T-Clock技術(shù) 實(shí)現PXI整合同步測試

一、在應用程序中的頻率與同步化

在電子業(yè)界，混合信號測試為測試設備與芯片內建系統(SOC) 技術(shù)的一個(gè)重要層面。隨著(zhù)將聲音、影像，與數據，結合在消費性電子產(chǎn)品與通信產(chǎn)品中的趨勢，對于此類(lèi)技術(shù)的測試需求(從基本產(chǎn)品至RF) 則更需要精確的頻率與同步化。

基本上，混合信號設備具備多個(gè)數字與模擬信道。這些信道多半在一部 ATE 系統中同時(shí)進(jìn)行測試，以節省測試時(shí)間，并提高處理能力。此外，模擬信道還使用同步取樣系統進(jìn)行測試。同步取樣系統需要在模擬轉數字 (ADC) 與數字轉模擬(DAC) 測試中，將不同的頻率進(jìn)行同步化。在頻率領(lǐng)域測量中，這種同步作業(yè)可以減少頻譜泄漏 (spectral leakage)，因此非常需要此同步化作業(yè)。

以下 LabVIEW 圖表顯示異步取樣與同步取樣的效果。白色軌跡是異步頻率，采集幾次模擬正弦波周期。FFT 的頻譜溢漏造成光譜圖中的“下擺”。在同樣的取樣率下，同步取樣系統產(chǎn)生的是紅色軌跡。同步取樣的重要優(yōu)點(diǎn)之一，是因為信號采集時(shí)間較短，因此縮短了測試的時(shí)間。之所以能夠縮短采集的時(shí)間，是因為不需要采集額外的信號周期(這些額外的數據是應用于數字窗口中，以便消除頻譜泄漏)。

原則上，能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)上種類(lèi)多樣設備彈性需求的ATE系統應該為儀器提供衍生自主要參考頻率的不同頻率，以便進(jìn)行同步取樣。此外，這套系統應該能夠提供源自主要參考頻率的任意頻率頻率。

圖 1. 以T-Clock (TClk) 同步NI PXI-5421 任意波形發(fā)生器與NI PXI-5122示波器，以更短的時(shí)間與更高的準確度，達到相位的同步

在通信方面，模擬及數字基帶I/Q信號的產(chǎn)生及采集需要相位偏移 (phase offset) 與控制。數字信號發(fā)生器/分析儀，以同步化任意波形發(fā)生器與示波器，以處理數字與模擬 I/Q 信號的產(chǎn)生與采集。舉例來(lái)說(shuō)，在 3G W-CDMA 模式中，以接近 5 MHz 帶寬的信號而言，各信道之間的相位差距值及增益差距值，分別可以低到 0.003% 與 0.1%。在未來(lái)的 4G 通信模式中(例如多重輸入、多重輸出，MIMO)，將殷切需以同步化進(jìn)行多通道的基帶、IF，與 RF 信號產(chǎn)生與采集。一項正漸漸成形的技術(shù)──數字波束成形(Digital Beamforming)，正開(kāi)始進(jìn)入多種應用環(huán)境中，例如 4G MIMO 通信、國防，與航天工業(yè)的雷達應用。數字波束成形需要具備數字能量降轉 (downconversion) 引擎的多信道相位協(xié)調數字化系統。

在半導體業(yè)方面，實(shí)務(wù)上的數字測試可能要消耗數千個(gè)數字針腳。市場(chǎng)上典型的整合電路 (IC) 可能要占用數字 I/O 的 200 個(gè)針腳。在這種應用環(huán)境中，多部數字信號發(fā)生器及分析儀進(jìn)行同步化，并以不可或缺的針腳對針腳偏斜與抖動(dòng)，來(lái)處理大量接腳的 IC。

在消費性電子方面，組件的數字影像信號產(chǎn)生與采集，可能需要多達五種不同的信號：三個(gè)主要的影像信號、H-Sync，與 V-Sync。通過(guò)頻率與同步，可同步化任意波形發(fā)生器和示波器，分別產(chǎn)生并采集高畫(huà)質(zhì)的影像信號，像素速率可以逼近 165 MHz。CMOS成像傳感器(一種可望隨著(zhù)影像電話(huà)與數字相機普及，而成為主流的技術(shù))，就是混合信號技術(shù)的范例。其中的任意波形發(fā)生器、示波器，與數字信號分析儀經(jīng)過(guò)同步化，供設計驗證與檢驗芯片或芯片組。

在物理科學(xué)方面，具備大量信道的數字化系統被應用于電漿融合、雷射分散實(shí)驗，與粒子和天體物理學(xué)的光子/粒子偵測和追蹤。在這些例子里，具備大量信道的數字化系統用于以 2D 或 3D 方式重建時(shí)空現象。這種應用方式需要多個(gè)通道同時(shí)取樣，有時(shí)甚至超過(guò)數百個(gè)通道。

在醫療診斷系統方面，由于出現低價(jià)位 12 與 14 位的 50 MHz ADC，3D 數字成像系統正在迅速取代模擬系統。這類(lèi)系統往往擁有數百到一千多個(gè)通道。在非破壞性測試中，3D 超音波成像是通過(guò)包含 50 MHz 示波器的多信道系統所完成。一種比超音波成像更為進(jìn)步的成像方法──光學(xué)同調斷層掃描術(shù)(Optical coherence tomography，OCT)，可能需要數個(gè)示波器通道，以溝通多種光電二極管，進(jìn)行同步取樣。

正如這許多應用領(lǐng)域所呈現的趨勢，頻率與同步技術(shù)，將是多信道信號/數據發(fā)生并采集的重要元素。

二、NI的模塊儀器平臺

目前的NI模塊儀器硬件平臺為PXI3 與PCI。這2 種平臺在本質(zhì)上即為模塊形態(tài)，并且使用PCI 總線(xiàn)做為PC 和儀器之間的接口。

于 1997 年推出的 PXI 是一項開(kāi)放標準，許多廠(chǎng)商提供各種 PXI 模塊，包含從影像采集到 RF 矢量信號分析儀。PXI 開(kāi)始迅速獲得采用，主因是其小體積、可移植性、因采用 PCI 總線(xiàn)的高處理能力，與較低的價(jià)格；而 PXI 之所以擁有以上的特性，是因其采用龐大 PC 產(chǎn)品所開(kāi)發(fā)出來(lái)的標準商業(yè)技術(shù)。

就功能而言，PXI 擴充了 CompactPCI 標準，加入局部總線(xiàn)與同步化功能。就同步測量而言，內建至 PXI 中的重要組件包含參考頻率、觸發(fā)總線(xiàn)，與星型觸發(fā)總線(xiàn)3。

圖 2. CompactPCI 平臺的 PXI 頻率與觸發(fā)延伸圖解

三、同步化的建構組件

要在多部設備之間取得同步化，則必須檢視頻率和觸發(fā)器的分布。同步化有兩種主要模式，但是在探討這些模式之前，我們必須先定義以下的用語(yǔ)。

取樣頻率、參考頻率、觸發(fā)器，與主要設備和從屬設備

由于并未標準化將測量設備同步化的信號名稱(chēng)，可能會(huì )因為設備類(lèi)型和制造商而有所不同。本文件使用以下名詞來(lái)指稱(chēng)高速測量設備，以說(shuō)明用于控制測量的不同類(lèi)型信號。

取樣頻率是時(shí)間信號，用于控制示波器與信號發(fā)生器上的ADC 與DAC，以分別進(jìn)行模擬轉數字與數字轉模擬操作。取樣頻率亦控制數字信號發(fā)生器/示波器，于取得或產(chǎn)生數字波型速度時(shí)的信號。在大多數的情況下，取樣頻率是一個(gè)周期信號，源自設備上的一個(gè)晶體振蕩器。晶體振蕩器技術(shù)的類(lèi)型包含電壓控制式晶體振蕩器(VCXO)、溫度控制式晶體振蕩器(TCXO)，與恒溫晶體振蕩器(OCXO)。

參考頻率──許多儀器內含相位鎖定環(huán)路(PLL)。PLL 可將其輸出頻率鎖定為其輸入端口的參考頻率。在儀器方面，雖然有許多儀器提供多種可允許的頻率做為參考頻率，但是常見(jiàn)的頻率為10 MHz。PLL 的輸出通常就是取樣頻率。PLL 允許取樣頻率頻率鎖定為參考頻率頻率。因此取樣頻率的絕對頻率準確度與參考頻率的頻率準確度相同。

觸發(fā)器信號控制在最高層級時(shí)的數據采集。外部事件或觸發(fā)器是啟動(dòng)采集與信號產(chǎn)生的主要方法。觸發(fā)器有各種不同的形式，包括模擬、數字，與軟件。

主要設備及從屬設備──在建立同步化之測量系統時(shí)，通常將指定一部設備做為主要設備，其他一或多部設備為從屬設備。主要設備負責產(chǎn)生用于控制系統中所有測量設備的信號。從屬設備則接收來(lái)自主要設備的控制信號。

同步化的目標，是精確地讓多部硬設備產(chǎn)生并接收模擬與數字信號。頻率與同步的分級之一，稱(chēng)為同質(zhì)頻率(homogeneous timing) 與同步化──2 部設定相同的同樣設備，其取樣頻率之間具有精確的相位關(guān)系，同時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生并/或采集信號。以下的范例說(shuō)明同質(zhì)同步化：

• 2 部示波器以200 MS/s 的速度采集數據，其取樣頻率之間具有精確的相位關(guān)系：在同一時(shí)間觸發(fā)、垂直增益設定、AC/DC 偶合設定、輸入阻抗設定、DC 偏移量設定，與模擬過(guò)濾器設定皆相同。

前一個(gè)范例中有一重要現象，就是同質(zhì)同步化的許多設定關(guān)聯(lián)。舉例來(lái)說(shuō)，示波器前端的增益階段與模擬過(guò)濾器的延遲，將導致前端接頭與ADC 之間的延遲。

同質(zhì)同步化可能意指許多不同的狀況。以下的一些例子都可用于說(shuō)明同質(zhì)同步化：

• 2 部示波器分別以200 MS/s 與100 MS/s 的速度采集數據，其取樣頻率之間具有精確的相位關(guān)系：在同一時(shí)間觸發(fā)、垂直增益設定、AC/DC 偶合設定、輸入阻抗設定、DC 偏移量設定，與模擬過(guò)濾器設定皆相同。

• 任意波形發(fā)生器與示波器均以100 MS/s 的速度進(jìn)行取樣，其取樣頻率之間具有精確的相位關(guān)系，并在收到觸發(fā)器信號時(shí)，以設定的時(shí)間延遲開(kāi)始操作。

• 1 部示波器、數字信號發(fā)生器/分析儀，與任意波形發(fā)生器，分別以50 MS/s、200 MS/s，與100 MS/s 進(jìn)行取樣，其取樣頻率之間具有精確的相位關(guān)系，并在收到觸發(fā)器信號時(shí)，以設定的時(shí)間延遲開(kāi)始操作。

以上的例子清楚說(shuō)明同質(zhì)頻率與同步有許多可能性，得以處理應用方面的需求。各設備上的不同設定，可導致在同一時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行取樣的信號/數據發(fā)生延遲。關(guān)鍵在于經(jīng)過(guò)同步化的系統校正，這一點(diǎn)將在本文后面進(jìn)行討論。

四、同步化模式之一：使用取樣頻率進(jìn)行同步化

主要設備可輸出觸發(fā)器信號與取樣頻率至從屬設備，以控制測量系統的運作。舉例來(lái)說(shuō)，由多部示波器與信號發(fā)生器構成的系統，將具備由主要設備提供的取樣頻率。如圖3 所示，主要設備的取樣頻率，將直接控制所有設備上的ADC 與DAC 頻率。舉例來(lái)說(shuō)，NI 動(dòng)態(tài)信號分析儀(如NI 4472 與NI 4461，分別為24 位104 kS/s 與208 kS/s) 即使用這種技術(shù)進(jìn)行同步化，應用于聲音與振動(dòng)測量。

這種模式是最單純的相位連貫取樣模式；多部設備接收相同的取樣頻率。因此所有設備都獲得相同的取樣頻率正確性、偏移，與抖動(dòng)。這種模式的缺點(diǎn)在于無(wú)法滿(mǎn)足所有相位連貫同質(zhì)頻率的需求。

圖 3. 使用取樣頻率進(jìn)行同步化

五、同步化模式之二：使用參考頻率進(jìn)行同步化

亦可在多部測量設備之間使用相同觸發(fā)器與參考頻率，以達成同步化。在這種模式中，參考頻率可以由主要設備提供(主要設備必須內建參考頻率)，或是由專(zhuān)用的高精度頻率來(lái)源提供參考頻率。

這種模式的優(yōu)點(diǎn)，即可從單一參考頻率取得同樣的取樣頻率，讓所有的取樣頻率皆鎖定于此相位。缺點(diǎn)是各設備上的相位連貫取樣，并不如直接使用取樣頻率那樣單純，因為每一部設備的時(shí)間都會(huì )產(chǎn)生影響，因此必須考慮到設備頻率的抖動(dòng)問(wèn)題。

PLL 即經(jīng)常采用此種模式進(jìn)行同步化，并產(chǎn)生取樣頻率。

圖 4. 使用參考頻率進(jìn)行同步化

圖 5. 高速的取樣頻率使用 PLL 進(jìn)行同步化。

六、同步化的問(wèn)題

發(fā)送頻率與觸發(fā)器以獲得高速同步化之設備，遭遇到些許的問(wèn)題。針對同步化而言，必須協(xié)調多部測量設備的潛在因素與時(shí)間不確定性；對于高速測量系統而言更是如此。工程師往往在最初的系統設計時(shí)間中忽視這些問(wèn)題，而限制同步化系統的速度與準確性。在發(fā)送頻率與觸發(fā)器時(shí)的2 個(gè)主要問(wèn)題，即為偏斜(skew) 與抖動(dòng)(jitter)。

七、取樣頻率同步化

以本質(zhì)來(lái)說(shuō)，混合信號測試需要在各儀器上采用不同的取樣率，因為模擬波形 I/O 與數字波形 I/O 必須采用不同的取樣率；但是均必須進(jìn)行同步化。更重要的一點(diǎn)，必須在各儀器上，以正確的取樣頻率邊緣進(jìn)行數據取樣。

當不同儀器上的取樣頻率均為 10 MHz 參考頻率的整倍數時(shí)，所有的儀器都將擁有與其他儀器同步的取樣頻率──所有取樣頻率的提高間距都與 10 MHz 頻率邊緣 (edge) 相符。如圖 6 所示，盡管已鎖定相位為 10 MHz 參考頻率，但當取樣頻率不為整倍數時(shí)(如 25 MHz)，就不能保證取樣頻率同相 (in phase)。目前使用標準技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，即同時(shí)重新設定所有的 PLL，使得同頻率的取樣頻率變成同相，如圖 7 所示。即使此時(shí)所有的取樣頻率皆為同相，但是此解決方法仍然不完全。完全同步化為：從設備到設備的數據時(shí)間，位于一個(gè)取樣頻率周期中。完全同步化的關(guān)鍵在于觸發(fā)，將于下文中討論。

圖 6. 未校準之 25 MHz 取樣頻率

圖 7：使用重設使 PLL 同步化

頻率偏斜(skew)與抖動(dòng)(jitter)

工程師必須仔細規劃取樣頻率與/或參考頻率的發(fā)送。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)經(jīng)同步化的測量系統若要以 200 MS/s 取樣率，于 20 個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行取樣。則表示要將頻率發(fā)送到 10 個(gè)雙通道的示波器。如果取樣頻率偏斜 1%，則偏斜不能大于 25 ps。這樣一個(gè)系統看起來(lái)極具挑戰性。還好，偏斜限制可針對每部測量裝備的偏斜進(jìn)行校正來(lái)解決；可以在取樣數據中，就偏斜部份加以補償。真正的問(wèn)題是頻率頻率。無(wú)論是發(fā)送一個(gè) 200 MHz 直接取樣頻率或 10 MHz 參考頻率，都會(huì )在系統中造成抖動(dòng)。發(fā)送系統的物理性質(zhì)，在發(fā)送頻率的準確性上扮演重要角色；如果頻率的路徑容易受到高頻電子噪音的影響，那么頻率抖動(dòng)就會(huì )成為明顯的問(wèn)題。針對用于發(fā)送高頻取樣頻率的平臺，制造、測試，與校正都變得極為昂貴。因此在許多高頻系統中，普遍會(huì )使用較低頻的參考頻率來(lái)進(jìn)行校正。圖 8 是安裝在NI SMC 模塊儀器中的典型 VCXO PLL?；芈穾捑S持在最低，以防止來(lái)自參考頻率的抖動(dòng)，同時(shí)設備 VCXO 的抖動(dòng)則低于 1 psrms。這樣的系統可以有效地成為一個(gè)低抖動(dòng)的同步系統。

NI 的 PLL 設計中，有一項非常有用的特性，就是使用一顆相位 DAC。使用相位 DAC 時(shí)，可將“VCXO 輸出”和“輸入的參考頻率”進(jìn)行相位對正。表面上，VCXO 輸出與參考頻率同相；但可能必須將 VCXO 輸出略為偏斜，使輸出的相位稍微偏斜。當送進(jìn)各設備中的參考頻率因為傳送延遲而有些許偏斜時(shí)，則該項功能對于校準多部設備的取樣頻率就非常重要。舉例來(lái)說(shuō)，在 NI PXI-1042 的機架中發(fā)送 10 MHz 參考頻率時(shí)，插槽至插槽的偏斜最高有 250 ps，最多有 1 psrms 的抖動(dòng)。雖然 250 ps 的插槽至插槽偏斜對大部份應用而言沒(méi)有問(wèn)題，但可能不適合極高速應用；因為其相位準確度很重要。為了解決這個(gè)偏斜問(wèn)題，相位 DAC 的輸出可加以調整，以校正偏斜。在 NI PXI-5422，200 MS/s取樣率的任意波形發(fā)生器，與 NI PXI-5124，200 MS/s 取樣率的示波器中，取樣頻率的相位/延遲調整為 5 ps，因此使用者在同步化多部設備時(shí)，可擁有極大的彈性。

圖 8. 具備相位調整 DAC 的 PLL──相位 DAC 使取樣頻率對應于參考頻率的延遲更加有彈性。

觸發(fā)器偏斜與扭曲

在解決取樣頻率同步化的問(wèn)題之后，另外一個(gè)主要問(wèn)題就是發(fā)送觸發(fā)器以啟動(dòng)同步作業(yè)。觸發(fā)器可能來(lái)自1 個(gè)數字事件，或來(lái)自符合觸發(fā)條件的模擬信號。一般來(lái)說(shuō)，在多信道系統中，其中1 部設備被設定為主要設備，其余的則指定為從屬設備。在這個(gè)情況下，主要設備將發(fā)送觸發(fā)信號給系統的所有從屬設備(包含其本身)。這里出現的2 個(gè)問(wèn)題為觸發(fā)延遲 (delay) 和偏斜 (skew)。從主要設備發(fā)送到所有從屬設備時(shí)會(huì )發(fā)生觸發(fā)延遲，而每部從屬設備之間會(huì )發(fā)生扭曲；此現象雖無(wú)法避免，但是此種延遲與偏斜均可加以測量，并進(jìn)行校正。

然而在測量延遲與偏斜時(shí)，所面對的挑戰分成兩個(gè)階段：

1. 自動(dòng)測量主要設備和每一部從屬設備之間的觸發(fā)延遲，并進(jìn)行補償。

2. 確保從屬設備之間的偏斜極小，以確保所有設備皆在同樣的頻率范圍內收到觸發(fā)器。

將觸發(fā)信號發(fā)送到多部設備，需要將觸發(fā)信號傳送到取樣頻率的頻率范圍中，使觸發(fā)器能在正確的時(shí)間點(diǎn)上傳送到每一部設備。

在取樣頻率低于或等于 100 MS/s 時(shí)，偏斜會(huì )成為觸發(fā)器正確發(fā)送的主要障礙。舉例來(lái)說(shuō)，若系統內含10 部 200 MS/s 取樣率的設備，每部設備必須在 5ns 的時(shí)間范圍內收到觸發(fā)。則此限制對于想要提供 100 MHz 以上頻率與同步的平臺造成明顯負擔。觸發(fā)信號必須以低于取樣頻率的頻率范圍發(fā)送，否則必須建立1 個(gè)未經(jīng)總線(xiàn)的方式來(lái)發(fā)送觸發(fā)器信號(如點(diǎn)對點(diǎn)聯(lián)機)。這種平臺的價(jià)格過(guò)高，并非使用主流。因此必須采用另外一個(gè)發(fā)送通道：讓觸發(fā)器信號使用低頻率范圍，以穩定地發(fā)送，并且傳送到高速取樣頻率范圍。理想的選擇之一，即為同步化觸發(fā)器信號的發(fā)送與 10 MHz 的參考頻率。但是，當取樣頻率并非10 MHz 參考頻率的整倍數時(shí)，就無(wú)法確保2 組適配卡能于同一個(gè)取樣頻率周期中收到觸發(fā)器信號。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，假設2 部設備擁有圖 9 所示之簡(jiǎn)單回路4，供觸發(fā)器從 10 MHz 參考頻率范圍傳送到取樣頻率范圍。

圖 9. 10 MHz 觸發(fā)器自參考頻率范圍傳送至取樣頻率范圍

即使設備的取樣頻率相同，以下的頻率圖表顯示在2 部裝置中，無(wú)法于相同取樣頻率周期中看到觸發(fā)的原因。

圖 10. 亞穩定 (Metastability) 在觸發(fā)器上的效果

第一次觸發(fā)器的輸出(cTrig) 可能發(fā)生在過(guò)于接近取樣頻率升高邊緣的地方，導致mTrig 變成亞穩定(metastable) 狀態(tài)。當穩定狀態(tài)安定下來(lái)時(shí)，在不同的設備上可能有不同的處理方式，導致將同一個(gè)觸發(fā)器信號視為發(fā)生在不同時(shí)間的2 個(gè)事件。

八、SMC模塊儀器與TClk

2003 年時(shí)，NI 以同步化與內存核心(Synchronization and Memory Core，SMC) 為基礎，推出第一代PXI 示波器、任意波形發(fā)生器，與數字信號發(fā)生器/分析儀。SMC 中使用的關(guān)鍵技術(shù)之一，就是供頻率與同步應用的T-Clock (TClk) 技術(shù)。

TClk

NI 開(kāi)發(fā)1 種同步化的方法，當布署另外的信號頻率范圍時(shí)，可啟用取樣頻率校準，與觸發(fā)的發(fā)送和接收。Tclk 技術(shù)的目標包含2 方面：

• TClk 可針對已相位鎖定10 MHz 參考頻率，但卻未校準的取樣頻率進(jìn)行校準。
• TClk 可正確觸發(fā)同步化后的設備。

TClk 同步化即具彈性，而且范圍廣闊；可應用于下列環(huán)境中：

• 使用NI PXI-6653 Slot 2 系統頻率與控制模塊，從單一PXI 機架延伸至多部PXI 機架的同步化，以配合大型通道之用。
• 同質(zhì)予異質(zhì)同步化──使用外部或內部取樣頻率，以相同或不同取樣率運作的設備。
• TClk 同步化可以運用在模式一與模式二中，如上文所描述。

圖 11. 使用 NI PXI-6653 系統頻率與控制模塊進(jìn)行多機架同步化；由主控機架發(fā)送 10 MHz 參考頻率至所有的從屬機架。NI MXI-4 可控制所有的從屬機架。

TClk 同步化的目的，是讓設備能夠同時(shí)對觸發(fā)器響應。“同時(shí)”指在同取樣時(shí)段中，而且盡可能校準其取樣頻率。達成 TClk 同步化的方式，是讓每一部設備根據取樣頻率產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)頻率 (TClk)。觸發(fā)器與 Tclk 脈沖進(jìn)行同步化。從外部來(lái)源接收的觸發(fā)器，或是在內部自行產(chǎn)生的設備，將于 TClk 的負緣 (falling edge) 上傳送信號至所有設備(包含本身)。TClk 頻率低于取樣頻率與 PXI 的 10 MHz 參考頻率，以配合 NI PXI-1045 的18 槽機架(從插槽 1 至插槽 18 之間的傳播延遲，可能會(huì )延長(cháng)至數個(gè)毫微秒)。如果應用程序呼叫多部機架時(shí)，傳播延遲高于一般正常機架間的延遲，則可設定 TClk 頻率。

此時(shí)即出現“實(shí)時(shí)”數據采集的問(wèn)題；如果符合觸發(fā)器條件，而且必須觸發(fā) 10 部示波器，那么由于觸發(fā)器對 TClk 的同步化操作，潛在的問(wèn)題就會(huì )浮現。處理這個(gè)問(wèn)題的方法，是使用設備樣本內存緩沖區中的觸發(fā)前樣本與觸發(fā)后樣本。所有的 TClk 設備，均能接受因觸發(fā)器對 TClk 進(jìn)行同步化而造成的時(shí)間延遲。舉例來(lái)說(shuō)，將10 部示波器設定為同時(shí)采集 10,000 個(gè)樣本。取樣率為 200 MS/s (取樣時(shí)間5 ns)，而引用之 TClk 頻率則設定為 5 MHz (取樣時(shí)間200 ns)。這表示因 TClk 對觸發(fā)器同步化所導致的采集延遲，可能高達 40 個(gè)樣本。TClk 設備的設計會(huì )自動(dòng)填補內存緩沖區，以補償觸發(fā)事件和開(kāi)始采集之間的延遲，而 NI-TClk 驅動(dòng)程序軟件會(huì )自動(dòng)調整所有示波器上的時(shí)間標記，以反應開(kāi)始采集與觸發(fā)事件之間的時(shí)間關(guān)系。

使用內部(PXI)參考頻率，或使用者參考頻率進(jìn)行TClk運作的概述

所有設備以下列的方式進(jìn)行同步化。請參閱圖 12 的計時(shí)圖表，了解取樣頻率的校準；圖 13 則說(shuō)明觸發(fā)器的發(fā)送與接收。

1. 每部設備都設定1 個(gè)取樣頻率，并且設定為接收TClk觸發(fā)器。

2. NI-TClk 軟件根據取樣頻率與設備數目，來(lái)自動(dòng)計算TClk 頻率，每部設備皆產(chǎn)生TClk (自該設備的取樣頻率而來(lái))。

3. PXI 10 MHz 參考頻率(在PCI 環(huán)境中，則使用某一個(gè)設備的內建參考頻率) 發(fā)送至所有設備，鎖定所有設備的取樣頻率相位。

4. 每一部設備的取樣頻率相位皆鎖定于10 MHz 參考頻率，但是在這個(gè)階段中，并不一定和彼此同相(in phase)。

5. 一個(gè)稱(chēng)為同步脈沖頻率(Sync Pulse Clock) 的時(shí)間信號，將通過(guò)PXI 觸發(fā)器總線(xiàn)(在PCI 適配卡上則通過(guò)RTSI 總線(xiàn))，發(fā)送給所有頻率類(lèi)似參考頻率的設備。10 MHz 參考頻率在此除了是參考頻率之外，也扮演同步脈沖頻率的角色。

6. 當PXI 觸發(fā)器總線(xiàn)(在PCI 適配卡上則為RTSI 總線(xiàn)) 上的同步脈沖頻率(10 MHz 參考頻率) 夠高時(shí)，即從其中一部設備產(chǎn)生同步脈沖。

7. 在收到同步脈沖時(shí)，每設備經(jīng)過(guò)初始化，以尋找同步脈沖頻率的第一個(gè)正緣(rising edge)。

8. 在偵測到同步脈沖頻率的第一個(gè)正緣時(shí)，每部設備均程序設計為測量此正緣和TClk 設備第一個(gè)正緣之間的時(shí)間。所有設備均會(huì )測量這2 道正緣之間的時(shí)間。

9.所有設備上的TClk 測量結果，將比較另一個(gè)TClk 參考測量(NI-TClk 驅動(dòng)程序會(huì )自動(dòng)選擇其中一部設備)，而且所有設備的取樣頻率與TClk，均藉由調整所有設備上的相位DAC 輸出，以自動(dòng)進(jìn)行校準。

10. 在校準所有設備的取樣頻率之后，觸發(fā)器信號即從指定的主要設備，通過(guò)TClk 發(fā)送至其他所有設備。觸發(fā)器信號隨著(zhù)主要設備的TClk 負緣發(fā)送，所有的設備都被設定于TClk 的下一個(gè)正緣時(shí)，啟動(dòng)信號產(chǎn)生或采集。這個(gè)信號也通過(guò)PXI 觸發(fā)器總線(xiàn)(PCI 適配卡則通過(guò)RTSI 總線(xiàn)) 來(lái)發(fā)送。請參閱圖13。

T-Clock 同步化有2 項屬性可影響此方法：

• 同步脈沖的發(fā)送對于TClk 同步化而言極為重要。同步脈沖必須到達每一部設備，讓每一部設備在進(jìn)行TClk 測量時(shí)，都尋找同步脈沖頻率的同一段正緣。偏斜(skew) 不能超過(guò)同步脈沖頻率的期間。只要同步脈沖頻率期間為100 ns，這個(gè)問(wèn)題很容易就可以解決。TClk 同步化可輕易地從在一部機架內擴充到數10 部機架，因為每呎50 奧姆纜線(xiàn)的標準延遲是2 ns。

• 取樣頻率校準的正確性與同步脈沖頻率(參考頻率) 的偏斜息息相關(guān)。參閱圖12，則可看到2 部設備接收到的參考頻率均產(chǎn)生偏斜。假設已校準2 部設備的TClk 測量的同步脈沖頻率；2 個(gè)TClk 測量之間的差異用于移動(dòng)取樣頻率，使之進(jìn)行校準。同時(shí)在下一節中我們也可以看到，利用目前的技術(shù)，可以達到2 個(gè)層次的效能：實(shí)時(shí)效能與校正效能。

圖 12. 使用 TClk 校準取樣頻率的時(shí)間圖表。

圖 13. 使用 TClk 進(jìn)行觸發(fā)器發(fā)送的時(shí)間圖表

概論：以用戶(hù)提供之外部取樣頻率進(jìn)行TClk 作業(yè)

在這個(gè)圖表中，TClk 同步化不會(huì )校準各設備上的取樣頻率，因為是略過(guò) PLL 回路，從外部提供取樣頻率。TClk 同步化確保啟動(dòng)/停止觸發(fā)器的發(fā)送，使每一部設備都在同樣的取樣頻率邊緣開(kāi)始及停止采集/產(chǎn)生信號。TClk 達成這項操作的方式是采用和以上所介紹的、從取樣頻率取得 TClk 以發(fā)送觸發(fā)器信號的相同方法。

在這里，正確的取樣頻率校準工作由你供應的取樣頻率來(lái)負責。為了確保最佳的效能，在取樣率高于 100 MS/s 時(shí)，應該使用同長(cháng)度的纜線(xiàn)，從頻率來(lái)源連接至系統中的每一部設備，提供低抖動(dòng)取樣頻率(小于 1 psrms)。

參閱圖13，可了解觸發(fā)器發(fā)送與接收的情形。

1. 每一部設備皆設定為接收TClk 觸發(fā)器與外部取樣頻率。

2. NI-TClk 自動(dòng)根據取樣頻率與設備數量計算TClk 頻率。然后，各設備根據設備的取樣頻率產(chǎn)生TClk。

3. 觸發(fā)器信號使用TClk，從指定的主要設備發(fā)送至其他所有的設備；觸發(fā)器信號隨著(zhù)主要設備的TClk 負緣發(fā)送，所有的設備都設定于TClk 的下一個(gè)正緣時(shí)啟動(dòng)信號產(chǎn)生或采集。此信號也通過(guò)PXI 觸發(fā)器總線(xiàn)(PCI 適配卡則通過(guò)RTSI 總線(xiàn)) 來(lái)發(fā)送。請參閱圖 13。

九、TClk技術(shù)的性能

實(shí)時(shí)性能

多部設備若要獲得穩定的同步化，可以將設備加入PXI 機架中，再使用NI-TClk 軟件來(lái)執行這些設備(請參閱圖14 的說(shuō)明)。關(guān)鍵的軟件組件包括3 個(gè)VI/函式，而使用者必須設定其參數。

圖 14. 在多部任意波形發(fā)生器和示波器之間，使用 TClk 同步化的 LabVIEW 程序區──NI TClk 提供的3 個(gè) VI/函式將設備同步化

在NI PXI-1042 機架中，TClk 同步化可于各設備間偏移低于1ns 的情況下，使各設備同步化。標準的偏移范圍在200 ps 至500 ps 之間。各設備之間的信道對信道抖動(dòng)(jitter)，將受到設備的內蘊系統抖動(dòng)影響。舉例來(lái)說(shuō)，NI PXI-5421 為100 MS/s 取樣率，16位分辨率的AWG 系統總抖動(dòng)量為2 psrms。由TClk 同步化的NI PXI-5421 設備，該信道對信道抖動(dòng)通常低于5 psrms。使用NI PXI-5122 的100 MS/s 取樣率、14位分辨率示波器時(shí)，其信道對信道抖動(dòng)常低于10 psrms。

圖 15. 2 部示波器進(jìn)行 TClk 同步化的實(shí)時(shí)效能

圖15 中的LabVIEW 人機接口，正測量安裝于NI PXI-1042 機架中的2 組NI PXI-5122 之間偏移量。在這個(gè)測量設定中，偏移量約為523 ps。每示波器皆設定為以100 MS/s 取樣率，對同樣5 MHz 的方波進(jìn)行取樣。信號使用同樣長(cháng)度的纜線(xiàn)，分開(kāi)輸入各示波器中。信道對信道抖動(dòng)大約是6 psrms。數據是由方波的49,998 個(gè)過(guò)零(zero crossing) 所編譯出來(lái)的。直方圖中的高斯分布，反應出抖動(dòng)是由隨機噪聲產(chǎn)生的，而不是系統中的固定噪聲源。

圖 16：以 TClk 同步化的 NI PXI-5421 任意波形發(fā)生器信道對信道抖動(dòng)測量

圖16 是對2 部以TClk 同步化的NI PXI-5421 任意波形發(fā)生器，所進(jìn)行的信道對信道抖動(dòng)測量。2 部設備都設定為以100 MS/s 取樣率產(chǎn)生1 個(gè)10 MHz 方波。此為T(mén)ektronix 高效能抖動(dòng)測量通信信號分析儀(CSA) 8200平臺上，以80E04 TDR 模塊所進(jìn)行的測量。圖16 中的直方圖數據反應出信道對信道抖動(dòng)低于3 psrms。直方圖所回報的數據并非信道之間的偏斜；而是從方波的過(guò)零觸發(fā)，到受測量方波的下一個(gè)正緣之間的延遲(亦即1 個(gè)通道用于觸發(fā)第2 個(gè)通道的過(guò)零測量)。直方圖呈現測量結果，并反應出信道對信道抖動(dòng)的情形。

校正TClk同步化

正如先前所提到的，標準的偏斜范圍可能在 200 ps 至 500 ps 之間。這個(gè)偏斜范圍可能無(wú)法滿(mǎn)足部份應用程序的要求，因為此測量要求通道間必須要有更高的相位準確度。在這種情況下必須進(jìn)行手動(dòng)校正。手動(dòng)校正可以將設備間的偏斜降至 30 ps 以下。圖17 的 LabVIEW 人機界面顯示 NI PXI-5122，100 MS/s 取樣率示波器，與NI PXI-5124，200 MS/s 取樣率示波器之間的偏斜?？砂l(fā)現偏斜是大約是 15 ps，信道與信道間的抖動(dòng)大約是 12 psrms。數據是由方波的 10,000 個(gè)過(guò)零點(diǎn)編譯而得。

圖 17. 經(jīng)校正的 2 部示波器TClk 同步化──100 MS/s 取樣率的NI PXI-5122，與 200 MS/s 取樣率的 NI PXI-5124──典型的偏斜大約是15 psrms，信道與信道間抖動(dòng)大約是12 psrms。

圖 18. 手動(dòng)校正 TClk 同步化的 NI PXI-5421 任意波形發(fā)生器 10 MHz 方波負緣放大圖──偏斜大約是 20 ps。

圖18 為使用CSA 8200 進(jìn)行手動(dòng)校正TClk 同步化的2 部NI PXI-5421 任意波形發(fā)生器，中間所產(chǎn)生的偏斜。注意：偏斜約為20 ps。2 部設備產(chǎn)生的波形是一道10 MHz 方波。

手動(dòng)校正包含使用 PLL 回路(參考圖8) 中的相位調整 DAC，以調整各設備的取樣頻率。舉例來(lái)說(shuō)，在將2 部任意波形發(fā)生器進(jìn)行同步化時(shí)，同步化之輸出可通過(guò)高速示波器加以檢視，而 AWG 的取樣頻率也可使用相位調整 DAC 移到其它設備。通過(guò)這個(gè)手動(dòng)過(guò)程，多部任意波形發(fā)生器之間的偏斜，可從數百個(gè)兆分之一秒(picosecond) 減少到 30 ps 以下。

在對2 部示波器進(jìn)行同步化時(shí)，會(huì )使用同樣長(cháng)度的纜線(xiàn)，將1 個(gè)低相位噪聲信號輸入每示波器中。偏斜可以用軟件來(lái)測量，示波器的取樣頻率也可根據其他示波器的相對關(guān)系進(jìn)行調整。同樣的方法亦用于數字波形發(fā)生器/分析儀的同步化。

可用高分辨率調整取樣頻率。在 100 MS/s 取樣率的設備上(如 NI PXI-5122、NI PXI-5421，與 NI PXI-6552)，取樣頻率的延遲調整分辨率為 10 ps，可調整為±1 個(gè)取樣頻率期間 (10 ns)。在 200 MS/s 取樣率的設備上(如 NI PXI-5422 與 NI PXI-5124)，調整分辨率為 5 ps，則可調整為 ±1 個(gè)取樣頻率期間 (5 ns)。因此，設備之間的偏斜可進(jìn)行精確手動(dòng)校正。