T-Clock技术 实现PXI整合同步测试

由于单部仪器上的触发/响应通道有限，或因为需要混合信号的触发/响应信道，因此许多测试与测量应用，将需要对多部仪器进行时间控制与同步化。举例来说，一部示波器可能最多有 4 个信道，而信号发生器最多有 2 个通道。从电子业的混合信号测试，到科学方面的雷射光谱学，这些应用都需要对较多的通道进行频率与同步化，或必须针对数字输入与输出信道、模拟输入与输出通道，建立此两分组之间的关系。

一、在应用程序中的频率与同步化

在电子业界，混合信号测试为测试设备与芯片内建系统(SOC) 技术的一个重要层面。随着将声音、影像，与数据，结合在消费性电子产品与通信产品中的趋势，对于此类技术的测试需求(从基本产品至RF) 则更需要精确的频率与同步化。

基本上，混合信号设备具备多个数字与模拟信道。这些信道多半在一部 ATE 系统中同时进行测试，以节省测试时间，并提高处理能力。此外，模拟信道还使用同步取样系统进行测试。同步取样系统需要在模拟转数字 (ADC) 与数字转模拟(DAC) 测试中，将不同的频率进行同步化。在频率领域测量中，这种同步作业可以减少频谱泄漏 (spectral leakage)，因此非常需要此同步化作业。

以下 LabVIEW 图表显示异步取样与同步取样的效果。白色轨迹是异步频率，采集几次模拟正弦波周期。FFT 的频谱溢漏造成光谱图中的“下摆”。在同样的取样率下，同步取样系统产生的是红色轨迹。同步取样的重要优点之一，是因为信号采集时间较短，因此缩短了测试的时间。之所以能够缩短采集的时间，是因为不需要采集额外的信号周期(这些额外的数据是应用于数字窗口中，以便消除频谱泄漏)。

原则上，能够满足市场上种类多样设备弹性需求的ATE系统应该为仪器提供衍生自主要参考频率的不同频率，以便进行同步取样。此外，这套系统应该能够提供源自主要参考频率的任意频率频率。

图 1. 以T-Clock (TClk) 同步NI PXI-5421 任意波形发生器与NI PXI-5122示波器，以更短的时间与更高的准确度，达到相位的同步

在通信方面，模拟及数字基带I/Q信号的产生及采集需要相位偏移 (phase offset) 与控制。数字信号发生器/分析仪，以同步化任意波形发生器与示波器，以处理数字与模拟 I/Q 信号的产生与采集。举例来说，在 3G W-CDMA 模式中，以接近 5 MHz 带宽的信号而言，各信道之间的相位差距值及增益差距值，分别可以低到 0.003% 与 0.1%。在未来的 4G 通信模式中(例如多重输入、多重输出，MIMO)，将殷切需以同步化进行多通道的基带、IF，与 RF 信号产生与采集。一项正渐渐成形的技术──数字波束成形(Digital Beamforming)，正开始进入多种应用环境中，例如 4G MIMO 通信、国防，与航天工业的雷达应用。数字波束成形需要具备数字能量降转 (downconversion) 引擎的多信道相位协调数字化系统。

在半导体业方面，实务上的数字测试可能要消耗数千个数字针脚。市场上典型的整合电路 (IC) 可能要占用数字 I/O 的 200 个针脚。在这种应用环境中，多部数字信号发生器及分析仪进行同步化，并以不可或缺的针脚对针脚偏斜与抖动，来处理大量接脚的 IC。

在消费性电子方面，组件的数字影像信号产生与采集，可能需要多达五种不同的信号：三个主要的影像信号、H-Sync，与 V-Sync。通过频率与同步，可同步化任意波形发生器和示波器，分别产生并采集高画质的影像信号，像素速率可以逼近 165 MHz。CMOS成像传感器(一种可望随着影像电话与数字相机普及，而成为主流的技术)，就是混合信号技术的范例。其中的任意波形发生器、示波器，与数字信号分析仪经过同步化，供设计验证与检验芯片或芯片组。

在物理科学方面，具备大量信道的数字化系统被应用于电浆融合、雷射分散实验，与粒子和天体物理学的光子/粒子侦测和追踪。在这些例子里，具备大量信道的数字化系统用于以 2D 或 3D 方式重建时空现象。这种应用方式需要多个通道同时取样，有时甚至超过数百个通道。

在医疗诊断系统方面，由于出现低价位 12 与 14 位的 50 MHz ADC，3D 数字成像系统正在迅速取代模拟系统。这类系统往往拥有数百到一千多个通道。在非破坏性测试中，3D 超音波成像是通过包含 50 MHz 示波器的多信道系统所完成。一种比超音波成像更为进步的成像方法──光学同调断层扫描术(Optical coherence tomography，OCT)，可能需要数个示波器通道，以沟通多种光电二极管，进行同步取样。

正如这许多应用领域所呈现的趋势，频率与同步技术，将是多信道信号/数据发生并采集的重要元素。

二、NI 的模块仪器平台

目前的NI模块仪器硬件平台为PXI3 与PCI。这2 种平台在本质上即为模块形态，并且使用PCI 总线做为PC 和仪器之间的接口。

于 1997 年推出的 PXI 是一项开放标准，许多厂商提供各种 PXI 模块，包含从影像采集到 RF 矢量信号分析仪。PXI 开始迅速获得采用，主因是其小体积、可移植性、因采用 PCI 总线的高处理能力，与较低的价格；而 PXI 之所以拥有以上的特性，是因其采用庞大 PC 产品所开发出来的标准商业技术。

就功能而言，PXI 扩充了 CompactPCI 标准，加入局部总线与同步化功能。就同步测量而言，内建至 PXI 中的重要组件包含参考频率、触发总线，与星型触发总线3。

图 2. CompactPCI 平台的 PXI 频率与触发延伸图解

	局部总线	触发器	频率	星状触发器总线
PXI	13条线路	8 TTL	10 MHz TTL	每个扩展槽1个

三、同步化的建构组件

要在多部设备之间取得同步化，则必须检视频率和触发器的分布。同步化有两种主要模式，但是在探讨这些模式之前，我们必须先定义以下的用语。

取样频率、参考频率、触发器，与主要设备和从属设备

由于并未标准化将测量设备同步化的信号名称，可能会因为设备类型和制造商而有所不同。本文件使用以下名词来指称高速测量设备，以说明用于控制测量的不同类型信号。

取样频率是时间信号，用于控制示波器与信号发生器上的ADC 与DAC，以分别进行模拟转数字与数字转模拟操作。取样频率亦控制数字信号发生器/示波器，于取得或产生数字波型速度时的信号。在大多数的情况下，取样频率是一个周期信号，源自设备上的一个晶体振荡器。晶体振荡器技术的类型包含电压控制式晶体振荡器(VCXO)、温度控制式晶体振荡器(TCXO)，与恒温晶体振荡器(OCXO)。

参考频率──许多仪器内含相位锁定环路(PLL)。PLL 可将其输出频率锁定为其输入端口的参考频率。在仪器方面，虽然有许多仪器提供多种可允许的频率做为参考频率，但是常见的频率为10 MHz。PLL 的输出通常就是取样频率。PLL 允许取样频率频率锁定为参考频率频率。因此取样频率的绝对频率准确度与参考频率的频率准确度相同。

触发器信号控制在最高层级时的数据采集。外部事件或触发器是启动采集与信号产生的主要方法。触发器有各种不同的形式，包括模拟、数字，与软件。

主要设备及从属设备──在建立同步化之测量系统时，通常将指定一部设备做为主要设备，其他一或多部设备为从属设备。主要设备负责产生用于控制系统中所有测量设备的信号。从属设备则接收来自主要设备的控制信号。

同步化的目标，是精确地让多部硬设备产生并接收模拟与数字信号。频率与同步的分级之一，称为同质频率(homogeneous timing) 与同步化──2 部设定相同的同样设备，其取样频率之间具有精确的相位关系，同时开始产生并/或采集信号。以下的范例说明同质同步化：

•  2 部示波器以200 MS/s 的速度采集数据，其取样频率之间具有精确的相位关系：在同一时间触发、垂直增益设定、AC/DC 偶合设定、输入阻抗设定、DC 偏移量设定，与模拟过滤器设定皆相同。

前一个范例中有一重要现象，就是同质同步化的许多设定关联。举例来说，示波器前端的增益阶段与模拟过滤器的延迟，将导致前端接头与ADC 之间的延迟。

同质同步化可能意指许多不同的状况。以下的一些例子都可用于说明同质同步化：

•  2 部示波器分别以200 MS/s 与100 MS/s 的速度采集数据，其取样频率之间具有精确的相位关系：在同一时间触发、垂直增益设定、AC/DC 偶合设定、输入阻抗设定、DC 偏移量设定，与模拟过滤器设定皆相同。

•  任意波形发生器与示波器均以100 MS/s 的速度进行取样，其取样频率之间具有精确的相位关系，并在收到触发器信号时，以设定的时间延迟开始操作。

•  1 部示波器、数字信号发生器/分析仪，与任意波形发生器，分别以50 MS/s、200 MS/s，与100 MS/s 进行取样，其取样频率之间具有精确的相位关系，并在收到触发器信号时，以设定的时间延迟开始操作。

以上的例子清楚说明同质频率与同步有许多可能性，得以处理应用方面的需求。各设备上的不同设定，可导致在同一时间点上进行取样的信号/数据发生延迟。关键在于经过同步化的系统校正，这一点将在本文后面进行讨论。

四、同步化模式之一：使用取样频率进行同步化

主要设备可输出触发器信号与取样频率至从属设备，以控制测量系统的运作。举例来说，由多部示波器与信号发生器构成的系统，将具备由主要设备提供的取样频率。如图3 所示，主要设备的取样频率，将直接控制所有设备上的ADC 与DAC 频率。举例来说，NI 动态信号分析仪(如NI 4472 与NI 4461，分别为24 位104 kS/s 与208 kS/s) 即使用这种技术进行同步化，应用于声音与振动测量。

这种模式是最单纯的相位连贯取样模式；多部设备接收相同的取样频率。因此所有设备都获得相同的取样频率正确性、偏移，与抖动。这种模式的缺点在于无法满足所有相位连贯同质频率的需求。

图 3. 使用取样频率进行同步化

五、同步化模式之二：使用参考频率进行同步化

亦可在多部测量设备之间使用相同触发器与参考频率，以达成同步化。在这种模式中，参考频率可以由主要设备提供(主要设备必须内建参考频率)，或是由专用的高精度频率来源提供参考频率。

这种模式的优点，即可从单一参考频率取得同样的取样频率，让所有的取样频率皆锁定于此相位。缺点是各设备上的相位连贯取样，并不如直接使用取样频率那样单纯，因为每一部设备的时间都会产生影响，因此必须考虑到设备频率的抖动问题。

PLL 即经常采用此种模式进行同步化，并产生取样频率。

图 4. 使用参考频率进行同步化

图 5. 高速的取样频率使用 PLL 进行同步化。