介紹

數(shù)字化儀用于將電信號轉(zhuǎn)換為一系列測量值，然后輸出為幅度值隨時間變化的數(shù)字?jǐn)?shù)組,。為了使這些信息有用,，時間信息通常與特定參考點相關(guān)，參考點通常是觸發(fā)位置,。觸發(fā)點可以是從測量信號中引用,，也可以來自其他外部源。觸發(fā)功能是將時間測量值與特定的已知時間點聯(lián)系起來,。對于重復(fù)信號,，觸發(fā)器必須穩(wěn)定才能將一次采集的測量結(jié)果與其他采集進行比較。當(dāng)將多個數(shù)字化儀或相關(guān)的采集儀器集成到一個多通道系統(tǒng)中時,，只有當(dāng)所有通道都參考公共時間軸時,，才能得到較好的數(shù)據(jù)。這要求系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集元件與由同一事件觸發(fā)的所有數(shù)字化儀通道的時間同步,。本應(yīng)用筆記將重點介紹觸發(fā)和同步的相關(guān)內(nèi)容,。

觸發(fā)

觸發(fā)是儀器采集和數(shù)字化信號的基本功能。最常見的觸發(fā)方法是使用數(shù)字化儀某個通道的輸入信號,。基本原理是檢測到波形上的定義點,，并將此“觸發(fā)事件”標(biāo)記為已采集數(shù)據(jù)上的一個已知位置,。圖1提供了一個基本的邊沿觸發(fā)的例子。信號源是輸入通道,，觸發(fā)事件發(fā)生在波形上升沿越過500mV的觸發(fā)電平時,。當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時，已采集信號上的位置被標(biāo)記為時間軸上的零時間點,，如圖中的光標(biāo)位置所示,。如果信號是重復(fù)的，每次進行新采集時,，數(shù)字化儀都會在同一點觸發(fā),，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的顯示。

圖1

信號波形,，電平和時序的范圍變化較大,，所以要求數(shù)字化儀觸發(fā)電路非常靈活,。圖2顯示了M4i.4451系列數(shù)字化儀的觸發(fā)“引擎”的框圖。它提供了現(xiàn)代數(shù)字化儀支持的多種觸發(fā)條件的示例,。

圖2

框圖的左側(cè)顯示了數(shù)字化儀的硬件觸發(fā)源,。它們包括任意輸入通道和兩個外部觸發(fā)輸入（Ext0或Ext1）之一。每個源都能夠支持多種觸發(fā)類型,。多功能I/O線可用于報告數(shù)字化儀的運行/加載狀態(tài),，以及在其他功能中提供觸發(fā)輸出信號。除硬件觸發(fā)源外,，還有一個軟件觸發(fā),，可以用程序控制。

該數(shù)字化儀還包括強大的觸發(fā)與/或邏輯單元,，可以將來自多個源的輸入組合成一個復(fù)雜的多元素觸發(fā)器,。該功能可以確保數(shù)字化儀僅在發(fā)生特定定義的模式時才觸發(fā)。另一個功能是通過Star-Hub同步選項與多達七個其他數(shù)字化儀卡交叉觸發(fā),。

觸發(fā)方式

主要觸發(fā)源包含支持多種觸發(fā)模式的雙觸發(fā)電平比較器,。其中包括單邊沿和雙邊沿觸發(fā)，加載（滯后）觸發(fā),，窗口觸發(fā),，對于多源觸發(fā)，還有相關(guān)的觸發(fā)門產(chǎn)生器,。

• 邊沿觸發(fā)是最基本的觸發(fā)類型,。用戶設(shè)置觸發(fā)電平并選擇想要的觸發(fā)沿。當(dāng)觸發(fā)源的所選邊沿越過觸發(fā)閾值時,，數(shù)字化儀將觸發(fā),。邊沿選擇可以是上升沿，下降沿或雙邊沿都觸發(fā),。邊沿觸發(fā)是最常用的觸發(fā)方式,。

• 重新裝載或滯后觸發(fā)設(shè)置兩個電平，第一個是加載電平,，第二個是觸發(fā)電平,。與邊沿觸發(fā)一樣，用戶也要選擇邊沿類型,。信號必須首先越過加載電平,，加載觸發(fā)器，然后當(dāng)信號隨后以相同的邊沿越過觸發(fā)電平時,，數(shù)字化儀再觸發(fā),。重新加載觸發(fā)模式可用來防止數(shù)字化儀在噪聲信號的錯誤邊沿觸發(fā)。

• 窗口觸發(fā)每個觸發(fā)源使用兩個觸發(fā)閾值來定義幅度窗口,。窗口觸發(fā)有兩種操作模式：進入窗口時觸發(fā),，退出窗口時觸發(fā),。每當(dāng)源信號越過閾值電平之一并進入窗口時觸發(fā)。當(dāng)源信號處于兩個觸發(fā)閾值之間并離開窗口時觸發(fā),。當(dāng)源信號可以沿任一方向改變狀態(tài)時就可以使用窗口觸發(fā)器,。
  當(dāng)使用帶有內(nèi)置觸發(fā)邏輯的多源觸發(fā)模式時，通常需要使用一個通道來創(chuàng)建門控波形,，用來支持來自另一通道的觸發(fā),。可以使用高電平,，低電平,，內(nèi)部窗口或外部窗口選擇來實現(xiàn)。這些觸發(fā)模式產(chǎn)生內(nèi)部門控信號可與第二個觸發(fā)源一起使用,，并通過“與”邏輯一起用于門控觸發(fā),。

圖3顯示了使用高電平觸發(fā)來選通另一個通道上的觸發(fā)源的示例。

只要通道CH0上的正弦波超過觸發(fā)電平,，在信號高于閾值的整個時間內(nèi)會產(chǎn)生一個上升的門信號,。該門信號與通道CH1上的信號進行“與”運算；由于僅當(dāng)CH1上存在低幅度脈沖時門信號才是上升的,，因此數(shù)字化儀在脈沖波形超過觸發(fā)電平時才觸發(fā),，如圖中紅色水平虛線所示。

圖3

M4i系列模塊化數(shù)字化儀觸發(fā)模式匯總表

• 上升沿觸發(fā)：如果觸發(fā)源信號從較低的值變?yōu)檩^高的值（正邊沿或上升沿）超過預(yù)定義的觸發(fā)電平,，則會發(fā)生觸發(fā),。

• 下降沿觸發(fā)：如果觸發(fā)源信號從較高的值變?yōu)檩^低值（負(fù)邊沿或下降沿）越過預(yù)定義的觸發(fā)電平，則會發(fā)生觸發(fā),。

• 雙邊沿觸發(fā)：如果觸發(fā)源信號在上升沿或下降沿越過編程的觸發(fā)電平,，就會發(fā)生觸發(fā)。

• 在上升沿重新加載（滯后）觸發(fā)：當(dāng)源信號以上升沿越過重新加載電平時,，觸發(fā)加載電路,。如果源信號在上升沿越過了編程的觸發(fā)電平，則會產(chǎn)生觸發(fā),，并且觸發(fā)電路將被解除。僅當(dāng)觸發(fā)引擎再次加載時,，才會檢測到新的觸發(fā)事件,。

• 在下降沿重新加載（滯后）觸發(fā)：當(dāng)源信號以下降沿越過重新加載電平時，觸發(fā)加載電路,。如果源信號在下降沿越過了編程的觸發(fā)電平,，則會產(chǎn)生觸發(fā)，并且觸發(fā)電路將被解除,。僅當(dāng)觸發(fā)引擎再次裝載時,，才會檢測到新的觸發(fā)事件,。

• 用于輸入信號的通道窗口觸發(fā)器：上層和下層定義一個幅度窗口。每當(dāng)源信號從外部進入窗口時觸發(fā),。

• 用于退出信號的通道窗口觸發(fā)器：上層和下層定義一個幅度窗口,。每次信號從內(nèi)部離開窗戶時觸發(fā)。

• 高電平觸發(fā)：此模式會產(chǎn)生內(nèi)部門控信號,，可與第二種觸發(fā)模式一起用于門控觸發(fā),。如果和單個觸發(fā)源一起使用，則卡僅在源信號超過觸發(fā)電平時才觸發(fā)（類似于上升沿觸發(fā)）,。

• 低電平觸發(fā)：此模式會產(chǎn)生內(nèi)部門信號,，可以與第二種觸發(fā)模式一起用于門觸發(fā)。如果和單個觸發(fā)源一起使用,，則卡僅在源信號低于觸發(fā)電平時才觸發(fā)（類似于下降沿觸發(fā)）,。

• 內(nèi)窗口觸發(fā)：此觸發(fā)模式將生成一個內(nèi)部門控信號，該信號可與第二個觸發(fā)模式一起用于門控觸發(fā),。如果將此模式用于單個觸發(fā)源,，則卡僅在進入由兩個觸發(fā)電平定義的窗口時才觸發(fā)（類似于窗口輸入觸發(fā)）。

• 外窗口觸發(fā)：此觸發(fā)模式將生成一個內(nèi)部門控信號,，該信號可與第二種觸發(fā)模式一起用于門控觸發(fā),。如果將此模式用于單個觸發(fā)源，則卡僅在離開由兩個觸發(fā)電平定義的窗口時才觸發(fā)（類似于窗口退出觸發(fā)）,。

觸發(fā)邏輯

圖3示例顯示了在處理多個觸發(fā)源時可用觸發(fā)邏輯的一個用途,，支持AND和OR邏輯?；蚬δ艿妮斎氚ㄈ魏瓮ǖ?，外部觸發(fā)輸入，軟件觸發(fā)和強制觸發(fā)功能,。邏輯或功能允許其中的任何一個觸發(fā)源觸發(fā)數(shù)字化儀,。與邏輯功能的輸入包括所有通道，外部觸發(fā)輸入和使能觸發(fā)功能,。AND功能要求所有選擇的觸發(fā)輸入同時有效才能啟動數(shù)字化儀觸發(fā),。請記住，高電平和低電平之類的門控觸發(fā)模式提供了邏輯上取反輸入的能力,，可以實現(xiàn)其他邏輯（如NAND和NOR）,。

圖4

圖5

圖4是使用或觸發(fā)邏輯的無線電定位應(yīng)用的示例。每個輸入通道都連接到傳感器,。到源的方向取決于每個傳感所器發(fā)射脈沖的到達時間,。

源的位置決定了哪個通道先看到它?；蛴|發(fā)邏輯允許最先產(chǎn)生脈沖的通道觸發(fā)數(shù)字化儀,，從而保證兩個傳感器的輸出都被采集,。多源觸發(fā)器的另一個示例如圖5所示。這里比較了兩個時鐘信號,。低電平觸發(fā)設(shè)置在通道Ch0上,，當(dāng)通道幅度低于觸發(fā)電平時，它將產(chǎn)生正信號,。通道Ch1在上升沿觸發(fā),。兩個觸發(fā)源均進行“與”運算，當(dāng)Ch0中缺少脈沖時,，將導(dǎo)致觸發(fā)事件,。圖5中丟失的脈沖出現(xiàn)在觸發(fā)點（t= 0）。

其他觸發(fā)器相關(guān)功能

還有兩個附加的觸發(fā)功能值得一提,。第一個是觸發(fā)延遲,，即圖2觸發(fā)框圖中的最后一個單元。此功能使用33位計數(shù)器,，允許用戶將觸發(fā)事件最多延遲8G–16個采樣,，本文使用14位和16位M4i系列數(shù)字化儀是16個采樣。如果延遲從默認(rèn)0更改,，則水平軸上的觸發(fā)點將從0更改為輸入的延遲值,。

第二個功能是外部觸發(fā)輸出和觸發(fā)狀態(tài)線。這些功能對于同步多臺儀器很有用,。觸發(fā)輸出,，ARM和RUN狀態(tài)可通過多功能I/O通道獲得，如圖2所示,。

同步

理論上,，同步多臺儀器時存在兩個問題。首先是安排一個共同的觸發(fā)因素,。第二是使兩個儀器都在一個同步上時鐘運行,。簡單來說，在嘗試同步多個數(shù)字化儀時就會出現(xiàn)問題,。

使用具有目標(biāo)時鐘速率的外部時鐘可以實現(xiàn)時鐘的同步,。第二種方法是提供一個外部參考，例如10 MHz,，然后應(yīng)用到鎖相環(huán)(PLL),，將參考時鐘的頻率乘以所需的時鐘速率。本文中使用的Spectrum M4i系列數(shù)字化儀通過一個通用外部時鐘輸入來處理兩種類型的外部時鐘,。外部時鐘輸入連接到內(nèi)部PLL,，用戶可以將其設(shè)置為參考時鐘相乘或?qū)?shù)字化儀鎖到外部時鐘,，并在不改變頻率的情況下通過外部時鐘,。這樣可以保證時鐘的正確頻率,，但不能保證每個數(shù)字化儀中的時鐘具有相同的相位。

在同步過程的觸發(fā)端,，我們必須考慮到每個數(shù)字化儀的外部觸發(fā)輸入都使用獨立的比較器來檢測觸發(fā)電平交叉,。參考電平的微小差異以及設(shè)置和保持時間的差異可能導(dǎo)致觸發(fā)點位置在時間上的離散變化，進兒形成某種觸發(fā)抖動,。保證多個數(shù)字化儀精確同步的唯一方法是將時鐘分配到每個模塊,，并將觸發(fā)事件同步到系統(tǒng)時鐘。在頻譜數(shù)字化儀中,，可以通過可選的Star-Hub模塊來實現(xiàn),。

同步多個數(shù)字化

本文示例中使用的Spectrum M4i系列數(shù)字化儀帶有一個稱為Star-Hub的可選同步配件。Star-Hub模塊最多允許同步8張同一系列的卡,。Star-Hub如圖6所示,。
該模塊充當(dāng)星形連接的集線器，用于時鐘和觸發(fā)信號,。帶這種模塊的數(shù)字化儀用作時鐘主控器,，該卡或任何其他卡可以是主觸發(fā)器。如果使用Star-Hub模塊,，主卡上所有可用的觸發(fā)模式仍然可用,。它還擴展了AND/OR觸發(fā)邏輯，以適應(yīng)來自任何連接的數(shù)字化儀的輸入,。通過同步來自數(shù)字化儀的ARM信號,，Star-Hub還能同步數(shù)字化儀中不同的預(yù)觸發(fā)，內(nèi)存段大小和后置觸發(fā)設(shè)置,。Star-Hub是同步多個數(shù)字化儀的首選方法,。

圖6

結(jié)論

數(shù)字化儀需要觸發(fā)器才能將采集與已知時間點關(guān)聯(lián)起來。多種觸發(fā)源和模式使選擇想要的觸發(fā)點非常容易,。此外,，通過Star-Hub同步時基的功能允許將多個儀器耦合在一起，從而提供大量的采集通道,。帶有智能觸發(fā)引擎的數(shù)字化儀可以觸發(fā)并捕獲各種復(fù)雜信號,。當(dāng)與創(chuàng)新的采集模式（如環(huán)形緩沖區(qū)，F(xiàn)IFO,，內(nèi)存分段和帶有標(biāo)記觸發(fā)事件的時間戳的門控采樣）結(jié)合使用時,，此功能會得到進一步增強。