NI PXI 時序同步設計優勢

內容

概述

時序與同步化是量測與控制系統不可或缺的要素。我們將探索追求高效能時序與同步化處理的常見策略。我們將說明 NI PXI 是如何提供寶貴的軟硬體優勢以更輕鬆地設計靈活的系統以滿足目前的時序與同步化需求。

​以 NI PXI Express 硬體建立靈活的多通道、多儀器系統,是業界同級最佳的方式,其時序與同步化功能就是最明顯的優勢。就許多量測與用途而言,能產生高品質時脈,以及能共用取樣時脈、時基與低偏移觸發,全都是相當重要的條件。 

​時脈品質直接影響下列因素:

  • 量測雜訊
  • ​失真
  • 頻率準確度

​下列用途必須用到共用時脈、時基與觸發所形成的密切同步化作業:

  • 最佳化測試時間
  • 刺激與反應對位
  • 結合不同的儀器,用於進行複合量測
  • ​建立大型擷取系統
  • ​彙整不同來源的資料  

​系統規模與組合越龐大,系統時序與同步化管理作業往往越複雜,但 NI PXI Express 平台內建多種功能,很容易就能讓同一個 PXI Express 機箱內部的不同 I/O 保持同步,從而提升效能。善用各式各樣的 PXI Express 時序與同步化附加元件硬體,就能擴充同步化功能,運用通用的標準化時序協定建立多機箱儀器和介面,規模再大也不成問題。 

​PXI Express 機箱與控制器的內建功能能發揮許多用途:

  • 在 PXI Express I/O 裝置之間連接傳遞及共用取樣時脈與觸發器
    • 含長度相配的背板 PXI_STAR 佈線,能降低偏移與抖動
    • 用於支援 NI-TClk 的裝置能達到優於 1 ns 的同步化效能
  • 時間戳記資料與事件
  • 高階 NI-TClk 和 NI-DAQmx API 簡單易用,會自動地動態建立時脈和觸發所必需的背板連線。
  • 需要初階控制時,可以自行存取並手動建立連接傳遞路線。

​要提升準確度或擴充能力,可以運用時序與同步化升級擴增 PXI Express 系統,順利因應下列作業:

  • 匯入與匯出時脈和觸發
  • ​運用最高品質且相配的差動觸發 (DSTAR) 路線
  • ​能介接常見的時序協定與標準,例如 GPS、IEEE 1588、IEEE 802.1AS、IRIG-B、車載乙太網路,以及 EtherCAT
  • ​產生高效能 OCXO 或是铷參考時脈
  • ​產生高精確度的任意頻率時脈
  • 擴充機箱之間的同步化功能

​PXI Express 機時序同步化

​在統一採用複雜而靈活的標準系統設計這方面,PXI Gen 1 已經是一大進步,而 PXI 平台的最新發展─PXI Express─則能進一步提高量測 I/O 裝置同步化的程度,同時仍然能夠與前代 PXI Gen 1 相容。PXI Express 仍然使用 10 MHz 背板時脈、單端點 PXI 觸發匯流排,以及初代 PXI 規格提供的長度相配 PXI 星形觸發訊號。PXI Express 的背板多了 100 MHz 差動時脈與差動星形觸發,能提升雜訊抑制功能,也能讓同步化準確度達到業界頂尖水準 (模組對模組偏移分別是 100 ps 和 150 ps)。頻率較高的 100 MHz 時脈應用於降低高取樣率裝置的相位雜訊特別有幫助,根據背板時脈控制其取樣時脈的示波器就屬於這類裝置。NI PXI Express 時序裝置能控制 PXI Express 系統時序插槽,使用這類裝置即可將這些時脈和觸發訊號 (PXI_CLK10、PXI_TRIG、PXI_STAR 及 PXI_DSTARA/B/C) 匯入及匯出到其他 PXIe 機箱與第三方裝置。此外,PXI Express 系統可以透過專用的 NI 時序協定介面將其時脈與觸發訊號與諸如 IEEE 1588、IEEE 802.1AS、GPS、IRIG-B 與 PPS 之類的時間感知協定同步。如需詳細資訊並進一步了解支援的 NI 模組,請參閱本文件後續段落中的表 1

PXIe 機箱時序與同步化功能

圖 1: PXIe 機箱時序與同步化功能

​背板系統參考時脈的相位雜訊與穩定性,均為 PXI 機箱的重要特性,兩者皆代表同步系統內部模組時能夠達到的穩定程度。NI PXI Express 提供各式各樣的元件和背板設計,因此,相較於市面上其他機箱,PXI Express 100 MHz 差動系統時脈應用於 18 槽機箱的相位雜訊效能堪稱同級最佳。

​您可以運用鎖相迴路 (Phase-lock-loop, PLL) 將 10 MHz 和 100 MHz 系統參考時脈鎖定於穩定度高於機箱背板時脈源的時脈源。如此一來,取樣率較高的 PXI 模組就更容易讓多組儀器的取樣率保持一致。鎖定於外部參考時,NI PXI 機箱的 PLL 電路能抑制更多雜訊,從而能夠更清楚傳輸穩定度更高的時脈源。但若使用他廠機箱,則由於不同用途對於系統時脈源相位雜訊的要求不同,因此可能需要分別在每個模組設定外部參考時脈鎖相迴路,而不能在系統層級設定於機箱背板,系統自然會更複雜,成本也會更高。

訊號時序同步作業

​NI PXI Express 時序與同步化功能適用於兩種不同類型的同步化架構,分別是訊號式和時序式;應用於開發需要不同效能等級的應用程式時,就能發揮您需要的彈性與自訂效能。

訊號式與時序式同步化架構效能

圖 2: 訊號式與時序式同步化架構效能

​採用 NI PXI Express 訊號式時序與同步化架構時,模組與機箱之間的時脈與觸發需進行實際連接。以這種方式進行同步化通常能發揮最高的精準度。不過,若實際連接距離超過特定的子系統連接線距離 (約 200 公尺),就會因為時脈偏移與雜訊而無法發揮如此效能。

​若同步化機箱之間的距離過長,導致連接線無法穩定傳輸時脈與觸發訊號,就必須使用時序式的同步化架構。時基同步化也是整合其他依賴時序協定的系統或 DUT 的重要方面。NI PXI Express 時序與同步化解決方案能讓您使用 IEEE 1588、IEEE 802.1AS、GPS 及 IRIG-B 等絕對時序參考協定,確實做到遠距離同步化作業。

震盪選項

​沒有任何震盪器能夠完美產生特定頻率。 時脈異常通常有三大要素:絕對準確度、長期穩定性以及抖動。同時進行裝置同步化可以避免系統元件之間的時脈異常來源影響長期穩定性,且 PLL 共用時脈也有助於降低抖動,但若時脈不夠好,就無法提升時脈準確度。若時脈準確度是重要考量,就必須選擇高品質的時脈源。 

​NI PXI Express 機箱的時脈源是準確度達 25 百萬分率 (ppm) 的震盪器。只要將 NI PXI 時序與同步化模組 (例如 PXIe-6674T,其所配備的恆溫槽控制石英震盪器 (OCXO)) 能發揮較高的準確度和穩定度) 插入機箱的系統時序插槽,就能將背板參考時脈鎖定在準確度達 50 十億分率 (ppb) 的震盪器頻率來源,或是匯入外部時脈來源。若屬 50 ppb 仍不足以發揮長期穩定性的特殊情況 (例如系統離線運作數天但仍需與其他非連線系統與裝置建立時間關聯),可以結合 PXIe-6674T 與業界最佳的銣架構 PXIe-3352 時脈源,或是透過諸如 PXI-6683HPXIe-3352CDA-2990 之類的 GPS 授時震盪器 (GPSDO) 做到。

圖 3: NI PXIe-6674T - 業界效能最高的 PXI 時序與同步化模組,含 OCXO

​NI PXI 時序與同步化模組能產生精準時脈源供多台 PXI 裝置共用,可以改善整體系統時脈異常。 

​NI 驅動程式 API 大幅簡化同步作業

​進行 PXI 時序觸發與時脈初階設定是可行的,方法是透過 NI I/O 儀器驅動程式和 NI-Sync 驅動程式,後者會公開機箱的所有時序功能,供 I/O 裝置直接使用。智慧型訊號混曡功能支援以更簡單、更靈活的方式設定動態路線,用於依據裝置名稱而不依據插槽號碼進行觸發,因此能夠更容易將應用程式轉移到另一個機箱或另一組稍有不同的儀器。由於採用這樣的模組化架構,NI PXI Express 硬體能充分因應必須順應多變需求與臨時更換裝置的系統設計,原因在於同步化架構和路由的繁複作業通常可以透過程式設計方式進行。

​關於 NI IO 儀器驅動程式同步化功能的詳細資訊,請參閱 NI-DAQmx 的時序與同步化功能

​NI-DAQmx 通道擴充

​NI 採用創新的方法,能配置多個用於同步化作業的 DAQ 模組,從而強化 NI-DAQmx 驅動程式。幾乎任何單一 DAQ 模組類型的完整機箱,都能以程式設計方式設定用於一項多裝置作業。進行多裝置作業時,使用相同的 DAQmx 程式碼就能將應用範圍從單通道升級成 544 個通道。您也可以使用單一 DAQmx 作業自動同步處理多個不同量測類型之機板上的通道。 

​若要進一步了解 PXI Express 的 DAQmx 通道擴充功能,請參閱: 

DSA、SC Express 與 X 系列多裝置作業 
PXI Express 模組的 NI-DAQmx 同步化功能

​NI-TClk

​應用於必須同步高速 PXI 模組化儀器的用途時,由於偏移和抖動導致的潛時與時序等不確定因素,想透過分配必要的時脈與觸發完成同步作業實屬不易。若要同步處理按不同取樣率執行的異質儀器,情況甚至更加複雜。

​在這些情況下要做到精確同步化,往往須試著在所有儀器之間共用低偏移的參考時脈、運用鎖相迴路 (PLL) 以及連接於該參考時脈的倍頻器,產生每個裝置專用的取樣時脈,並且分配低偏移觸發到所有儀器,另外須採用可微調的時間延遲補償機制,並且進行校準量測並據以調整。這種方式不但在硬體和軟體執行層面均錯綜複雜,也不夠穩定,即使稍微交換儀器模型,也可能因此必須重新配置整個架構與重新進行所有校準。 

​要建立混合、有彈性、高速且可擴充的 IO 系統,NI PXI 是最好的方法。為協助降低高速儀器同步作業固有的複雜程度,NI 開發了 NI-TClk 這項享有專利的同步化方法,能大幅簡化額外增加高速儀器並使其保持同步的流程,馬上就能達到 1 ns 的準確度,手動校準則可達數十個 ps。 

​NI-TClk 技術在下列各方面都能發揮助益:

  • ​讓最初即使鎖相至 10 MHz 參考時脈仍未必能對位的取樣時脈能完成對位
  • ​支援同步化裝置準確觸發

​靈活的 NI-TClk 技術適用下列用途:

  • ​以取樣時脈或參考時脈進行高速模組化儀器同步化
  • ​將單一 PXI 機箱的同步化功能擴充至多個 PXI 機箱,使用系統時序模組因應高通道數系統需求
  • ​同質 (Homogeneous) 與異質 (Heterogeneous) 同步化:裝置使用內部或外部取樣時脈,以相同或不同的取樣率執行

NI-TClk 是一項現成可用的技術,馬上就能提升 PXI 模組化儀器同步化效能。關鍵的軟體元件含 3 個 LabVIEW VI/C 函式,全數不需設定參數。NI-TClk 架構能讓裝置同步後彼此之間的偏移盡量不高於 1 ns。一般常見的偏移量約在 200 ps 到 500 ps 之間。若手動校準各裝置的取樣時脈,約可將裝置之間的偏移量降至 30 ps 以下。

​圖 4: 必要的 NI-TClk 函式

在高速與異質裝置同步化必須達到高準確度的情況下,NI-TClk 將複雜度降爲只需三個 VI。在一個有 18 個插槽的 PXI 機箱內,使用 NI PXI 機箱的內建功能即可讓所有支援 NI-TClk 的裝置全數與這三個 VI 保持同步。不需額外接線。不需外接 PLL。不需手動路由。不需特殊軟體。完全由 NI-TClk 自動處理。即使模型換成其他模型、變更儀器插槽或是變更取樣率,都不必重新處理這個同步化程式碼。NI-TClk 會自動根據所有變更進行調整,並且讓測試撰寫器持續處理測試步驟的邏輯,不需要解決複雜的觸發架構。NI-TClk 支援的 NI 模組和裝置完整列舉支援 NI-TClk 的 I/O 裝置。

NI 的 PXI Express 時序同步增強產品

PXI Express 機箱已經內建許多非常棒的 PXI Express 時序與同步化功能,另外有些功能則是透過特殊機箱升級、模組或配件提供。所有選項一覽:

產品概述技術摘要
PXI Express 機箱

最靈活、功能最強大的複雜測試與量測系統建構平台內建準確度 25 ppm 的 PXI_Clk10、搭載 PXI_TRIG/PXI_STAR、機箱內部有簡易的觸發與時脈路由、支援擴充 NI-DAQmx 通道、支援 NI-TClk
有外部觸發存取功能的 PXIe-1084

採用整合式時脈輸入/輸出的機箱標準 PXIe 機箱功能、PXI_Clk10 與 PXI_TRIG 線路的匯入/匯出/菊鏈

PXIe-1085

採用整合式時脈輸入/輸出的機箱標準 PXIe 機箱功能、PXI_Clk10 的匯入/匯出/菊鏈
含 OCXO 的 PXIe-1092

採用整合式時脈輸入/輸出與 OCXO 的機箱準確度 <100 ppb 的 PXI_CLK10、標準 PXIe 機箱功能、PXI_Clk10 與 PXI_TRIG 線路的匯入/匯出/菊鏈
含 OCXO 的 PXIe-1095

採用整合式時脈輸入/輸出與 OCXO 的機箱準確度 <100 ppb 的 PXI_CLK10、標準 PXIe 機箱功能、PXI_Clk10 與 PXI_TRIG 線路的匯入/匯出/菊鏈
PXIe-6674T

單插槽時序主模組,用於產生與匯入/匯出所有 PXI 時序訊號準確度 <100 ppb 的 PXI_CLK10,支援匯入/匯出 PXI_Clk10/PXI_TRIG/PXI_STAR/PXI_DSTAR,應用於同步多機箱、產生 DDS 時脈
PXIe-6672

單插槽時序主模組,用於產生與匯入/匯出大部分的 PXI 時序訊號準確度 <5 ppm 的 PXI_CLK10,支援匯入/匯出 PXI_Clk10/PXI_TRIG/PXI_STAR,應用於同步多機箱、產生 DDS 時脈
PXIe-3352

雙插槽超穩定時脈源模組可使用 PXIe-1085/1092/1095/6674T/或 6672 匯入且準確度達 0.030 ppb 的 10 MHz 銣時脈、含銣保持器的 GPS 授時震盪器、PPS 匯入/匯出
PXI-6683H

單插槽時序協定介面與 GPS 授時震盪器模組準確度 <5 ppm 的 PXI_CLK10、可使用 PXIe-1085/1092/1095/6674T/或 6672 匯入的 GPS 授時震盪器、GPS 定位、PPS 匯入/匯出、IRIG-B 支援、IEEE-1588 與 IEEE 802.1AS (限 Linux) 計時器與時間戳記 (會取代 OS 系統時間)
CDA-2990

時脈分配與 GPS 授時震盪器配件GPS 授時震盪器 10 MHz、PPS 輸出、1 到 8 時脈分配
cRIO-9805

IEEE 802.1AS 乙太網路切換器4 埠

 

表 1:PXI Express 時序與同步化增强產品