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ADQ8-大型多通道系統中的高精度同步

文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2020-10-19 18:17:00

在本應用筆記中,我們描述了如何在大型多通道系統中使用ADQ8上的菊花鏈功能來分配和校準觸發信號。該方法可用于在多個機箱之間實現200皮秒的時序校準。主要包括:

  • 菊花鏈觸發信號

  • 計算重啟時間

  • 更換已安裝系統中的設備

  • 校準

1 菊花鏈觸發

由多個數字化儀組成的數字化系統,如果需要同步,面臨的一個問題是如何分配觸發信號。無論采用哪種方法,最終目標都是相同的,同時觸發所有通道。一個不成熟的解決方案是將觸發信號分開,并通過等長的電纜傳遞給每個數字化儀。但是,這種解決方案并不能隨著系統中數字化儀的數量而擴展,最終,觸發信號的衰減程度超過了模擬輸入的靈敏度。此外,由于信號的衰減,觸發沿失真,精度也會下降。

為了解決這些問題,本系統采用了菊花鏈觸發機制。其理念是通過SYNC IN/OUT連接器將觸發信號從一個設備傳遞到下一個設備。然而,為了跟蹤所有設備的觸發點,需要一個公共時間范圍。由一個機箱組成的系統可以使用其內置的10 MHz時鐘參考,而由兩個以上的機箱組成的系統必須使用通過同等長度的電纜提供給每個機箱的外部源。如果不能以這種方式設置系統,就會導致機箱之間的時序網格出現偏差。

圖1給出了一個系統的框圖,該系統由兩個采用菊花鏈配置的機箱組成。菊花鏈中的第一個設備被指定為主設備,接下來是第一個從設備,之后是第二個從設備,以此類推。每次觸發信號通過一個從設備時,它都會重新同步到10MHz網格,即每個從設備都以一個明確定義的方式將觸發信號延遲一個10MHz周期(100 ns)。這意味著真實觸發點和從設備檢測到的觸發點之間的時間相對距離隨其到菊花鏈中與主設備的距離的增加而增加。反過來,這意味著每個從設備都必須在感知到的觸發點之前記錄數據,以便捕獲真實觸發點附近的數據。圖2給出了觸發過程開始的結果圖。

采集數據時,在采集成功后,從屬設備的觸發信息與主設備的觸發信息會進行調整。

圖片1.png

圖1 系統的菊花鏈觸發機制的框圖,該系統由橫跨兩個機箱的16個設備組成。


圖片2.png

圖2 菊花鏈觸發機制的時序圖,用于鏈中前三個設備:主設備和兩個從設備。


2 菊花鏈觸發

2.1重新準備時間

重新準備時間是從記錄結束到數字化儀能夠接受新觸發器的時間,即記錄之間的最短時間。對于ADQ8,其計算公式為:4000ns + N · 1ns(1)其中N是預觸發樣本的數量。使用菊花鏈觸發器時,預觸發樣本的數量取決于設備在鏈中的位置。從設備在位置P處的預觸發樣本數由下式給出:152+ 100·P(2),結合(1)和(2)得出重置時間方程為4152ns + P·100ns。

在重新準備期間,設備會忽略觸發發生。由于菊花鏈中各單元之間的預觸發樣本數量不同,因此在重新準備期間,一個設備的觸發會導致更早的設備觸發。因此,重要的是在重置窗口期間不發生任何觸發。

3 維護

本節介紹如何執行系統的基本維護。

3.1 更換設備

收到替換設備后,應執行以下操作:

  • 確認固件版本與其他設備匹配。

  • 校準新設備的時鐘參考延遲,請參閱第3.2節。

3.2 校準

對于新的數字化儀,必須對時鐘參考延遲進行校準。菊花鏈觸發時序必須在規格內進行校準。校準是針對特定插槽中的單個設備進行的,校準完成后,請勿移動設備。

校準將使新的數字化儀的延遲與參考數字化儀相匹配。參考數字化儀可以是與新器件位于同一機箱內的任何數字化儀。

3.2.1 校準文件

每個底盤都有一個校準文件在%LOCALAPPDATA%\SP Devices\calibration\delays_chassis_tspd1_tspd2_tspd3.csv,該文件包含所有機箱的校準數據。文件中的每一行都包含特定機箱插槽中一個數字化儀的校準值。當校準一個新的數字化儀時,需要該校準文件。校準完成后,必須用新的值手動更新該文件。

3.2.2 要求

  • 能夠產生1MHz信號的方波發生器。

  • 250MHz低通濾波器

  • 50歐姆信號分配器,至少1:2。

  • 一個先前校準的ADQ8數字化儀作為參考。此參考數字化儀必須與未校準的設備在同一機箱中。

  • Python 3

  • Python校準腳本

  • delays_chassis_tspd1_tspd2_tspd3.csv文件,帶有參考數字化儀的校準值。

3.2.3 校驗腳本

校準腳本需要Python 3.6或更高版本以及Python軟件包matplotlib和numpy。該腳本在每個數字化儀上收集1000條記錄,并測量每個記錄的相對延遲。延遲的平均值將被用作校準值。結果將被保存到data/calibrate_delay_single_adq8_/其中是機箱的主機名。該腳本分為兩個文件。

calibrate_delay_single_adq8.py 延遲校準腳本。從delay_calibration.py調用函數。

delay_calibration.py包含與數字化儀的接口、保存和讀取數據的功能。直接調用該腳本不會有任何效果。

3.2.4 校準程序

校準步驟如下所述。在進行校準時,數字化儀應處于其工作溫度。為了在冷啟動后達到工作溫度,數字化儀必須在初始化后開機一小時。軟件首次連接到數字化儀時,本機將被初始化。

1. 如果機箱已經關閉,請通過采集一次數據來初始化數字化儀。初始化后,讓數字化儀加熱至少一個小時。

2. 關閉與數字化儀通信的所有軟件。

3. 將1 MHz信號連接到新設備和參考設備的通道1。該信號應通過低通濾波器和分路器連接。

  • 信號必須連接到通道1。

  • 分路器的電纜長度必須匹配。

振幅應該在0.8 Vpp左右,偏移量為零。如果振幅過低或過高,腳本將失敗。

4. 斷開連接機箱和其他機箱的菊花鏈電纜。機箱內連接數字化儀的菊花鏈電纜必須為所有設備保持連接。

5. 更新校準腳本中的以下值:

new_device_sn:新數字化儀的序列號。

reference_device_sn: 參考數字化儀的序列號。

delayfile_path:延遲文件的路徑。Delays_chassis_tspd1_tspd2_tspd3.csv文件的路徑,包含參考設備的校準值。

6. 通過發出以下命令來運行校準:

> python calibrate_delay_single_adq8.py

從Python終端。 輸出示例:

Found reference delay 100.0 for device SPD-06512 in delay file

Setting ”number_of_records” to 1000

Setting ”data_path” to data\calibrate_delay_single_adq8_tspd5

Enumerating devices..

Found device: SPD-06512

Found device: SPD-06784

[...]

Measuring delays

Saving delay metrics to data\calibrate_delay_single_adq8_tspd5\delay_metrics.txt

Max delay: [’176.85’, ’0.00’]

Min delay: [’118.95’, ’0.00’]

Abs diff : [’57.89’, ’0.00’]

Std. dev.: [’11.94’, ’0.00’]

Mean: [’142.82’, ’0.00’]

Delays: [’242.82’, ’100.00’]

Plot delays..

Saving delay figure to data\calibrate_delay_single_adq8_tspd5\delays.png

Saving delays to: data\calibrate_delay_single_adq8_tspd5\

delays_chassis_tspd5_dev_SPD-06784.csv

7. 驗證圖中的延遲。 參考設備的延遲應為零。 新設備的延遲應在±250ps之內。

8. 將新設備校準值的行從生成的.csv文件復制到delays_chassis_tspd1_tspd2_tspd3.csv文件。

9. 更新所有機箱上的校準文件。


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