Timing und Synchronisation sind integraler Bestandteil von Mess- und Steuerungssystemen. Wir werden gängige Strategien untersuchen, mit denen Timing und Synchronisation mit hoher Leistungsfähigkeit erreicht werden können. Wir werden sehen, wie NI PXI wertvolle Hardware- und Softwarevorteile bietet, um das Entwickeln flexibler Systeme zu erleichtern, die den heutigen Anforderungen an Timing und Synchronisation entsprechen.
NI-PXI-Express-Hardware ist die branchenweit beste Möglichkeit, flexible Systeme mit mehreren Kanälen und mehreren Instrumenten zu erstellen. Nirgendwo ist dies offensichtlicher als bei den Timing- und Synchronisationsfunktionen. Die Erzeugung hochwertiger Takte sowie die gemeinsame Nutzung von Sample-Takten, Zeitbasen und Triggern mit geringen Laufzeitunterschieden sind für viele Messungen und Anwendungen von entscheidender Bedeutung.
Die Taktqualität wirkt sich direkt auf die folgenden Faktoren aus:
Eine enge Synchronisation von gemeinsamen Takten, Zeitbasen und Triggern ist für die folgende Zwecken erforderlich:
Während die Komplexität der Verwaltung von Timing und Synchronisation in Systemen oft exponentiell mit der Systemgröße und -zusammensetzung skaliert, verfügt die NI-PXI-Express-Plattform über zahlreiche integrierte Funktionen, die die Synchronisation unterschiedlicher I/O innerhalb eines einzelnen PXI-Express-Chassis zu einem hohen Leistungsniveau vereinfachen. Mit einer Reihe von PXI-Express-Zusatzhardware für Timing und Synchronisation können Sie die Synchronisation erweitern, um Messgeräte mit mehreren Chassis zu erstellen und Schnittstellen mit gängigen standardisierten Zeitprotokollen auch in großem Umfang herzustellen.
Die integrierten Funktionen von PXI-Express-Chassis und -Controllern sind vielseitig einsetzbar:
Um die Genauigkeit oder Erweiterbarkeit weiter zu verbessern, können Sie die Timing- und Synchronisationsfunktionen Ihres PXI-Express-Systems upgraden und folgende Aufgaben ausführen:
Während PXI Gen 1 bei der Standardisierung komplexer und flexibler Systemdesigns einen großen Schritt nach vorn darstellte, bietet PXI Express als neueste Weiterentwicklung der PXI-Plattform einen höheren Grad an Synchronisation mit Mess-I/O-Geräten und bleibt gleichzeitig rückwärtskompatibel mit PXI Gen 1. PXI Express behält den 10-MHz-Backplane-Takt sowie den gegen Bezugspotenzial geschalteten PXI-Trigger-Bus und das längenangepasste PXI-Star-Trigger-Signal bei, die in der ursprünglichen PXI-Spezifikation angegeben sind. PXI Express fügt der Backplane einen differenziellen 100-MHz-Takt und differenzielle Star-Trigger hinzu, um eine erhöhte Störfestigkeit und branchenführende Synchronisationsgenauigkeit zu bieten (100 ps bzw. 150 ps Laufzeitunterschied zwischen Modulen). Der höherfrequente 100-MHz-Takt kann besonders hilfreich sein, um das Phasenrauschen von Geräten mit höherer Sample-Rate wie Oszilloskopen zu reduzieren, die ihre Sample-Takte basierend auf dem Backplane-Takt steuern. Diese Takt- und Trigger-Signale (PXI_CLK10, PXI_TRIG, PXI_STAR und PXI_DSTARA/B/C) können mithilfe von PXI-Express-Timing-Geräten von NI, die den Steckplatz für PXI-Express-Timing-Module steuern, importiert und an andere PXIe-Chassis und Geräte von Drittanbietern exportiert werden. Darüber hinaus können PXI-Express-Systeme ihre Takt- und Trigger-Signale mit zeitgesteuerten Protokollen wie IEEE 1588, IEEE 802.1AS, GPS, IRIG-B und PPS über spezielle NI-Zeitprotokollschnittstellen synchronisieren. Weitere Informationen und unterstützte NI-Module finden Sie in Tabelle 1 weiter unten.
Abbildung 1: Timing- und Synchronisationsfunktionen von PXIe-Chassis
Das Phasenrauschen und die Stabilität der Backplane-Systembezugstakte sind bedeutende Merkmale des PXI-Chassis, da sie angeben, wie zuverlässig Module innerhalb des Systems synchronisiert werden können. Durch die Komponenten und das Backplane-Design von NI PXI Express ist das Phasenrauschverhalten des differenziellen 100-MHz-Systemtakts von PXI Express auf einem Chassis mit 18 Slots besser als bei jedem anderen Chassis auf dem Markt.
Sie können die 10-MHz- und 100-MHz-Systembezugstakte mit einer Phasenregelschleife (PLL) auf eine Taktquelle übertragen, die eine höhere Stabilität aufweist als die der Chassis-Backplane. Dies hilft PXI-Modulen mit höherer Sample-Rate, ihre Samples für mehrere Messgeräte besser auszurichten. Die PLL-Schaltung des PXI-Chassis von NI kann bei Kopplung mit einer externen Referenz mehr Rauschen unterdrücken und ermöglicht so eine sauberere Übertragung der Taktquelle mit höherer Stabilität. Bei Chassis anderer Anbieter ist je nach Phasenrauschen der Systemtaktquelle, das von der Anwendung benötigt wird, möglicherweise anstelle einer Phasenregelung auf Systemebene für die Chassis-Backplane eine individuelle Phasenregelung des externen Bezugstakts für jedes Modul erforderlich, was zu einer Erhöhung der Systemkomplexität und der Kosten führt.
Die Timing- und Synchronisationsfunktionen von NI PXI Express arbeiten mit zwei verschiedenen Arten von Synchronisationsarchitekturen: signalbasiert und zeitbasiert. Dadurch können Sie die Flexibilität und Anpassung erreichen, die Sie bei der Entwicklung von Anwendungen benötigen, die unterschiedliche Leistungsniveaus erfordern.
Abbildung 2: Leistung der signalbasierten und zeitbasierten Synchronisationsarchitektur
Bei einer signalbasierten Timing- und Synchronisationsarchitektur von NI PXI Express werden Takte und Trigger physisch zwischen Modulen und Chassis verbunden. Dies erzeugt in der Regel die höchste Synchronisationsgenauigkeit. Bei längeren Distanzen der Kabel, die Subsysteme miteinander verbinden (ca. 200 m), ist diese Leistung jedoch aufgrund von Takt-Laufzeitunterschieden und Rauschen nicht erreichbar.
Wenn die erforderliche Distanz zwischen synchronisierten Chassis für eine verlässliche Übertragung von Takt- und Trigger-Signalen zu groß ist, dann müssen Sie eine zeitbasierte Synchronisationsarchitektur verwenden. Die Zeitbasissynchronisation kann auch ein wichtiger Aspekt bei der Integration mit anderen Systemen oder Prüflingen sein, die auf Zeitprotokollen basieren. Mit einer Timing- und Synchronisationslösung für NI PXI Express können Sie Referenzprotokolle für absolute Zeitangaben, wie zum Beispiel IEEE 1588, IEEE 802.1AS, GPS und IRIG-B, verwenden, um eine Synchronisation über große Entfernungen hinweg zu realisieren.
Kein Oszillator erzeugt perfekt die angegebene Frequenz. Taktfehler werden häufig durch drei Hauptkomponenten beschrieben: absolute Genauigkeit, Langzeitstabilität und Jitter. Die Synchronisation von Geräten untereinander kann zwar die Langzeitstabilität als Taktfehlerquelle zwischen Komponenten eines Systems beseitigen und PLLs können dazu beitragen können, Jitter beim gemeinsamen Nutzen von Takten zu reduzieren. Jedoch können Sie die Taktgenauigkeit nicht ohne einen besseren Takt verbessern. Wenn es auf Taktgenauigkeit ankommt, ist eine hochwertige Taktquelle erforderlich.
Bei PXI-Express-Chassis von NI ist die Taktquelle ein Oszillator mit einer Genauigkeit von 25 Teilen von einer Million (parts per million, ppm). Durch Einstecken eines PXI-Timing- und -Synchronisationsmoduls von NI (z. B. PXIe-6674T) mit einem temperaturgesteuerten Quarzoszillator (OCXO) mit höherer Genauigkeit und Stabilität in den System-Timing-Steckplatz des Chassis können Sie den Backplane-Referenztakt mit einer Oszillatorfrequenzquelle verbinden, die auf 50 Teile von einer Milliarde (ppb) genau ist, oder eine externe Taktquelle importieren. Für spezielle Fälle, in denen 50 ppb für die Langzeitstabilität nicht ausreichen (z. B. Systeme, die tagelang offline laufen, aber trotzdem die Zeit mit anderen Systemen und Geräten, mit denen sie nicht verbunden sind, korrelieren müssen), kann das PXIe-6674T mit einer branchenführenden Rubidium-basierten PXIe-3352-Taktquelle kombiniert oder über einen GPS-synchronisierten Oszillator (GPSDO), wie zum Beispiel PXI-6683H, PXIe-3352 oder CDA-2990, verbunden werden.
Abbildung 3: NI PXIe-6674T – Das leistungsstärkste PXI-Timing- und -Synchronisationsmodul der Branche mit OCXO
NI PXI-Timing- und -Synchronisationsmodule können den allgemeinen Systemtaktfehler reduzieren, indem sie eine Präzisionstaktquelle erzeugen, die von mehreren PXI-Geräten gemeinsam genutzt werden kann.
Die PXI-Timing-Trigger und -Takte können sowohl über NI-I/O-Gerätetreiber als auch über den NI-Sync-Treiber, der alle Timing-Funktionen des Chassis zur direkten Nutzung durch die I/O-Geräte bereitstellt, auf Low-Pegel konfiguriert werden. Intelligentes Signal-Aliasing ermöglicht die flexible Einrichtung dynamischer Trigger-Routen, die vom Gerätenamen statt von der Steckplatznummer abhängig sind. Dadurch wird es einfacher, eine Anwendung auf ein anderes Chassis oder ein etwas anderes Instrumentarium zu migrieren. Durch diese Modularität eignet sich NI-PXI-Express-Hardware gut für Systemdesigns, die wechselnden Anforderungen unterliegen und bei denen ein Geräteaustausch bis zur letzten Minute möglich ist, da die komplexe Arbeit der Synchronisationsarchitektur und des Routings in der Regel programmatisch festgelegt werden kann.
Weitere Informationen zur Synchronisation in NI-I/O-Gerätetreibern finden Sie unter Timing- und Synchronisationsfunktionen von NI-DAQmx.
NI hat den NI-DAQmx-Treiber um einen innovativen Ansatz zur Konfiguration mehrerer DAQ-Module für die Synchronisation erweitert. Ein vollständiges Chassis nahezu jedes einzelnen DAQ-Modultyps kann mit einem einzigen Task mit mehreren Geräten programmiert werden. Bei Tasks mit mehreren Geräten können Sie Ihre Anwendung mit demselben DAQmx-Code von einem Kanal auf 544 Kanäle skalieren. Sie können auch einen einzelnen DAQmx-Task verwenden, um Kanäle auf mehreren Karten mit unterschiedlichen Messungsarten automatisch zu synchronisieren.
Weitere Informationen zur DAQmx-Kanalerweiterung in PXI Express finden Sie unter:
Tasks mit Kanälen mehrerer Geräte vom Typ DSA, SC-Express- und X-Serie
Synchronisation von PXI-Express-Modulen mit NI-DAQmx
Bei Anwendungen, die eine enge Synchronisation von modularen PXI-Hochgeschwindigkeitsmessgeräten erfordern, kann die Verteilung der notwendigen Takte und Trigger zum Erreichen der erforderlichen Synchronisationsleistung aufgrund von Latenzen und Timing-Unsicherheiten, die durch Laufzeitunterschiede und Jitter verursacht werden, schwierig sein. Und wenn heterogene Messgeräte mit unterschiedlichen Sample-Raten synchronisiert werden sollen, dann nimmt die Komplexität noch weiter zu.
Eine präzise Synchronisation in diesen Fällen beinhaltet oft den Versuch, einen Referenztakt mit geringen Laufzeitunterschieden für alle Messgeräte gemeinsam zu nutzen und Phasenregelschleifen (PLLs) und Multiplikatoren mit diesem Referenztakt zu verwenden, um den eindeutigen Sample-Takt jedes Geräts zu erzeugen, und einen Trigger mit geringen Laufzeitunterschieden an alle Messgeräte zu verteilen, also eine Art feinabstimmbarer Mechanismus zur Kompensation der Zeitverzögerung und eine Art Kalibriermessung, auf der die Anpassungen basieren sollen. Dies ist nicht nur bei der Hardware- und Softwareimplementierung kompliziert, sondern auch fragil, da bereits der Austausch eines Messgeräts durch ein leicht anderes Modell dazu führen kann, dass die gesamte Architektur überarbeitet und die gesamte Kalibrierung neu durchgeführt werden muss.
NI PXI bietet die beste Möglichkeit, gemischte, flexible und erweiterbare Hochgeschwindigkeits-I/O-Systeme zu erstellen. Um die Komplexität der Synchronisation von Hochgeschwindigkeitsmessgeräten zu verringern, hat NI ein patentiertes Verfahren zur Synchronisation mit der Bezeichnung NI-TClk entwickelt, das das Hinzufügen zusätzlicher Hochgeschwindigkeitsmessgeräte erheblich vereinfacht und sie standardmäßig bis auf eine Genauigkeit von 1 ns oder bei manueller Kalibrierung auf unter 100 ps synchron hält.
Die NI-TClk-Technologie kann Ihnen auf die folgende Weise helfen:
Das flexible NI-TClk-Verfahren eignet sich für folgende Anwendungsfälle:
NI-TClk bietet sofort Leistungsverbesserungen bei der Synchronisation modularer PXI-Geräte. Die wichtigsten Softwarekomponenten umfassen drei LabVIEW VIs/C-Funktionen, für die keine Parameter festgelegt werden müssen. Die Architekturen von NI-TClk ermöglichen synchronisierte Geräte mit Laufzeitunterschieden von maximal 1 ns zwischen den Geräten. Typische beobachtete Laufzeitunterschiede liegen im Bereich von 200 ps bis 500 ps. Durch eine manuelle Kalibrierung des Sample-Takts auf jedem Gerät können die Laufzeitunterschiede zwischen den Geräten auf weniger als 30 ps abgesenkt werden.
Abbildung 4: Erforderliche NI-TClk-Funktionen
In Situationen, in denen die Synchronisation heterogener Hochgeschwindigkeitsmessgeräte hochgenau sein muss, reduziert NI-TClk die Komplexität auf nur drei VIs. In einem einzigen PXI-Chassis mit einer Größe von 18 Steckplätzen können alle NI-TClk-fähigen Geräte mithilfe der integrierten Funktionen des NI-PXI-Chassis mit diesen drei VIs synchronisiert werden. Keine zusätzlichen Kabel. Keine externen PLLs. Keine manuelle Signalführung. Keine spezielle Software. Dies alles wird automatisch von NI-TClk übernommen. Weder das Austauschen von Modellen gegen andere Modelle noch das Ändern der Steckplätze der Messgeräte oder das Ändern von Sample-Raten führt dazu, dass dieser Synchronisationscode überarbeitet werden muss. NI-TClk passt sich automatisch an alle diese Änderungen an und ermöglicht damit, dass der Testautor an der Logik der Testschritte arbeiten kann, anstatt sich mit komplexen Trigger-Architekturen beschäftigen zu müssen. Von NI-TClk unterstützte NI-Module und -Geräte enthält eine vollständige Liste der I/O-Geräte, die NI-TClk unterstützen.
Obwohl viele der Timing- und Synchronisationsfunktionen von PXI Express ins PXI-Express-Chassis integriert sind, kommen einige über spezielle Chassisupgrades, Module oder Zubehörkomponenten hinzu. Hier werden diese Optionen kurz vorgestellt:
Produkt | Übersicht | Technische Zusammenfassung |
---|---|---|
PXI-Express-Chassis | Die flexibelste und leistungsfähigste Plattform zum Erstellen komplexer Test- und Messsysteme | PXI_Clk10 mit 25 ppm Genauigkeit integriert, PXI_TRIG/PXI_STAR integriert, einfache Trigger- und Taktsignalführung im Chassis, NI-DAQmx-Kanalerweiterungsunterstützung, NI-TClk-Unterstützung |
PXIe-1084 mit Zugriff auf externe Trigger | Chassis mit integriertem Takteingang/-ausgang | PXIe-Chassis-Standardfunktionen, Import/Export/Daisy-Chain von PXI_Clk10- und PXI_TRIG-Leitungen |
| Chassis mit integriertem Takteingang/-ausgang | PXIe-Chassis-Standardfunktionen, Import/Export/Daisy-Chain von PXI_Clk10 |
PXIe-1092 mit OCXO | Chassis mit integriertem Takteingang/-ausgang und OCXO | PXI_CLK10 mit < 100 ppb Genauigkeit, PXIe-Chassis-Standardfunktionen, Import/Export/Daisy-Chain von PXI_CLK10- und PXI_TRIG-Leitungen |
PXIe-1095 mit OCXO | Chassis mit integriertem Takteingang/-ausgang und OCXO | PXI_CLK10 mit < 100 ppb Genauigkeit, PXIe-Chassis-Standardfunktionen, Import/Export/Daisy-Chain von PXI_CLK10- und PXI_TRIG-Leitungen |
PXIe-6674T | Timing-Master-Modul mit 1 Steckplatz für Erzeugung und Import/Export aller PXI-Timing-Signale | PXI_CLK10 mit < 100 ppb Genauigkeit, ermöglicht Import/Export von PXI_Clk10/PXI_TRIG/PXI_STAR/PXI_DSTAR für Synchronisierung mehrerer Chassis, DDS-Takterzeugung |
PXIe-6672 | Timing-Master-Modul mit 1 Steckplatz für Erzeugung und Import/Export der meisten PXI-Timing-Signale | PXI_CLK10 mit < 5 ppm Genauigkeit, ermöglicht Import/Export von PXI_Clk10/PXI_TRIG/PXI_STAR für Synchronisierung mehrerer Chassis, DDS-Takterzeugung |
PXIe-3352 | Superstabiles Taktquellenmodul mit 2 Steckplätzen | 10-MHz-Rubidium-Takt mit 0,030 ppb Genauigkeit, der mit einem PXIe-1085/1092/1095/6674T oder 6672 importiert werden kann, GPS-synchronisiertem Oszillator mit Rubidium-Holdover, PPS-Import/Export |
PXI-6683H | Modul mit Timing-Protokoll-Schnittstelle und GPS-synchronisiertem Oszillator mit 1 Steckplatz | PXI_CLK10 mit < 5 ppm Genauigkeit, GPS-synchronisiertem Oszillator, der mit einem PXIe-1085/1092/1095/6674T oder 6672 importiert werden kann, GPS-Positionsbestimmung, PPS-Import/Export, IRIG-B-Unterstützung, Zeitmessungskomponente gemäß IEEE-1588 und IEEE 802.1AS (nur Linux) mit Zeitstempelung, die auch die Betriebssystemzeit überschreiben kann |
CDA-2990 | Zubehör mit Taktverteilung und GPS-synchronisiertem Oszillator | GPS-synchronisierter Oszillator 10 MHz, PPS-Ausgabe, 1-zu-8-Taktverteilung |
cRIO-9805 | Ethernet-Switch gemäß IEEE-802.1AS | 4 Schnittstellen |
Tabelle 1: Produkte von NI zur Verbesserung von PXI-Express-Timing- und -Synchronisation