由于單部儀器上的觸發(fā)/響應(yīng)通道有限，或因為需要混合信號的觸發(fā)/響應(yīng)信道，因此許多測試與測量應(yīng)用，將需要對多部儀器進(jìn)行時間控制與同步化。舉例來說，一部示波器可能最多有 4 個信道，而信號發(fā)生器最多有 2 個通道。從電子業(yè)的混合信號測試，到科學(xué)方面的雷射光譜學(xué)，這些應(yīng)用都需要對較多的通道進(jìn)行頻率與同步化，或必須針對數(shù)字輸入與輸出信道、模擬輸入與輸出通道，建立此兩分組之間的關(guān)系。

一、在應(yīng)用程序中的頻率與同步化

在電子業(yè)界，混合信號測試為測試設(shè)備與芯片內(nèi)建系統(tǒng)(SOC) 技術(shù)的一個重要層面。隨著將聲音、影像，與數(shù)據(jù)，結(jié)合在消費性電子產(chǎn)品與通信產(chǎn)品中的趨勢，對于此類技術(shù)的測試需求(從基本產(chǎn)品至RF) 則更需要精確的頻率與同步化。

基本上，混合信號設(shè)備具備多個數(shù)字與模擬信道。這些信道多半在一部 ATE 系統(tǒng)中同時進(jìn)行測試，以節(jié)省測試時間，并提高處理能力。此外，模擬信道還使用同步取樣系統(tǒng)進(jìn)行測試。同步取樣系統(tǒng)需要在模擬轉(zhuǎn)數(shù)字 (ADC) 與數(shù)字轉(zhuǎn)模擬(DAC) 測試中，將不同的頻率進(jìn)行同步化。在頻率領(lǐng)域測量中，這種同步作業(yè)可以減少頻譜泄漏 (spectral leakage)，因此非常需要此同步化作業(yè)。

以下 LabVIEW 圖表顯示異步取樣與同步取樣的效果。白色軌跡是異步頻率，采集幾次模擬正弦波周期。FFT 的頻譜溢漏造成光譜圖中的“下擺”。在同樣的取樣率下，同步取樣系統(tǒng)產(chǎn)生的是紅色軌跡。同步取樣的重要優(yōu)點之一，是因為信號采集時間較短，因此縮短了測試的時間。之所以能夠縮短采集的時間，是因為不需要采集額外的信號周期(這些額外的數(shù)據(jù)是應(yīng)用于數(shù)字窗口中，以便消除頻譜泄漏)。

原則上，能夠滿足市場上種類多樣設(shè)備彈性需求的ATE系統(tǒng)應(yīng)該為儀器提供衍生自主要參考頻率的不同頻率，以便進(jìn)行同步取樣。此外，這套系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供源自主要參考頻率的任意頻率頻率。

圖 1. 以T-Clock (TClk) 同步NI PXI-5421 任意波形發(fā)生器與NI PXI-5122示波器，以更短的時間與更高的準(zhǔn)確度，達(dá)到相位的同步

在通信方面，模擬及數(shù)字基帶I/Q信號的產(chǎn)生及采集需要相位偏移 (phase offset) 與控制。數(shù)字信號發(fā)生器/分析儀，以同步化任意波形發(fā)生器與示波器，以處理數(shù)字與模擬 I/Q 信號的產(chǎn)生與采集。舉例來說，在 3G W-CDMA 模式中，以接近 5 MHz 帶寬的信號而言，各信道之間的相位差距值及增益差距值，分別可以低到 0.003% 與 0.1%。在未來的 4G 通信模式中(例如多重輸入、多重輸出，MIMO)，將殷切需以同步化進(jìn)行多通道的基帶、IF，與 RF 信號產(chǎn)生與采集。一項正漸漸成形的技術(shù)──數(shù)字波束成形(Digital Beamforming)，正開始進(jìn)入多種應(yīng)用環(huán)境中，例如 4G MIMO 通信、國防，與航天工業(yè)的雷達(dá)應(yīng)用。數(shù)字波束成形需要具備數(shù)字能量降轉(zhuǎn) (downconversion) 引擎的多信道相位協(xié)調(diào)數(shù)字化系統(tǒng)。

在半導(dǎo)體業(yè)方面，實務(wù)上的數(shù)字測試可能要消耗數(shù)千個數(shù)字針腳。市場上典型的整合電路 (IC) 可能要占用數(shù)字 I/O 的 200 個針腳。在這種應(yīng)用環(huán)境中，多部數(shù)字信號發(fā)生器及分析儀進(jìn)行同步化，并以不可或缺的針腳對針腳偏斜與抖動，來處理大量接腳的 IC。

在消費性電子方面，組件的數(shù)字影像信號產(chǎn)生與采集，可能需要多達(dá)五種不同的信號：三個主要的影像信號、H-Sync，與 V-Sync。通過頻率與同步，可同步化任意波形發(fā)生器和示波器，分別產(chǎn)生并采集高畫質(zhì)的影像信號，像素速率可以逼近 165 MHz。CMOS成像傳感器(一種可望隨著影像電話與數(shù)字相機(jī)普及，而成為主流的技術(shù))，就是混合信號技術(shù)的范例。其中的任意波形發(fā)生器、示波器，與數(shù)字信號分析儀經(jīng)過同步化，供設(shè)計驗證與檢驗芯片或芯片組。

在物理科學(xué)方面，具備大量信道的數(shù)字化系統(tǒng)被應(yīng)用于電漿融合、雷射分散實驗，與粒子和天體物理學(xué)的光子/粒子偵測和追蹤。在這些例子里，具備大量信道的數(shù)字化系統(tǒng)用于以 2D 或 3D 方式重建時空現(xiàn)象。這種應(yīng)用方式需要多個通道同時取樣，有時甚至超過數(shù)百個通道。

在醫(yī)療診斷系統(tǒng)方面，由于出現(xiàn)低價位 12 與 14 位的 50 MHz ADC，3D 數(shù)字成像系統(tǒng)正在迅速取代模擬系統(tǒng)。這類系統(tǒng)往往擁有數(shù)百到一千多個通道。在非破壞性測試中，3D 超音波成像是通過包含 50 MHz 示波器的多信道系統(tǒng)所完成。一種比超音波成像更為進(jìn)步的成像方法──光學(xué)同調(diào)斷層掃描術(shù)(Optical coherence tomography，OCT)，可能需要數(shù)個示波器通道，以溝通多種光電二極管，進(jìn)行同步取樣。

正如這許多應(yīng)用領(lǐng)域所呈現(xiàn)的趨勢，頻率與同步技術(shù)，將是多信道信號/數(shù)據(jù)發(fā)生并采集的重要元素。

二、NI 的模塊儀器平臺

目前的NI模塊儀器硬件平臺為PXI3 與PCI。這2 種平臺在本質(zhì)上即為模塊形態(tài)，并且使用PCI 總線做為PC 和儀器之間的接口。

于 1997 年推出的 PXI 是一項開放標(biāo)準(zhǔn)，許多廠商提供各種 PXI 模塊，包含從影像采集到 RF 矢量信號分析儀。PXI 開始迅速獲得采用，主因是其小體積、可移植性、因采用 PCI 總線的高處理能力，與較低的價格；而 PXI 之所以擁有以上的特性，是因其采用龐大 PC 產(chǎn)品所開發(fā)出來的標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)技術(shù)。

就功能而言，PXI 擴(kuò)充了 CompactPCI 標(biāo)準(zhǔn)，加入局部總線與同步化功能。就同步測量而言，內(nèi)建至 PXI 中的重要組件包含參考頻率、觸發(fā)總線，與星型觸發(fā)總線3。

圖 2. CompactPCI 平臺的 PXI 頻率與觸發(fā)延伸圖解

	局部總線	觸發(fā)器	頻率	星狀觸發(fā)器總線
PXI	13條線路	8 TTL	10 MHz TTL	每個擴(kuò)展槽1個

三、同步化的建構(gòu)組件

要在多部設(shè)備之間取得同步化，則必須檢視頻率和觸發(fā)器的分布。同步化有兩種主要模式，但是在探討這些模式之前，我們必須先定義以下的用語。

取樣頻率、參考頻率、觸發(fā)器，與主要設(shè)備和從屬設(shè)備

由于并未標(biāo)準(zhǔn)化將測量設(shè)備同步化的信號名稱，可能會因為設(shè)備類型和制造商而有所不同。本文件使用以下名詞來指稱高速測量設(shè)備，以說明用于控制測量的不同類型信號。

取樣頻率是時間信號，用于控制示波器與信號發(fā)生器上的ADC 與DAC，以分別進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)數(shù)字與數(shù)字轉(zhuǎn)模擬操作。取樣頻率亦控制數(shù)字信號發(fā)生器/示波器，于取得或產(chǎn)生數(shù)字波型速度時的信號。在大多數(shù)的情況下，取樣頻率是一個周期信號，源自設(shè)備上的一個晶體振蕩器。晶體振蕩器技術(shù)的類型包含電壓控制式晶體振蕩器(VCXO)、溫度控制式晶體振蕩器(TCXO)，與恒溫晶體振蕩器(OCXO)。

參考頻率──許多儀器內(nèi)含相位鎖定環(huán)路(PLL)。PLL 可將其輸出頻率鎖定為其輸入端口的參考頻率。在儀器方面，雖然有許多儀器提供多種可允許的頻率做為參考頻率，但是常見的頻率為10 MHz。PLL 的輸出通常就是取樣頻率。PLL 允許取樣頻率頻率鎖定為參考頻率頻率。因此取樣頻率的絕對頻率準(zhǔn)確度與參考頻率的頻率準(zhǔn)確度相同。

觸發(fā)器信號控制在最高層級時的數(shù)據(jù)采集。外部事件或觸發(fā)器是啟動采集與信號產(chǎn)生的主要方法。觸發(fā)器有各種不同的形式，包括模擬、數(shù)字，與軟件。

主要設(shè)備及從屬設(shè)備──在建立同步化之測量系統(tǒng)時，通常將指定一部設(shè)備做為主要設(shè)備，其他一或多部設(shè)備為從屬設(shè)備。主要設(shè)備負(fù)責(zé)產(chǎn)生用于控制系統(tǒng)中所有測量設(shè)備的信號。從屬設(shè)備則接收來自主要設(shè)備的控制信號。

同步化的目標(biāo)，是精確地讓多部硬設(shè)備產(chǎn)生并接收模擬與數(shù)字信號。頻率與同步的分級之一，稱為同質(zhì)頻率(homogeneous timing) 與同步化──2 部設(shè)定相同的同樣設(shè)備，其取樣頻率之間具有精確的相位關(guān)系，同時開始產(chǎn)生并/或采集信號。以下的范例說明同質(zhì)同步化：

•  2 部示波器以200 MS/s 的速度采集數(shù)據(jù)，其取樣頻率之間具有精確的相位關(guān)系：在同一時間觸發(fā)、垂直增益設(shè)定、AC/DC 偶合設(shè)定、輸入阻抗設(shè)定、DC 偏移量設(shè)定，與模擬過濾器設(shè)定皆相同。

前一個范例中有一重要現(xiàn)象，就是同質(zhì)同步化的許多設(shè)定關(guān)聯(lián)。舉例來說，示波器前端的增益階段與模擬過濾器的延遲，將導(dǎo)致前端接頭與ADC 之間的延遲。

同質(zhì)同步化可能意指許多不同的狀況。以下的一些例子都可用于說明同質(zhì)同步化：

•  2 部示波器分別以200 MS/s 與100 MS/s 的速度采集數(shù)據(jù)，其取樣頻率之間具有精確的相位關(guān)系：在同一時間觸發(fā)、垂直增益設(shè)定、AC/DC 偶合設(shè)定、輸入阻抗設(shè)定、DC 偏移量設(shè)定，與模擬過濾器設(shè)定皆相同。

•  任意波形發(fā)生器與示波器均以100 MS/s 的速度進(jìn)行取樣，其取樣頻率之間具有精確的相位關(guān)系，并在收到觸發(fā)器信號時，以設(shè)定的時間延遲開始操作。

•  1 部示波器、數(shù)字信號發(fā)生器/分析儀，與任意波形發(fā)生器，分別以50 MS/s、200 MS/s，與100 MS/s 進(jìn)行取樣，其取樣頻率之間具有精確的相位關(guān)系，并在收到觸發(fā)器信號時，以設(shè)定的時間延遲開始操作。

以上的例子清楚說明同質(zhì)頻率與同步有許多可能性，得以處理應(yīng)用方面的需求。各設(shè)備上的不同設(shè)定，可導(dǎo)致在同一時間點上進(jìn)行取樣的信號/數(shù)據(jù)發(fā)生延遲。關(guān)鍵在于經(jīng)過同步化的系統(tǒng)校正，這一點將在本文后面進(jìn)行討論。

四、同步化模式之一：使用取樣頻率進(jìn)行同步化

主要設(shè)備可輸出觸發(fā)器信號與取樣頻率至從屬設(shè)備，以控制測量系統(tǒng)的運作。舉例來說，由多部示波器與信號發(fā)生器構(gòu)成的系統(tǒng)，將具備由主要設(shè)備提供的取樣頻率。如圖3 所示，主要設(shè)備的取樣頻率，將直接控制所有設(shè)備上的ADC 與DAC 頻率。舉例來說，NI 動態(tài)信號分析儀(如NI 4472 與NI 4461，分別為24 位104 kS/s 與208 kS/s) 即使用這種技術(shù)進(jìn)行同步化，應(yīng)用于聲音與振動測量。

這種模式是最單純的相位連貫取樣模式；多部設(shè)備接收相同的取樣頻率。因此所有設(shè)備都獲得相同的取樣頻率正確性、偏移，與抖動。這種模式的缺點在于無法滿足所有相位連貫同質(zhì)頻率的需求。

圖 3. 使用取樣頻率進(jìn)行同步化

五、同步化模式之二：使用參考頻率進(jìn)行同步化

亦可在多部測量設(shè)備之間使用相同觸發(fā)器與參考頻率，以達(dá)成同步化。在這種模式中，參考頻率可以由主要設(shè)備提供(主要設(shè)備必須內(nèi)建參考頻率)，或是由專用的高精度頻率來源提供參考頻率。

這種模式的優(yōu)點，即可從單一參考頻率取得同樣的取樣頻率，讓所有的取樣頻率皆鎖定于此相位。缺點是各設(shè)備上的相位連貫取樣，并不如直接使用取樣頻率那樣單純，因為每一部設(shè)備的時間都會產(chǎn)生影響，因此必須考慮到設(shè)備頻率的抖動問題。

PLL 即經(jīng)常采用此種模式進(jìn)行同步化，并產(chǎn)生取樣頻率。

圖 4. 使用參考頻率進(jìn)行同步化

圖 5. 高速的取樣頻率使用 PLL 進(jìn)行同步化。