NI PXI同步设计优势

内容

概述

定时和同步是测量和控制系统不可或缺的一部分。我们将探讨实现高效定时和同步的常见策略。我们将研究NI PXI如何提供有价值的硬件和软件优势,更轻松地设计出能够满足当前定时和同步要求的灵活系统。

​NI PXI Express硬件是构建灵活、多通道和多仪器系统的行业最佳方式,其中最突出的莫过于定时和同步功能。生成高质量时钟以及共享采样时钟、时基和低偏斜触发器对许多测量和应用至关重要。 

​时钟质量直接影响以下因素:

  • 测量噪声
  • ​失真
  • 频率精度

​共享时钟、时基和触发器中实现紧密同步对于以下目的至关重要:

  • 优化测试时间
  • 调整激励和响应
  • 组合不同的仪器进行复合测量
  • ​构建大规模采集系统
  • ​整合不同来源的数据  

​尽管管理系统定时和同步的复杂性通常会随着系统规模和混合程度呈指数级增长,但NI PXI Express平台具有大量内置功能,可轻松在单个PXI Express机箱内同步各种I/O,达到高性能水平。利用一系列PXI Express定时和同步附加硬件扩展同步功能、构建多机箱仪器,并在大规模情况下与通用标准化时间协议连接。 

​PXI Express机箱和控制器的内置功能具有多种用途:

  • 在PXI Express I/O设备间连线并共享采样时钟和触发器
    • 包含长度匹配的背板PXI_STAR连线,可实现低偏斜和低抖动
    • 支持NI-TClk的设备可实现优于1 ns的同步
  • 时间戳数据和事件
  • 高层NI-TClk和NI-DAQmx API使用便捷,可实现自动且动态地建立时钟和触发器所需的背板连接
  • 需要低层控制时,访问并自行手动建立连线

​如需更高精度或可扩展性,可为PXI Express系统添加定时和同步升级,完成以下任务:

  • 导入和导出时钟和触发器
  • ​使用最高质量的匹配差分触发(DSTAR)连线
  • ​与通用定时协议和标准(如GPS、IEEE 1588、IEEE 802.1AS、IRIG-B、汽车以太网和EtherCAT)连接
  • ​生成高性能OCXO或铷参考时钟
  • ​生成高精度任意频率时钟
  • 扩展机箱间的同步功能​

​PXI Express同步

​尽管PXI Gen 1在标准化复杂、灵活的系统设计方面迈出了巨大一步,但作为PXI平台的最新成果,PXI Express在保持与PXI Gen 1向后兼容的同时,为测量I/O设备提供了更高水平的同步。PXI Express保留了原始PXI规范提供的10 MHz背板时钟以及单端PXI触发总线和长度匹配的PXI星形触发信号。PXI Express还在背板上增加了100 MHz差分时钟和差分星形触发器,以提供更高的抗噪能力和行业领先的同步精度(分别为100 ps和150 ps的模块间偏斜)。对于基于背板时钟控制其采样时钟的高采样率设备(如示波器),如需降低其相位噪声,更高频率的100 MHz时钟则大有助益。这些时钟和触发信号(PXI_CLK10、PXI_TRIG、PXI_STAR和PXI_DSTARA/B/C)可利用能够控制PXI Express系统定时插槽的NI PXI Express定时设备导入和导出到其他PXIe机箱和第三方设备。此外,PXI Express系统可通过专用的NI时间协议接口,将其时钟和触发信号与IEEE 1588、IEEE 802.1AS、GPS、IRIG-B和PPS等时间感知协议同步。更多详细信息和受支持的NI模块,请参阅本文后方的表1

PXIe机箱定时和同步功能

图1: PXIe机箱定时和同步功能

​背板系统参考时钟的相位噪声和稳定性是PXI机箱的重要特性,因为它们决定了同步系统中模块的可靠性。搭配NI PXI Express的组件选择和背板设计,18槽机箱上PXI Express 100 MHz差分系统时钟的相位噪声性能在同类产品中处于领先地位。

​可将10 MHz和100 MHz系统参考时钟通过锁相环(PLL)锁定至稳定性高于机箱背板的时钟源。这有助于采样率更高的PXI模块在多个仪器上更好地匹配采样。NI PXI机箱的PLL电路可在锁定外部参考时抑制更多噪声,从而实现更清晰的高稳定性时钟源传输。对于其他供应商的机箱,根据应用所需的系统时钟源相位噪声,可能需要将外部参考时钟分别锁相到每个模块,而不是在系统级别锁相到机箱背板,最终导致系统复杂性和成本增加。

基于信号时间同步

​NI PXI Express定时和同步功能可与两种不同类型的同步架构(基于信号和基于时间)配合使用,在开发需要不同性能水平的应用程序时,实现所需的灵活性和自定义能力。

基于信号和基于时间的同步架构性能

图2: 基于信号和基于时间的同步架构性能

​通过NI PXI Express基于信号的定时和同步架构,时钟和触发器在模块和机箱之间实现物理连接。这通常可产生最高精度的同步。然而,受时钟偏斜和噪声的影响,当子系统连接线缆距离超过一定长度(约200米)时,将无法实现这种性能。

​如果同步机箱之间的距离太远,线缆无法稳定地传输时钟和触发信号,必须使用基于时间的同步架构。时基同步也是与依赖时间协议的其他系统或DUT集成的一个重要方面。NI PXI Express定时和同步解决方案支持使用IEEE 1588、IEEE 802.1AS、GPS和IRIG-B等绝对时间参考协议实现远距离同步。

振荡选项

​没有振荡器能够完美生成指定频率。 时钟误差通常由三个主要部分组成:绝对精度、长期稳定性和抖动。虽然同步设备能够消除系统各组件之间因时钟误差源而带来的长期稳定性问题,并且PLL可帮助减少共享时钟时的抖动,但如果没有更好的时钟,就无法提高时钟精度。如果时钟精度很重要,则需要高质量的时钟源。 

​NI PXI Express机箱的时钟源是一个精度为25 ppm的振荡器。通过将NI PXI定时与同步模块(例如PXIe-6674T,配备了更高精度和稳定性的恒温控制晶体振荡器(OCXO))插入机箱的系统定时插槽,可将背板参考时钟锁定到精度达50 ppb的振荡器频率源内或导入外部时钟源。50 ppb无法满足一些特殊案例的长期稳定性(例如,离线运行数天但仍需与未连接的其他系统和设备关联时间的系统),PXIe-6674T可与行业最佳的铷基PXIe-3352时钟源或通过GPS驯服振荡器(GPSDO)(如PXI-6683HPXIe-3352CDA-2990)结合使用。

图3: NI PXIe-6674T-行业性能最高的PXI定时和同步模块(配备OCXO)

​NI PXI定时和同步模块可通过在多个PXI设备间生成和共享精确时钟源来改善整个系统的时钟误差。 

​通过NI驱动程序API简化同步

​PXI定时触发器和时钟可通过NI I/O仪器驱动程序以及NI-Sync驱动程序进行低层配置,后者公开了机箱的所有定时功能,供I/O设备直接使用。智能信号混叠使基于设备名称而非槽号来设置触发动态连接变得更轻松灵活,从而简化将应用迁移到不同的机箱或稍有不同的仪器组合上的过程。由于同步架构和连接的复杂工作通常可通过编程来实现,这种模块化功能使NI PXI Express硬件非常适合需求不断变化且需要临时替换设备的系统设计。

​有关NI IO仪器驱动程序中的同步信息,请参阅NI-DAQmx的定时和同步功能

​NI-DAQmx通道扩展

​NI改进了NI-DAQmx驱动程序,提供了配置多个DAQ模块进行同步的创新方法。几乎任何单个DAQ模块类型的完整机箱都可通过一个多设备任务进行编程。可利用多设备任务使用相同的DAQmx代码将应用从1个通道扩展到544个通道。也可利用单个DAQmx任务自动同步具有不同测量类型的多个板卡上的通道。 

​关于PXI Express中DAQmx通道扩展的更多信息,请参阅: 

DSA、SC Express和X系列多设备任务 
PXI Express模块的NI-DAQmx同步

​NI-TClk

​对于需要同步高速PXI模块化仪器的应用而言,由于偏斜和抖动引起的延迟和定时不确定性,因此分配实现这种同步所需的时钟和触发器可能具有挑战性。尝试同步以不同采样率运行的异构仪器时,复杂度会更高。

​在这些情况下实现精确同步通常需要尝试在所有仪器之间共享一个低偏斜参考时钟,利用附加到该参考时钟的锁相环(PLL)和乘法器为每个设备生成独特的采样时钟,并将低偏斜触发器分发到所有仪器,以及某种精细可调的时间延迟补偿机制和某种校准测量,并在此基础上进行调整。这不仅在硬件和软件实现方面都颇具难度,由于即使轻微的仪器模型更换也会导致整个架构需要重新设计,并且所有的校准都需要重新进行,因此这种做法十分脆弱。 

​NI PXI是构建混合、灵活、高速和可扩展IO系统的最佳方式。为降低高速仪器同步固有的复杂性,NI开发了一种名为NI-TClk的专利同步方法,该方法极大地简化了额外添加高速仪器并使同步精度保持现成可用的1 ns,或通过手动校准达到数十ps。 

​NI-TClk技术可在以下方面提供帮助:

  • ​对齐相位锁定至10 MHz参考时钟但最初并不一定对齐的采样时钟
  • ​实现同步设备的精确触发

​灵活的NI-TClk技术可用于以下场景:

  • ​高速模块化仪器与采样时钟或参考时钟的同步
  • ​使用系统定时模块将同步从单个PXI机箱扩展到多个PXI机箱,从而满足高通道系统的需求
  • ​同相和异相同步,即设备采用内部或外部采样时钟,在相同或不同的采样率下运行

NI-TClk技术可提供现成可用的PXI模块化仪器同步性能优化。关键软件组件包含3个LabVIEW VI/C函数,无需设置参数。NI-TClk架构可实现设备之间的同步,而且每个设备之间的偏移不超过1 ns。观测到的典型偏差在200 ps至500 ps之间。如果手动校准每个设备的采样时钟,可将设备之间的偏移降低到30 ps以下。

​图4: 所需的NI-TClk功能

在高速和异构设备同步必须高度精确的情况下,NI-TClk只需3个VI即可将复杂性降至最低。一个配备多达18个插槽的大型PXI机箱内,所有支持NI-TClk的设备都可通过NI PXI机箱内置功能与这3个VI进行同步。无需额外线缆。无需外部PLL。无需手动布线。无需特殊软件。全部由NI-TClk自动处理。无论是将型号调换为其他型号、更改仪器的插槽还是更改采样率,都无需重新编写同步代码。NI-TClk会自动适应所有更改,并使测试写入方继续专注于测试步骤的逻辑,而不是解决复杂的触发架构。NI-TClk支持的NI模块和设备提供了支持NI-TClk的所有I/O设备的完整列表。

NI PXI Express同步增强产品

虽然PXI Express的许多出色的定时和同步功能都内置于PXI Express机箱中,但也有一些功能需要通过特殊的机箱升级、模块或附件实现。以下是这些选项的快速概览:

产品概述技术摘要
PXI Express机箱

构建复杂测试与测量系统最灵活强大的平台内置25 ppm精度的PXI_Clk10、板载PXI_TRIG/PXI_STAR、机箱内易于触发和时钟连接、NI-DAQmx通道扩展支持、NI-TClk支持
带外部触发器接入的PXIe-1084

带集成时钟输入/输出的机箱标准PXIe机箱功能,PXI_Clk10和PXI_TRIG线的导入/导出/菊花链

PXIe-1085

带集成时钟输入/输出的机箱标准PXIe机箱功能,PXI_Clk10的导入/导出/菊花链
PXIe-1092(带OCXO)

带集成时钟输入/输出和OCXO的机箱<100 ppb精度的PXI_CLK10,标准PXIe机箱功能,PXI_Clk10和PXI_TRIG线的导入/导出/菊花链
PXIe-1095(带OCXO)

带集成时钟输入/输出和OCXO的机箱<100 ppb精度的PXI_CLK10,标准PXIe机箱功能,PXI_Clk10和PXI_TRIG线的导入/导出/菊花链
PXIe-6674T

用于生成和导入/导出所有PXI定时信号的单槽定时主模块<100 ppb精度的PXI_CLK10,支持导入/导出PXI_Clk10/PXI_TRIG/PXI_STAR/PXI_DSTAR用于多机箱同步,DDS时钟生成
PXIe-6672

用于生成和导入/导出大部分PXI时钟信号的单槽定时主模块<5 ppm精度的PXI_CLK10,支持导入/导出PXI_Clk10/PXI_TRIG/PXI_STAR用于多机箱同步,DDS时钟生成
PXIe-3352

2插槽超稳定时钟源模块0.030 ppb精度的10 MHz铷钟,可通过PXIe-1085/1092/1095/6674T或6672进行导入,带铷钟保持功能的GPS驯服振荡器,PPS导入/导出
PXI-6683H

单槽定时协议接口和GPS驯服振荡器模块<5 ppm精度的PXI_CLK10,GPS驯服振荡器,可使用PXIe-1085/1092/1095/6674T或6672进行导入,GPS定位,PPS输入/输出,IRIG-B支持,仅适用于Linux的IEEE-1588和IEEE 802.1AS的计时器和时间戳功能,还可覆盖操作系统时间
CDA-2990

时钟分配和GPS驯服振荡器附件GPS驯服振荡器,10 MHz,PPS输出,1至8个时钟分配
cRIO-9805

IEEE 802.1AS以太网交换机4端口

 

表1:PXI Express定时和同步增强产品