Matlab-Steuerung des Signalgenerators Rigol DG1022

Ein Signalgenerator für die Bastelecke ist schon lange kein unerschwinglicher Traum mehr. Bei einem Arbiträrgenerator spielen dabei nicht nur die eigentlichen Geräteparameter, sondern auch die Fernsteuerbarkeit vom PC eine wichtige Rolle für die praktische Verwendbarkeit. Im folgenden wird der Arbitrary Waveform Generator Rigol DG1022 und seine Fernsteuerung über Matlab beschrieben.

Frontansicht des DG1022 — Leider ist die Bedienung nicht immer besonders komfortabel, aber man kommt intuitiv an sein Ziel, ohne wiederholt die Bedienungsanleitung konsultieren zu müssen. (Zum Vergrößern auf das Bild klicken)

Mein letzter Versuch, einen Universal-Funktionsgenerator für alle Anwendungsfälle zu erwerben, ist leider fehlgeschlagen: Zwar hat sich das Gerät selbst als ausgezeichnet in Bezug auf Bedienkomfort, Funktionsumfang und Preis-Leistungs-Verhältnis erwiesen, leider aber auch als nicht besonders gut über den PC fernsteuerbar herausgestellt. (Den vollständigen Bericht findet man hier.)

Beim zweiten Versuch wurde deshalb explizit sichergestellt, daß eine Standard-Software-Schnittstelle zur PC-Fernsteuerung vorhanden ist. Der Arbitrary Waveform Generator Rigol DG1022 bietet im Vergleich zum UTG2064 von Uni-Trend nicht ganz so rosige Geräteparameter, und der Bedienkomfort ist leider auch nicht vergleichbar. Dafür ist er ein Stück billiger und bietet eine VISA-Schnittstelle von National Instruments. Letztere kann mithilfe der Instrument Control Toolbox von Matlab angesprochen werden. Nach aktuellem Stand (Matlab 2014A) wird allerdings kein Rigol-Funktionsgenerator direkt von Matlab unterstützt. Deshalb wird an dieser Stelle eine Matlab-Anbindung des Geräts vorgestellt — die Implementierung sollte sich aber auch 1:1 für Python übernehmen lassen.

Der Signal­generator

Bei der folgenden Übersicht handelt es sich nicht um einen kompletten Testbericht, sondern nur um eine Liste von Punkten, die aus dem Datenblatt nicht ohne weiteres hervorgehen:

• Beim Einschalten des Netzschalters an der Rückseite blitzen die LCD-Hinter­grund­beleuchtung und alle LEDs des Geräts kurz und sehr hell auf.
• Der Start des Geräts dauert recht lange.

Rückansicht des DG1022 — Hier finden sich Netzschalter, USB-Anschluß, Trigger Aus- und Eingang und der Eingang für die Modulation. (Zum Vergrößern auf das Bild klicken)

• Nach dem Ausschalten mit dem Taster an der Frontseite signalisiert das Gerät mit einem beständigen, langsamen Blinken, daß es mitnichten vollständig ausgeschaltet ist.
• Alle Signalausgänge haben Bezug auf Ground-Potenzial.
• Das Gerät hat keinen Lüfter eingebaut und die Tastentöne lassen sich ausschalten. Damit ist es im Betrieb (wenn gewünscht) völlig lautlos.
• Es existiert ein umfangreiches programming manual für die Rigol-1000er-Serie[1]. (Es gibt ältere Varianten dieses Manuals mit der Bezeichnung „DG1022 programming manual” bei Online-Händlern zum Download. Das ältere Manual enthält einen nervigen Fehler und ihm fehlt die Beschreibung der Frequenzzähler-Funktionen. Hier ist das auf der beiliegenden CD vorhandene Manual von 2014 zu bevorzugen.)
• Kanal 2 des Signalgenerators scheint keine Signalformen aus dem Speicher VOLATILE erzeugen zu können. Für die Benutzung einer eigenen Signalform unter Kanal 2 muß diese im nichtflüchtigen Speicher abgelegt werden. Fernerhin scheint Kanal 2 auch keine Signalformen anzeigen zu können, die noch nie von Kanal 1 angezeigt wurden.
• Obwohl Kanal 2 nur eine Auflösung von 1024 Datenpunkten hat, hat er keinerlei Probleme, Signalformen mit 4096 Datenpunkten zu lesen. Sollte in Kanal 1 dagegen eine Signalform mit mehr als 1024 Datenpunkten geladen sein und anschließend eine Signalform mit weniger Datenpunkten geladen werden, wird die alte Signalform nicht komplett überschrieben, sondern eine Mischung aus alter und neuer Signalform erzeugt. Das gilt auch für den VOLATILE-Speicherplatz, wenn dieser zuvor gelöscht wurde. Deshalb bietet es sich an, grundsächlich nur Signalformen mit 4096 Datenpunkten zu verwenden.

Ist auf beiden Kanälen die selbe Signalform geladen (hier absichtlich mit einem kleinen Peak auf dem Low-Pegel) und beide auf die Phasenlage 0° eingestellt, bedeutet das nicht, daß die Signale phasengleich sind. (Zum Vergrößern auf das Bild klicken)

• Kanal 1 und 2 scheinen unterschiedliche, freilaufende Taktgeber zu haben. Das führt zu dem anfangs ungewohnten Verhalten, daß gleiche Frequenz und gleiche Phasenlage auf beiden Kanälen eingestellt nicht zwangsläufig bedeutet, daß beide Signalverläufe deckungsgleich sind. Wird ein fester Bezug der Phasenlagen der beiden Kanälen zueinander gefordert, ist dies mit „Align Phase” auch explizit einzustellen. In diesem Modus scheinen beide Kanäle auf einen gemeinsamen Taktgeber geschaltet zu werden: Jedenfalls ist auch über Stunden keine Phasendrift zwischen den beiden Kanälen mehr feststellbar.

Rigol UltraWave

Die mitgelieferte Software „UltraWave” dient dazu, Signalformen zu erzeugen („malen”) und auf das Gerät zu laden oder aus dem Speicher des Geräts auszulesen. UltraWave kann allerdings Signalformen nur auf Kanal CH1 ausgeben und verfügt nicht über nennenswerte Fernsteuerfunktionen. Eingebaute Signalformen lassen sich damit auch nicht aus dem Gerät auslesen.

Hat man kein Bedürfnis, Signalformen per Maus zu malen oder zusammenzuklicken, kann auf diese Software verzichtet werden. Sie kann übrigens auch auf einem virtuellen PC (VMware) problemlos getestet werden.

Rigol Ultra Sigma

Die ebenfalls mitgelieferte Software „Ultra Sigma” ist von Rigol und dient dem Zweck, das Gerät per SCPI-Kommandos fernzusteuern. Leider scheint sie (zumindest auf einem 64-Bit-Windows-System) alles andere als zuverlässig zu sein: Der Signalgenerator wird nicht immer erkannt. Das Gerät selbst merkt, daß es per USB ferngesteuert wird, Ultra Sigma zeigt es allerdings nicht als verbundenes Gerät an.

Eigene Signalformen

Das Binärformat, mit dem der Funktionsgenerator seine Signalverläufe auf USB speichert, hat die Endung *.rdf und besteht einfach aus den rohen DAC-Werten zwischen 0 und 16383 im uint16-Format mit 0x8000 verODERt. Eine Datei ist immer 8192 Bytes groß. Ist die Signalform kürzer als 4096 Samples, wird das vorletzte Sample mit 0xC000 als Endmarkierung verODERt. Am Ende wird bis 4096 Doppelbytes mit 0x0000 aufgefüllt.

Damit lassen sich Funktionsverläufe mit nahezu jeder Numerik-Software problemlos erzeugen und per USB-Stick auf das Gerät bringen. Für Matlab sind die entsprechenden Funktionen unter den Namen DG1022.writerdf und DG1022.readrdf implementiert (siehe Downloads).

Die Matlab-Anbindung

Alle Bemerkungen beziehen sich auf ein Rigol DG1022 mit der Firmware-Version 00.03.00.11.00.02.12 und die Matlab-Release 2014A.

Voraussetzungen

• Rigol DG1022, DG1022A
• Matlab mit Instrument Control Toolbox
• NI VISA Runtime 5.4
• Rigol Ultra Sigma-Anwendung (Version 00.01.05.02)

SCPI-/Matlab-Fernsteuerung

• Zwischen der obengenannten Software „Ultra Sigma” und der Matlab Instrument Control Toolbox scheint es Wechselwirkungen zu geben:
  • In den (seltenen) Fällen, in denen das Gerä unter Ultra Sigmal korrekt erkannt wird und ansprechbar ist (überprüft werden kann das z.B. mit dem SCPI-Kommando *IDN?), funktioniert unter Matlab der query-Befehl der Instrument Control Toolbox.
  • Funktioniert der query-Befehl unter Matlab nicht, äußert sich dies in timeouts ohne Fehlermeldung.
  • Die Matlab-Befehle fprintf und fscanf dieser Toolbox funktionieren davon unbeeinflußt — auch ohne die Installation von Ultra Sigma.
• Für das Rigol DG1022 sind keine IVI-Treiber verfügbar[2]. Der Quick-Control Function Generator (Matlab-Befehl: fgen), der auf eine Steuerung per IVI-Treiber angewiesen ist, funktioniert deshalb mit diesem Signalgenerator nicht.
• Mit dem Matlab Instrument Driver Editor (midedit) lassen sich Instrumenten-Treiber (*.mdd-Treiber) entwickeln. Wird dabei die eingebaute SCPI-Kommunikation genutzt, läßt sich der query-Befehl nicht vermeiden. Vermeiden ließe er sich daduch, daß im Matlab Instrument Driver Editor alles auf der Basis der Matlab-Scriptsprache implementiert würde. Muß allerdings die komplette Ansteuerung ohnehin in Matlab implementiert werden, ist die Implementierung einer eigenen Klasse deutlich komfortabler als die Nutzung des Instrument Driver Editors. Daher erfolgt die Fernsteuerung des Rigol DG1022 nicht über einen mdd-Treiber, sondern
  • entweder direkt per SCPI-Kommandos über die VISA-Schnittstelle oder
  • über eine eigene Instrumenten-Klasse, die die SCPI-Kommandos über die VISA-Schnittstelle kapselt.
  Zu beiden Varianten gibt es Beispiele in den Downloads. (Für die dritte Variante, der Erzeugung der Signalform als Datei auf einem USB-Stick für die direkte Steuerung am Gerät gibt es ebenfall ein Beispiel.) Mit der daraus folgenden Einschränkung — auf das Test & Measurement Tool (tmtool) von MathWorks verzichten zu müssen — kann ich sehr gut leben.

Implementierungsdetails der Matlab-SCPI-Fernsteuerung

• Der Funktionsgenerator verfügt über kein Self-Test-Kommando.
• Für die VISA-Fernsteuerung gibt es keinen Timeout. Mit dem Bedienpaneel kann die Steuerung allerdings jederzeit mit dem Taster Local/View übernommen werden.
• Es ist unbedingt das neuere DG1000 series programming manual aus dem Januar 2014 zu bevorzugen, das auf der CD beiliegt. Das ältere DG1022 programming manual von 2008, das es bei vielen Versendern zum download gibt, enthät einige Diskrepanzen zum Verhalten des Geräts:
  • Das SCPI-Kommando DISP? wird vom Gerät nicht unterstützt (Antwort: Timeout, keine Fehlermeldung).
  • Im älteren Manual fehlten die Kommandos für den eingebauten Frequenzzähler.
• Nach gegenwärtigem Stand können nur Funktionsverläufe, deren String-Repräsentation in den Ausgangspuffer des Visa-Treibers paßt, an das Gerät gesendet werden. Hintergrund ist, daß es derzeit nicht möglich ist, String-Bruchstücke ohne Terminierung an die VISA-Schnittstelle zu senden. Praktisch ist dies allerdings kaum eine Einschränkung, da die längste sinnvolle Zeichenkette „DATA:DAC VOLATILE,<4094 Datenpunkte als String> LF” in einen Ausgangspuffer mit 24596 Bytes paßt .

Downloads

Matlab-Funktionen für Rigol DG1022

Links

• [1]  http://www.rigolna.com/products/waveform-generators/dg1000/dg1022/   DG1022 Arbitrary Waveform Function Generator
• [2]  http://us.rigol.com/support/ivi/more.html   Rigol IVI Drivers