T-Clock技術(shù)實(shí)現(xiàn)PXI整合同步測(cè)試由于單部?jī)x器上的觸發(fā)/響應(yīng)通道有限，或因?yàn)樾枰旌闲盘?hào)的觸發(fā)/響應(yīng)信道，因此許多測(cè)試與測(cè)量應(yīng)用，將需要對(duì)多部?jī)x器進(jìn)行時(shí)間控制與同步化。舉例來(lái)說(shuō)，一部示波器可能最多有4個(gè)信道，而信號(hào)發(fā)生器最多有2個(gè)通道。從電子業(yè)的混合信號(hào)測(cè)試，到科學(xué)方面的雷射光譜學(xué)，這些應(yīng)用都需要對(duì)較多的通道進(jìn)行頻率與同步化，或必須針對(duì)數(shù)字輸入與輸出信道、模擬輸入與輸出通道，建立此兩分組之間的關(guān)系。一、在應(yīng)用程序中的頻率與同步化在電子業(yè)界，混合信號(hào)測(cè)試為測(cè)試設(shè)備與芯片內(nèi)建系統(tǒng)(SOC)技術(shù)的一個(gè)重要層面。隨著將聲音、影像，與數(shù)據(jù)，結(jié)合在消費(fèi)性電子產(chǎn)品與通信產(chǎn)品中的趨勢(shì)，對(duì)于此類(lèi)技術(shù)的測(cè)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(hào)設(shè)備具備多個(gè)數(shù)字與模擬信道。這些信道多半在一部ATE系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，以節(jié)省測(cè)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(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。同步取樣系統(tǒng)需要在模擬轉(zhuǎn)數(shù)字(ADC)與數(shù)字轉(zhuǎn)模擬(DAC)測(cè)試中，將不同的頻率進(jìn)行同步化。在頻率領(lǐng)域測(cè)量中，這種同步作業(yè)可以減少頻譜泄漏(spectralleakage)，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(tǒng)產(chǎn)生的是紅色軌跡。同步取樣的重要優(yōu)點(diǎn)之一，是因?yàn)樾盘?hào)采集時(shí)間較短，因此縮短了測(cè)試的時(shí)間。之所以能夠縮短采集的時(shí)間，是因?yàn)椴恍枰杉~外的信號(hào)周期(這些額外的數(shù)據(jù)是應(yīng)用于數(shù)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(shè)備彈性需求的ATE系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)應(yīng)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NIPXI-5421任意波形發(fā)生器與NIPXI-5122示波器，以更短的時(shí)間與更高的準(zhǔn)確度，達(dá)到相位的同步在通信方面，模擬及數(shù)字基帶I/Q信號(hào)的產(chǎn)生及采集需要相位偏移(phaseoffset)與控制。數(shù)字信號(hào)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(shù)字與模擬I/Q信號(hào)的產(chǎn)生與采集。舉例來(lái)說(shuō)，在3GW-CDMA模式中，以接近5MHz帶寬的信號(hào)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(hào)產(chǎn)生與采集。一項(xiàng)正漸漸成形的技術(shù)──數(shù)字波束成形(DigitalBeamforming)，正開(kāi)始進(jìn)入多種應(yīng)用環(huán)境中，例如4GMIMO通信、國(guó)防，與航天工業(yè)的雷達(dá)應(yīng)用。數(shù)字波束成形需要具備數(shù)字能量降轉(zhuǎn)(downconversion)引擎的多信道相位協(xié)調(diào)數(shù)字化系統(tǒng)。在半導(dǎo)體業(yè)方面，實(shí)務(wù)上的數(shù)字測(cè)試可能要消耗數(shù)千個(gè)數(shù)字針腳。市場(chǎng)上典型的整合電路(IC)可能要占用數(shù)字I/O的200個(gè)針腳。在這種應(yīng)用環(huán)境中，多部數(shù)字信號(hào)發(fā)生器及分析儀進(jìn)行同步化，并以不可或缺的針腳對(duì)針腳偏斜與抖動(dòng)，來(lái)處理大量接腳的IC。在消費(fèi)性電子方面，組件的數(shù)字影像信號(hào)產(chǎn)生與采集，可能需要多達(dá)五種不同的信號(hào)：三個(gè)主要的影像信號(hào)、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(hào)，像素速率可以逼近165MHz。CMOS成像傳感器(一種可望隨著影像電話(huà)與數(shù)字相機(jī)普及，而成為主流的技術(shù))，就是混合信號(hào)技術(shù)的范例。其中的任意波形發(fā)生器、示波器，與數(shù)字信號(hào)分析儀經(jīng)過(guò)同步化，供設(shè)計(jì)驗(yàn)證與檢驗(yàn)芯片或芯片組。在物理科學(xué)方面，具備大量信道的數(shù)字化系統(tǒng)被應(yīng)用于電漿融合、雷射分散實(shí)驗(yàn)，與粒子和天體物理學(xué)的光子/粒子偵測(cè)和追蹤。在這些例子里，具備大量信道的數(shù)字化系統(tǒng)用于以2D或3D方式重建時(shí)空現(xiàn)象。這種應(yīng)用方式需要多個(gè)通道同時(shí)取樣，有時(shí)甚至超過(guò)數(shù)百個(gè)通道。在醫(yī)療診斷系統(tǒng)方面，由于出現(xiàn)低價(jià)位12與14位的50MHzADC，3D數(shù)字成像系統(tǒng)正在迅速取代模擬系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)往往擁有數(shù)百到一千多個(gè)通道。在非破壞性測(cè)試中，3D超音波成像是通過(guò)包含50MHz示波器的多信道系統(tǒng)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(diào)斷層掃描術(shù)(Opticalcoherencetomography，OCT)，可能需要數(shù)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(yīng)用領(lǐng)域所呈現(xiàn)的趨勢(shì)，頻率與同步技術(shù)，將是多信道信號(hào)/數(shù)據(jù)發(fā)生并采集的重要元素。二、NI的模塊儀器平臺(tái)目前的NI模塊儀器硬件平臺(tái)為PXI3與PCI。這2種平臺(tái)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(xiàng)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，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(hào)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(biāo)準(zhǔn)商業(yè)技術(shù)。就功能而言，PXI擴(kuò)充了CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)，加入局部總線(xiàn)與同步化功能。就同步測(cè)量而言，內(nèi)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(tái)的PXI頻率與觸發(fā)延伸圖解

局部總線(xiàn)觸發(fā)器頻率星狀觸發(fā)器總線(xiàn)PXI13條線(xiàn)路8TTL10MHzTTL每個(gè)擴(kuò)展槽1個(gè)三、同步化的建構(gòu)組件要在多部設(shè)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(shè)備和從屬設(shè)備由于并未標(biāo)準(zhǔn)化將測(cè)量設(shè)備同步化的信號(hào)名稱(chēng)，可能會(huì)因?yàn)樵O(shè)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(cè)量設(shè)備，以說(shuō)明用于控制測(cè)量的不同類(lèi)型信號(hào)。取樣頻率是時(shí)間信號(hào)，用于控制示波器與信號(hào)發(fā)生器上的ADC與DAC，以分別進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)數(shù)字與數(shù)字轉(zhuǎn)模擬操作。取樣頻率亦控制數(shù)字信號(hào)發(fā)生器/示波器，于取得或產(chǎn)生數(shù)字波型速度時(shí)的信號(hào)。在大多數(shù)的情況下，取樣頻率是一個(gè)周期信號(hào)，源自設(shè)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(nèi)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10MHz。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(duì)頻率準(zhǔn)確度與參考頻率的頻率準(zhǔn)確度相同。觸發(fā)器信號(hào)控制在最高層級(jí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。外部事件或觸發(fā)器是啟動(dòng)采集與信號(hào)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(shù)字，與軟件。主要設(shè)備及從屬設(shè)備──在建立同步化之測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，通常將指定一部設(shè)備做為主要設(shè)備，其他一或多部設(shè)備為從屬設(shè)備。主要設(shè)備負(fù)責(zé)產(chǎn)生用于控制系統(tǒng)中所有測(cè)量設(shè)備的信號(hào)。從屬設(shè)備則接收來(lái)自主要設(shè)備的控制信號(hào)。同步化的目標(biāo)，是精確地讓多部硬設(shè)備產(chǎn)生并接收模擬與數(shù)字信號(hào)。頻率與同步的分級(jí)之一，稱(chēng)為同質(zhì)頻率(homogeneoustiming)與同步化──2部設(shè)定相同的同樣設(shè)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(hào)。以下的范例說(shuō)明同質(zhì)同步化：?

2部示波器以200MS/s的速度采集數(shù)據(jù)，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(shè)定、AC/DC偶合設(shè)定、輸入阻抗設(shè)定、DC偏移量設(shè)定，與模擬過(guò)濾器設(shè)定皆相同。前一個(gè)范例中有一重要現(xiàn)象，就是同質(zhì)同步化的許多設(shè)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(dǎo)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200MS/s與100MS/s的速度采集數(shù)據(jù)，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(shè)定、AC/DC偶合設(shè)定、輸入阻抗設(shè)定、DC偏移量設(shè)定，與模擬過(guò)濾器設(shè)定皆相同。?

任意波形發(fā)生器與示波器均以100MS/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(hào)時(shí)，以設(shè)定的時(shí)間延遲開(kāi)始操作。?

1部示波器、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器/分析儀，與任意波形發(fā)生器，分別以50MS/s、200MS/s，與100MS/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(hào)時(shí)，以設(shè)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(yīng)用方面的需求。各設(shè)備上的不同設(shè)定，可導(dǎo)致在同一時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行取樣的信號(hào)/數(shù)據(jù)發(fā)生延遲。關(guān)鍵在于經(jīng)過(guò)同步化的系統(tǒng)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(shè)備可輸出觸發(fā)器信號(hào)與取樣頻率至從屬設(shè)備，以控制測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)作。舉例來(lái)說(shuō)，由多部示波器與信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成的系統(tǒng)，將具備由主要設(shè)備提供的取樣頻率。如圖3所示，主要設(shè)備的取樣頻率，將直接控制所有設(shè)備上的ADC與DAC頻率。舉例來(lái)說(shuō)，NI動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀(如NI4472與NI4461，分別為24位104kS/s與208kS/s)即使用這種技術(shù)進(jìn)行同步化，應(yīng)用于聲音與振動(dòng)測(cè)量。這種模式是最單純的相位連貫取樣模式；多部設(shè)備接收相同的取樣頻率。因此所有設(shè)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(cè)量設(shè)備之間使用相同觸發(fā)器與參考頻率，以達(dá)成同步化。在這種模式中，參考頻