Aufzeichnen unterschiedlichster, komplexer Signale

Digitizer dienen der Konvertierung elektrischer Signale in eine Serie von Messwerten, die dann als numerisches Datenfeld mit Amplitudenwerten über der Zeit ausgegeben werden. Um diese Informationen nutzbar zu machen, wird die Zeitinformation in der Regel auf einen bestimmten Referenzpunkt bezogen, der meist der Triggerposition entspricht. Der Triggerpunkt kann ein Ereignis sein, das innerhalb des gemessenen Signals eintritt oder aus anderen, externen Quellen stammt. Die Funktion des Trigger-Ereignisses besteht darin, die Zeitmessungen mit einem bekannten Zeitpunkt zu verknüpfen. Bei wiederkehrenden Signalen muss das Triggerereignis stabil sein, damit der Vergleich von Messungen einer Aufzeichnung mit denen anderer möglich ist.

Bild 1: Beispiel eines einfachen Flankentriggers mit Definition des Nullzeitwerts auf der Zeitachse (markiert durch senkrechte unterbrochene Linie). Bei Kreuzung von Wellenform und Triggerpegel (waagerechte unterbrochene Linie) mit positiver Flanke.Spectrum

Triggern ist eine wesentliche Funktion bei jedem Gerät, das der Aufzeichnung und Digitalisierung von Signalen dient. Bei der am häufigsten verwendeten Triggermethode wird das Signal genutzt, das in einen der Digitizer-Kanäle eingespeist wird. Das Grundprinzip besteht darin, einen Punkt in der Wellenform zu erkennen. Dieses Triggerereignis wird als bekannte Position in den aufgezeichneten Daten markiert. Bild 1 zeigt das Beispiel eines einfachen Flankentriggers. Signalquelle ist der Eingangskanal, wobei das Triggerereignis zu dem Zeitpunkt eintritt, zu dem die Wellenform den Triggerpegel bei 500 mV mit einer positiven Steigung schneidet. Tritt dies ein, wird die Position auf dem aufgezeichneten Signal als Nullzeitpunkt auf der Zeitachse entsprechend der Position des Cursors im Bild markiert. Handelt es sich um ein wiederkehrendes Signal, wird der Digitizer, immer wenn eine Aufzeichnung durchgeführt wird, zum gleichen Zeitpunkt getriggert, was zu einer stabilen Anzeige führt.

Digitizer mit äußerst flexiblen Triggereingängen

Die zahlreichen Ausprägungen verschiedener Signalwellenformen und -pegel sowie deren zeitliche Verläufe erfordern Digitizer mit äußerst flexiblen Triggerkreisen. In Bild 2 ist ein Blockschaltbild der Trigger-Engine eines Digitizers der Serie M4i von Spectrum dargestellt. Dies ist ein Beispiel für die umfangreichen Triggerbedingungen, die von modernen Digitizern unterstützt werden.

Bild 2: Blockschaltbild der „Trigger-Engine" eines Digitizers der Serie M4i von Spectrum einschließlich Triggerquellen und Triggerlogik. Spectrum

Die Hardware-Triggerquellen sind auf der linken Seite des Blockschaltbilds zu sehen. Sie umfassen alle Eingangskanäle sowie einen der beiden externen Triggereingänge (Ext0 oder Ext1). Jede dieser Quellen unterstützt mehrere Triggertypen. Die mehrfach nutzbaren E/A-Kanäle können unter anderem zur Meldung des RUN- beziehungsweise ARM-Status der Digitizer sowie zur Ausgabe eines Trigger-Ausgangssignals verwendet werden. Neben den Hardware-Triggerquellen gibt es auch einen Software-Trigger, der ein programmgesteuertes Triggern ermöglicht.

Zudem bietet der Digitizer leistungsstarke Trigger-AND/OR-Logikelemente zur Kombination von Eingängen mehrerer Quellen zu einem komplexen Triggersignal für mehrere Elemente. Die Funktionalität kann dazu genutzt werden, sicherzustellen, dass der Digitizer nur dann triggert, wenn speziell definierte Muster auftreten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mit bis zu sieben anderen Digitizer-Karten über die Star-Hub-Synchronisationsoption mehrere Geräte übergreifend zu triggern.

Mehrere Triggermodi unterstützen

Die wichtigsten Triggerquellen enthalten Komparatoren mit zweifachen Triggerpegeln und unterstützen mehrere Triggermodi. Dazu gehören Flankentrigger mit einfacher und doppelter Flanke, Re-arm- beziehungsweise Hysterese-Trigger und Fenstertrigger; für den Trigger mit mehreren Quellen gibt es zudem entsprechende Trigger-Tor-Generatoren.

Flankentrigger sind die einfachste Ausführung. Der Benutzer legt einen Triggerpegel fest und wählt die gewünschte Triggerflanke. Überschreitet das Quellensignal den Schwellenwert mit der gewählten Steigung, triggert der Digitizer. Für die Flanke stehen die Optionen positiv, negativ und positiv/negativ zur Auswahl. Der Flankentrigger ist der am häufigsten verwendete Modus.

Re-arm- oder Hysterese-Trigger dienen der Einstellung zweier Pegel: Der erste ist der Bereitschaftspegel, der zweite der eigentliche Triggerpegel. Wie beim Flankentrigger wählt der Benutzer auch hier eine Flanke. Zuerst muss das Signal den Bereitschaftspegel mit der gewählten Steigung schneiden, um den Trigger in den Bereitschaftsmodus zu versetzen. Der Digitizer triggert erst dann, wenn das Signal anschließend den Triggerpegel mit derselben Steigung schneidet. Die Re-arm-Triggermodi können dazu verwendet werden, den Digitizer daran zu hindern, an den falschen Flanken verrauschter Signale zu triggern.

Zwei Triggerschwellen je Triggerquelle

Fenstertrigger nutzen zwei Triggerschwellen je Triggerquelle zur Definition eines Amplitudenfensters. Es gibt die zwei Betriebsmodi Triggern beim Betreten des Fensters und Triggern beim Verlassen des Fensters. Beim Betreten erfolgt das Triggern, sobald das Quellensignal einen der Schwellenwerte schneidet und in das Fenster eintritt; beim Verlassen sobald das Quellensignal zwischen den beiden Triggerschwellen liegt und anschließend das Fenster verlässt. Fenstertrigger werden verwendet, wenn das Quellensignal seinen Status in beide Richtungen ändern kann.

Bild 3: Verwendung des High-Pegeltriggers auf CH0 zur Erzeugung eines Torsignals für die Auswahl des niedrigeren der beiden Impulse auf dem Kanal CH1. Spectrum

Bei einem Triggermodus mit mehreren Quellen und integrierter Triggerlogik ist es häufig erforderlich, einen Kanal für die Erzeugung einer Trigger-Freigabe zu verwenden, um einen Trigger von einem anderen Kanal zu ermöglichen. Dies kann durch Auswahl eines der Pegelmodi „High Pegel, Low Pegel, innerhalb Fenster oder außerhalb Fenster“ erfolgen. Diese Triggermodi erzeugen ein internes Torsignal, das zusammen mit einer zweiten Triggerquelle und einer AND-Logik zur Ansteuerung des Triggers verwendet werden kann. Bild 3 zeigt anhand eines Beispiels, wie man den High-Pegel-Trigger zur Ansteuerung einer Triggerquelle auf einem anderen Kanal verwenden kann.

Immer dann, wenn die Sinuskurve auf Kanal CH0 den Triggerpegel überschreitet, wird eine positive Steuerspannung erzeugt, solange der Wert dieses Signals über der Schwelle liegt. Diese Steuerspannung (Torsignal) wird in einer AND-Schaltung mit dem Signal auf Kanal CH1 verknüpft. Da das Torsignal nur solange positiv ist, wie der Impuls mit niedriger Amplitude auf Kanal CH1 vorliegt, triggert der Digitizer, wenn die Impulswellenform den im Bild als horizontale, rote unterbrochene Linie dargestellten Triggerpegel schneidet.

Triggerlogik bei mehreren Triggerquellen

Im Beispiel in Bild 3 ist eine mögliche Verwendung der verfügbaren Triggerlogik bei mehreren Triggerquellen dargestellt. Sowohl AND- als auch OR-Logikelemente werden unterstützt. Die am OR-Logikelement ankommenden Eingangssignale können von allen Kanälen stammen, externe Triggersignale oder das Ergebnis der Funktionen „Softwaretrigger“ oder „Trigger erzwingen“ sein. Die logische OR-Funktion ermöglicht das Triggern des Digitizers durch das Signal jeder dieser Triggerquellen. Die am AND-Logikelement ankommenden Signale können von allen Kanälen stammen, externe Triggersignale oder das Ergebnis der Funktion „Trigger aktivieren“ sein. Die AND-Funktion erfordert, dass alle ausgewählten Triggersignale gleichzeitig erkannt werden, um einen Digitizer-Trigger zu initiieren. Berücksichtigt man, dass die Triggermodi zum Ansteuern wie High-Pegel und Low-Pegel die Möglichkeit bieten, Eingänge logisch zu invertieren, können andere Logiken wie NAND und NOR realisiert werden.

Bild 4: Verwendung der OR-Triggerlogik zum Triggern auf dem Kanal, auf dem der früheste RF-Impuls auftritt.Spectrum

In Bild 4 ist ein Beispiel einer Funkortungs-Anwendung zu sehen, bei der eine OR-Triggerlogik zum Einsatz kommt. Jeder der Eingangskanäle ist mit einem Sensor verbunden. Die Richtung zur Quelle wird durch die Ankunftszeit des emittierten Impulses an jedem Sensor bestimmt. Über die Ortung der Quelle wird bestimmt, an welcher Quelle das Signal zuerst sichtbar ist. Die OR-Triggerlogik erlaubt dem Kanal mit dem frühesten Impuls, den Digitizer zu triggern. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass beide Sensorausgänge erfasst werden.

Triggern mit mehreren Quellen

Bild 5: Ein weiteres Beispiel für die Verwendung der AND-Triggerfunktion bei invertiertem Logikelement (Niedrigpegelmodus auf Ch0). Der Trigger erfolgt, wenn ein ausbleibender Impuls auf Kanal Ch0 im Abgleich mit der Impulsfolge auf Ch1 festgestellt wird.Spectrum

Ein weiteres Beispiel für einen Trigger mit mehreren Quellen ist in Bild 5 zu sehen. Hier werden zwei Taktsignale verglichen. Der Trigger mit niedrigem Impuls wird auf Kanal Ch0 eingerichtet, wodurch ein positives Torsignal erzeugt wird, sobald die Amplitude dieses Kanals unter den Triggerpegel fällt. Kanal Ch1 triggert an der positiven Flanke. Beide Triggerquellen sind über eine AND-Schaltung verbunden. Daher kommt es zu einem Triggerereignis, wenn auf Ch0 ein Impuls ausbleibt. Der fehlende Impuls in Bild 5 taucht zum Triggerzeitpunkt (time = 0) auf.

Weitere Triggerfunktionen

Es gibt zwei weitere erwähnenswerte Triggerfunktionen. Die erste ist die Trigger-Verzögerung, die dem letzten Element im Trigger-Blockschaltbild in Bild 2 entspricht. Diese Funktion verwendet einen 33-Bit-Zähler und ermöglicht es dem Benutzer bei den in diesem Artikel verwendeten 14- und 16-Bit-Digitizern der Serie M4i, das Triggerereignis um bis zu 8 bis 16 GSample Abtasttakte zu verzögern in Schritten von 16 Abtasttakten. Wird der Standardwert Null der Verzögerung geändert, ändert sich der Triggerpunkt auf der horizontalen Achse von Null in den eingegebenen Verzögerungswert.

Die zweite Funktion besteht im externen Triggerausgang und den Triggerstatusausgängen. Diese Funktionen eignen sich für die Synchronisation mehrerer Geräte. Triggerausgang-, ARM- und RUN-Status stehen über die mehrfach nutzbaren E/A-Kanäle gemäß dem Blockschaltbild in Bild 2 weiter oben zur Verfügung.

Theoretisch gibt es zwei Aspekte beim Synchronisieren von Geräten. Der erste besteht darin, einen gemeinsamen Trigger einzurichten. Beide Geräte mit einem synchronisierten Takt zu betreiben, ist der zweite Apsekt. Auch wenn dies sehr einfach erscheint, können Probleme beim Versuch, mehrere Digitizer zu synchronisieren, auftreten.

Externer Taktgeber

Der Takt kann mithilfe eines externen Taktgebers mit der gewünschten Taktfrequenz synchronisiert werden. Eine zweite Methode besteht darin, eine externe Referenz, beispielsweise 10 MHz, bereitzustellen. Diese wird dann in eine Phasenregelschleife (PLL) eingespeist, die zur Multiplizierung der Frequenz des Referenztakts bis zur gewünschten Taktfrequenz verwendet wird. Die Digitizer der Serie M4i von Spectrum verarbeiten beide Arten von externen Takten über einen gemeinsamen externen Takteingang. Dieser wird mit einer internen PLL verbunden. Der Benutzer stellt anschließend entweder die Multiplizierung eines Referenztakts oder die Phasenregelung auf den externen Takt ein und leitet den Takt ohne Frequenzänderung weiter. Dadurch wird zwar die richtige Frequenz für den Takt sichergestellt, es ist jedoch nicht garantiert, dass der Takt in jedem Digitizer dieselbe Phase aufweist.

Beim Synchronisationsprozess muss Triggerseitig berücksichtigt werden, dass der externe Triggereingang jedes Digitizers einen separaten Komparator zur Erkennung des Trigger-Pegeldurchgangs verwendet. Kleine Unterschiede beim Referenzpegel und Unterschiede bei Einrichtung und Haltezeiten können zu diskreten Änderungen bei der zeitlichen Trigger-Punktanordnung, einer Art Trigger-Jitter, führen.

Die einzige Möglichkeit, eine präzise Synchronisation mehrerer Digitizer sicherzustellen, besteht in der Verteilung des Taktsignals auf alle Module und in der Synchronisation des Triggerereignisses mit dem Systemtakt. Bei Digitizern von Spectrum lässt sich dies mithilfe des optionalen Star-Hub-Moduls erreichen.

Synchronisieren mehrerer Digitizer

Bild 6: Optionales Star-Hub-Modul bei der Synchronisation von vier Digitizern. Das Modul fungiert als Hub in Sternschaltung für Takt- und Triggersignale.Spectrum

Der in den angegebenen Beispielen verwendete Digitizer der Serie M4i von Spectrum verfügt auch über die optionale Synchronisationsfunktion namens Star-Hub (Bild 6). Das Star-Hub-Modul ermöglicht die Synchronisation von bis zu acht Karten derselben Familie. Es fungiert als Hub in Sternschaltung für Takt- und Triggersignale. Der Digitizer mit diesem Modul dient als Master für das Taktsignal, und diese oder irgendeine andere Karte kann der Master für das Triggersignal sein. Sämtliche Triggermodi, die auf der Master-Karte zur Verfügung stehen, stehen bei Verwendung des Star-Hub-Moduls ebenfalls zur Verfügung. Zudem erweitert die Master-Karte die AND/OR-Triggerlogik, wodurch Eingangssignale aller angeschlossenen Digitizer berücksichtigt werden können. Auch synchronisiert der Star-Hub verschiedene Einstellungen für Pre-Trigger, Speicherplatzgröße und Post-Trigger unter den Digitizern durch Synchronisation der ARM-Signale. Daher ist der Star-Hub die bevorzugte Methode für das Synchronisieren mehrerer Digitizer.

(ah)