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    關于模塊化數字化儀的觸發和同步

    文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2019-10-31 09:22:00

    介紹

    數字化儀用于將電信號轉換為一系列測量值,然后輸出為幅度值隨時間變化的數字數組。為了使這些信息有用,時間信息通常與特定參考點相關,參考點通常是觸發位置。觸發點可以是從測量信號中引用,也可以來自其他外部源。觸發功能是將時間測量值與特定的已知時間點聯系起來。對于重復信號,觸發器必須穩定才能將一次采集的測量結果與其他采集進行比較。當將多個數字化儀或相關的采集儀器集成到一個多通道系統中時,只有當所有通道都參考公共時間軸時,才能得到較好的數據。這要求系統的數據采集元件與由同一事件觸發的所有數字化儀通道的時間同步。本應用筆記將重點介紹觸發和同步的相關內容。

    觸發

    觸發是儀器采集和數字化信號的基本功能。最常見的觸發方法是使用數字化儀某個通道的輸入信號。基本原理是檢測到波形上的定義點,并將此“觸發事件”標記為已采集數據上的一個已知位置。圖1提供了一個基本的邊沿觸發的例子。信號源是輸入通道,觸發事件發生在波形上升沿越過500mV的觸發電平時。當觸發事件發生時,已采集信號上的位置被標記為時間軸上的零時間點,如圖中的光標位置所示。如果信號是重復的,每次進行新采集時,數字化儀都會在同一點觸發,從而實現穩定的顯示。

    1.png

    圖1

    信號波形,電平和時序的范圍變化較大,所以要求數字化儀觸發電路非常靈活。圖2顯示了M4i.4451系列數字化儀的觸發“引擎”的框圖。它提供了現代數字化儀支持的多種觸發條件的示例。

    2.png

    圖2

    框圖的左側顯示了數字化儀的硬件觸發源。它們包括任意輸入通道和兩個外部觸發輸入(Ext0或Ext1)之一。每個源都能夠支持多種觸發類型。多功能I/O線可用于報告數字化儀的運行/加載狀態,以及在其他功能中提供觸發輸出信號。除硬件觸發源外,還有一個軟件觸發,可以用程序控制。

    該數字化儀還包括強大的觸發與/或邏輯單元,可以將來自多個源的輸入組合成一個復雜的多元素觸發器。該功能可以確保數字化儀僅在發生特定定義的模式時才觸發。另一個功能是通過Star-Hub同步選項與多達七個其他數字化儀卡交叉觸發。

    觸發方式

    主要觸發源包含支持多種觸發模式的雙觸發電平比較器。其中包括單邊沿和雙邊沿觸發,加載(滯后)觸發,窗口觸發,對于多源觸發,還有相關的觸發門產生器。

    • 邊沿觸發是最基本的觸發類型。用戶設置觸發電平并選擇想要的觸發沿。當觸發源的所選邊沿越過觸發閾值時,數字化儀將觸發。邊沿選擇可以是上升沿,下降沿或雙邊沿都觸發。邊沿觸發是最常用的觸發方式。

    • 重新裝載或滯后觸發設置兩個電平,第一個是加載電平,第二個是觸發電平。與邊沿觸發一樣,用戶也要選擇邊沿類型。信號必須首先越過加載電平,加載觸發器,然后當信號隨后以相同的邊沿越過觸發電平時,數字化儀再觸發。重新加載觸發模式可用來防止數字化儀在噪聲信號的錯誤邊沿觸發。

    • 窗口觸發每個觸發源使用兩個觸發閾值來定義幅度窗口。窗口觸發有兩種操作模式:進入窗口時觸發,退出窗口時觸發。每當源信號越過閾值電平之一并進入窗口時觸發。當源信號處于兩個觸發閾值之間并離開窗口時觸發。當源信號可以沿任一方向改變狀態時就可以使用窗口觸發器。
      當使用帶有內置觸發邏輯的多源觸發模式時,通常需要使用一個通道來創建門控波形,用來支持來自另一通道的觸發。可以使用高電平,低電平,內部窗口或外部窗口選擇來實現。這些觸發模式產生內部門控信號可與第二個觸發源一起使用,并通過“與”邏輯一起用于門控觸發。

    圖3顯示了使用高電平觸發來選通另一個通道上的觸發源的示例。

    只要通道CH0上的正弦波超過觸發電平,在信號高于閾值的整個時間內會產生一個上升的門信號。該門信號與通道CH1上的信號進行“與”運算;由于僅當CH1上存在低幅度脈沖時門信號才是上升的,因此數字化儀在脈沖波形超過觸發電平時才觸發,如圖中紅色水平虛線所示。

    3.png

    圖3

    M4i系列模塊化數字化儀觸發模式匯總表

    • 上升沿觸發:如果觸發源信號從較低的值變為較高的值(正邊沿或上升沿)超過預定義的觸發電平,則會發生觸發。

    • 下降沿觸發:如果觸發源信號從較高的值變為較低值(負邊沿或下降沿)越過預定義的觸發電平,則會發生觸發。

    • 雙邊沿觸發:如果觸發源信號在上升沿或下降沿越過編程的觸發電平,就會發生觸發。

    • 在上升沿重新加載(滯后)觸發:當源信號以上升沿越過重新加載電平時,觸發加載電路。如果源信號在上升沿越過了編程的觸發電平,則會產生觸發,并且觸發電路將被解除。僅當觸發引擎再次加載時,才會檢測到新的觸發事件。

    • 在下降沿重新加載(滯后)觸發:當源信號以下降沿越過重新加載電平時,觸發加載電路。如果源信號在下降沿越過了編程的觸發電平,則會產生觸發,并且觸發電路將被解除。僅當觸發引擎再次裝載時,才會檢測到新的觸發事件。

    • 用于輸入信號的通道窗口觸發器:上層和下層定義一個幅度窗口。每當源信號從外部進入窗口時觸發。

    • 用于退出信號的通道窗口觸發器:上層和下層定義一個幅度窗口。每次信號從內部離開窗戶時觸發。

    • 高電平觸發:此模式會產生內部門控信號,可與第二種觸發模式一起用于門控觸發。如果和單個觸發源一起使用,則卡僅在源信號超過觸發電平時才觸發(類似于上升沿觸發)。

    • 低電平觸發:此模式會產生內部門信號,可以與第二種觸發模式一起用于門觸發。如果和單個觸發源一起使用,則卡僅在源信號低于觸發電平時才觸發(類似于下降沿觸發)。

    • 內窗口觸發:此觸發模式將生成一個內部門控信號,該信號可與第二個觸發模式一起用于門控觸發。如果將此模式用于單個觸發源,則卡僅在進入由兩個觸發電平定義的窗口時才觸發(類似于窗口輸入觸發)。

    • 外窗口觸發:此觸發模式將生成一個內部門控信號,該信號可與第二種觸發模式一起用于門控觸發。如果將此模式用于單個觸發源,則卡僅在離開由兩個觸發電平定義的窗口時才觸發(類似于窗口退出觸發)。

    觸發邏輯

    圖3示例顯示了在處理多個觸發源時可用觸發邏輯的一個用途,支持AND和OR邏輯。或功能的輸入包括任何通道,外部觸發輸入,軟件觸發和強制觸發功能。邏輯或功能允許其中的任何一個觸發源觸發數字化儀。與邏輯功能的輸入包括所有通道,外部觸發輸入和使能觸發功能。AND功能要求所有選擇的觸發輸入同時有效才能啟動數字化儀觸發。請記住,高電平和低電平之類的門控觸發模式提供了邏輯上取反輸入的能力,可以實現其他邏輯(如NAND和NOR)。

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    圖4

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    圖5

    圖4是使用或觸發邏輯的無線電定位應用的示例。每個輸入通道都連接到傳感器。到源的方向取決于每個傳感所器發射脈沖的到達時間。

    源的位置決定了哪個通道先看到它。或觸發邏輯允許最先產生脈沖的通道觸發數字化儀,從而保證兩個傳感器的輸出都被采集。多源觸發器的另一個示例如圖5所示。這里比較了兩個時鐘信號。低電平觸發設置在通道Ch0上,當通道幅度低于觸發電平時,它將產生正信號。通道Ch1在上升沿觸發。兩個觸發源均進行“與”運算,當Ch0中缺少脈沖時,將導致觸發事件。圖5中丟失的脈沖出現在觸發點(t= 0)。

    其他觸發器相關功能

    還有兩個附加的觸發功能值得一提。第一個是觸發延遲,即圖2觸發框圖中的最后一個單元。此功能使用33位計數器,允許用戶將觸發事件最多延遲8G–16個采樣,本文使用14位和16位M4i系列數字化儀是16個采樣。如果延遲從默認0更改,則水平軸上的觸發點將從0更改為輸入的延遲值。

    第二個功能是外部觸發輸出和觸發狀態線。這些功能對于同步多臺儀器很有用。觸發輸出,ARM和RUN狀態可通過多功能I/O通道獲得,如圖2所示。

    同步

    理論上,同步多臺儀器時存在兩個問題。首先是安排一個共同的觸發因素。第二是使兩個儀器都在一個同步上時鐘運行。簡單來說,在嘗試同步多個數字化儀時就會出現問題。

    使用具有目標時鐘速率的外部時鐘可以實現時鐘的同步。第二種方法是提供一個外部參考,例如10 MHz,然后應用到鎖相環(PLL),將參考時鐘的頻率乘以所需的時鐘速率。本文中使用的Spectrum M4i系列數字化儀通過一個通用外部時鐘輸入來處理兩種類型的外部時鐘。外部時鐘輸入連接到內部PLL,用戶可以將其設置為參考時鐘相乘或將數字化儀鎖到外部時鐘,并在不改變頻率的情況下通過外部時鐘。這樣可以保證時鐘的正確頻率,但不能保證每個數字化儀中的時鐘具有相同的相位。

    在同步過程的觸發端,我們必須考慮到每個數字化儀的外部觸發輸入都使用獨立的比較器來檢測觸發電平交叉。參考電平的微小差異以及設置和保持時間的差異可能導致觸發點位置在時間上的離散變化,進兒形成某種觸發抖動。保證多個數字化儀精確同步的唯一方法是將時鐘分配到每個模塊,并將觸發事件同步到系統時鐘。在頻譜數字化儀中,可以通過可選的Star-Hub模塊來實現。

    同步多個數字化

    本文示例中使用的Spectrum M4i系列數字化儀帶有一個稱為Star-Hub的可選同步配件。Star-Hub模塊最多允許同步8張同一系列的卡。Star-Hub如圖6所示。
    該模塊充當星形連接的集線器,用于時鐘和觸發信號。帶這種模塊的數字化儀用作時鐘主控器,該卡或任何其他卡可以是主觸發器。如果使用Star-Hub模塊,主卡上所有可用的觸發模式仍然可用。它還擴展了AND/OR觸發邏輯,以適應來自任何連接的數字化儀的輸入。通過同步來自數字化儀的ARM信號,Star-Hub還能同步數字化儀中不同的預觸發,內存段大小和后置觸發設置。Star-Hub是同步多個數字化儀的首選方法。

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    圖6

    結論

    數字化儀需要觸發器才能將采集與已知時間點關聯起來。多種觸發源和模式使選擇想要的觸發點非常容易。此外,通過Star-Hub同步時基的功能允許將多個儀器耦合在一起,從而提供大量的采集通道。帶有智能觸發引擎的數字化儀可以觸發并捕獲各種復雜信號。當與創新的采集模式(如環形緩沖區,FIFO,內存分段和帶有標記觸發事件的時間戳的門控采樣)結合使用時,此功能會得到進一步增強。



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