介紹

數(shù)字化儀用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為一系列測(cè)量值,，然后輸出為幅度值隨時(shí)間變化的數(shù)字?jǐn)?shù)組。為了使這些信息有用,，時(shí)間信息通常與特定參考點(diǎn)相關(guān),，參考點(diǎn)通常是觸發(fā)位置。觸發(fā)點(diǎn)可以是從測(cè)量信號(hào)中引用,，也可以來(lái)自其他外部源,。觸發(fā)功能是將時(shí)間測(cè)量值與特定的已知時(shí)間點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)。對(duì)于重復(fù)信號(hào),，觸發(fā)器必須穩(wěn)定才能將一次采集的測(cè)量結(jié)果與其他采集進(jìn)行比較,。當(dāng)將多個(gè)數(shù)字化儀或相關(guān)的采集儀器集成到一個(gè)多通道系統(tǒng)中時(shí),，只有當(dāng)所有通道都參考公共時(shí)間軸時(shí)，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(shí)間同步,。本應(yīng)用筆記將重點(diǎn)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(hào)的基本功能,。最常見(jiàn)的觸發(fā)方法是使用數(shù)字化儀某個(gè)通道的輸入信號(hào),。基本原理是檢測(cè)到波形上的定義點(diǎn),，并將此“觸發(fā)事件”標(biāo)記為已采集數(shù)據(jù)上的一個(gè)已知位置,。圖1提供了一個(gè)基本的邊沿觸發(fā)的例子。信號(hào)源是輸入通道,，觸發(fā)事件發(fā)生在波形上升沿越過(guò)500mV的觸發(fā)電平時(shí),。當(dāng)觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，已采集信號(hào)上的位置被標(biāo)記為時(shí)間軸上的零時(shí)間點(diǎn),，如圖中的光標(biāo)位置所示,。如果信號(hào)是重復(fù)的，每次進(jìn)行新采集時(shí),，數(shù)字化儀都會(huì)在同一點(diǎn)觸發(fā),，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的顯示。

圖1

信號(hào)波形,，電平和時(shí)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(gè)外部觸發(fā)輸入（Ext0或Ext1）之一,。每個(gè)源都能夠支持多種觸發(fā)類型,。多功能I/O線可用于報(bào)告數(shù)字化儀的運(yùn)行/加載狀態(tài)，以及在其他功能中提供觸發(fā)輸出信號(hào),。除硬件觸發(fā)源外,，還有一個(gè)軟件觸發(fā)，可以用程序控制,。

該數(shù)字化儀還包括強(qiáng)大的觸發(fā)與/或邏輯單元,，可以將來(lái)自多個(gè)源的輸入組合成一個(gè)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(shí)才觸發(fā),。另一個(gè)功能是通過(guò)Star-Hub同步選項(xiàng)與多達(dá)七個(gè)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(duì)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(guò)觸發(fā)閾值時(shí),，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(gè)電平,，第一個(gè)是加載電平,，第二個(gè)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(hào)必須首先越過(guò)加載電平，加載觸發(fā)器,，然后當(dāng)信號(hào)隨后以相同的邊沿越過(guò)觸發(fā)電平時(shí),，數(shù)字化儀再觸發(fā)。重新加載觸發(fā)模式可用來(lái)防止數(shù)字化儀在噪聲信號(hào)的錯(cuò)誤邊沿觸發(fā),。

• 窗口觸發(fā)每個(gè)觸發(fā)源使用兩個(gè)觸發(fā)閾值來(lái)定義幅度窗口,。窗口觸發(fā)有兩種操作模式：進(jìn)入窗口時(shí)觸發(fā)，退出窗口時(shí)觸發(fā),。每當(dāng)源信號(hào)越過(guò)閾值電平之一并進(jìn)入窗口時(shí)觸發(fā),。當(dāng)源信號(hào)處于兩個(gè)觸發(fā)閾值之間并離開(kāi)窗口時(shí)觸發(fā)。當(dāng)源信號(hào)可以沿任一方向改變狀態(tài)時(shí)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(shí),，通常需要使用一個(gè)通道來(lái)創(chuàng)建門控波形，用來(lái)支持來(lái)自另一通道的觸發(fā),?？梢允褂酶唠娖剑碗娖?，內(nèi)部窗口或外部窗口選擇來(lái)實(shí)現(xiàn),。這些觸發(fā)模式產(chǎn)生內(nèi)部門控信號(hào)可與第二個(gè)觸發(fā)源一起使用，并通過(guò)“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(lái)選通另一個(gè)通道上的觸發(fā)源的示例,。

只要通道CH0上的正弦波超過(guò)觸發(fā)電平，在信號(hào)高于閾值的整個(gè)時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升的門信號(hào),。該門信號(hào)與通道CH1上的信號(hào)進(jìn)行“與”運(yùn)算,；由于僅當(dāng)CH1上存在低幅度脈沖時(shí)門信號(hào)才是上升的,，因此數(shù)字化儀在脈沖波形超過(guò)觸發(fā)電平時(shí)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(hào)從較低的值變?yōu)檩^高的值（正邊沿或上升沿）超過(guò)預(yù)定義的觸發(fā)電平,，則會(huì)發(fā)生觸發(fā)。

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

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

• 在上升沿重新加載（滯后）觸發(fā)：當(dāng)源信號(hào)以上升沿越過(guò)重新加載電平時(shí),，觸發(fā)加載電路。如果源信號(hào)在上升沿越過(guò)了編程的觸發(fā)電平,，則會(huì)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(shí),，才會(huì)檢測(cè)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(hào)以下降沿越過(guò)重新加載電平時(shí)，觸發(fā)加載電路,。如果源信號(hào)在下降沿越過(guò)了編程的觸發(fā)電平,，則會(huì)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(shí),，才會(huì)檢測(cè)到新的觸發(fā)事件。

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

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

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

• 低電平觸發(fā)：此模式會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部門信號(hào)，可以與第二種觸發(fā)模式一起用于門觸發(fā),。如果和單個(gè)觸發(fā)源一起使用,，則卡僅在源信號(hào)低于觸發(fā)電平時(shí)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(gè)內(nèi)部門控信號(hào),，該信號(hào)可與第二個(gè)觸發(fā)模式一起用于門控觸發(fā),。如果將此模式用于單個(gè)觸發(fā)源，則卡僅在進(jìn)入由兩個(gè)觸發(fā)電平定義的窗口時(shí)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(gè)內(nèi)部門控信號(hào),，該信號(hào)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(gè)觸發(fā)源，則卡僅在離開(kāi)由兩個(gè)觸發(fā)電平定義的窗口時(shí)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(gè)觸發(fā)源時(shí)可用觸發(fā)邏輯的一個(gè)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(qiáng)制觸發(fā)功能,。邏輯或功能允許其中的任何一個(gè)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(shí)有效才能啟動(dòng)數(shù)字化儀觸發(fā)。請(qǐng)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(shí)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(wú)線電定位應(yīng)用的示例,。每個(gè)輸入通道都連接到傳感器,。到源的方向取決于每個(gè)傳感所器發(fā)射脈沖的到達(dá)時(shí)間。

源的位置決定了哪個(gè)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(gè)傳感器的輸出都被采集,。多源觸發(fā)器的另一個(gè)示例如圖5所示,。這里比較了兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。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(shí),，它將產(chǎn)生正信號(hào)。通道Ch1在上升沿觸發(fā),。兩個(gè)觸發(fā)源均進(jìn)行“與”運(yùn)算,，當(dāng)Ch0中缺少脈沖時(shí)，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(diǎn)（t= 0）,。

其他觸發(fā)器相關(guān)功能

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

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

同步

理論上，同步多臺(tái)儀器時(shí)存在兩個(gè)問(wèn)題,。首先是安排一個(gè)共同的觸發(fā)因素,。第二是使兩個(gè)儀器都在一個(gè)同步上時(shí)鐘運(yùn)行。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),，在嘗試同步多個(gè)數(shù)字化儀時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題,。

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

在同步過(guò)程的觸發(fā)端,，我們必須考慮到每個(gè)數(shù)字化儀的外部觸發(fā)輸入都使用獨(dú)立的比較器來(lái)檢測(cè)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(shí)間的差異可能導(dǎo)致觸發(fā)點(diǎn)位置在時(shí)間上的離散變化,，進(jìn)兒形成某種觸發(fā)抖動(dòng),。保證多個(gè)數(shù)字化儀精確同步的唯一方法是將時(shí)鐘分配到每個(gè)模塊，并將觸發(fā)事件同步到系統(tǒng)時(shí)鐘,。在頻譜數(shù)字化儀中,，可以通過(guò)可選的Star-Hub模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

同步多個(gè)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(gè)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(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào),。帶這種模塊的數(shù)字化儀用作時(shí)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(kuò)展了AND/OR觸發(fā)邏輯，以適應(yīng)來(lái)自任何連接的數(shù)字化儀的輸入,。通過(guò)同步來(lái)自數(shù)字化儀的ARM信號(hào),，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(gè)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(shí)間點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來(lái)。多種觸發(fā)源和模式使選擇想要的觸發(fā)點(diǎn)非常容易,。此外,，通過(guò)Star-Hub同步時(shí)基的功能允許將多個(gè)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(hào),。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(shí)間戳的門控采樣）結(jié)合使用時(shí),，此功能會(huì)得到進(jìn)一步增強(qiáng)。

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