Erweiterte Funktionen von Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Geräten: Timing

Überblick

Bei digitalen Kommunikationsanwendungen spielt das Timing eine entscheidende Rolle. Falsches Timing kann dazu führen, dass Daten inkorrekt übertragen bzw. empfangen werden. Je schneller die Messgeräte und je höher die Übertragungsraten werden, desto wichtiger wird der Timing-Aspekt, da selbst die geringsten Flankenabweichungen (im Pikosekundenbereich) zu Fehlern in Prüf- und Kommunikationsanwendungen führen können. In den nachfolgenden Abschnitten werden die Timing-Funktionen und -Raten von NI-Hochgeschwindigkeits-Digitalgeräten näher vorgestellt. Einige dieser Geräte setzen den DDS-Takt (Direct Digital Synthesis) ein, um bei hohen Taktfrequenzen eine hohe Auflösung zu erreichen. Weiterhin werden Konzepte wie Frequenzbereiche und -auflösung, Import/Export von Takten und Triggern sowie erweiterte Synchronisationsverfahren erläutert.

Inhalt

In den nachfolgenden Abschnitten werden die Timing-Funktionen und -Raten von NI-Hochgeschwindigkeits-Digitalgeräten näher vorgestellt. Einige dieser Geräte setzen den DDS-Takt (Direct Digital Synthesis) ein, um bei hohen Taktfrequenzen eine hohe Auflösung zu erreichen. Weiterhin werden Konzepte wie Frequenzbereiche und -auflösung, Import/Export von Takten und Triggern sowie erweiterte Synchronisationsverfahren erläutert.

Gerät

Max.

Taktrate (MHz)

Max.

Datenrate (Mbit/s)

NI 6541 50 50
NI 6542 100 100
NI 6544 100 100
NI 6545 200 200
NI 6551 50 50
NI 6552 100 100
NI 6561 100 200 1
NI 6562 200 400 1

1 Diese Raten werden durch das DDR-Verfahren erreicht.

Tabelle 1: Maximale Abtastraten von Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Geräten

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Gemeinsamer Takt

Ein gemeinsamer Takt ist bei Prüfanwendungen, in denen eingesetzt werden, von besonderer Wichtigkeit. NI-Digitalgeräte können Takte über verschiedene Verfahren im- und exportieren.

Abtasttakt

Ein Großteil der NI-Digitalgeräte verfügt über einen hochpräzisen, spannungsgesteuerten 200-MHz-Quarzoszillator (Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO) als Taktgeber. Eine Ausnahme stellen die Geräte NI PXIe-6544/45 dar, die als Taktgeber einen hochpräzisen, spannungsgesteuerten 800-MHz-Oszillator (Voltage Controlled Oscillator, VCO) einsetzen. Alle NI-Digitalgeräte umfassen eine integrierte PLL-Schaltung (Phase-Locked Loop), welche den Onboard-Takt an den Referenztakt (falls vorhanden) phasenkoppelt.

Abhängig vom Formfaktor des digitalen Messgeräts bestehen verschiedene Möglichkeiten einen gemeinsamen Takt zu erreichen. Alle NI-Digitalgeräte sind in der Lage, einen Abtasttakt über den CLK-IN-SMB-Anschluss am Frontpanel zu importieren. Bei diesem externen Takt kann es sich um jeden Sinus- oder Rechteckverlauf handeln, der den Spezifikationen des jeweiligen Digitalgeräts entspricht. PXI-Geräte können zusätzlich den PXI-STAR-Kanal als externen Frequenzeingangskanal nutzen, so dass eine alternative Frequenz als Abtasttakt eingesetzt werden kann.

Der Taktexport wird bei NI-Digitalmessgeräten entweder über den CLK-OUT-SMB-Anschluss am Frontpanel oder über den DDC-CLK-OUT-Pin am DDC-Anschluss durchgeführt. Der exportierte Abtasttakt wird dabei mit dem für die dynamische Erzeugung festgelegten Spannungspegel der jeweiligen Logikfamilie erzeugt.

Referenztakt

Der Onboard-Frequenzgenerator von NI-Geräten nutzt eine PLL-Schaltung, um die hochfrequente interne Zeitbasis des Geräts an eine bekannte Referenzfrequenz zu koppeln. Der gängigste Takt, an den sich NI-Geräte in der Regel koppeln, ist der Referenztakt der Backplane eines PXI- oder PXI-Express-Chassis. Der Referenztakt wird dabei gleichmäßig auf alle Module im System verteilt. Für PXI-Geräte ist der 10-MHz-Referenztakt PXI_CLK10, während für PXI-Express-Geräte der 100-MHz-Referenztakt PXIe_CLK100 genutzt werden kann.

Auf PCI basierende NI-Digitalgeräte können sich für die Synchronisation mehrerer PCI-Geräte einen Referenztakt über den RTSI-7-Kanal des RTSI-Busses teilen.

Stroboskop

Der STROBE-Kanal des DDC-Anschlusses ist für das Stroboskopsignal dediziert. Der Kanal kann nur für die Datenerfassung eingesetzt werden.

Die Datenkanäle werden auf einer vom Anwender ausgewählten Flanke (als steigend oder fallend programmierbar) des Stroboskopsignals präzise abgetastet, wenn dieses als Abtasttakt konfiguriert wurde. Der Vorteil für die Datenerfassung liegt darin, dass der Abtasttakt für die Erfassung und die Datenkanäle nun über dasselbe Kabel und mit denselben Systemverzögerungen übertragen werden und somit ihre zeitliche Korrelation aufrechterhalten wird.

NI-Digitalgeräte verfügen nur über einen einzelnen Taktgeber, so dass sowohl für die Erfassung als auch die Erzeugung dieselbe Abtasttaktrate eingesetzt wird. Wird jedoch das Stroboskopsignal als Takt für die Erfassung eingesetzt, können die Erfassungs- und Erzeugungsoperationen zwei verschiedene Zeitbasen verwenden.

Ereignisse und Trigger

NI-Digitalgeräte nutzen Ereignisse und Trigger, um Erzeugungs- und Erfassungsaufgaben zwischen Geräten zu synchronisieren. Trigger kommen dabei für die Steuerung der Erfassung bzw. Erzeugung des jeweiligen Digitalgeräts zum Einsatz, während Ereignisse als Benachrichtigungen für bestimmte Operationen fungieren.

Trigger Ereignisse
Start-Trigger Data-Active-Ereignis
Referenz-Trigger Marker-Ereignis
Transfer-Trigger Ready-for-Start-Ereignis
Pause-Trigger Ready-for-Advance-Ereignis
Skript-Trigger End-of-Record-Ereignis
Stopp-Trigger2 Sample-Error-Ereignis

Tabelle 2: Trigger und Ereignisse bei NI-Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Geräten

2 Der Stopp-Trigger ist nur auf den Geräten NI PXIe-6545 verfügbar und kann nur für die Signalerzeugung eingesetzt werden.

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Frequenzauswahl

Bei der Auswahl einer Abtastrate ist zu beachten, dass die meisten NI-Digitalgeräte die Divide-Down-Methode einsetzen, um eine gültige Abtastrate festzulegen. Dabei wird der Onboard-Takt durch eine Ganzzahl dividiert. Eine Ausnahme hierzu sind die Geräte NI PXIe-6544/46, die für die Taktteilung die DDS-Methode einsetzen, welche einen größeren Taktfrequenzbereich ermöglicht.

Abbildung 1: Divide-Down im Vergleich zu DDS

 

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Fazit

Für die Ausführung einer Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O-Aufgabe ist es wichtig, alle Timing-Aspekte zu verstehen. Durch das Verständnis der Optionen für Abtasttakte, Referenztakte, Trigger und Ereignisse lassen sich voll funktionsfähige Digitalanwendungen einfacher erstellen. Der Einsatz der DDS-Funktionen der Geräte NI PXIe-6544/45 ermöglicht größere Frequenzbereiche, was die Flexibilität von NI-Digitalgeräten erhöht.

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