Präzise Trigger-Steuerung mit DISB-Elektronik

Einführung

In der Spektroskopie kann der exakte Zeitpunkt des Messbeginns entscheidend sein. Dieser Zeitpunkt wird über die elektronische Schnittstelle des Spektrometers gesteuert. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie die Elektronik des Spektrometers mit Triggersignalen und Belichtungszeiten umgeht, um sicherzustellen, dass Messungen zum gewünschten Zeitpunkt beginnen und die Signalintegration ausschließlich während der definierten Integrationszeit erfolgt.

Im Allgemeinen lassen sich drei Messszenarien unterscheiden:

•  Das Spektrum ist stabil und zeitunabhängig.
•  Das Spektrum ist nur für eine begrenzte Dauer zu bestimmten Zeitpunkten vorhanden.
• Das Spektrum verändert sich als Funktion der Zeit.

Bei stabilen, zeitunabhängigen Signalen ist der genaue Startzeitpunkt der spektralen Erfassung in der Regel unkritisch. In solchen Fällen wird die Integrationszeit einfach so gewählt, dass die Signalstärke maximiert wird, und eine präzise Trigger-Steuerung ist weitgehend irrelevant. Selbst wenn sich das Spektrum im Laufe der Zeit langsam verändert – wie etwa bei der UV-VIS-Absorption während einer chromatographischen Trennung –, lassen sich diese Änderungen durch kontinuierliche Erfassung kurzer Messungen verfolgen, sodass auch hier keine präzise Zeitsteuerung erforderlich ist.

Wenn das Spektrum jedoch nur für eine begrenzte Dauer oder in bestimmten Intervallen verfügbar ist, wird eine präzise Kontrolle des Startzeitpunkts der Messung unerlässlich. Ohne genaue Zeitsteuerung kann es schwierig oder sogar unmöglich sein, ein aussagekräftiges Signal zu erfassen.

In solchen Situationen muss die Elektronik des Spektrometers sowohl präzise Trigger-Funktionen als auch Flexibilität bei der Steuerung der Trigger bieten, einschließlich ihrer Quelle und ihres Zeitverhaltens. Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen mit sich bewegenden Proben (z. B. Objekten auf einem Förderband, Strömungen in einem Rohr oder Scansystemen) oder bei Systemen, die auf gepulste Lichtquellen wie Laser oder Blitzlampen angewiesen sind.

In anderen Fällen verändert sich das Spektrum selbst schnell im Laufe der Zeit, weshalb eine präzise Steuerung der Integrationszeit gleichermaßen wichtig ist. Ein klassisches Beispiel ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), bei der sowohl der Start als auch das Ende der Messung sorgfältig kontrolliert werden müssen. Das Emissionsspektrum des abklingenden Plasmas entwickelt sich auf Zeitskalen von Nanosekunden bis Millisekunden rasch weiter.

Bei Systemen mit gepulsten Lichtquellen, wie Xenon-Blitzlampen, definiert die Dauer des Lichtimpulses effektiv das nutzbare Integrationsfenster. Selbst in diesen Fällen trägt eine präzise Steuerung der Integrationszeit des Spektrometers dazu bei, sicherzustellen, dass das Signal nur während der Emission der Lampe erfasst wird, wodurch unerwünschte Rauschbeiträge wie der Dunkelstrom reduziert werden.

In den folgenden Kapiteln werden wir die Triggeroptionen der Elektronik der Ibsen Photonics Digital Image Sensor Board (DISB) sowie wichtige Timing-Aspekte und Methoden zur Synchronisierung von Messungen mit externen Lichtquellen untersuchen. Es ist wichtig zu beachten, dass das im Spektrometer verwendete Detektorarray die erreichbare Präzision bei der Steuerung des Starts und Endes der Integrationszeit stark beeinflusst.

Typische Messaufbauten

Bei spektroskopischen Messungen wird die zeitliche Beziehung zwischen dem Spektrometer, der Lichtquelle und einem externen Steuerungssystem durch Triggersignale sowie eine Reihe von festen und variablen Verzögerungen definiert. Ein Triggersignal ist typischerweise ein elektrisches Signal – am häufigsten ein Übergang zwischen Spannungspegeln, oft definiert durch TTL-Logik zwischen 0 V und 3,3 V oder 5 V –, das ein Gerät anweist, eine bestimmte Aktion auszuführen, wie etwa das Einleiten einer Belichtung oder das Emittieren eines Lichtimpulses. Je nach System kann der Trigger entweder durch eine ansteigende Flanke (Low-to-High-Übergang) oder eine abfallende Flanke (High-to-Low-Übergang) definiert werden, und die ausgewählte Triggerpolarität muss über alle angeschlossenen Geräte hinweg konsistent sein, um eine ordnungsgemäße Synchronisierung zu gewährleisten.

Triggersignale können je nach Messaufbau von unterschiedlichen Quellen stammen. Sie können von einem externen Controller (z. B. einer Timing-Einheit oder einem Datenerfassungssystem), vom Spektrometer selbst oder von der Lichtquelle erzeugt werden, sofern diese einen Triggeausgang bereitstellt. In vielen praktischen Systemen wird ein einzelnes Master-Triggersignal an mehrere Komponenten verteilt, um die Synchronisierung sicherzustellen.

Wenn ein Triggersignal zur Steuerung einer gepulsten Lichtquelle verwendet wird, erfolgt die Emission des Lichtimpulses normalerweise nach einer definierten Verzögerung relativ zum Triggeereignis. Ähnlich weist das Spektrometer eine inhärente Verzögerung auf und kann darüber hinaus so konfiguriert werden, dass es seine Integration nach einer zusätzlichen programmierbaren Verzögerung startet. Diese Verzögerungen sind kritische Parameter, da sie die zeitliche Überlappung zwischen der Lichtemission und dem Integrationsfenster des Spektrometers bestimmen.

Um korrekte und reproduzierbare Messungen zu gewährleisten, müssen die sowohl dem Spektrometer als auch der Lichtquelle zugeführten Triggersignale ordnungsgemäß synchronisiert sein. Dies wird häufig durch die Verwendung einer gemeinsamen Triggerquelle oder durch die Verteilung eines gemeinsamen Timingsignals an alle relevanten Geräte erreicht. In fortgeschritteneren Aufbauten kann ein Digital Delay Generator (DDG) eingesetzt werden, um das relative Timing zwischen mehreren Triggersignalen präzise zu steuern, was eine unabhängige Anpassung der Verzögerungen für das Spektrometer und die Lichtquelle mit hoher zeitlicher Auflösung ermöglicht.

Zusätzlich zum Integrationsstart ist auch das Timing des Ausleseprozesses ein wichtiger Aspekt. In den meisten Spektrometersystemen wird der Detektor erst ausgelesen, nachdem die Integrationszeit abgeschlossen ist. Die Auslesezeit stellt daher eine fundamentale Grenze dafür dar, wie häufig aufeinanderfolgende Messungen erfasst werden können. Für Hochgeschwindigkeits- oder zeitaufgelöste Anwendungen muss dieser Aspekt bei der Auslegung des gesamten Timing-Konzepts berücksichtigt werden.

Für bestimmte Anwendungen können fortgeschrittenere Messverfahren wie die Lock-in-Detektion eingesetzt werden. Bei Lock-in-Messungen wird das Signal von Interesse mit einer bekannten Frequenz moduliert, und das Spektrometer wird mit dieser Modulation synchronisiert. Durch die selektive Messung von Signalen, die phasenstarre Beziehungen zur Modulationsfrequenz aufweisen, ist es möglich, das Signal-to-Noise-Verhältnis deutlich zu verbessern und Hintergrundbeiträge zu unterdrücken.
Das Verständnis dieser grundlegenden zeitlichen Zusammenhänge ist für die korrekte Konfiguration eines Spektrometersystems unerlässlich, insbesondere bei Anwendungen mit gepulsten Quellen, transienten Phänomenen oder Hochgeschwindigkeitsmessungen.

Triggeroptionen für die DISB-Elektronik

In vielen Fällen kann der Bedarf an einem externen DDG bei Verwendung der DISB-Elektronik entfallen. Das DISB-System ist in der Lage, programmierbare Verzögerungen intern zu erzeugen, während es gleichzeitig externe Trigggereingänge akzeptiert und Triggersignale (AUX0) ausgibt. Diese Flexibilität und Kontrolle ermöglichen es dem Spektrometer, sich sowohl mit externen Geräten zu synchronisieren als auch diese aktiv zu steuern – wie etwa das Triggern einer Lichtquelle oder eines Shutter – innerhalb eines einzigen, integrierten Timing-Rahmens.

Alle DISB-Spektrometerelektroniken unterstützen drei verschiedene Triggeroptionen.

1. Software- / SPI-Trigger
2. Externer Hardware-Triggereingang
3. Interne Triggerquelle

Über die Register des DISB ist es möglich, einen oder alle Trigger zu aktivieren oder zu deaktivieren, um den Anforderungen einer bestimmten Anwendung optimal gerecht zu werden.

Der Software-Trigger leitet eine Messung ein, wenn ein spezifischer Softwarebefehl direkt an das SENSOR-CTRL-Register der DISB-Elektronik übertragen wird. Dieser Befehl kann über SPI (Serial Peripheral Interface – eine direkte Schnittstelle zur DISB-Elektronik) oder über USB bei Verwendung der DISB-USB-Brücke übertragen werden.

Da diese Triggermethode von der Ausführungszeit des Befehls in Ihrem Mikrocontroller und von der Über Latenz der Kommunikationsschnittstelle abhängt, ist die Präzision des Messstarts begrenzt – typischerweise auf den Millisekundenbereich. Dieser Triggermodus eignet sich gut für Anwendungen, bei denen keine submillisekundengenaue Timing-Genauigkeit erforderlich ist, oder in Systemen, in denen die DISB-Elektronik die Lichtquelle steuert (siehe Kapitel 4.2.).

Hinzu kommt, dass die DISB-Elektronik mit zwei externen Hardware-Triggereingängen (EXT_TRIG1 und EXT_TRIG2) ausgestattet ist, die Spannungspegel von 3,3 V oder 5 V akzeptieren und an der abfallenden Flanke des Triggersignals aktiv werden. Dies ermöglicht eine hohe Flexibilität im System, da die Elektronik Triggereingänge von mehreren Quellen akzeptieren und sogar unterschiedliche TTL-Logiken verwenden kann.

Abbildung 2 – Anschlüsse für HW- und SW-Trigger auf der DISB-101T-Elektronik. AUX0 und EXT_TRIGGER_2 sind sowohl mit einem externen Anschluss als auch mit dem SPI-Anschluss elektrisch verbunden.

Die Verzögerung zwischen dem Empfang des Triggers und dem Start der Messung kann in Schritten von 200 ns angepasst werden. Diese Methode bietet die präziseste Steuerung des Starts der Integrationszeit und kann – abhängig von den Fähigkeiten des Detektors – zu einer Sub-Mikrosekunden-Genauigkeit führen.
Der interne Triggergenerator versetzt die DISB-Elektronik in die Lage, autonom periodische Triggerimpulse zu erzeugen. Diese Funktionalität ist besonders nützlich in Messaufbauten, bei denen die DISB-Elektronik als zentraler Controller dient und das Timing aller angeschlossenen Geräte koordiniert. In solchen Konfigurationen kann der Auxiliary Lamp Control-Ausgang (AUX0) verwendet werden, um Triggersignale an externe Komponenten wie eine Lichtquelle oder einen mechanischen Shutter zu verteilen.

Ein Beispiel ist die Erfassung mehrerer Spektren mit einem Detektor, der eine Verzögerung zwischen dem Empfang eines Triggersignals und dem tatsächlichen Start der Integration aufweist. In diesem Fall kann eine programmierbare Verzögerung zwischen dem internen Trigger und dem AUX0-Ausgang eingefügt werden, um sicherzustellen, dass die Lichtquelle erst dann aktiviert wird, wenn der Detektor bereit zur Datenerfassung ist.

Eine weitere Anwendung ist die Lock-in-Spektroskopie, bei der der interne Trigger die Messfrequenz definiert, während der AUX0-Ausgang die Modulation der Lichtquelle entweder direkt oder über einen Chopper- oder Shutter-Mechanismus steuert. Dies ermöglicht synchronisierte, abwechselnde Messungen des Referenz- und des ProbenSignals.

Die Timing-Parameter des internen Triggersystems sind mit hoher Präzision konfigurierbar. Das Intervall zwischen Triggerimpulsen lässt sich in Schritten von 50 µs anpassen, während die Verzögerung zwischen dem Triggevent und entweder dem AUX0-Ausgang oder dem Start der Detektorintegration mit einer Auflösung von 200 ns eingestellt werden kann.

Timing-Betrachtungen bei der Verwendung des externen Hardware-Triggers

Standardmäßig arbeiten die meisten DISB-Elektroniken mit einer Taktfrequenz von 5 MHz, wodurch sich die Trigger-Zeitverzögerung in Schritten von 200 ns anpassen lässt. Bei der Einstellung der Zeitverzögerung des externen Triggers müssen alle dem Detektor und/oder der Elektronik innewohnenden Verzögerungen berücksichtigt werden, um den Startzeitpunkt der Detektorintegration exakt mit der Probenmessung zu synchronisieren.

Zu den üblichen Verzögerungen gehören die Signallaufzeit der Elektronik (Td) – also die Zeit, die ein Triggersignal benötigt, um die Elektronik zu „durchlaufen“ und vom FPGA registriert zu werden –, die detektorspezifische Startzeit oder Dummy-Scan-Auslesevorgänge.

Wenn diese Werte bekannt und, was noch wichtiger ist, mit sehr geringen Schwankungen (bekannt als Jitter) präzise definiert sind, wird das Erreichen eines exakten Timings relativ unkompliziert.

Beispiele für inhärente Trigger-Verzögerungen

Ein praktisches Beispiel hierfür zeigt sich bei der Elektronik DISB-101T, die auf dem CMOS-Detektor S11639N-01 von Hamamatsu Photonics basiert und einen beeindruckend niedrigen Jitter von nur 10 ns aufweist.

Die DISB-101T-Platine weist eine Signallaufzeit von 500 ns auf. Darüber hinaus benötigt der Detektor 3,5 Taktzyklen ab dem Empfang eines Sensor-Start-Impulses bis zu dem Punkt, an dem er aktiv zu messen beginnt. Bei einer Taktfrequenz von 5 MHz entsprechen 3,5 Taktzyklen 700 ns. In Kombination mit der Signallaufzeit von 500 ns ergibt dies eine Gesamtverzögerung von 1200 ns ab dem Moment, in dem ein Triggersignal empfangen wird, bis zum Start der Signalintegration durch den Detektor.

Abbildung 3 – Inhärente Zeitverzögerung von DISB-101T und dem S11639 CMOS-Detektor von Hamamatsu

Diese Gesamtverzögerung muss bei der Systemkonfiguration berücksichtigt werden. Wenn beispielsweise eine Verzögerung von 10 µs vom Empfang eines Triggeingangs bis zum Messstart erforderlich ist, muss die inhärente Verzögerung von 1,2 µs (aus Signallaufzeit und Detektorreaktion) abgezogen werden. In diesem Fall sollte die DISB-Verzögerungseinstellung auf 8,8 µs (10 µs – 1,2 µs) konfiguriert werden, um das gewünschte Timing zu erreichen.

(*) Die DISB-Elektronik kann mehrere Detektoren derselben Detektorfamilie ansteuern (d. h. hinsichtlich Pixelanzahl, Pixelhöhe, NIR-Verstärkung usw.).

Ansteuerung einer Lichtquelle über die DISB

Die DISB-Elektronik kann als Master-Controller des Systems konfiguriert werden, indem sie Triggersignale an andere Komponenten wie Lichtquellen oder Shutter sendet. In dieser Konfiguration gibt die DISB ein Triggersignal am AUX0-Pin (Auxiliary Lamp Control) mit einem präzise definierten zeitlichen Bezug zum Beginn der Integrationszeit aus.

Beispielsweise weist die DISB-101T-Elektronik eine inhärente Verzögerung von ca. 1200 ns auf, bestehend aus einer Signallaufzeit von 500 ns und einer Detektorstartzeit von 3,5 Taktzyklen. Durch Anwendung einer äquivalenten Verzögerung auf das AUX0-Ausgangssignal kann das Einschalten einer Lampe oder eines Lasers präzise mit dem Zeitpunkt synchronisiert werden, zu dem der Detektor seine aktive Messung beginnt. Dieser Ansatz ermöglicht zudem die Kompensation jeglicher zusätzlicher Verzögerungen, die durch die Lichtquelle selbst verursacht werden.

Abbildung 4 – Zeitdiagramm, das zeigt, wie das AUX0-Ausgangssignal so eingestellt werden kann, dass es nach dem Start einer Messung auslöst

Beispiele für präzise Triggerregelung

Es gibt zahlreiche Situationen, in denen ein exaktes Triggering essenziell für konsistente und qualitativ hochwertige Messungen ist. Ein klassisches Beispiel ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), bei der das Signal typischerweise in drei Phasen unterteilt ist:

• Frühes Kontinuum (Elektron-Ionen-Plasma) ~0–200 ns
• Atomare/ionische Emission ~200 ns bis 10–20 µs
• Molekulare Emission ~20 µs bis Millisekunden

Für die meisten Anwendungen ist nur die atomare/ionische Emission von Interesse, weshalb selbst eine Verschiebung des Messzeitpunkts um wenige Mikrosekunden dramatische Auswirkungen haben kann. Ein ungenaues Timing kann dazu führen, dass das Signal vollständig vom Laserpuls überdeckt wird, während eine zu große Verzögerung zur Folge haben kann, dass die Emission komplett verpasst wird.

Abbildung 5 – Intensität des Aluminium-LIBS-Signals in Abhängigkeit von der zeitlichen Verzögerung.

Ein weiteres hochrelevantes Beispiel betrifft Xenon-Blitzlampen, die aufgrund ihrer breiten Spektralemission häufig in UV-VIS-Anwendungen eingesetzt werden. Diese Lampen erzeugen Licht durch Ionisation von Xenongas, wodurch ein kurzlebiges Entladungssignal erzeugt wird.
Da das emittierte Licht nur für eine sehr kurze Dauer existiert – oft als einzelner Puls oder als Serie von Pulsen –, ist eine exakte Steuerung des Spektrometertriggers unerlässlich. Ein präzises Timing stellt sicher, dass die Messung während des Emissionszeitraums erfasst wird, wodurch die Signalqualität maximiert und unnötiges Rauschen vermieden wird.