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測試與測量  

觸發與同步數位器實現資料擷取

上網時間: 2015年03月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:數位器  觸發模式  觸發邏輯  Spectrum M4i  觸發器 

作者:Arthur Pini,Greg Tate和Oliver Rovini,Spectrum

對於擷取訊號並進行數位化處理的任何儀器來說,觸發都是一個重要的功能。如果不能根據特定波形特徵進行觸發,可能永遠看不到數位化波形中的感興趣點。數位器可以在多種模式下擷取資料。環形緩衝器或一般模式時的作業就像數位示波器一樣,擷取到的資料被載入環形緩衝器中。當觸發發生時,允許後置觸發器延遲的資料被鎖定用於顯示和處理。數位器還支援串流擷取模式,在此模式下擷取、數位化並連續儲存波形。因此,觸發器並不指示波形的起始位置,而是某種特徵發生的時間點。不管是哪一種模式,都可以看到感興趣的事件發生之前和之後的情況。

最常見的觸發方法是利用數位器某一通道的輸入訊號。基本原理是在波形上檢測到一個定義好的點,然後在擷取的資料上將這個‘觸發事件’標記為已知位置。圖1提供了一個基本的邊緣觸發案例。訊號源是輸入通道,觸發事件發生在波形上升緣跨過500mV觸發電平時。當觸發事件發生時,擷取訊號上的位置在時間軸上被標記為零時間點,如圖中的游標位置所示。如果訊號重複,數位器在每次擷取新資料時將會在相同點進行觸發,因而實現穩定顯示。

圖1:基本的邊緣觸發
圖1:基本的邊緣觸發,可在時間軸上定義零時間點(以垂直虛線標示),觸發事件發生在波形上升緣跨越觸發電平(以水平虛線標示)時。

由於訊號波形、電平和時序的變化廣泛,數位器的觸發電路也必須非常靈活。圖2顯示Spectrum M4i系列數位器的觸發‘引擎’方塊圖。它提供了現代數位器所支援的一系列觸發條件。

圖2:Spectrum M4i數位器方塊圖
圖2:Spectrum M4i數位器方塊圖顯示通用數位器的‘觸發引擎’、觸發源與觸發邏輯

方塊圖左邊顯示的是數位器的硬體觸發源,包括任意輸入通道以及任兩個外部觸發輸入(Ext0或Ext1)之一。每個觸發源都能支援多種觸發類型。因為許多數位器模組都具有多功能I/O線路,可以用於報告數位器的執行/裝載狀態,它們還可以提供觸發輸出訊號以及其它功能。除了硬體觸發源外,還可以使用以程式控制的軟體觸發功能,這十分有利於開發自動化測試。

數位器可能包含強大的觸發AND/OR邏輯單元,有助於將多個來源的輸入組合成一個複雜的多單元觸發器。這種觸發器可以確保數位器只在專門定義的模式發生時才觸發。另一個功能是能與其它數位器卡進行交叉觸發。

觸發模式

主要的觸發源內建支援多種觸發模式的雙路觸發電平比較器。這些觸發源包括單邊緣和雙邊緣觸發器、重啟(磁滯)觸發器、視窗觸發器等,針對多種來源的觸發器,還有相關的觸發閘極產生器。

邊緣觸發器是最基本的觸發器類型。只需設置觸發電平,並選擇想要的觸發緣。數位器會標示觸發源所選邊緣跨越觸發閾值時的時間點。邊緣選擇可以是上升緣、下降緣或同時觸發二者。

重啟或磁滯觸發器設置兩個電平,第一個是負載電平,第二個觸發電平。就跟邊緣觸發器一樣,用戶也要選擇邊緣類型。首先訊號所選邊緣必須跨越負載電平,將觸發器裝載好。然後當訊號的相同邊緣再次越過觸發電平時再次觸發數位器。重啟觸發模式可用來防止數位器因雜訊訊號干擾而觸發錯誤邊緣。

視窗觸發器使用每個觸發源的兩個觸發閾值來定義振幅視窗。視窗觸發器有兩種作業模式:進入視窗觸發和退出視窗觸發。進入視窗觸發是指只要來源訊號越過閾值電平之一並進入視窗時就觸發。退出視窗觸發是指位於兩個觸發閾值之間的來源訊號離開視窗時進行觸發。當來源訊號可在任意方向改變狀態時就可以使用視窗觸發器。

在多重來源觸發模式下利用內建觸發邏輯的數位器時,通常需要使用一個通道製作閘極波形,以實現來自另一個通道的觸發。你可以使用高電平、低電平、視窗內或視窗外等選擇來達到目的。這些觸發模式產生的內部閘極訊號可以與第二個觸發來源一起使用,並透過AND邏輯閘極觸發器。

圖3顯示使用高電平觸發器閘極另一通道上觸發源的例子。只要CH0通道上的正弦波超過觸發電平,就會為閾值上方訊號的整段時間產生一個上升閘極訊號。這個閘極訊號要與CH1通道上的訊號進行與作業。由於閘極訊號只有在CH1出現低振幅脈衝時才是上升的,因此,數位器將在脈衝波形越過觸發電平時才觸發,見圖中的水平紅色虛線。

圖3:使用CH0上的高電平觸發器製作閘極訊號
圖3:使用CH0上的高電平觸發器製作閘極訊號,用於選擇CH1通道上兩個脈衝中較低振幅的脈衝。只要觸發源位於觸發電平上方(觸發電平0),高電平觸發器會製作一個上升狀態的選擇訊號。該閘極訊號AND與CH1的脈衝波形可使數位器在較低振幅脈衝時進行觸發。

觸發邏輯

圖3所示範例顯示在遇到多個觸發源時可用觸發邏輯的用途之一。AND邏輯和OR邏輯都可支援。OR功能的輸入包括任何通道、外部觸發輸入、軟體觸發以及強制觸發功能。邏輯OR功能允許其中任何一個觸發源觸發數位器。AND邏輯功能的輸入包括所有通道、外部觸發輸入以及實現觸發功能。AND功能需要所有選擇的觸發輸入必須同時有效才能啟動觸發器。值得注意的是,閘極觸發模式(高電平和低電平)提供了輸入邏輯的邏輯反相功能,因而能夠製作NAND和NOR條件。

圖4顯示一個使用OR觸發邏輯的無線定位應用範例。每個輸入通道連接到一個感測器。來源的方向取決於每個感測器發射脈衝的到達時間。

圖4:使用OR觸發邏輯在通道上對最早發生的RF脈衝進行觸發。
圖4:使用OR觸發邏輯在通道上對最早發生的RF脈衝進行觸發。

來源的位置決定了哪個通道最先看到。OR觸發邏輯允許最先產生脈衝的通道觸發數位器,因而確保兩個感測器輸出都可被擷取到。

其它觸發相關功能

還有其它兩種觸發功能值得一提。第一種是觸發延遲,即圖2所示觸發方塊圖中的最後一個單元。這個功能使用計數器,可以將觸發事件往後延遲幾個指定的採樣數。如果延遲從初始(0)值開始發生變化,那麼水平軸上的觸發點將從0變成所輸入的延遲值。

第二個功能是外部觸發輸出和觸發狀態線。這些功能在同步多台儀器時很有用。觸發輸出、ARM和RUN態都可以透過多用途I/O通道獲得,如圖2所示。

同步

理論上,在同步多台儀器時會發生兩個問題。首先是通用觸發器的安排。其次是讓兩台儀器基於同步時脈工作。我們很容易看出,當試圖同步多台數位器時可能會發生問題。

利用具有目標時脈速率的外部時脈可以實現時脈同步。第二種方法是提供約10MHz的外部參考,然後應用到鎖相環(PLL),將參考時脈頻率倍頻到所需的時脈速率。如本文中使用的Spectrum M4i系列等許多數位器都是透過通用的外部時脈輸入處理兩種外部時脈的。外部時脈輸入被連接到內部PLL,可以將它設置為倍頻參考時脈,或將數位器鎖相到外部時脈,在不改變頻率的情況下讓它直接通過。這樣可以確保時脈頻率正確,但並不保證每台數位器中的時脈具有相同的相位。

在同步過程的觸發側,必須考慮到每台數位器的外部觸發輸入——一般使用獨立的比較器檢測觸發電平通過率。參考電平的些微差異以及建立和保持時間的不同可能導致時間軸上觸發點位置發生變化,進而形成某種觸發抖動。確保多台數位器精確同步的唯一方法是將時脈分配至每個模組,然後將觸發事件同步到系統時脈。

同步多台數位器

Spectrum M4i系列數位器具有被稱為‘星狀集中器’(Star Hub)的可選同步配件。這種Star-Hub模組支援同一系列最多8張卡的同步。

該模組作為時脈和觸發訊號的星狀連接中樞。具有這種模組的數位器作為時脈主設備,並以板卡或任何其它卡作為主觸發器。如果使用Star-Hub模組,主卡上可用的所有觸發模式仍然可用。它還能擴展AND/OR觸發邏輯,以適應來自任何所連數位器的輸入。透過同步來自數位器的ARM訊號,Star-Hub還能同步多台數位器中的不同預觸發器、記憶體區段大小以及後置觸發器設定。

本文小結

數位器要求觸發器將訊號擷取關聯到時間上的一個已知點。多重觸發來源和模式使得選擇所需的觸發點變得更輕鬆。此外,透過Star-Hub精確同步時間基礎的能力可支援多台儀器耦合,因而提供大量的擷取通道。具有智慧觸發引擎的數位器還可觸發並擷取種類廣泛的複雜訊號。

(參考原文:Trigger and synchronize digitizers to acquire the right data,by Arthur Pini, Greg Tate, Oliver Rovini)





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