关于模块化数字化仪的触发和同步

介绍

数字化仪用于将电信号转换为一系列测量值，然后输出为幅度值随时间变化的数字数组。为了使这些信息有用，时间信息通常与特定参考点相关，参考点通常是触发位置。触发点可以是从测量信号中引用，也可以来自其他外部源。触发功能是将时间测量值与特定的已知时间点联系起来。对于重复信号，触发器必须稳定才能将一次采集的测量结果与其他采集进行比较。当将多个数字化仪或相关的采集仪器集成到一个多通道系统中时，只有当所有通道都参考公共时间轴时，才能得到较好的数据。这要求系统的数据采集元件与由同一事件触发的所有数字化仪通道的时间同步。本应用笔记将重点介绍触发和同步的相关内容。

触发

触发是仪器采集和数字化信号的基本功能。最常见的触发方法是使用数字化仪某个通道的输入信号。基本原理是检测到波形上的定义点，并将此“触发事件”标记为已采集数据上的一个已知位置。图1提供了一个基本的边沿触发的例子。信号源是输入通道，触发事件发生在波形上升沿越过 500mV 的触发电平时。当触发事件发生时，已采集信号上的位置被标记为时间轴上的零时间点，如图中的光标位置所示。如果信号是重复的，每次进行新采集时，数字化仪都会在同一点触发，从而实现稳定的显示。

图1

信号波形，电平和时序的范围变化较大，所以要求数字化仪触发电路非常灵活。图2显示了 M4i.4451系列数字化仪的触发“引擎”的框图。它提供了现代数字化仪支持的多种触发条件的示例。

图2

框图的左侧显示了数字化仪的硬件触发源。它们包括任意输入通道和两个外部触发输入（Ext0或Ext1）之一。每个源都能够支持多种触发类型。多功能I / O线可用于报告数字化仪的运行/加载状态，以及在其他功能中提供触发输出信号。除硬件触发源外，还有一个软件触发，可以用程序控制。

   该数字化仪还包括强大的触发与/或逻辑单元，可以将来自多个源的输入组合成一个复杂的多元素触发器。该功能可以确保数字化仪仅在发生特定定义的模式时才触发。另一个功能是通过Star-Hub同步选项与多达七个其他数字化仪卡交叉触发。

触发方式

主要触发源包含支持多种触发模式的双触发电平比较器。其中包括单边沿和双边沿触发，加载（滞后）触发，窗口触发，对于多源触发，还有相关的触发门产生器。

• 边沿触发是最基本的触发类型。用户设置触发电平并选择想要的触发沿。当触发源的所选边沿越过触发阈值时，数字化仪将触发。边沿选择可以是上升沿，下降沿或双边沿都触发。边沿触发是最常用的触发方式。

• 重新装载或滞后触发设置两个电平，第一个是加载电平，第二个是触发电平。与边沿触发一样，用户也要选择边沿类型。信号必须首先越过加载电平，加载触发器，然后当信号随后以相同的边沿越过触发电平时，数字化仪再触发。重新加载触发模式可用来防止数字化仪在噪声信号的错误边沿触发。

• 窗口触发每个触发源使用两个触发阈值来定义幅度窗口。窗口触发有两种操作模式：进入窗口时触发，退出窗口时触发。每当源信号越过阈值电平之一并进入窗口时触发。当源信号处于两个触发阈值之间并离开窗口时触发。当源信号可以沿任一方向改变状态时就可以使用窗口触发器。
  当使用带有内置触发逻辑的多源触发模式时，通常需要使用一个通道来创建门控波形，用来支持来自另一通道的触发。可以使用高电平，低电平，内部窗口或外部窗口选择来实现。这些触发模式产生内部门控信号可与第二个触发源一起使用，并通过“与”逻辑一起用于门控触发。

图3显示了使用高电平触发来选通另一个通道上的触发源的示例。

图3

只要通道CH0上的正弦波超过触发电平，在信号高于阈值的整个时间内会产生一个上升的门信号。该门信号与通道CH1上的信号进行“与”运算；由于仅当CH1上存在低幅度脉冲时门信号才是上升的，因此数字化仪在脉冲波形超过触发电平时才触发，如图中红色水平虚线所示。

M4i系列模块化数字化仪触发模式汇总表

• 上升沿触发：如果触发源信号从较低的值变为较高的值（正边沿或上升沿）超过预定义的触发电平，则会发生触发。

• 下降沿触发：如果触发源信号从较高的值变为越过预定义的触发电平的较低值（负边沿或下降沿），则会发生触发。

• 双边沿触发：如果触发源信号在上升沿或下降沿越过编程的触发电平，就会发生触发。

• 在上升沿重新加载（滞后）触发：当源信号以上升沿越过重新加载电平时，触发加载电路。如果源信号在上升沿越过了编程的触发电平，则会产生触发，并且触发电路将被解除。仅当触发引擎再次加载时，才会检测到新的触发事件。

• 在下降沿重新加载（滞后）触发：当源信号以下降沿越过重新加载电平时，触发加载电路。如果源信号在下降沿越过了编程的触发电平，则会产生触发，并且触发电路将被解除。仅当触发引擎再次装载时，才会检测到新的触发事件。

• 用于输入信号的通道窗口触发器：上层和下层定义一个幅度窗口。每当源信号从外部进入窗口时触发。

• 用于退出信号的通道窗口触发器：上层和下层定义一个幅度窗口。每次信号从内部离开窗户时触发。

• 高电平触发：此模式会产生内部门控信号，可与第二种触发模式一起用于门控触发。如果和单个触发源一起使用，则卡仅在源信号超过触发电平时才触发（类似于上升沿触发）。

• 低电平触发：此模式会产生内部门信号，可以与第二种触发模式一起用于门触发。如果和单个触发源一起使用，则卡仅在源信号低于触发电平时才触发（类似于下降沿触发）。

• 内窗口触发：此触发模式将生成一个内部门控信号，该信号可与第二个触发模式一起用于门控触发。如果将此模式用于单个触发源，则卡仅在进入由两个触发电平定义的窗口时才触发（类似于窗口输入触发）。

• 外窗口触发：此触发模式将生成一个内部门控信号，该信号可与第二种触发模式一起用于门控触发。如果将此模式用于单个触发源，则卡仅在离开由两个触发电平定义的窗口时才触发（类似于窗口退出触发）。

触发逻辑

图3示例显示了在处理多个触发源时可用触发逻辑的一个用途，支持AND和OR逻辑。或功能的输入包括任何通道，外部触发输入，软件触发和强制触发功能。逻辑或功能允许其中的任何一个触发源触发数字化仪。与逻辑功能的输入包括所有通道，外部触发输入和使能触发功能。AND功能要求所有选择的触发输入同时有效才能启动数字化仪触发。请记住，高电平和低电平之类的门控触发模式提供了逻辑上取反输入的能力，可以实现其他逻辑（如NAND和NOR）。

图4

图5

图4是使用或触发逻辑的无线电定位应用的示例。每个输入通道都连接到传感器。到源的方向取决于每个传感所器发射脉冲的到达时间。

源的位置决定了哪个通道先看到它。或触发逻辑允许最先产生脉冲的通道触发数字化仪，从而保证两个传感器的输出都被采集。多源触发器的另一个示例如图5所示。这里比较了两个时钟信号。低电平触发设置在通道Ch0上，当通道幅度低于触发电平时，它将产生正信号。通道Ch1在上升沿触发。两个触发源均进行“与”运算，当Ch0中缺少脉冲时，将导致触发事件。图5中丢失的脉冲出现在触发点（t= 0）。

其他触发器相关功能

还有两个附加的触发功能值得一提。第一个是触发延迟，即图2触发框图中的最后一个单元。此功能使用33位计数器，允许用户将触发事件最多延迟8G–16个采样，本文使用14位和16位M4i系列数字化仪是16个采样。如果延迟从默认0更改，则水平轴上的触发点将从0更改为输入的延迟值。

第二个功能是外部触发输出和触发状态线。这些功能对于同步多台仪器很有用。触发输出，ARM和RUN状态可通过多功能I / O通道获得，如图2所示。

同步

理论上，同步多台仪器时存在两个问题。首先是安排一个共同的触发因素。第二是使两个仪器都在一个同步上时钟运行。简单来说，在尝试同步多个数字化仪时就会出现问题。

使用具有目标时钟速率的外部时钟可以实现时钟的同步。第二种方法是提供一个外部参考，例如10 MHz，然后应用到锁相环（PLL），将参考时钟的频率乘以所需的时钟速率。本文中使用的Spectrum M4i系列数字化仪通过一个通用外部时钟输入来处理两种类型的外部时钟。外部时钟输入连接到内部PLL，用户可以将其设置为参考时钟相乘或将数字化仪锁到外部时钟，并在不改变频率的情况下通过外部时钟。这样可以保证时钟的正确频率，但不能保证每个数字化仪中的时钟具有相同的相位。

在同步过程的触发端，我们必须考虑到每个数字化仪的外部触发输入都使用独立的比较器来检测触发电平交叉。参考电平的微小差异以及设置和保持时间的差异可能导致触发点位置在时间上的离散变化，进儿形成某种触发抖动。保证多个数字化仪精确同步的唯一方法是将时钟分配到每个模块，并将触发事件同步到系统时钟。在频谱数字化仪中，可以通过可选的Star Hub模块来实现。

同步多个数字化仪

本文示例中使用的Spectrum M4i系列数字化仪带有一个称为Star Hub的可选同步配件。Star Hub模块最多允许同步8张同一系列的卡。Star Hub如图6所示。

该模块充当星形连接的集线器，用于时钟和触发信号。带这种模块的数字化仪用作时钟主控器，该卡或任何其他卡可以是主触发器。如果使用Star Hub模块，主卡上所有可用的触发模式仍然可用。它还扩展了AND / OR触发逻辑，以适应来自任何连接的数字化仪的输入。通过同步来自数字化仪的ARM信号，Star Hub还能同步数字化仪中不同的预触发，内存段大小和后置触发设置。Star Hub是同步多个数字化仪的首选方法。

结论

数字化仪需要触发器才能将采集与已知时间点关联起来。多种触发源和模式使选择想要的触发点非常容易。此外，通过Star-Hub同步时基的功能允许将多个仪器耦合在一起，从而提供大量的采集通道。带有智能触发引擎的数字化仪可以触发并捕获各种复杂信号。当与创新的采集模式（如环形缓冲区，FIFO，内存分段和带有标记触发事件的时间戳的门控采样）结合使用时，此功能会得到进一步增强。