Vorteile der Timing- und Synchronisationsfunktionen von NI PXI

Inhalt

Dieses Whitepaper ist Teil der Serie "Was macht PXI zu NI PXI?". 

 

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Überblick

Mit den NI-PXI-Timing- und -Synchronisationsmodulen kann unter Verwendung des Triggerbusses, des Star-Triggers und des Systemreferenztakts der PXI-Plattform eine erweiterte Synchronisation implementiert werden, um mehrere Geräte zu synchronisieren. Aufgrund gemeinsamer Timing- und Synchronisationsfunktionen ist es möglich, die Genauigkeit von Messanwendungen erheblich zu verbessern, erweiterte Triggerfunktionen zu implementieren und mehrere Geräte für Anwendungen mit höherer Kanalanzahl zu synchronisieren. National Instruments ist der einzige größere Anbieter von Mess- und Prüflösungen mit einer Produktlinie für PXI-Timing- und -Synchronisationsfunktionen. Das Portfolio reicht von kostengünstigen Lösungen bis hin zum branchenweit leistungsstärksten Timing- und Synchronisationsmodul für PXI Express, dem NI PXIe-6674T, so dass eine Synchronisation bei zahlreichen Anwendungen durchgeführt werden kann.

Tab. 1: PXI-Timing- und -Synchronisationsmodule von National Instruments

 

Die NI-PXI-Timing- und -Synchronisationsmodule bieten folgende Funktionen:
• Steuerung von PXI-Triggerbus und PXI-Star-Trigger-Kanälen
• Erzeugung hochstabiler OCXO-PXI-Systemreferenztakte (CLK10)
• Erzeugung hochpräziser DDS-Takte
• Synchronisierung von PXI-Messgeräten mit GPIB, VXI und anderer Hardware
• Synchronisierung mehrerer PXI-Chassis

 

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Timing und Synchronisation für PXI- und PXI-Express-Chassis

NI bietet Timing- und Synchronisationslösungen sowohl für PXI- als auch PXI-Express-Chassis. PXI Express ist die aktuelle Weiterentwicklung der PXI-Plattform und ermöglicht eine optimierte Synchronisation von Messgeräte-I/O, wobei die Abwärtskompatibilität gewahrt bleibt. PXI Express verfügt wie die ursprüngliche PXI-Spezifikation über einen Backplane-Takt von 10 MHz sowie einen Single-ended-PXI-Triggerbus und ein meanderförmig angelegtes PXI-Star-Trigger-Signal. PXI Express ergänzt die Backplane um einen differenziellen Takt von 100 MHz sowie differenzielle Star-Trigger und bietet so einen erhöhten Signal-Rausch-Abstand und eine branchenweit einmalige Synchronisationsgenauigkeit (250 ps bzw. 500 ps Laufzeitunterschied zwischen den Modulen). Die NI-Timing- und -Synchronisationsmodule können die erweiterte Timing- und Triggerungstechnologie der PXI- und PXI-Express-Chassis voll ausnutzen.

Abb. 1: Timing- und Synchronisationsmerkmale von PXI-Chassis

 

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Signal- und zeitbasierte Synchronisation

Die PXI-Timing- und -Synchronisationsmodule von NI sind sowohl zu signal- als auch zeitbasierten Synchronisationsarchitekturen kompatibel, so dass sich mit ihnen flexibel benutzerdefinierte Anwendungen entwickeln lassen, um verschiedensten Anforderungen gerecht zu werden.

Abb. 2: Leistung signal- und zeitbasierter Synchronisationsarchitektur

 

Bei der signalbasierten Timing- und Synchronisationsarchitektur von NI PXI sind die Takte und Trigger der Subsysteme miteinander verbunden. So lässt sich gewöhnlich der höchste Grad an Präzision für die Synchronisation erreichen. Ab einer bestimmten Länge der Kabel zwischen den Subsystemen (etwa 200 m) lässt sich diese Leistung jedoch aufgrund von Laufzeitverzögerungen und Taktabweichungen nicht mehr erzielen.

Wenn der erforderliche Abstand zwischen synchronisierten Chassis zu groß ist, um Takt- und Triggersignale zuverlässig per Kabel zu übertragen, ist der Einsatz einer zeitbasierten Synchronisationsarchitektur notwendig. Mit einer Timing- und Synchronisationslösung für NI PXI lassen sich Referenzprotokolle für absolute Zeitangaben einsetzen, darunter IEEE 1588, GPS und IRIG-B, um eine Synchronisierung über große Entfernungen hinweg zu realisieren.

 

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Oszillatoren

Mit den in die PXI-Plattform integrierten Timing- und Synchronisationsfunktionen lässt sich ein Systemreferenztakt von 10 MHz bzw. 100 MHz auf der Backplane verteilen, um eine Synchronisation zwischen den Modulen innerhalb eines PXI-Chassis zu erzielen. Ebenso kann der 10-MHz-Referenztakt zwischen Chassis-Backplanes verteilt werden, um Module in mehreren PXI-Chassis zu synchronisieren. Der Systemreferenztakt wird von einer unabhängigen Oszillatorfrequenzquelle auf der Chassis-Backplane gesteuert. Oszillatoren generieren die vorgegebenen Frequenzen nicht perfekt; Genauigkeit, Stabilität und Jitter sind hierbei die wichtigsten Komponenten. Bei einem NI-PXI-Express-Chassis arbeitet der Oszillator mit einer Genauigkeit von 25 ppm. Wird der Timing-Steckplatz des Chassis mit einem NI-PXI-Timing- und -Synchronisationsmodul mit beheiztem Quarzoszillator (OCXO) bestückt, kann der Backplane-Systemreferenztakt durch eine Oszillatorfrequenzquelle ersetzt werden, die bei einer Genauigkeit von 50 ppb arbeitet. Wird das Chassis indessen mit einem NI-PXI-Timing- und -Synchronisationsmodul mit temperaturkompensiertem Oszillator (TCXO) bestückt, kann der Backplane-Systemreferenztakt durch eine Oszillatorfrequenzquelle mit einer Genauigkeit von 1 ppm ersetzt werden.

Abb. 3: NI PXIe-6674T – das branchenweit leistungsstärkste PXI-Timing- und -Synchronisationsmodul mit OCXO

 

Mit den NI-PXI-Timing- und -Synchronisationsmodulen lässt sich die Fehleranfälligkeit des Systemtakts verringern, indem eine Präzisionstaktquelle über mehrere PXI-Geräte hinweg gemeinsam genutzt wird. Wird ein PXI-Modul mit einem geringen Taktfehler im Timing-Steckplatz installiert, beispielsweise ein Modul mit einem OCXO oder TCXO, können PXI-Module mit PLL-Technologie (Phase-Lock Loop) den hochpräzisen Takt an diesem Steckplatz nutzen. Bei der Disziplinierung des PXI-10-MHz-Referenztakts auf eine NI-PXI-OCXO-Frequenzquelle kann eine Unsicherheit von 0,5 Hz erzielt werden. Bei der Disziplinierung des PXI-10-MHz-Referenztakts auf eine NI-PXI-TCXO-Frequenzquelle indes wird eine Unsicherheit von 10 Hz erreicht.

 

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NI-TClk

Bei Anwendungen, die die Synchronisation modularer PXI-basierter Hochgeschwindigkeitsmessgeräte erfordern, kann sich die Verteilung für die Synchronisation notwendiger Takte und Trigger aufgrund der durch Laufzeitunterschiede und Jitter verursachten Latenzen und Timing-Unsicherheiten als schwierig erweisen.

NI hat für die Synchronisation ein zum Patent angemeldetes Verfahren entwickelt, bei dem zur Abstimmung von Sample-Takten sowie zur Verteilung und zum Empfang von Triggern eine weitere Signaltaktdomäne namens NI-TClk zum Einsatz kommt. NI-TClk ermöglicht folgende Aufgaben:
• Abstimmung der Sample-Takte, sofern dies noch nicht initial durch die Phasenkopplung an den 10-MHz-Referenztakt erfolgt ist
• Präzise Triggerung synchronisierter Geräte

Die Technologie NI-TClk eignet sich für folgende Anwendungsfälle:
• Synchronisation modularer Hochgeschwindigkeitsmessgeräte mit einem Sample- oder Referenztakt
• Erweiterung der Synchronisation von einem einzigen auf mehrere PXI-Chassis für Systeme mit hoher Kanalanzahl, die ein Timingmodul einsetzen
• Homogene und heterogene Synchronisation: Geräte mit gleichen oder unterschiedlichen Abtastraten, die interne oder externe Sample-Takte verwenden

Die Technologie NI-TClk verbessert die Synchronisationsleistung PXI-basierter modularer Messgeräte. Die Schlüsselkomponenten der Software umfassen drei LabVIEW-VIs/C-Funktionen, die nicht parametrisiert werden müssen. Die Architekturen von NI-TClk ermöglichen synchronisierte Geräte mit Laufzeitunterschieden von maximal 1 ns zwischen den Geräten. Typische Laufzeitunterschiede liegen im Bereich von 200 ps bis 500 ps. Durch eine manuelle Kalibrierung des Sample-Takts auf jedem Gerät können die Laufzeitunterschiede zwischen den Geräten auf weniger als 30 ps abgesenkt werden.

Abb. 4: Erforderliche NI-TClk-Funktionen

 

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Weitere Vorteile von NI PXI

Weitere Informationen über die Plattform NI PXI erhalten Sie in den anderen Dokumenten dieser Serie:

Designvorteile der NI-PXI-Plattform

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