1-2019

Messtechnik/Qualitätssicherung Neues Verfahren durch Kombination aus Digitizer und CUDA-Grafikkarte Spectrum präsentiert Digitizer mit Block Average für extrem lange und schwache Signale Ein neues “Signal Averaging”- Paket revolutioniert die Art und Weise, wie Signale erfasst und gemittelt werden können. Die Signalmittelung spielt eine entscheidende Rolle bei Anwendungen, in denen Signaldetails, die in zufälligem Rauschen verborgen sind, extrahiert und analysiert werden müssen. Das neue Paket von Spectrum Instrumentation verwendet SCAPP (Spectrums CUDA Access for Parallel Processing) zusammen mit den neuesten Digitizern des Unternehmens, um die parallele Struktur einer CUDA-Grafikkarte zur Datenbearbeitung nutzbar zu machen. Dabei werden die Daten mithilfe von RDMA-Übertragung (Remote Direct Memory Access) direkt an eine GPU gesendet, wo eine schnelle Zeitund Frequenzbereichs-Signalmittelung möglich ist und Einschränkungen, die bei anderen Ansätzen auftreten, vermieden werden. Das neue Averaging Paket ist für alle Nutzer interessant, die mit schwachen Signalen arbeiten oder bei denen Signaldetails aufgrund von starkem Rauschen verloren gehen. Dazu gehören Anwendungen wie Massenspektrometrie, LIDAR, Radioastronomie, Automation, Radar, Biomedizin, Sonar und viele mehr. Das Paket steht ab sofort zur Verfügung. Signalmittelung Bisher hatten Ingenieure und Wissenschaftler, die eine Signalmittelung durchführen wollten, drei grundlegende Möglichkeiten: Sie konnten zum einen ein digitales Oszilloskop kaufen, das die Signalmittelung beinhaltet. Eine weitere Möglichkeit war die Anschaffung einer Digitizerkarte, wobei die digitalisierten Daten an einen PC gesendet werden und der Host-Prozessor die Berechnungen durchführt. Als dritte Möglichkeit konnte ein spezieller Digitizer erworben werden, der mit FPGA-Technologie die Signalmittelung selbst übernimmt. Jedoch haben alle diese drei Techniken gravierende Einschränkungen, wenn die Mittelung für lange Signal durchgeführt werden muss. Digitale Oszilloskope verwenden normalerweise 8 Bit Analog- Digital-Wandler (ADCs), was ein ungünstiges Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zur Folge hat. Darüber hinaus ist die Fähigkeit zur Mittelung typischerweise durch kleine Prozessoren und einen begrenzten Onboard-Speicher eingeschränkt. Schnelle Digitizer können im Allgemeinen viel höhere A/D-Auflösungen und mehr Speicher bieten. Jedoch wird die Erfassungsgeschwindigkeit der Digitizerkarte normalerweise durch die maximale Daten übertragungsrate des PCs limitiert, während außerdem der Host-Prozessor neben der Mittelung viele weitere Aufgaben ausführen muss. Digitizer, die hingegen FPGA-Technologie verwenden, benötigen große und teure FPGAs, um selbst moderate Signallängen zu mitteln. Daher sind FPGA-basierte Lösungen meist teuer und bieten nur begrenzte Aufzeichnungslängen. Der neue Ansatz von Spectrum Im Gegensatz dazu kann der neue Ansatz von Spectrum Instrumentation eine Mittelung selbst für extrem lange Signale durchführen und Benutzern gleichzeitig eine unerreichte Flexibilität bieten. Das Paket funktioniert mit den schnellen PCIe-Digitizerkarten der M4i- Serie sowie der M2p-Serie in der mittleren Leistungsklasse. Die M4i-Serie bietet Digitizer, welche Signale mit bis zu 5 GS/s bei 8 Bit Auflösung, 500 MS/s bei 14 Bit Auflösung oder 250 MS/s bei 16 Bit Auflösung abtasten können. Die M2p-Karten bieten Abtastraten von 20 MS/s bis 125 MS/s, alle mit 16 Bit Auflösung und bis zu 8 Kanälen pro Karte. Somit können Benutzer ein Leistungsniveau auswählen, das ihren speziellen Anforderungen an die Signalerfassung am besten entspricht. Da die Daten unter Verwendung der RDMA-Übertragung, ohne Eingreifen des Host-Prozessors, direkt zur GPU-Karte transferiert werden, kann eine Mittelung für Signale fast beliebiger Länge durchgeführt werden. Beispiele Beispielsweise kann ein M4i.2220-x8 Digitizer Signale mit 2,5 GS/s kontinuierlich abtasten und, selbst bei Längen von mehreren Sekunden, diese fortlaufend mitteln ohne ein Ereignis zu verpassen. Ebenso kann ein M4i.4451- x8 Digitizer mit einer Auflösung von 14 Bit dieselbe Funktion ausführen, während er vier Signale gleichzeitig mit 450 MS/s abtastet. Die Digitizerkarten verfügen außerdem über flexible Trigger-, Erfassungs- und Auslesemodi, die es ermöglichen, die Wellenformen auch bei extrem hohen Triggerraten zu mitteln. Im Gegensatz zu der FPGA-basierten Lösung, die FPGAs mit höchster Leistung erfordern, sind bei dem neuen Verfahren selbst CUDA- Grafik karten der Einstiegsklasse zu den schnellen Berechnungen imstande. Das Paket Das neue Paket zur Mittelwertbildung ist Teil des SCAPP-Treiberpakets und enthält 74 meditronic-journal 1/2019

Messtechnik/Qualitätssicherung Schneller Produktionstest von UV-LEDs Bild 1: Die ISP 50-UV Ulbricht-Kugel ist insbesondere für UV-Messungen in der Produktion geeignet. In Kombination mit Spektralradiometern der CAS-Serie gewährleistet sie einen extrem hohen optischen Durchsatz und ermöglicht so stabile und präzise Messungen von Wellenlängen bis runter auf 200 nm. Zahlreiche Anwendungen, zum Beispiel im medizinischen Bereich oder in der Materialprüfung, basieren auf präzise spezifizierter UV-Strahlung. Für UV-B- und UV-C-Emitter ist die Messung ihres Spektrums zwischen 325 nm bis hinunter auf 200 nm aufgrund ihrer oft geringen Strahlungsleistung in der Regel nur mit langen Messzeiten zu erstellen. Voraussetzung für eine schnelle Prüfung innerhalb der Produktion ist deshalb eine hohe Zuverlässigkeit und ein hoher optischer Durchsatz von allen beteiligten Systemkomponenten. Instrument Systems hat in seiner langjährig bewährten CAS-Serie von Premium- Spektralradiometern einen neuen Baureihen- Typ CAS 140D-157 entwickelt, der nicht nur im sichtbaren Bereich sondern auch im UV- Bereich hochpräzise und verlässlich misst. Im System mit einer PTFE-beschichteten Ulbricht- Kugel lassen sich schnelle 24/7-Produktionstests von UV-Emittern ausführen. Flexibles Array-Spektralradiometer Mit dem neuen CAS 140D-157 stellt Instrument Systems ein sehr flexibles Array-Spektralradiometer vor, das sowohl im sichtbaren Bereich als auch im UV-Bereich zwischen 200 bis 830 nm hochpräzise und verlässlich misst. Es basiert auf dem international als Standard in der Lichtmesstechnik anerkannten CAS 140D. Dieses hat durch eine sehr hohe Streulicht unterdrückung eine ausgezeichnete Messgenauigkeit, die über eine optionale Streulichtkorrektur noch weiter verbessert werden kann. Das neue UV-Modell ist darüber hinaus mit einem angepassten Beugungsgitter ausgestattet, das gegenüber dem Vorgängermodell bei 200 nm einen doppelt so hohen optischen Durchsatz gewährleistet. In Kombination mit Spektralradiometern dienen Ulbricht-Kugeln als Einkoppeloptik für den optischen Emitter. Die ISP 50-UV ist von Instrument Systems mit einem inneren Durchmesser von 50 mm speziell für die Anwendung im UV entwickelt worden. Im Innenraum ist sie mit dem hochreflektiven Material PTFE (Polytetrafluoroethylen) beschichtet. Gegenüber der sonst verwendeten Barium sulfat- Beschichtung sorgt diese in der Ulbricht- Kugel für einen höheren optischen Durchsatz im UV-Bereich. Präzise und schnelle Messungen Das kombinierte Messsystem aus CAS 140D-157 und ISP 50-UV ermöglicht präzise und gleichzeitig schnelle Messungen im UV- Bereich. UV-Strahlungsleistungen sowie weitere spektrale Größen von UV-LEDs können in einer 24/7-Produktionskontrolle ebenso wie flexibel im Labor bestimmt werden. Alle UV-Messsysteme von Instrument Systems werden mit einer auf die PTB rückführbaren Kalibrierung ausgeliefert. Instrument Systems GmbH www.instrumentsystems.com Bild 2: Normalisierte Spektren* verschiedener UV-LEDs mit Peak- Wellenlängen bei 235, 255, 285, 365 und 385 nm - gemessen mit CAS 140CT/D und PTFE-Ulbricht- Kugel von Instrument Systems *UV-LED Spektrum bei 220-260 nm mit freundlicher Genehmigung der TU Berlin und des Ferdinand-Braun- Instituts Berlin die Erweiterung für die RDMA-Übertragung, um den direkten Datentransfer vom Digitizer zur GPU zu ermöglichen. Das Paket enthält außerdem eine Reihe von Beispielen für die Interaktion mit dem Digitizer sowie Beispiele für die CUDA-Parallelverarbeitung mit den grundlegenden Mittelungsfunktionen. Die Beispiele enthalten Block-Mittelung zusammen mit Rauschunterdrückungsmethoden sowie lückenlose Mittelung von Signalen im meditronic-journal 1/2019 Frequenzbereich. Die Nutzung der mitgelieferten, getesteten und optimierten Beispiele führt zu sofortigen Ergebnissen. Die gesamte Software basiert auf C/C++ und kann mit normalen Programmierkenntnissen problemlos erweitert werden. Eigene spezifische Algorithmen für die Mittelwertbildung können leicht eingebunden werden. Das SCAPP- Paket ermöglicht für PCs mit LINUX-Betriebssystem die RDMA-Übertragung direkt an die GPU oder für PCs mit Windows-basiertem Betriebssystem eine Übertragung mit dem Umweg über die CPU. Spectrum Instrumentation GmbH Info@spec.de www.spectrum-instrumentation.com 75