NI PXI 타이밍 및 동기화 설계의 장점

내용

개요

타이밍 및 동기화는 측정 및 제어 시스템의 필수 부분입니다. 성능이 뛰어난 타이밍 및 동기화를 위한 일반적인 전략을 살펴봅니다. 오늘날의 타이밍 및 동기화 요구사항을 충족할 수 있는 유연한 시스템을 보다 쉽게 설계할 수 있도록 NI PXI가 가치 있는 하드웨어와 소프트웨어의 이점을 제공하는 방법을 살펴봅니다.

​NI PXI Express 하드웨어는 유연한 멀티 채널 및 다중 계측기 시스템을 구축하는 업계 최고의 방법으로, 무엇보다 타이밍 및 동기화 기능이 뛰어납니다. 높은 품질의 클럭을 생성하고 샘플 클럭, 타임베이스, 로우 스큐 트리거를 공유하는 것은 많은 측정 및 응용 분야에서 매우 중요합니다.  

​클럭 품질은 다음과 같은 요인에 직접적인 영향을 미칩니다:

  • 측정 노이즈
  • ​왜곡
  • 주파수 정확도

​공유 클럭, 타임베이스, 트리거의 긴밀한 동기화는 다음과 같은 용도에 필요합니다.

  • 테스트 시간 최적화하기
  • 자극 및 응답 정렬하기
  • 여러 계측기를 결합하여 복합 측정하기
  • ​대규모 수집 시스템 구축하기
  • ​여러 소스의 데이터 집계하기  

​시스템에서 타이밍과 동기화 관리의 복잡성은 종종 시스템 크기와 혼합에 따라 기하급수적으로 확장될 수 있지만, NI PXI Express 플랫폼에는 단일 PXI Express 섀시 내에서 다양한 I/O를 서로 간에 쉽게 동기화하는 여러 기능이 내장되어 있어 높은 수준의 성능을 얻을 수 있습니다. 다양한 PXI Express 타이밍 및 동기화 애드온 하드웨어를 사용하면 동기화를 확장하여 대규모로 멀티 섀시 계측기를 구축하고 표준화된 공통 시간 프로토콜과 연동할 수 있습니다.  

​PXI Express 섀시 및 컨트롤러의 내장 기능은 다음과 같은 다양한 용도로 사용됩니다.

  • PXI Express I/O 디바이스 간에 샘플 클럭과 트리거를 연결하고 공유하기
    • 로우 스큐 및 지터를 위해 길이가 일치하는 백플레인 PXI_STAR 연결 포함하기
    • NI-TClk 지원 디바이스에서 1 ns 보다 빠른 동기화 시간 달성하기
  • 타임스탬프 데이터 및 이벤트
  • 클럭 및 트리거에 필요한 백플레인 연결을 동적으로 자동 설정하는 고급 NI-TClk 및 NI-DAQmx API가 제공하는 사용 편의성 누리기
  • 간단한 제어가 필요한 경우 액세스하여 직접 연결 설정하기

​정확도 또는 확장성을 한 수준 더 높이기 위해 타이밍 및 동기화 업그레이드로 PXI Express 시스템을 강화하여 다음과 같은 태스크를 수행할 수 있습니다.

  • 클럭과 트리거 가져오기 및 내보내기
  • ​길이가 같은 최고급 차동 트리거 (DSTAR) 연결 사용하기
  • ​GPS, IEEE 1588, IEEE 802.1AS, IRIG-B, Automotive Ethernet, EtherCAT 등 일반적인 타이밍 프로토콜 및 표준과 연동하기
  • ​고성능 OCXO 또는 루비듐 참조 클럭 생성하기
  • ​고정밀도 임의 주파수 클럭 생성하기
  • 섀시 간에 동기화 기능 확장하기

​PXI Express 섀시의 타이밍 및 동기화

​PXI Gen 1은 복잡하고 유연한 시스템 설계를 표준화하기 위한 엄청난 도약이었지만 최첨단 혁신을 담은 PXI 플랫폼인 PXI Express는 PXI Gen 1과 호환되는 동시에 측정 I/O 디바이스와 더 높은 수준의 동기화를 제공합니다. PXI Express는 기존 PXI 스펙에서 제공하는 10 MHz 백플레인 클럭과 단일 종단형 PXI 트리거 버스, 길이가 일치하는 PXI 스타 트리거 신호를 유지합니다. 또한 PXI Express는 백플레인에 100 MHz 차동 클럭과 차동 스타 트리거를 추가하여 노이즈 내성을 강화하고 업계 최고 수준의 동기화 정확도 (모듈 대 모듈 스큐가 각각 100 ps와 150 ps)를 제공합니다. 높은 주파수의 100 MHz 클럭은 백플레인 클럭을 기반으로 샘플 클럭을 조절하는 오실로스코프처럼 샘플링 속도가 더 빠른 디바이스의 위상 노이즈를 줄이는 데 특히 유용합니다. 이러한 클럭과 트리거 신호 (PXI_CLK10, PXI_TRIG, PXI_STAR, PXI_DSTARA/B/C)는 PXI Express 시스템 타이밍 슬롯을 제어할 수 있는 NI PXI Express 타이밍 디바이스를 사용하여 다른 PXIe 섀시 및 타사 디바이스로 가져오고 내보낼 수 있습니다. 또한 PXI Express 시스템은 특화된 NI 시간 프로토콜 인터페이스를 통해 클럭과 트리거 신호를 시간 인식 프로토콜 (IEEE 1588, IEEE 802.1AS, GPS, IRIG-B, PPS)에 동기화할 수 있습니다. 자세한 내용과 지원되는 NI 모듈은 이 문서의 후반부에서 표 1을 참조하십시오.

PXIe 섀시 타이밍 및 동기화 기능

그림 1: PXIe 섀시 타이밍 및 동기화 기능

​백플레인 시스템 참조 클럭의 위상 노이즈와 안정성은 시스템 내에서 모듈을 얼마나 안정적으로 동기화할 수 있는지를 나타내기 때문에 PXI 섀시의 중요한 특징입니다. NI PXI Express의 다양한 구성요소와 백플레인 설계 덕분에 18슬롯 섀시에서 PXI Express 100 MHz 차동 시스템 클럭의 위상 노이즈 성능은 시판 중인 다른 섀시와 비교하여 최고 수준입니다.

​10 MHz 및 100 MHz 시스템 클럭에 대해 섀시 백플레인에서 제공하는 것보다 안정성이 더 높은 클럭 소스로 위상 고정 루프 (PLL)를 수행할 수 있습니다. 이렇게 하면 샘플 속도가 높은 PXI 모듈이 여러 계측기 간에 샘플을 더 잘 정렬할 수 있습니다. NI PXI 섀시의 PLL 회로는 외부 참조에 고정될 때 노이즈를 더 많이 억제할 수 있으므로 안정성이 더 높은 클럭 소스를 보다 깨끗하게 전송할 수 있습니다. 다른 제조업체의 섀시를 사용하면 응용 분야에서 요구하는 시스템 클럭 소스 위상 노이즈에 따라 외부 참조 클럭의 위상을 시스템 레벨의 섀시 백플레인이 아닌 각 모듈에 고정해야 하므로 시스템의 복잡성과 비용이 증가할 수 있습니다.

신호 및 시간 기반 동기화

​NI PXI Express 타이밍 및 동기화 기능은 신호 기반과 시간 기반이라는 두 가지 유형의 동기화 아키텍처로 작동하므로, 여러 성능 수준이 필요한 어플리케이션을 개발할 때 유연하게 맞춤화할 수 있습니다.

신호 기반 및 시간 기반 동기화 아키텍처의 성능

그림 2: 신호 기반 및 시간 기반 동기화 아키텍처의 성능

​NI PXI Express 신호 기반 타이밍 및 동기화 아키텍처가 적용되어 클럭과 트리거가 모듈과 섀시 사이에 물리적으로 연결됩니다. 이렇게 하면 일반적으로 동기화의 정밀도가 가장 높습니다. 그러나 특정 서브시스템 연결 케이블 거리 (대략 200 m)보다 긴 경우 클럭 스큐와 노이즈로 인해 이러한 성능을 얻을 수 없습니다.

​동기화된 섀시 사이에 필요한 거리가 케이블이 클럭 및 트리거 신호를 안정적으로 전송하기에 너무 먼 경우 시간 기반 동기화 아키텍처를 사용해야 합니다. 또한 타임베이스 동기화는 시간 프로토콜을 사용하는 다른 시스템 또는 DUT와 통합할 때 중요한 요소가 될 수 있습니다. NI PXI Express 타이밍 및 동기화 솔루션을 사용하면 IEEE 1588, IEEE 802.1AS, GPS 및 IRIG-B와 같은 절대 시간 참조 프로토콜을 활용하여 장거리 동기화가 가능합니다.

발진기 옵션

​지정된 주파수를 완벽하게 생성하는 발진기는 없습니다. 클럭 오차는 일반적으로 절대 정확도, 장기적 안정성, 지터라는 세 가지 주요 요소로 설명됩니다. 여러 디바이스를 함께 동기화하면 시스템 구성요소 간 클럭 오차의 원인이 되는 장기적 안정성 문제를 없앨 수 있으며 PLL을 사용하면 클럭을 공유할 때 지터를 줄일 수 있지만, 클럭이 개선되지 않으면 클럭 정확도를 향상시킬 수는 없습니다. 클럭 정확도가 중요하면 고품질의 클럭 소스를 사용해야 합니다.  

​NI PXI Express 섀시의 경우, 클럭 소스는 25 ppm (백만 분의 일)의 정확도를 갖는 발진기입니다. 정확도와 안정성이 높은 오븐 제어형 수정 발진기 (OCXO)가 장착된 PXIe-6674T와 같은 NI PXI 타이밍 및 동기화 모듈을 섀시의 시스템 타이밍 슬롯에 삽입하면 백플레인 참조 클럭을 정확도가 50 ppb (십억 분의 1)인 발진기 주파수 소스에 고정하거나 외부 클럭 소스를 가져올 수 있습니다. 장기적인 안정성을 위해 50 ppb가 충분하지 않은 특별한 경우 (예: 오프라인으로 며칠 동안 실행되지만 자신과 연결되지 않은 다른 시스템 및 디바이스와 시간 상호연관이 필요한 시스템) PXIe-6674T를 업계 최고의 루비듐 기반 PXIe-3352 클럭 소스와 결합하거나 PXI-6683H, PXIe-3352 또는 CDA-2990과 같은 GPS 기반 발진기 (GPSDO)를 통해 결합할 수 있습니다.

그림 3: NI PXIe-6674T—업계 최고 성능을 제공하는 OCXO 탑재 PXI 타이밍 및 동기화 모듈

​NI PXI 타이밍 및 동기화 모듈은 여러 PXI 디바이스에서 정밀한 클럭 소스를 생성하고 공유하여 시스템 전반에서 클럭 오차를 개선할 수 있습니다.  

​NI 드라이버 API를 통해 손쉽게 동기화

​I/O 디바이스에서 직접 활용할 수 있도록 섀시의 모든 타이밍 기능을 노출하는 NI I/O 인스트루먼트 드라이버와 NI-Sync 드라이버를 통해 PXI 타이밍 트리거와 클럭은 하위 레벨에서 설정할 수 있습니다. 지능형 신호 앨리어스를 사용하면 슬롯 번호가 아닌 디바이스 이름을 사용하는 트리거링에 동적 경로를 보다 더욱 쉽고 유연하게 설정할 수 있어 어플리케이션을 다른 섀시 또는 약간 다른 계측기로 쉽게 마이그레이션할 수 있습니다. 동기화 아키텍처와 라우팅의 복잡한 작동은 일반적으로 프로그램적으로 설정할 수 있기 때문에 이러한 모듈성 덕분에 NI PXI Express 하드웨어는 요구사항이 바뀌고 마지막에 긴급한 디바이스 교체가 발생하는 시스템 설계에 적합합니다.

​NI IO 인스트루먼트 드라이버의 동기화에 대한 자세한 내용은 NI-DAQmx의 타이밍 및 동기화 기능을 참조하십시오.

​NI-DAQmx 채널 확장

​NI는 동기화를 위해 여러 DAQ 모듈을 설정할 수 있도록 혁신적인 접근 방식으로 NI-DAQmx 드라이버를 개선하고 있습니다. 거의 모든 단일 DAQ 모듈 유형으로 구성된 전체 섀시는 하나의 다중 디바이스 태스크로 프로그래밍할 수 있습니다. 다중 디바이스 태스크를 사용하면 같은 DAQmx 코드를 사용하여 어플리케이션을 1채널에서 544채널까지 확장할 수 있습니다. 또한 단일 DAQmx 태스크를 사용하여 측정 유형이 다른 여러 보드 간에 채널을 자동으로 동기화할 수 있습니다.  

​PXI Express에서 DAQmx 채널 확장에 대한 자세한 정보는 다음 문서를 참조하십시오.  

DSA, SC Express 및 X 시리즈 다중 디바이스 태스크 
PXI Express 모듈의 NI-DAQmx 동기화

​NI-TClk

​고속 PXI 모듈형 계측기의 동기화가 필요한 응용 분야에서는 스큐와 지터가 지연과 타이밍 불확실성을 발생시키므로 동기화하는 데 요구되는 클럭과 트리거를 배포하기가 어려울 수 있습니다. 이러한 복잡성은 서로 다른 샘플 속도로 실행되는 이기종 계측기를 동기화하려고 할 때 더욱 커집니다.

​이러한 경우 정확한 동기화는 종종 모든 계측기 간에 로우 스큐 참조 클럭을 공유하려고 시도하고, 해당 참조 클럭에 연결된 위상 고정 루프 (PLL)와 배율기를 사용하여 각 디바이스의 고유한 샘플 클럭을 생성하고, 모든 계측기에 로우 스큐 트리거를 배포하고, 일종의 미세 조정 가능한 시간 지연 보상 메커니즘과 조정을 위한 기준이 되는 일종의 교정 측정을 사용합니다. 이러한 작업은 하드웨어와 소프트웨어 구현 측면에서 복잡할 뿐만 아니라 사소한 계측기 모델 교환이라도 전체 아키텍처를 다시 작업하고 모든 교정을 다시 수행해야 할 수 있다는 점에서 취약합니다.  

​NI PXI는 유연하고 확장 가능한 고속 혼합형 IO 시스템을 구축하는 가장 좋은 방법입니다. 고속 계측기 동기화에 고유하게 수반되는 복잡성을 줄이기 위해 NI는 특허 받은 동기화 방법인 NI-TClk을 개발했습니다. 이 방법은 고속 계측기 추가를 크게 간소화하며, 기본적으로 1 ns의 동기화 정확도를 제공하거나 수동 교정을 통해 수십 ps 수준으로 설정할 수 있습니다.  

​NI-TClk 기술은 다음과 같은 방법으로 도움이 될 수 있습니다.

  • ​10 MHz 참조 클럭에 위상 고정되어 있음에도 불구하고 처음에는 정렬되어 있지 않을 수 있는 샘플 클럭 정렬하기
  • ​동기화된 의 디바이스정확한 트리거 활성화하기

​유연한 NI-TClk 기술은 다음 사용 사례에 적용할 수 있습니다.

  • ​샘플 클럭 또는 참조 클럭으로 고속 모듈형 계측기 동기화
  • ​단일 PXI 섀시에서 여러 PXI 섀시로 동기화를 확장하여 시스템 타이밍 모듈을 사용한 다 채널 수 시스템 처리
  • ​동종 및 이기종 동기화—내부 또는 외부 샘플 클럭을 사용하여 동일한 샘플 속도 또는 다른 샘플 속도로 실행되는 디바이스

NI-TClk 기술은 PXI 모듈형 계측기 동기화 성능을 바로 개선합니다. 주요 소프트웨어 구성요소는 파라미터를 설정할 필요가 없는 LabVIEW VI/C 함수 세 개로 구성됩니다. NI-TClk 아키텍처는 각 디바이스 간 최대 1 ns의 스큐로 동기화된 디바이스를 제공할 수 있습니다. 일반적으로 관찰되는 스큐는 200 ps~500 ps 범위입니다. 각 디바이스에서 샘플 클럭을 수동으로 교정하면 디바이스 간 스큐를 30 ps 미만으로 낮출 수 있습니다.

​그림 4: 필수 NI-TClk 함수

고속 및 이기종 디바이스 동기화가 매우 정확해야 하는 경우 NI-TClk은 불과 3개의 VI로 엄청난 복잡성을 줄입니다. 최대 18슬롯 크기의 단일 PXI 섀시 내에서 모든 NI-TClk 지원 디바이스는 NI PXI 섀시의 내장된 기능을 사용하여 이러한 VI 세 개와 동기화할 수 있습니다. 추가 케이블, 외부 PLL, 수동 연결, 특별한 소프트웨어가 필요 없습니다. 이 모두가 NI-TClk을 통해 자동으로 처리됩니다. 모델을 다른 모델로 교환하거나 계측기의 슬롯을 변경하거나 샘플 속도를 변경하더라도 동기화 코드를 다시 작업해야 할 필요가 없습니다. NI-TClk은 이러한 모든 변경 사항에 자동으로 적응하므로 테스트 작성자가 복잡한 트리거링 아키텍처를 해석하는 대신 테스트 단계의 로직에 대해 작업할 수 있습니다. NI-TClk에서 지원하는 NI 모듈 및 디바이스는 NI-TClk을 지원하는 전체 I/O 디바이스 목록을 제공합니다.

NI의 PXI Express 타이밍 및 동기화 개선 제품

PXI Express의 뛰어난 타이밍 및 동기화 기능 중 다수는 PXI Express 섀시에 내장되어 있지만 일부는 특별한 섀시 업그레이드, 모듈 또는 액세서리를 통해 제공됩니다. 이러한 옵션을 간단히 살펴보면 다음과 같습니다.

제품개요기술 요약
PXI Express 섀시

복잡한 테스트 및 측정 시스템을 구축하기 위한 가장 유연하고 강력한 플랫폼25 ppm 정확도의 내장 PXI_Clk10, 온보드 PXI_TRIG/PXI_STAR, 섀시 내의 손쉬운 트리거 및 클럭 연결, NI-DAQmx 채널 확장 지원, NI-TClk 지원
외부 트리거 액세스 지원 PXIe-1084

클럭 입/출력 통합 섀시표준 PXIe 섀시 기능, PXI_Clk10 및 PXI_TRIG 라인의 가져오기/내보내기/데이지 체인

PXIe-1085

클럭 입/출력 통합 섀시표준 PXIe 섀시 기능, PXI_Clk10의 가져오기/내보내기/데이지 체인
OCXO 장착 PXIe-1092

클럭 입/출력 및 OCXO 통합 섀시정확도 100 ppb 미만의 PXI_CLK10, 표준 PXIe 섀시 기능, PXI_Clk10 및 PXI_TRIG 라인의 가져오기/내보내기/데이지 체인
OCXO 장착 PXIe-1095

클럭 입/출력 및 OCXO 통합 섀시정확도 100 ppb 미만의 PXI_CLK10, 표준 PXIe 섀시 기능, PXI_Clk10 및 PXI_TRIG 라인의 가져오기/내보내기/데이지 체인
PXIe-6674T

모든 PXI 타이밍 신호의 생성 및 가져오기/내보내기를 위한 1슬롯 타이밍 마스터 모듈정확도 100 ppb 미만의 PXI_CLK10, 멀티 섀시 동기화 및 DDS 클럭 생성을 위한 PXI_Clk10/PXI_TRIG/PXI_STAR/PXI_DSTAR의 가져오기/내보내기 지원
PXIe-6672

대부분의 PXI 타이밍 신호를 생성 및 가져오기/내보내기 위한 1 슬롯 타이밍 마스터 모듈정확도 5 ppm 미만의 PXI_CLK10, 멀티 섀시 동기화 및 DDS 클럭 생성을 위한 PXI_Clk10/PXI_TRIG/PXI_STAR의 가져오기/내보내기 지원
PXIe-3352

2슬롯 초안정 클럭 소스 모듈PXIe-1085/1092/1095/6674T 또는 6672로 가져올 수 있는 정확도 0.030 ppb의 10 MHz 루비듐 클럭, 루비듐 홀드오버 기능이 탑재된 GPS 기반 발진기, PPS 가져오기/내보내기
PXI-6683H

1슬롯 타이밍 프로토콜 인터페이스 및 GPS 기반 발진기 모듈정확도 5 ppm 미만의 PXI_CLK10, PXIe-1085/1092/1095/6674T의 또는 6672로 가져올 수 있는 GPS 기반 발진기, GPS 위치 결정, PPS 가져오기/내보내기, IRIG-B 지원, IEEE-1588 및 IEEE 802.1AS (Linux 전용) 타임키퍼 및 OS 시스템 시간을 덮어쓸 수 있는 타임스탬프
CDA-2990

클럭 분배 및 GPS 기반 발진기 액세서리GPS 기반 발진기 10 MHz, PPS 출력, 1~8 클럭 분배
cRIO-9805

IEEE 802.1AS 이더넷 스위치4포트

 

표 1: PXI Express 타이밍 및 동기화 개선 제품

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