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デジタイザの基本機能
デジタイザは、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を組み込んだものです。
デジタイザ
電圧

パソコンから制御

データ処理、解析、制御

電圧信号
入力

時間

AD変換
電圧

電圧信号

パソコンに出力デジタル・データ
01101100
01101101
01101111
時間
・・
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。
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デジタイザの性能パラメータ
デジタイザの基本性能を表すものとしては、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まで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、多くの場合8ビット～16ビットです。
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。
サンプリングレート：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(Hz）または、1秒当たりのサンプリング回数(Sa/s)で表します。
デジタイザの最高変換速度を言い、1KHz(1KSa/s)～10GHz(10GSa/s)程度の値になります。
プラットフォーム(インタフェース)：パソコンのボード接続用スロットのインタフェースの事で、PCI、PCIe、PXI、PXIe、LXIなどがあります。
デジタイザ
電圧・入力レンジ・入力インピーダンス
・変換ビット数
・サンプリングレート
・プラットフォーム

アナログ電圧信号
入力時間

AD変換
電圧電圧信号

時間

パソコンに出力デジタル信号
01101100
01101101
01101111
・・01101001
・Page 3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、同じ様な機能の測定器なのですが、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

デジタイザー

基本機能

主に波形観測（未知の信号）

主に波形解析（既知の信号）

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、測定、観測、大規模装置

PCへのデータ転送速度

遅い

速い

入力チャンネル数

2 ～ 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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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シリアル・インターフェースです。
パソコンのグラフィックカード等もPCIeスロットに挿入されています。
デジタイザもパソコンに組み込むために、PCIeスロットに挿入して使用します。
PCIe Gen 2 x8（Generation 2, 8レーン）では、～3GB/S程度の高速度でパソコンへのデータ転送が可能です。。
電圧
デジタイザ

アナログ電圧信号

パソコンに出力

入力時間

デジタル信号

AD変換 01101100
PCIe Gen 2, x8～ 3 GB/S

01101101
01101111
・・01101001
・

以上により、高速・リアルタイムでのデータ収集、転送、処理が可能となります。
デジタイザは、デジタルIOインタフェースも装備しており、パソコンからの制御以外に、他の機器との連係動作、同期動作も可能です。
また、外部からリファレンス・クロックを入力できますので、計測システム内の他の機器との同期運転も可能です。
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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事ができます。
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に出力することが可能です。
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減少するのに対して、周期信号はどんどん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全体の処理のネックとならず、繰り返し信号の処理が高速に行えるようになります。
電圧

デジタイザのFPGA上でで積算、平均化処理を実施

繰り返し信号…

結果のみパソコンに出力

入力
時間

ランダム・ノイズ

電圧…

時間
積算後ランダム・ノイズが大きく低減
Page 6大量データの超高速・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）、ピーク値検出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の容量で制限されます（アベレージャーでは、通常データ長128KSa ～ 640KSa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、パソコンでの処理が必要になります。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直接転送機能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（次ページ参照）がお勧めです。
電圧
デジタイザ

長い繰り返し信号…

入力

RDMAでの高速
データ転送

GPU

時間

ランダム・ノイズ

GPUによるスーパーコンピュータ並みの高速並列演算処理
Page 7SCAPP（Spectrum CUDA Access for Parallel Processing）
Spectrum社デジタイザ(M4i, M4X, M2p)

応用例
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）ドライバ・オプション
RDMAによりデータを直接GPUに転送
PCIe Gen2 x8
転送速度（～3GB/s）

特長
デジタイザで測定したデータをCUDAの環境下で直接GPUに送り、GPUでの演算結果をCPUに送る事により、高速リアルタイム処理に対応可能。
（GPUの処理能力は、CPUの数百倍以上）
演算結果をCPUへ

NVIDIA GPU（Graphic Processing Unit）

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扱いやすくなっています。
OS環境：LINUXPage 8