任意波形產生器的進階波形序列與觸發

多款 NI 模組化儀器提供進階波形觸發與序列功能,包括 任意波形產生器與 高速數位產品。

現代的任意波形產生器會執行內建深層記憶體,以儲存大型波形。您可以使用所謂的「連結與迴圈」,以序列方式產生這些波形。透過此功能,您可以根據預定的或動態順序產生波形,以建立複雜的波形序列。

圖 1 說明了三種獨特的波形,可儲存在 Signal Generator 記憶體中。

^{圖 1：儲存於記憶體}中的多個任意波形

將這些波形儲存在記憶體後,即可依序連結並迴圈。因此,在產生工作階段開始之前,您也必須將波形的排序指示儲存在記憶體中。NI 訊號產生器可將多個波形與多個序列指令儲存在內建記憶體中。圖 2 說明 NI Signal Generator 的記憶體使用方式。

^{圖 2：NI 訊號產生器會將多個波形儲存在內建記憶體中。}

圖 2 顯示了儲存在 Signal Generator 的波形可能佔用大量記憶體。舉例來說,以 100 MS/s 取樣 1 秒的波形佔用 200 MB。因此,有效使用 Signal Generator 的內建記憶體非常重要。事實上,使用波形連結與迴圈的其中一項優勢,就是能產生複雜的序列,同時使用最少的內建記憶體。

NI 訊號產生器提供的連結與迴圈選項分為 2 種連結與迴圈模式:序列模式與指令碼模式。使用序列模式,即可設定儀器,以將序列儲存在內建記憶體中,以產生預定的波形系列。另一方面,指令碼模式更為強大,因為您可以使用此方式建立動態波形序列,而所產生的波形會視硬體或軟體觸發器的狀態而定。此外,指令碼模式也會使用如「if/else」等條件陳述式,以執行分支波形序列。最後,您可以使用連結與迴圈模式,設定 Signal Generator 輸出一個或多個觸發訊號,並具備標記或標籤事件等功能。

序列模式

使用序列模式時,必須設定波形序列,讓每個步驟都包含 3 個參數的資訊:波形名稱、迴圈數量與標籤位置。圖 3 說明了一般指令碼所設定的參數。

^{圖 3：波形序列中設定的參數}

適用於序列的軟體程式設計介面,是運用 LabVIEW 中的 NI-FGEN 驅動程式進階任意序列面板建立的。使用此驅動程式,使用 niFGEN Create Arbitrary Sequence VI (如圖 4 所示) 撰寫序列指示至 Signal Generator。

^{圖 4：將序列寫入內建記憶體}

在這個 VI 中,序列指令會以 2 個陣列形式寫入:一組包含每個波形的反覆運算次數,另一組則包含每個波形的控點資訊。此外,您還可以建立更進階的序列,藉此輸出每個波形的標籤事件。啟用這個選項時,您必須設定第三個陣列,以指定每個波形的標籤偏移。

根據所選的觸發機制,您可以使用多種不同的模式產生序列中設定的波形。觸發活動可能會以軟體事件的方式發生,但在許多可用觸發線路中的硬體中,其發生率較高。使用 NI 訊號產生器時,可用於波形序列的觸發模式為單一觸發、連續觸發、步進觸發與突波觸發。產生每個波形時,每個模式都會提供不同的輸出選項。這些項目將於下方說明。

單一觸發器

單一觸發模式是所有觸發模式中最簡單的模式,因為這種模式在產生期間只會使用一次觸發。因此,在符合觸發條件之後,儀器就必須重新設定,才能再次啟動。單一觸發模式通常會使用觸發器做為開始觸發器,以開始產生波形。如圖 5 所示,Signal Generator 在等待接收啟動觸發時,輸出最後一個波形樣本。一旦符合此觸發條件,Signal Generator 就會開始產生波形或波形序列。 

^{圖 5：使用單一開始觸發器}排序

如圖 5 所示,Signal Generator 在開始觸發的上升緣開始輸出。不過請注意,啟動觸發到通道 0 輸出開始之間,會發生稍微延遲。這個延遲是取樣率與插值係數的函式,在 Signal Generator 規格中會說明。此外,請注意,在此特定情況下,已設定 2 個波形的序列以產生波形。產生序列中最後一個波形後,Signal Generator 會繼續驅動最後一個取樣值。

連續觸發

另一方面,在連續觸發模式中,會連續產生整個波形區段序列。收到觸發後,Signal Generator 就會開始以序列中第一個波形產生訊號。此外,Signal Generator 會輸出序列中的每個步驟,然後在序列完成後重新迴圈至第一步。 

^{圖 6：使用連續觸發器模式排序}

如圖 6 所示,開始觸發條件發生後,即會開始輸出。此外,Signal Generator 會繼續產生波形序列,直到產生工作階段停止為止。請注意,圖 5 註明,在時間 t2,Signal Generator 會迴圈至序列中的第一個波形。

步進式觸發

在步進觸發模式中,會使用觸發器來逐步查看序列清單中的每個波形。當產生工作階段開始時,第一個波形的迴圈次數將與該特定步驟的配置相同。在迴圈該波形進行適當的反覆運算次數之後,該波形的最後一個樣本會連續重複,直到接收下一個觸發。接收下一個觸發時,第二個波形會產生所設定的反覆運算次數。此流程會重複,直到產生最後一個配置波形為止。目前我們需要觸發條件才能再次啟動產生序列 (圖 7)。 

^{圖 7：使用步進觸發器模式排序}

如圖 7 所示,Signal Generator 會在接收第一個觸發時 t0 開始產生第一個波形。此外,它會繼續迴圈產生「Waveform0」,直到達到配置的迴圈數量 (在此情況下為 2 個)。在此特定情況下,您可以觀察到 ‘waveform0’ 已配置為 2 次迴圈。如圖 7 所示,Signal Generator 會持續驅動「Waveform0」的最後一個樣本,直到產生下一個波形的時間 t1 為止。

激發觸發

激發觸發模式與步進觸發模式相似,但序列中的每個波形在接收到的觸發之間都會連續重複。在此模式中,Signal Generator 會在接收觸發時開始產生波形。此外,它會持續迴圈以產生該波形,直到接收後續的觸發。唯有如此,它才會轉移至下一個波形 (見圖 8 的時序圖)。 

^{圖 8：使用突波觸發器模式排序}

如圖 8 所示,第一個觸發器會在「t0」時間接收,並讓 Signal Generator 產生序列的第一個步驟。請注意,Signal Generator 會繼續迴圈這個波形,直到接收到下一個觸發。因此,在「t1」接收第二個觸發時,Signal Generator 會繼續進行序列中的下一個步驟。

序列模式可讓 Signal Generator 接收觸發時輸出一系列波形,但仍有其限制。基本上,序列模式需要在開始產生訊號之前先設定每個步驟。若要設定動態指令碼 (輸出為條件式),您必須使用更進階的序列形式,稱為指令碼。

透過指令碼,Signal Generator 可根據系統中的硬體或軟體事件,動態輸出波形序列。此外,由於具備靈活性,因此是最進階的波形控制功能。您不但可使用指令碼在多個波形之間連結與迴圈,也可根據受測裝置中發生的事件產生條件波形。在本節中,您將探索使用數個範例指令碼的基本指令碼語言元素。

指令碼語言的基本概念

指令碼的基本概念是,可將具名波形儲存在 Signal Generator 的記憶體中,接著再由指令碼呼叫,以決定在特定時間所產生的波形。訊號產生之前,也會先下載指令碼至任意波形產生器。

在軟體方面,指令碼程式設計介面需要 3 個基本函式。圖 9 均如圖 9 所示。

^{圖 9：在 LabVIEW} 中設定指令碼

首先,每個波形都會下載至任意波形產生器 (AWG) 以具名波形的方式。必須撰寫具名波形,因為指令碼會根據波形的名稱來識別每個波形。第二,指令碼寫入波形。指令碼包含多個指令,會決定產生各個波形的順序。最後則啟動產生作業,而 AWG 則從輸出引擎開始產生波形。

指令碼觸發器簡介

指令碼觸發可產生更複雜的指令碼。透過指令碼,即可使用實際訊號判斷您應隨時產生的波形。這個訊號可能來自背板上的 PXI 觸發線路,也可能來自人機介面接頭的 PFI (可程式化功能介面) 觸發。

您可以使用 niFgen Configure Script Trigger VI,在軟體中設定指令碼觸發。使用這個函式,即可為特定觸發線路設定準位或邊緣觸發。在圖 10 中的函式呼叫之後,指令碼可以使用「scriptTrigger0」做為變數,以判斷產生各種波形的順序。

^{圖 10：設定指令碼觸發器}

在指令碼語言中,指令碼觸發器是與特定硬體條件相關的變數。如圖 10 範例指令碼所示,scriptTrigger0 必須評估為真實/虛假的布林邏輯陳述式。如圖 11 所示。

^{圖 11：評估指令碼觸發器}

由於使用指令碼觸發器,您可以在指令碼語言中使用條件陳述式,Signal Generator 可以輸出依賴實際受測裝置訊號的訊號。下一節將檢視指令碼語言的幾項基本陳述式,概述指令碼功能。

指令碼語言的基本概念

指令碼語言包含數個基本指令,會決定產生波形的順序。本節會列出基本指令,並逐步執行幾個使用這些指令的基本序列。基本的指令碼指令集包含下列指令:        

• Generate n – 指示輸出引擎產生 1 組波形的序列「n」次。
• 重複 直到 – 重複序列,直到符合特定條件為止。
• If/Else – 指令碼觸發器做為布林變數的條件陳述式。
• Wait until (等待至),是延遲陳述式,會讓輸出引擎等待到符合特定條件,以繼續產生訊號。
• Clear (清除) - 清除可能發生的任何觸發情形。

Repeat Until Command (重複至指令)

使用「Repeat until」(重複直到) 指令,即可重複產生波形,直到發生觸發為止。圖 12 顯示使用此指令執行簡易指令碼所需的指令集。

^{圖 12：使用「Repeat until」(重複直到) 指令的指令}範例

請注意,當中會使用「scriptTrigger0」做為決定應產生哪個波形的變數。使用圖 13 中的流程圖來呈現指令碼語言。

^{圖 13：包含「Repeat until」(重複直到) 指令的指令碼流程圖}

在此特定指令碼中,Signal Generator 首先會產生「Waveform0」。接著它會迴圈通過產生「Waveform1」並重複此波形,直到「scripttrigger0」已評估為 TRUE。發生這個事件後,Signal Generator 會在序列完成前產生「Waveform2」。圖 14 顯示了此指令碼所產生的輸出訊號。

^{圖 14：Signal Generator 輸出與「Repeat until」(重複直到) 指令碼}

如圖 14 所示,AWG 會繼續產生「波形1」,直到「scripttrigger0」已評估為 TRUE 為止。

Wait Until Command (等待至指令)

您可以使用「Wait until」(等待到) 指令,設定 Signal Generator 以停止產生任何波形,直到發生硬體狀況為止。圖 15 所示為使用「Wait until」(等待直到) 的範例指令碼。另請注意,將「scriptTrigger0」做為變數,用於判斷 AWG 何時會繼續產生波形。

^{圖 15：使用「Wait until」(等待直到) 指令的指令}範例

請注意在「Wait until」(等待直到) 陳述式前使用「Clear」(清除) 陳述式。Clear 陳述式用於忽略產生「Waveform0」時可能發生的任何觸發條件。圖 16 顯示了此特定指令碼的流程圖。

^{圖 16：包含「Wait until」(等待直到) 指令的指令碼流程圖}

在這個特定指令碼中,AWG 首先會產生「Waveform0」。之後,Signal Generator 會輸出最後一個波形 0 的樣本,直到符合觸發條件為止。發生觸發條件後,AWG 會繼續執行指令碼,並產生「waveform1」接著「waveform2」。圖 17 顯示產生器的實體輸出。

^{圖 17：Signal Generator 輸出與「Wait until」(等待直到) 指令碼}

If/Else 指令

您可以使用「If/else」指令序列,根據硬體條件來判斷波形產生的順序。此外,當這些指令堆疊在一起時,您可以使用這些指令來執行真值表,其中要產生的波形取決於數種觸發條件。圖 18 所示為使用「If/else」指令序列的簡易指令碼。

^{圖 18:使用「If/else」指令的範例指令}

此外,圖 19 顯示了波形產生的順序。

^{圖 19:包含「If/else」指令的指令碼流程圖}

在此範例中,AWG 首先會產生「Waveform0」。接下來評估「scripttrigger0」,以判斷下一個要產生的波形。如果「scripttrigger0」將評估為 FALSE,就會產生「Waveform1」。如果「scriptrigger0」將評估為 TRUE,就會產生「Waveform2」。圖 20 說明 AWG 的實體輸出,如時間函式所示。

^{圖 20:Signal Generator Output (使用「If/else」指令碼)}

在圖 20 中,當「scripttrigger0」評估為 TRUE 時,就會產生「Waveform2」。請注意,此範例僅顯示一個條件陳述式。National Instruments AWG 最多可設定 4 個指令碼觸發器。因此,您可以堆疊「If/else」陳述式以呈現更複雜的邏輯陳述式。

目前為止,本文件主要著重於使用輸入觸發器來控制訊號產生器的輸出。不過,訊號產生器能夠產生輸出觸發器,用於控制其他儀器的行為。輸出觸發有兩種類型：標記事件與資料標記事件。針對第一種類型,最多可以設定 1 個 (序列模式) 或 4 個 (指令碼模式) 觸發通道,以使用已設定的樣本編號變更同步狀態。相對而言，資料標記事件可將最多 4 位元的類比波形路由至最多 4 個觸發線路。透過這類輸出觸發,觸發狀態就會嵌入實際波形。

標籤活動

您可以使用標籤事件設定最多 4 個觸發通道,讓其狀態會隨特定樣本產生而同步變更。您可以在 Signal Generator 的人機介面或 PXI 背板上的 PFI 觸發線路上產生此數位脈衝。

標記活動會根據波形起點的偏移次數 (樣本數) 來指定。在序列模式中,您可針對序列中的每個步驟設定 1 個標籤事件。在指令碼模式中,您最多可以在特定波形的不同偏移點設定 4 個標籤。如圖 21 所示,與標籤相關的觸發線會在產生第 20 個樣本的時脈邊緣上插入。此外,您可以觀察到,在這個特定案例中,觸發線路的設定是要在取樣時脈的 40 個週期內進行插入。

^{圖 21:標籤事件輸出的時間}

請注意,您可以使用多種方式使用屬性節點設定標籤輸出的行為。如圖 21 所示,標籤活動已設定為取樣時脈的 8 個期間內的脈衝。您可以使用 niFgen 屬性節點來指定這個行為 (圖 22)。

^{圖 22:使用屬性節點}設定標籤事件

圖 22 說明可以設定輸出端子、輸出行為與脈衝寬度。雖然圖 22 中的標籤設定為脈衝,但您也可以改為設定輸出切換。

當必須同步化多個儀器時,標籤活動特別有用。此外,透過 PXI 訊號產生器,您可以輕鬆將標籤事件觸發器路由至多個模組,例如示波器、RF 向量訊號產生器或高速數位 I/O 硬體。

資料標籤事件

使用資料標記事件,最多可將四個波形資料位元匯出至實體觸發線路,以做為數位訊號。舉例來說,典型的 Signal Generator 會使用 16 位元 DAC (數位類比轉換器)。因此,產生訊號時,每次取樣率頻率的週期都會傳送 16 位元樣本至 DAC。此外,每個樣本最多可將 4 位元路由至實體觸發通道。因此,您可以將這 4 個波形位元設定為數位波形,以便與其他硬體進行同步化。

當特定資料位元在波形資料中切換時,資料標籤活動的數位等級會有所變化。如果波形資料位元在區段中切換多次,資料標籤準位就會每次改變。資料位元準位若高,則資料標籤準位就會高。此外,您可以將資料位元標記設定為使用反向邏輯。圖 23 顯示使用資料位元標記的訊號時序圖。

^{圖 23:波形的位元呈現}

如圖 23 所示,典型 Signal Generator 的每個樣本都包含一個 16 位元的數字。您可以在每個 Signal Generator 取樣時脈更新 16 位元數。圖 23 強調了每個 16 位元取樣的四個最低有效位元。如上所述,您可以將上述各個位元路由至實體觸發線路,以做為數位訊號。圖 24 的各資料位元觸發線路時序圖說明了數位觸發線路的行為。

^{圖 24:資料標籤事件時序圖}

圖 24 顯示,您可以將每個資料位元標記設定為外部觸發線路。請注意,每個樣本的位元值決定了觸發線路的狀態。在「DataBit3」中,請注意前三個時脈週期中的位元為「0」,並從「t2」開始變更為「1」。  正因如此,「PXI_Trig 3」的數位狀態在前 3 個期間保持在低處,並在時間「t2」時保持在高處。

使用資料標記活動,即可讓訊號產生器與其他裝置之間達到更緊密的同步化,因為您可以將其在硬體中進行運作。此外,多個 PXI 儀器之間的同步化作業更輕鬆,因為模組之間不需要外部連接。

透過 NI 訊號產生器的進階波形觸發與序列功能,即可產生複雜的波形,並在多台儀器之間達到同步化。此外,同步化的儀器也位於相同的實體 PXI 系統中。這樣一來,您就能執行複雜的測試訊號,並且與多組儀器緊密同步。圖 25 所示為包含多組儀器的測試配置範例。請注意,在 PXI 系統中,Signal Generator 可執行標籤活動或資料位元標籤功能,以控制其他儀器的運作。

^{圖 25:自動化 PXI 測試系統}

如圖 25 所示,Signal Generator 可為受測單元 (UUT) 提供激發訊號。此外,其他儀器也能使用主 Signal Generator 的激發,以同步方式介接 UUT。如需進一步了解 ATE 系統設計相關資訊,請自 測試系統資源函式庫下載一系列技術指南。

此外,您也可以使用 UUT 的激發訊號來判斷 AWG 的激發訊號。透過指令碼與指令碼觸發,即可根據實際的觸發活動控制訊號輸出。圖 26 為測試情境的程式方塊圖,當中的 Signal Generator 會根據來自 UUT 的數位控制訊號,產生一系列不同的訊號。透過指令碼執行,Signal Generator 即可即時回應這些數位控制訊號,而不會停止產生波形。

^{圖 26:使用動態序列}

在圖 26 中,已將 PFI0 與 PFI1 設定為指令碼觸發器,以便接收 UUT 的輸入。請注意,訊號產生器最多可以使用四個指令碼觸發器來控制訊號輸出。如果需要 2 個以上的控制通道,可以使用 PXI 時序與同步化模組將數位觸發訊號路由至 Signal Generator。

結論

NI 的現代訊號產生器能產生複雜且準確的類比訊號。因此,訊號產生器能產生多種訊號,並支援多種應用。

相關連結

• NI 訊號產生器