 <マルチチャネル計測> Spectrum製品の機能・特徴 概要 主な仕様・特長 ・大規模物理実験装置、マトリックス状に配置した 測定データのEXCEL解析例 種々の素子の特性検査、大型装置などの多点の 信号を、効率よく且つ、同期測定できます。 ・チャネル数 カ-ド当たり 1,2,4,8ですが、 複数カード連携(最大で8台まで)可能。 また、NETBOXを使用する事により、サンプリングレー トによっては、1台のNETBOX当たり、最大48チャネル まで可能。 SBench6を用いて、 システム構成 それぞれの計測条件をコントロール、 計測結果表示+演算/報告書へ イーサネット SBench6のデータ解析例 NETBOX PC+SBench6 <任意波形発生器とデジタイザの連携_hybridNETBOXの適用イメージ> 概要 Spectrum製品の機能・特徴 PCからのプログラミング、付属のGUI "SBench6"からの設定により、AWGから任意のアナログ波形を生成し、 測定対象に印加することができます。また、デジタイザから取得した実際の波形を、AWGから再生したり、さら にパソコンで加工、処理した波形を出力することもできます。 “SBench6”:プログラムなしで、測定条件の設定、測定データの表示、格納他を行うことが出来る。・ AWG 制御 パソコン アナログ波形出力 波形データ転送 波形データ作成、 1 ~ 8 channel 16 bit 加工、制御。制御 デジタイザ PCのソフトウエア制御 DUT 応答 ハードウエア同期 解析、加工 実験、測定 制御 検査対象 アナログ波形入力 hybridNETBOX 取得データ転送 1 ~ 8 channel 16 bit
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アプリケーション例 <高速演算例の紹介 SCAPP> Spectrum製品の機能・特徴 SCAPP (Spectrum’s Cuda Access Parallel Processing) 測定波形と FFT演算 PCIe Gen2 x8 転送速度(3GB/s) 応用例 測定波形 デジタイザ リアルタイム処理(高速処理)要求への対応 (M4i, M4X, M2p) (Lidar、FFT、フィルタリング、平均化処理等の演算) CPU (通常の処理) 特長 デジタイザで測定したデータをCUDA ドライバ の環境下で直接GPUに送り、GPUでの オプション 演算結果をCPUに送る事により、 リアルタイム処理に対応可能。 Data (GPUの処理能力は、CPUの数百倍以上) Remote DMAにより データを直接GPUへ 演算結果をCPUへ FFT *CUDA:半導体メーカーNVIDIA社が提供する GPUコンピューティング向けの統合開発環境。プ GPU ログラム記述、コンパイラ、ライブラリ、デバッガな (Graphic Processing Unit) どから構成されており、C言語によるプログラミン グの経験があれば扱いやすくなっています。 OS環境:LINUX、Windows <部品特性検査(ダイオードの例> 部品・基盤検査 概要 システム構成 AWG デジタイザ 簡易部品計測の例としてツェナーダイオードの例を 同期 示します。 ・電流の増減に伴う電圧の値を測定するための条件 電流値のスイープ機能 電流出力に同期しての電圧測定 測定値のスケーリング機能 X-Y表示機能 主な仕様・特長 スプリッタ 高分解能デジタイジング機能 M4i.44xx、M2p.59xxシリーズ 16ビット、最大 500 MS/s 、帯域250 MHz 高分解能電圧出力機能 M4i.66xx、M2p.65xxシリーズ 16ビット 、最大 1.25 GS/s 、帯域400 MHz 高SNR、ローノイズ性能 SBench6の機能 ・Easy Generatorの波形作成機能:(sine, Square, triangle) ・出力波形のモニタ ・測定データのスケーリング機能/X-Y表示機能 SBench6 測定例
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アプリケーション例 <アナログ/デジタル混在信号の同期計測> 部品・基盤検査 概要 プロセッサを使用してコントロールをしている機器の場合、図1 に示すように、バス(例えばI2C)の動きと、それに同期したアナ ログ信号(電源ライン、クロック、AD変換器の入力、DA変換器の 出力)を測定する必要がでてきます。 また、バスなどのデジタ ル信号も、その立ち上がり/立ち下がり時間、ハイレベル/ロー レベルの電圧値を測定する必要が出てきます。 デジタイザM2p.59xx-x4とそのオプション或いはM4i.44xx-x8 デジタル信号 のDIオプションにより、上記が可能になります。 M2p.xxxx-DigFX2 主な仕様・特長 M4i.44xx-DigSMA M2p.xxxx-DigSMB デジタイザM2p.59xx-x4(16ビット)と アナログ信号 M4i.44xx-x8(16/14ビット)とそれぞれの DIオプション 図1 プロセッサー制御機器 ・物理層の信号計測(アナログ信号計測)とプロトコル層の信 号計測(ロジックアナライザのイメージ)を同期データ収集。 アナログ信号の分解能の最高ビットをデジタル信号に割り当 てる事により、同期計測を実現。 ・SBench6-Proを用いる事により、アナログ信号とデジタル信号 図2 SBench6による を同一画面上に、同期しての表示が可能 デジタル/アナログの同期信号計測例 <超音波計測> インダストリー システム構成 概要 判定分解能向上のためのセンサ信号の広帯域化 超音波映像装置 (周波数帯域の広帯域化が必要(500MHz以上))と、 対象の大型化に伴う、スキャン速度の高速化、 スキャンエリア拡大により、多量データ解析能力の 必然性がアップしてきており、高速・高分解能デジタイザ の要求がでてきています。 主な仕様・特長 超音波センサからの信号を確実に捕捉する 高速デジタイジング性能 最大5GS/s 高速デジタイジング、帯域1.5GHz 高データスループット性能 最大3.5GB/s データ転送スピード オンボードFPGAによるノイズ除去に必要なリアルタイ ムアベレージング機能 演算転送時間を削減するゲート指定によるデータ収 集機能 ゲート機能によるデータ収集
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アプリケーション例 <LIDAR> インダストリー 概要 応用例 ・大気中の粒子、ガスなどを検出するために、 大気中の粒子の検出 レーザを照射して、その反射光を検出・分析する 事により、その成分を検出する事が可能。 球状粒子 ・ドップラーLidarでは、大気の流れの変化を読取り 非球状粒子 空港などのダウンバーストなどの観測に利用。 Lidar また、自動車の自動運転用のサンサとしての開発 Lidar も、急速に進められている。 ・デジタイザへの要求として、検出対象の大きさ、変化のスピードのバリエー echo echo ションにより、検出速度の高速化、高分解能、高SNRが求められています。 主な仕様・特長 ドップラーLidarによる風速解析 高速デジタイジング機能 最大 5GS/s 高速デジタイジング、帯域1.5GHz 高分解能(12ビット以上)、高SNR ローノイズ性能→繰り返し測定回数の減少→トータル測定時間減少 高データスループット 最大3.5GB/s データ転送スピード ボード上のFPGAによるリアルタイムアベレージ及びピーク検出機能 省スペース&省消費電力: 装置全体のコンパクトパッケージ化 インダストリー <電磁鋼板の磁気特性計測> Ch0 PC 概要 Ch1 AWG モータの設計に必要な電磁鋼板の磁気特性は、従来エプ AWG スタイン法や単板磁気試験法で測定していましたが、より多 AWG くの条件下での磁気特性を測定する事が必要となり、特に 同期 モータは回転磁束下で使用されるため、2次元磁気特性測 デジタイザ 定が重要となります。 負帰還 Ch0 Ch1 Ch2 Ch3 モータの励磁周波数は50/60Hzですが、インバータ制御、サ Power H-Coil X AMP AMP イリスタ制御による、高周波、高調波成分の測定も必要と なってきています。 Power H-Coil Y AMP AMP B-Coil X AMP 主な仕様・特長 B-Coil Y AMP デジタイザ M2p.5966-x4 図1. 2次元磁気測定装置 4チャネル、16ビット、125MS/s(1kS/s~125MS/s) サンプリングレートの設定分解能:1Hz AWG(任意波形発生器)M2p.6561-x4 2チャネル、16ビット、125MS/s(1kS/s~125MS/s) 外部サンプルクロックによる動作可能 図2. 測定例
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アプリケーション例 <タービンブレードの振動評価試験> digitizerNETBOX インダストPCリー 概要 SBench6 タービンブレードの振動計測では、画像による計測などが行わ れているが、ここでは、歪ゲージをセンサとして振動計測を行 う例を示します。高温対応の歪ゲージをブレードに貼付し、ス リップリング等で伝達する方法です。 シグナル コンディショナ 一方、制御部からの制御信号等のデジタル信号も同時に測定 振 振 振 F/V する必要があります。digitizerNETBOXを用いて、8チャネルの 動 動 … … 動 アナログ入力と、最大11チャネルのデジタル入力の同時多点 計 計 計 制御信号 測定が可能です。 回転パルス信号 ・振動:歪ゲージからスリップリングを介して シグナルコンディ 歪ゲージ等 ショナで電圧値に変換 ・回転パルス:デジタル信号 ・制御信号:デジタル信号 制御部 タービン 主な仕様・特長 図1. タービンの振動評価装置 digitizerNETBOX DN2.591-08 -Dig アナログ入力:8チャネル, 16ビット, 2.5 MHz, 5 MS/s, 1 x 512 Msamples デジタル入力:11チャネル SBench6 プログラムなしで、測定条件の設定、測定データの表示、格 図2. SBench6によるアナログ・デジタル信号 納他を行うことが出来るツール 同期測定例 <TOF-MS 質量分析計> インダストリー/物理・化学 概要 システム構成 従来のTDC(Time Digital Converter)タイ 組込用途として、デジタイザの高速アベレージング プの質量分析装置の欠点(複数分子構成の多 機能と画像拡大機能により、解析が容易 重イオンイベント未対応、飛行時間ダイナミック レンジが狭い)に代わるものとして、デジタイザ 測定波形 の積分機能を用いた装置が使用されています が、さらに、高速サンプリング、高分解能が求め られています。 主な仕様・特長 高速デジタイジング機能 最大 5GS/s 高速デジタイジング、帯域1.5GHz 高分解能(12ビット以上) 、高SNR (積分)アベレージング波形 ローノイズ性能 → 繰返し測定回数の減少 →トータル測定時間減少 高データスループット 最大3.5GB/s データ転送スピード(PCIe Gen2 x8) ボード上のFPGAによるリアルタイムアベレージ 機能 省スペース&低消費電力: 装置全体のコンパクトパッケージ化
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アプリケーション例 <加速器への応用> 物理・化学 システム構成 概要(Cern, DESY) CERN: n_TOF 実験結果 150 Previous Data デジタイザが必要になる測定点と要求される性能 120 (POMMARD)90 60 ・直線加速器のビームポジションモニタ 30 0 1150 1200 1250 1300 1350 1400 広帯域・高速サンプリング 900 n_TOF Data 600 チャネル間の同時測定性能 300 0 ・蓄積リングの加速性能モニタ 1150 1200 1250 1300 1350 1400NEUTRON ENERGY, eV 広帯域・高速サンプリング、分散型測定 測定例 ・粒子線の測定 digitizerNETBOX デジタイザカード 高速・高分解能測定、リアルタイム積分機能 主な仕様・特長 高速デジタイジング機能 8ビット、最大 5GS/s 高速デジタイジング、帯域1.5GHz 高分解能(14、16ビット) 、高SNR ローノイズ性能 → 繰返し測定回数の減少 →トータル測定時間減少 マルチチャネル ~48チャネル 高データスループット CERN(欧州原子核研究機構 DESY(ドイツ電子シンクロトロン) スペクトラム社のデジタイザが ・15年以上の稼働実績最大3.5GB/s データ転送スピード 140台以上使用 ・LINIAC(直線加速器) ボード上のFPGAによるリアルタイムアベレージ https://spectrum-instrumentation.com/en/over スペクトラム社の最新モデルに置き換え -140-spectrum-instrumentation-digitizers-cern https://spectrum-instrumentation.com/en/15-year-old- SBench6による演算機能 spectrum-digitizer-cards-still-playing-vital-role-desy <高磁界計測への応用> 物理・化学 システム構成 概要(東京大学) 高磁界(100T)を最適制御するには、サブナノ秒毎に発射するプロセス の精度を向上させる必要があり、大きなコンデンサのバンクを起動する トリガイベントを互いに10ns以内に制御する必要がある。そのため に、1GS/sを超えるシングルショットサンプリングレート、完全同期 の10チャネルデジタイザシステムが必要です。さらに、高い磁場か ら機器とオペレーターを保護するためオペレーターがコントロール 室で実験を調整および監視し、デジタイザシステムを、リモートで 操作できる必要があります。 東京大学国際メガガウス科学研究所 https://spectrum-instrumentation.com/en/spectrums-digitizer-key- パルス磁石は、非的方法で最大87T、 worlds-highest-indoor-magnetic-field-university-tokyo 破壊的プロセスで100Tから最大760Tを発生 主な仕様・特長 digitizerNETBOX DN6.221-12 DN6.221-12 多チャネル、高速デジタイジング機能 8ビット、12チャネル、1.25 GS/s、 リモートコントロール機能 構内LAN 接続によるリモート制御 SBench6による、データ収集、表示機能 必要な分解能毎に、下記のdigitizerNETBOXも使用されている。 DN2.592-16 16ビット、20MS/s、16チャネル DN6.445-12 14ビット、500MS/s、12チャネル 測定例 FISSION CROSS-SECTION, mb
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アプリケーション例 <核融合炉 (多チャネル対応)> 物理・化学 概要(イギリスの例) 装置の外観 真空容器の周りに192台のキャパシタ 海水に(水素、トリチウム)が事実上無制限に供給できる事、 危険な廃棄物がない事から、各位融合はエネルギー生成のた めの究極の目標と見られている。 写真には、実験が行われる中央の真空容器の周りに放射状 に配置された6つのキャパシタバンクがあり、 キャパシタは1分 間で最大200,000ボルトまで充電され、蓄積された電気エネル ギーは2マイクロ秒未満で放電される。 リーズナブルな価格で、多チャネルの同期測定の要求がある Digitizers from Spectrum used in race to create fusion reactor for limitless clean energy | News | Spectrum (spectrum-instrumentation.com) 主な仕様・特長 digitizerNETBOX DN2.xxx.xx或いはDN6.xxxx.xx 多チャネル同期計測が可能(~48チャネル) M4i.22xx.xx或いはM4i.44xx.xx+ドッキンングステーション 256チャネルシステム 多チャネル同期計測が可能(~128チャネル/シャーシ) 2台の19インチシャーシに32台のデジタイザカード <AFM 針先で原子をスキャン> 物理・化学 概要(ニューキャッスル大学) システム構成 原子間力顕微鏡(AFM)は、表面化学に関与する世界中の研究所で使用さ れる重要なツールです。その優れた解像度は、光ベースの顕微鏡よりも1000 倍以上に詳細を明らかにでき、また、電子顕微鏡とは異なり、サンプルをその 場で画像化できます。メカトロニクス、MEMS、および低ノイズ電子設計の専門 知識を結集して、AFMシステムのナノテクノロジーの複雑さとコストを削減でき る独自のソリューションの作成例を示します。 Scaning-atoms-with-the-tip-of-a-needle.pdf (imt-elk.com) Scanning atoms with the tip of a needle | News | Spectrum (spectrum-instrumentation.com) 多周波原子間力顕微鏡実験の概略構成 カンチレバーは、ナノポジショナーにより、 主な仕様・特長 DN2.593-08 サンプル上でスキャンされている間、 複数の共振周波数で同時に振動 統合されたマイクロカンチレバーからのセンサ信号の取得と分析を可能 にするような、高精度で、完全に同期された測定を行う必要がある。 digitizer NETBOX DN2.593-08 高分解能、高速デジタイジング、多チャネル 16ビット、40MS/s、8チャネル同期計測 リモートコンントロール機能 LAN(ギガビットイーサネット接続可能)による ホストコンピュータとの接続 カンチレバー
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アプリケーション例 <単一原子に関しての実験> 物理・化学 概要(シュツットガルト大学) 実験装置の外観 シュトゥットガルト大学は、ダイヤモンドの炭素原子を一度に1つずつ窒素 原子に置き換える実験のために、Spectrum社の任意波形発生器を使用。こ の素子は、原子レベルの磁場検出器や量子コンピュータのQbit《量子力学的 な状態を利用することで 0 と 1 のほか, それらの重ね合わせの状態もとりう る情報素子》などのアプリケーションに応用できる。 また、NV欠陥中心は、原子サイズの磁場センサーとして使用できるナノス ケールの核磁気共鳴(NMR)デバイスであり、例えば、ハードディスクドライブ 上の小さな読み取り/書き込みヘッドの磁場強度を測定しての特性評価にも 応用可能。ナノスケールのNMRは、通常のサイズのNMRとは異なり、これら の小さなサンプルを測定するために数回のスピンしか必要としないため、単 一のタンパク質または薄膜の構造解析にも使用可能。 主な仕様・特長 https://spectrum- instrumentation.com/en/spectrums-awg- generatorNETBOX DN2.663-04 controls-physics-experiments-single-atoms- 1.25 GS / s、16ビット、4アナログ出力、6ヂジタル出力 stuttgart-university <用途> DN2.663-04 レーザ、IQ変調を使用したマイクロ波信号、無線周波数パルスの生成、および スピン状態を決定するためのデータ収集デバイスのトリガ制御用。 これには、10〜20nsecまでの非常に短いパルスが必要 ・このAWGの使用により、800ピコ秒という非常に高い時間分解能で これらを制御可能 ・多チャネル出力、効果的に実験全体を実行可能 <単一原子を移動させるために使用されている Spectrum の AWG カード> 物理・化学 概要(カリフォルニア大学) 実験装置の外観 イオン格子内電子の量子的挙動を調査する際、カリフォルニア州のサン ディエゴ大学は、光格子内を移動する原子の観測可能な成分を使用し て、これを解決している。課題としては、原子を絶対零度近くまで冷却し てから、レーザ光のパルスを使用して三角形の格子構造に移動させるこ とである。個々の原子を操作するには、各レーザパルスから正確に適切 な量のエネルギーを供給するための並外れた精度が必要。 Spectrum 社AWGの並外れた精度と超低ノイズは、まさに私たちが必要 としている機能です。 単一原子を移動させるために使用されているSpectrum-製のAWGカー ド.pdf (imt-elk.com) AWG-card used to move around single atoms | News | Spectrum (spectrum-instrumentation.com) 主な仕様・特長 M4i.6622-x8 AWG(任意波形発生器)カード レーザ光ネットワーク M4i.6622-x8 高分解能、高安定性、低ノイズ 16ビット、625MS/s、8チャネル同期出力 SBench6による波形作成機能
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アプリケーション例 <光音響計測(レーザ・アコースティック)> 医療・バイオ システム構成 2軸 概要 レーザパルス ガルバノミラー 光源 組織或いは構造物にナノ秒パルス幅のレーザを照射すると、瞬間的に組 織が熱膨張を起こし超音波を発生(光音響効果)します。レーザを用いるこ M4i, M2P AWG とで、非常に小さなフォーカスが可能であり、超音波を用いる事で、光の約 ファイバ束 2倍の深達度、空間分解能が得られます。 センサ信号の広帯域化(周波数帯域の広帯域化100MHz以上)と、多チャ 測定対象 ネル化により、多量データ解析能力の必然性がアップしてきており、高速・ 同期 マルチチャネル 高分解能な高性能デジタイザの要求がでてきています。 超音波センサ 主な仕様・特長 超音波センサからの信号を確実に捕捉するデジタイザ゙仕様 Digitizer M4i. M2P ・レーザ照射タイミグに正確に同期した計測(EXT トリガ) NETBOX digtizer ・サンプリングレート:500MS/s~最大5GS/s ・帯域:250MHz~1.5GHz ・分解能:8/12/14/16 ・チャネル数:1ch~16ch ・オンボードFPGAによる リアルタイムアベレージング機能、移動平均機能 ・演算転送時間削減用のゲート指定によるデータ収集機能 ゲート機能によるデータ収集 <セルソーティング(細胞分類)> 医療・バイオ 概要(東京大学) セルソーティングは、分子生物学、病理学、免疫学、ウイルス学の研究にお いて基本的な役割を果たします。東京大学は、Spectrum社のデジタイザを中 心とした、超高速(セル当たり32ms)のインテリジェントな画像活性化セルソー タ(IACS)を開発しました。この世界初の高スループット、画像ベースの細胞選 システム構成 別技術は非常に用途が広く、生物科学、製薬科学、医学、特に癌細胞と非癌 細胞のわずかな違いを分類できる機械ベースの科学的発見を可能にすること が期待されている。 光学、マイクロ流体、電子機器、力学、データ処理など、さまざまなテクノロ ジーを利用し、柔軟性と拡張性があり、データ収集、データ処理、意思決定、 ソート操作のためのリアルタイムの自動化された操作を提供します。 <参考> https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(18)31044-4 <ビデオ> https://www.cell.com/cms/10.1016/j.cell.2018.08.028/attachment/376fe425- fe7a-44f2-87d7-73ab3cd3af3d/mmc1 主な仕様・特長 デジタイザ M4i.2212-x8 1.25 GS / s 8ビット 4チャネル アバランシェフォトダイオードからの信号を高速収集。取得したデータ は、継続的に、カードの高速PCIeバスを介して、PCに高速伝送可能 M4i.2212-x8
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アプリケーション例 <MRI(Magnetic Resonance Imaging)> 医療・バイオ システム構成 概要 駆動装置 *波形発生器 NMR(核磁気共鳴)現象を応用した診断装置 電力増幅器 ・駆動装置(トランスミッタ) 制御 装置 任意波形発生器:300MHz帯域のパルス、sin波 常電導/超電導磁石 データ処理装置 パワーアンプ:数kV、数百A *デジタイザ FFT演算 ・データ処理部(RFレシーバ) 低ノイズアンプ、ミキサ デジタイザ:1MHz~300MHz帯域、12~16ビット リアルタイムFFT処理など 主な仕様・特長 操作・表示 受信コイル hybridNETBOX DN2.825-xx(PCとLAN接続) 傾斜磁場コイル ・波形出力 16ビット、低ノイズ出力 高周波コイル 更新レート:625MS/s 1.25GS/s 出力チャネル数:2/4 *波形発生器&デジタイザ AWGカード ・波形収集 14ビット 入力CH数:2/4 サンプリングレート:500MS/s hybridNETBOX AWGカード M4i.662x-x8 16ビット 更新レート:625MS/s 1.25GS/s デジタイザカード 出力チャネルネル数:1./2/4 デジタイザカード M4i.445x-x8 14ビット 入力CH数:2/4 サンプリングレート:500MS/s <道路上での動物検知(ドイツの例)> 通信・レーダ 概要(ドイツの例) システム構成 道路で野生動物が原因で発生した事故により、6億ユーロ以上の 保険費用がかかっている。 これに対処するために、レーダ、光学カ メラ、赤外線センサに加えてニューラルネットワークを組み合わせて、 歩行者、自動車、自転車、バイク、鹿、キツネ、イノシシなどを区別し て、これらの行動を予測できるようなシシテムが構築されている。 このシステムは、事故を防ぐために車の運転手や他の道路利用者 に警告を送る。 Intelligent road-radar to detect wild animals | News | Spectrum (spectrum-instrumentation.com) 主な仕様・特長 M2p.5926-x4 16ビット、4差動チャネル、10MHz帯域 低消費電力、小型、低コスト M2p.5926-x4 必要なすべてのデータをリアルタイムで同時に収集 非常に簡単で直感的に使用可能 5年保証 自動車への警告表示の例
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製品カタログ 22xxシリーズ 8ビット 高速デジタイザ(~5GS/s) ・サンプリングレート:1.25GS/s~5GS/s ・帯域:500MHz~1.5GHz (入力インピーダンス 50Ω) ・マルチチャネル対応:1~32チャネル(カード)、8~24チャネル(NETBOX) ・機能/モード:リングバッファ、マルチレコードモード、ゲーティドレコードモード、ABAモード、タイムスタンプ ・カード内蔵データ分析信号処理 :ブロック平均およびピーク検知 ・トリガ機能:レベル、エッジ、ウィンドウ、re-Arm、OR/AND PCIe PXIe ・GBitイーサネット ・GBitイーサネット ・リモートコントロール ・リモートコントロール ・転送速度:100MB/s ・転送速度:100MB/s ・SMAコネクタ ・SMAコネクタ ・DC駆動オプション ・12/16/20/24チャネル ・2/4/8チャネル ・PCIe x8 Gen2 ・PXIe x4 Gen2 ・転送速度:3.4GB/s ・転送速度:1.7GB/s ・同期:Star-Hub 8カー ・PXIe reference ド clock/ ・SMA、MMCXコネクタ trigger サポート ・SCAPPオプション ・SCAPPオプション
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製品カタログ 44xxシリーズ 14/16ビット 高速・高分解能デジタイザ(~500MS/s) ・サンプリングレート:130MS/s~500MS/s ・帯域:50MHz~1.5GHz(入力インピーダンス 1MΩ/50Ω) ・マルチチャネル対応:1~32チャネル ・機能/モード:リングバッファ、マルチレコードモード、ゲーティドレコードモード、ABAモード、タイムスタンプ ・カード内蔵データ分析信号処理 :ブロック平均およびピーク検知、BOXCAR平均(移動平均) ・トリガ機能:レベル、エッジ、ウィンドウ、re-Arm、OR/AND PCIe DIオプション PXIe M4i.44xx-DigSMA ・PCIe x8 Gen2 ・形状:SMAタイプ 8チャネル ・PXIe x4 Gen2 ・転送速度:3.4GB/s M4i.44カードの隣に実装 ・転送速度:1.7GB/s ・同期:Star-Hub 8カー (1スロット専有) ・PXIe reference ド ・デジタイザに同期してDIデータ収集 clock/ ・SMA、MMCXコネクタ trigger サポート ・SCAPPオプション ・SCAPPオプション 44xxシリーズ 14/16ビット 高速・高分解能デジタイザ(~500MS/s) NETBOX ・サンプリングレート:130MS/s~500MS/s ・帯域:50MHz~1.5GHz(入力インピーダンス 1MΩ/50Ω) ・マルチチャネル対応:8~24チャネル ・機能/モード:リングバッファ、マルチレコードモード、ゲーティドレコードモード、ABAモード、タイムスタンプ ・カード内蔵データ分析信号処理 :ブロック平均およびピーク検知、BOXCAR平均(移動平均) ・トリガ機能:レベル、エッジ、ウィンドウ、re-Arm、OR/AND ・GBitイーサネット ・GBitイーサネット ・リモートコントロール ・リモートコントロール ・転送速度:100MB/s ・転送速度:100MB/s ・SMA、MMCX ・SMA、MMCX ・DC駆動オプション ・12/16/20/24チャネル ・2/4/8チャネル