T-Clock技术 实现PXI整合同步测试

T-Clock技术实现PXI整合同步测试由于单部仪器上的触发/响应通道有限，或因为需要混合信号的触发/响应信道，因此许多测试与测量应用，将需要对多部仪器进行时间控制与同步化。举例来说，一部示波器可能最多有4个信道，而信号发生器最多有2个通道。从电子业的混合信号测试，到科学方面的雷射光谱学，这些应用都需要对较多的通道进行频率与同步化，或必须针对数字输入与输出信道、模拟输入与输出通道，建立此两分组之间的关系。一、在应用程序中的频率与同步化在电子业界，混合信号测试为测试设备与芯片内建系统(SOC)技术的一个重要层面。随着将声音、影像，与数据，结合在消费性电子产品与通信产品中的趋势，对于此类技术的测试需求(从基本产品至RF)则更需要精确的频率与同步化。基本上，混合信号设备具备多个数字与模拟信道。这些信道多半在一部ATE系统中同时进行测试，以节省测试时间，并提高处理能力。此外，模拟信道还使用同步取样系统进行测试。同步取样系统需要在模拟转数字(ADC)与数字转模拟(DAC)测试中，将不同的频率进行同步化。在频率领域测量中，这种同步作业可以减少频谱泄漏(spectralleakage)，因此非常需要此同步化作业。以下LabVIEW图表显示异步取样与同步取样的效果。白色轨迹是异步频率，采集几次模拟正弦波周期。FFT的频谱溢漏造成光谱图中的“下摆”。在同样的取样率下，同步取样系统产生的是红色轨迹。同步取样的重要优点之一，是因为信号采集时间较短，因此缩短了测试的时间。之所以能够缩短采集的时间，是因为不需要采集额外的信号周期(这些额外的数据是应用于数字窗口中，以便消除频谱泄漏)。原则上，能够满足市场上种类多样设备弹性需求的ATE系统应该为仪器提供衍生自主要参考频率的不同频率，以便进行同步取样。此外，这套系统应该能够提供源自主要参考频率的任意频率频率。图1.以T-Clock(TClk)同步NIPXI-5421任意波形发生器与NIPXI-5122示波器，以更短的时间与更高的准确度，达到相位的同步在通信方面，模拟及数字基带I/Q信号的产生及采集需要相位偏移(phaseoffset)与控制。数字信号发生器/分析仪，以同步化任意波形发生器与示波器，以处理数字与模拟I/Q信号的产生与采集。举例来说，在3GW-CDMA模式中，以接近5MHz带宽的信号而言，各信道之间的相位差距值及增益差距值，分别可以低到0.003%与0.1%。在未来的4G通信模式中(例如多重输入、多重输出，MIMO)，将殷切需以同步化进行多通道的基带、IF，与RF信号产生与采集。一项正渐渐成形的技术──数字波束成形(DigitalBeamforming)，正开始进入多种应用环境中，例如4GMIMO通信、国防，与航天工业的雷达应用。数字波束成形需要具备数字能量降转(downconversion)引擎的多信道相位协调数字化系统。在半导体业方面，实务上的数字测试可能要消耗数千个数字针脚。市场上典型的整合电路(IC)可能要占用数字I/O的200个针脚。在这种应用环境中，多部数字信号发生器及分析仪进行同步化，并以不可或缺的针脚对针脚偏斜与抖动，来处理大量接脚的IC。在消费性电子方面，组件的数字影像信号产生与采集，可能需要多达五种不同的信号：三个主要的影像信号、H-Sync，与V-Sync。通过频率与同步，可同步化任意波形发生器和示波器，分别产生并采集高画质的影像信号，像素速率可以逼近165MHz。CMOS成像传感器(一种可望随着影像电话与数字相机普及，而成为主流的技术)，就是混合信号技术的范例。其中的任意波形发生器、示波器，与数字信号分析仪经过同步化，供设计验证与检验芯片或芯片组。在物理科学方面，具备大量信道的数字化系统被应用于电浆融合、雷射分散实验，与粒子和天体物理学的光子/粒子侦测和追踪。在这些例子里，具备大量信道的数字化系统用于以2D或3D方式重建时空现象。这种应用方式需要多个通道同时取样，有时甚至超过数百个通道。在医疗诊断系统方面，由于出现低价位12与14位的50MHzADC，3D数字成像系统正在迅速取代模拟系统。这类系统往往拥有数百到一千多个通道。在非破坏性测试中，3D超音波成像是通过包含50MHz示波器的多信道系统所完成。一种比超音波成像更为进步的成像方法──光学同调断层扫描术(Opticalcoherencetomography，OCT)，可能需要数个示波器通道，以沟通多种光电二极管，进行同步取样。正如这许多应用领域所呈现的趋势，频率与同步技术，将是多信道信号/数据发生并采集的重要元素。二、NI的模块仪器平台目前的NI模块仪器硬件平台为PXI3与PCI。这2种平台在本质上即为模块形态，并且使用PCI总线做为PC和仪器之间的接口。于1997年推出的PXI是一项开放标准，许多厂商提供各种PXI模块，包含从影像采集到RF矢量信号分析仪。PXI开始迅速获得采用，主因是其小体积、可移植性、因采用PCI总线的高处理能力，与较低的价格；而PXI之所以拥有以上的特性，是因其采用庞大PC产品所开发出来的标准商业技术。就功能而言，PXI扩充了CompactPCI标准，加入局部总线与同步化功能。就同步测量而言，内建至PXI中的重要组件包含参考频率、触发总线，与星型触发总线3。图2.CompactPCI平台的PXI频率与触发延伸图解

局部总线触发器频率星状触发器总线PXI13条线路8TTL10MHzTTL每个扩展槽1个三、同步化的建构组件要在多部设备之间取得同步化，则必须检视频率和触发器的分布。同步化有两种主要模式，但是在探讨这些模式之前，我们必须先定义以下的用语。取样频率、参考频率、触发器，与主要设备和从属设备由于并未标准化将测量设备同步化的信号名称，可能会因为设备类型和制造商而有所不同。本文件使用以下名词来指称高速测量设备，以说明用于控制测量的不同类型信号。取样频率是时间信号，用于控制示波器与信号发生器上的ADC与DAC，以分别进行模拟转数字与数字转模拟操作。取样频率亦控制数字信号发生器/示波器，于取得或产生数字波型速度时的信号。在大多数的情况下，取样频率是一个周期信号，源自设备上的一个晶体振荡器。晶体振荡器技术的类型包含电压控制式晶体振荡器(VCXO)、温度控制式晶体振荡器(TCXO)，与恒温晶体振荡器(OCXO)。参考频率──许多仪器内含相位锁定环路(PLL)。PLL可将其输出频率锁定为其输入端口的参考频率。在仪器方面，虽然有许多仪器提供多种可允许的频率做为参考频率，但是常见的频率为10MHz。PLL的输出通常就是取样频率。PLL允许取样频率频率锁定为参考频率频率。因此取样频率的绝对频率准确度与参考频率的频率准确度相同。触发器信号控制在最高层级时的数据采集。外部事件或触发器是启动采集与信号产生的主要方法。触发器有各种不同的形式，包括模拟、数字，与软件。主要设备及从属设备──在建立同步化之测量系统时，通常将指定一部设备做为主要设备，其他一或多部设备为从属设备。主要设备负责产生用于控制系统中所有测量设备的信号。从属设备则接收来自主要设备的控制信号。同步化的目标，是精确地让多部硬设备产生并接收模拟与数字信号。频率与同步的分级之一，称为同质频率(homogeneoustiming)与同步化──2部设定相同的同样设备，其取样频率之间具有精确的相位关系，同时开始产生并/或采集信号。以下的范例说明同质同步化：•

2部示波器以200MS/s的速度采集数据，其取样频率之间具有精确的相位关系：在同一时间触发、垂直增益设定、AC/DC偶合设定、输入阻抗设定、DC偏移量设定，与模拟过滤器设定皆相同。前一个范例中有一重要现象，就是同质同步化的许多设定关联。举例来说，示波器前端的增益阶段与模拟过滤器的延迟，将导致前端接头与ADC之间的延迟。同质同步化可能意指许多不同的状况。以下的一些例子都可用于说明同质同步化：•

2部示波器分别以200MS/s与100MS/s的速度采集数据，其取样频率之间具有精确的相位关系：在同一时间触发、垂直增益设定、AC/DC偶合设定、输入阻抗设定、DC偏移量设定，与模拟过滤器设定皆相同。•

任意波形发生器与示波器均以100MS/s的速度进行取样，其取样频率之间具有精确的相位关系，并在收到触发器信号时，以设定的时间延迟开始操作。•

1部示波器、数字信号发生器/分析仪，与任意波形发生器，分别以50MS/s、200MS/s，与100MS/s进行取样，其取样频率之间具有精确的相位关系，并在收到触发器信号时，以设定的时间延迟开始操作。以上的例子清楚说明同质频率与同步有许多可能性，得以处理应用方面的需求。各设备上的不同设定，可导致在同一时间点上进行取样的信号/数据发生延迟。关键在于经过同步化的系统校正，这一点将在本文后面进行讨论。四、同步化模式之一：使用取样频率进行同步化主要设备可输出触发器信号与取样频率至从属设备，以控制测量系统的运作。举例来说，由多部示波器与信号发生器构成的系统，将具备由主要设备提供的取样频率。如图3所示，主要设备的取样频率，将直接控制所有设备上的ADC与DAC频率。举例来说，NI动态信号分析仪(如NI4472与NI4461，分别为24位104kS/s与208kS/s)即使用这种技术进行同步化，应用于声音与振动测量。这种模式是最单纯的相位连贯取样模式；多部设备接收相同的取样频率。因此所有设备都获得相同的取样频率正确性、偏移，与抖动。这种模式的缺点在于无法满足所有相位连贯同质频率的需求。图3.使用取样频率进行同步化五、同步化模式之二：使用参考频率进行同步化亦可在多部测量设备之间使用相同触发器与参考频率，以达成同步化。在这种模式中，参考频