Präzise Triggersteuerung mit DISB-Elektronik

Einführung

In der Spektroskopie kann der genaue Zeitpunkt des Messbeginns entscheidend sein, und dieser Zeitpunkt wird über die elektronische Schnittstelle des Spektrometers gesteuert. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie die Elektronik des Spektrometers Triggersignale und Belichtungszeiten verarbeitet, um sicherzustellen, dass die Messungen zum gewünschten Zeitpunkt beginnen und dass Signalintegration erfolgt nur während des definierten Integrationszeitraums.

Im Allgemeinen lassen sich drei Messszenarien identifizieren:

•  Das Spektrum ist stabil und zeitunempfindlich
•  Das Spektrum ist nur für eine begrenzte Zeit und zu bestimmten Zeiten vorhanden.
• Das Spektrum ändert sich mit der Zeit.

Bei stabilen, zeitunempfindlichen Signalen ist der genaue Startzeitpunkt der Spektralaufnahme im Allgemeinen nicht kritisch. In solchen Fällen ist die Integrationszeit Die Wahl des Triggers erfolgt einfach so, dass die Signalstärke maximiert wird, wodurch eine präzise Triggersteuerung weitgehend irrelevant wird. Selbst wenn sich das Spektrum langsam im Laufe der Zeit verändert – wie beispielsweise bei der UV-VIS-Absorption während der chromatographischen Trennung –, können die Veränderungen durch kontinuierliche Kurzzeitmessungen verfolgt werden, sodass eine präzise Zeitsteuerung ebenfalls überflüssig ist.

Steht das Spektrum jedoch nur für eine begrenzte Zeit oder in bestimmten Intervallen zur Verfügung, ist eine präzise Steuerung des Messstarts unerlässlich. Ohne genaue Zeitmessung kann es schwierig oder gar unmöglich sein, ein aussagekräftiges Signal zu erfassen.

In solchen Situationen muss die Elektronik des Spektrometers sowohl präzise als auch präzise Daten liefern. Triggering Die Möglichkeiten und die Flexibilität bei der Steuerung von Triggern, einschließlich ihrer Quelle und ihres Zeitpunkts, sind besonders wichtig für Anwendungen mit sich bewegenden Proben (z. B. Objekte auf einem Förderband, Strömung in einem Rohr oder Scansysteme) oder Systeme, die auf gepulsten Lichtquellen wie Lasern oder Blitzlampen basieren.

In anderen Fällen ändert sich das Spektrum selbst rasch, weshalb eine präzise Steuerung der Integrationsperiode ebenso wichtig ist. Ein klassisches Beispiel ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), bei der sowohl Beginn als auch Ende der Messung sorgfältig kontrolliert werden müssen. Das Emissionsspektrum des zerfallenden Plasmas entwickelt sich rasant auf Zeitskalen von Nanosekunden bis Millisekunden.

Bei Systemen mit gepulsten Lichtquellen, wie z. B. Xenon-Blitzlampen, bestimmt die Dauer des Lichtpulses das nutzbare Integrationsfenster. Auch in diesen Fällen trägt die präzise Steuerung des Integrationszeitpunkts des Spektrometers dazu bei, dass das Signal nur während der Emissionsphase der Lampe erfasst wird, wodurch unerwünschte Rauschbeiträge, wie z. B. …, reduziert werden. Dunkelstrom Die

In den folgenden Kapiteln werden wir die Triggering Die in der Elektronik des digitalen Bildsensorboards (DISB) von Ibsen Photonics verfügbaren Optionen werden zusammen mit wichtigen Timing-Überlegungen und Methoden zur Synchronisierung von Messungen mit externen Lichtquellen erläutert. Es ist wichtig zu beachten, dass die spezifischen Detektor Die in einem Spektrometer verwendete Array-Struktur hat einen starken Einfluss auf die erreichbare Präzision bei der Steuerung des Beginns und des Endes der Integrationsperiode.

Typische Messaufbauten

Bei spektroskopischen Messungen ist die zeitliche Beziehung zwischen dem Spektrometer und dem Lichtquelle Jedes externe Steuerungssystem wird über Triggersignale und eine Reihe fester und variabler Verzögerungen definiert. Ein Triggersignal ist typischerweise ein elektrisches Signal – meist ein Übergang zwischen Spannungspegeln, oft durch TTL-Logik zwischen 0 V und 3,3 V oder 5 V definiert –, das ein Gerät anweist, eine bestimmte Aktion auszuführen, z. B. eine Belichtung zu starten oder einen Lichtimpuls auszusenden. Je nach System kann der Trigger entweder durch eine steigende Flanke (Übergang von niedrig nach hoch) oder eine fallende Flanke (Übergang von hoch nach niedrig) definiert werden. Die gewählte Triggerpolarität muss bei allen angeschlossenen Geräten einheitlich sein, um eine korrekte Synchronisierung zu gewährleisten.

Triggersignale können je nach Messaufbau aus verschiedenen Quellen stammen. Sie können von einem externen Controller (z. B. einer Zeiteinheit oder einem anderen) erzeugt werden. Datenerfassung System), durch das Spektrometer selbst oder durch das Lichtquelle Wenn es einen Triggerausgang bereitstellt. In vielen praktischen Systemen wird ein einzelnes Master-Triggersignal an mehrere Komponenten verteilt, um die Synchronisierung zu gewährleisten.

Wenn ein Triggersignal zur Steuerung eines gepulsten Lichtquelle Die Emission des Lichtimpulses erfolgt üblicherweise nach einer definierten Verzögerung relativ zum Triggerereignis. Auch das Spektrometer weist eine systembedingte Verzögerung auf und kann darüber hinaus so konfiguriert werden, dass die Integration nach einer zusätzlichen programmierbaren Verzögerung beginnt. 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, werden die Triggersignale sowohl dem Spektrometer als auch dem Lichtquelle Die Synchronisierung muss präzise erfolgen. Dies wird häufig durch eine gemeinsame Triggerquelle oder durch die Verteilung eines gemeinsamen Taktsignals an alle relevanten Geräte erreicht. In komplexeren Systemen kann ein digitaler Verzögerungsgenerator (DDG) eingesetzt werden, um die relative Zeitsteuerung mehrerer Triggersignale exakt zu regeln und so die Verzögerungen für Spektrometer und Messgerät unabhängig voneinander anzupassen. Lichtquelle mit hoher zeitlicher Auflösung.

Neben dem Beginn der Integration ist auch der Zeitpunkt des Ausleseprozesses ein wichtiger Faktor. In den meisten Spektrometersystemen ist der Detektor Die Messwerte werden erst nach Abschluss der Integrationsphase ausgelesen. Die Auslesezeit setzt daher eine grundlegende Grenze für die Häufigkeit aufeinanderfolgender Messungen. Bei Hochgeschwindigkeits- oder zeitaufgelösten Anwendungen muss diese Einschränkung bei der Auslegung des gesamten Zeitablaufs berücksichtigt werden.

Für bestimmte Anwendungen können fortgeschrittenere Messtechniken wie die Lock-in-Verstärkung eingesetzt werden. Bei Lock-in-Messungen wird das Messsignal mit einer bekannten Frequenz moduliert, und das Spektrometer wird mit dieser Modulation synchronisiert. Durch die selektive Messung von Signalen, die phasenstarr an die Modulationsfrequenz gekoppelt sind, lässt sich die Genauigkeit deutlich verbessern. signal-to-noise Verhältnis und Unterdrückung von Hintergrundbeiträgen.
Das Verständnis dieser grundlegenden Zeitbeziehungen ist für die korrekte Konfiguration eines Spektrometersystems unerlässlich, insbesondere bei Anwendungen mit gepulsten Quellen, transienten Phänomenen oder Hochgeschwindigkeitsmessungen.

Triggeroptionen für DISB-Elektronik

In vielen Fällen kann die Notwendigkeit eines externen DDG durch den Einsatz von DISB-Elektronik entfallen. Das DISB-System kann programmierbare Verzögerungen intern erzeugen, externe Triggersignale verarbeiten und Triggerausgangssignale (AUX0) bereitstellen. Diese Flexibilität und Kontrolle ermöglichen es dem Spektrometer, sowohl mit externen Geräten zu synchronisieren als auch diese aktiv zu steuern – beispielsweise mit … Triggering A Lichtquelle oder ein Verschluss – innerhalb eines einzigen, integrierten Zeitgebersystems.

Alle Elektronikkomponenten der DISB-Spektrometer unterstützen drei verschiedene Triggeroptionen.

1. Software-/SPI-Trigger
2. Externer Hardware-Trigger-Eingang
3. Interner Triggergenerator

Über die Register des DISB ist es möglich, einzelne oder alle Trigger zu aktivieren oder zu deaktivieren, um den Bedürfnissen einer bestimmten Anwendung bestmöglich gerecht zu werden.

Der Software-Trigger initiiert eine Messung, sobald ein bestimmter Software-Befehl direkt an das SENSOR CTRL-Register der DISB-Elektronik gesendet 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 im Mikrocontroller und der Übertragungslatenz der Kommunikationsschnittstelle abhängt, ist die Präzision des Messstarts begrenzt – typischerweise auf den Millisekundenbereich. Dieser Triggermodus eignet sich gut für Anwendungen, bei denen keine Zeitgenauigkeit im Submillisekundenbereich erforderlich ist, oder für Systeme, in denen die DISB-Elektronik die Steuerung übernimmt. Lichtquelle (siehe Kapitel 4.2.).

Darüber hinaus ist die DISB-Elektronik mit zwei externen Hardware-Triggereingängen (EXT_TRIG1 und EXT_TRIG2) ausgestattet, die Spannungspegel von 3,3 V oder 5 V akzeptieren und bei fallender Flanke des Triggersignals aktiviert werden. Dies ermöglicht eine große Flexibilität im System, da die Elektronik Triggersignale von mehreren Quellen und sogar mit unterschiedlicher TTL-Logik verarbeiten kann.

Abbildung 2 – Anschlüsse für Hardware- und Software-Trigger der DISB-101T-Elektronik. AUX0 und EXT_TRIGGER_2 sind elektrisch mit einem externen Anschluss sowie dem SPI-Anschluss verbunden.

Die Verzögerung zwischen dem Empfang des Triggersignals und dem Beginn der Messung kann in Schritten von 200 ns angepasst werden. Diese Methode ermöglicht die präziseste Steuerung des Beginns der Integrationsperiode und kann – je nach den Anforderungen – … Detektor Unterstützungen – führen zu einer Genauigkeit im Sub-Mikrosekundenbereich.
Der interne Triggergenerator ermöglicht es der DISB-Elektronik, autonom periodische Triggerimpulse zu erzeugen. Diese Funktion ist besonders nützlich in Messaufbauten, in denen die DISB-Elektronik als zentrale Steuereinheit fungiert und die Taktung aller angeschlossenen Geräte koordiniert. In solchen Konfigurationen kann der Ausgang „Hilfslampensteuerung“ (AUX0) verwendet werden, um Triggersignale an externe Komponenten wie beispielsweise eine Lampe zu verteilen. Lichtquelle oder ein mechanischer Verschluss.

Ein Beispiel ist die Aufnahme mehrerer Spektren mithilfe eines Detektor Dies weist eine Verzögerung zwischen dem Empfang eines Triggersignals und dem tatsächlichen Integrationsbeginn auf. In diesem Fall kann eine programmierbare Verzögerung zwischen dem internen Trigger und dem AUX0-Ausgang eingeführt werden, um sicherzustellen, dass Lichtquelle wird nur aktiviert, wenn die Detektor ist bereit, Daten zu erfassen.

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

Die Zeitparameter des internen Triggersystems sind hochpräzise konfigurierbar. Das Intervall zwischen den Triggerimpulsen kann in Schritten von 50 µs angepasst werden, während die Verzögerung zwischen dem Triggerereignis und entweder dem AUX0-Ausgang oder dem Beginn von Detektor Die Integration kann mit einer Auflösung von 200 ns eingestellt werden.

Zeitliche Überlegungen unter Verwendung des externen Hardware-Triggers

Standardmäßig arbeitet die DISB-Elektronik mit einer Taktfrequenz von 5 MHz, wodurch die Triggerverzögerung in 200-ns-Schritten angepasst werden kann. Bei der Anpassung der Verzögerung des externen Triggers müssen alle systembedingten Verzögerungen berücksichtigt werden. Detektor und/oder Elektronik, um die Startzeit des Detektor Integration mit Probenmessung.

Zu den üblichen Verzögerungen gehört die Laufzeitverzögerung (Td) der Elektronik, d. h. die Zeit, die ein Triggersignal benötigt, um die Elektronik zu durchlaufen und vom FPGA registriert zu werden, sowie die systembedingte Verzögerung. Detektor Startzeit oder Dummy-Scan-Auslesungen.

Wenn diese Werte bekannt und vor allem präzise mit sehr geringer Abweichung, dem sogenannten Jitter, definiert sind, wird das Erreichen einer genauen Zeitmessung relativ einfach.

Beispiele für inhärente Triggerverzögerungen

Ein praktisches Beispiel hierfür ist die Elektronik des DISB-101T, die auf dem S11639N-01 CMOS-Chip von Hamamatsu Photonics basiert. Detektor und bieten einen beeindruckend niedrigen Jitter von nur 10 ns.

Die DISB-101T-Platine weist eine Laufzeitverzögerung von 500 ns auf. Darüber hinaus Detektor Vom Empfang eines Sensorstartimpulses bis zum Beginn der aktiven Messung vergehen 3,5 Taktzyklen. Bei einer Taktfrequenz von 5 MHz entsprechen 3,5 Taktzyklen 700 ns. Zusammen mit der Laufzeitverzögerung von 500 ns ergibt sich daraus eine Gesamtverzögerung von 1200 ns vom Empfang des Triggersignals bis zum Beginn der Messung. Detektor beginnt mit der Integration des Signals.

Abbildung 3 – Zeitverzögerung, die dem DISB-101T und dem S11639 CMOS von Hamamatsu inhärent ist Detektor

Diese Gesamtverzögerung muss bei der Systemkonfiguration berücksichtigt werden. Wenn beispielsweise eine Verzögerung von 10 µs zwischen dem Empfang eines Triggersignals und dem Messbeginn erforderlich ist, muss die systembedingte Verzögerung von 1,2 µs (durch Signalausbreitung und -verzögerung) berücksichtigt werden. Detektor Die Antwortzeit muss 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 vom selben Typ verwalten. Detektor Familie, d.h. Anzahl der Pixel, Pixelhöhe, NIR-Verstärkung usw.

Kontrolle eines Lichtquelle vom DISB

Die DISB-Elektronik kann als Hauptsteuereinheit des Systems konfiguriert werden, indem sie Triggersignale an andere Komponenten wie Lichtquellen oder Jalousien sendet. In dieser Konfiguration gibt die DISB ein Triggersignal am AUX0-Pin (Zusatzlampensteuerung) mit einem präzise definierten Zeitverhältnis zum Beginn der Integrationsperiode aus.

Die Elektronik des DISB-101T weist beispielsweise eine systembedingte Verzögerung von ca. 1200 ns auf, die sich aus einer Laufzeitverzögerung von 500 ns und einer Detektor Startzeit von 3,5 Taktzyklen. Durch Anwenden einer äquivalenten Verzögerung auf das AUX0-Ausgangssignal kann die Aktivierung einer Lampe oder eines Lasers präzise mit dem Zeitpunkt synchronisiert werden, an dem Detektor beginnt seine aktive Messung. Dieser Ansatz ermöglicht auch die Kompensation jeglicher zusätzlicher Verzögerung, die durch die Lichtquelle selbst.

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

Beispiele für präzise Triggersteuerung

Es gibt viele Situationen, in denen Genauigkeit Triggering ist unerlässlich für konsistente und qualitativ hochwertige Messungen. Ein klassisches Beispiel ist die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), bei der das Signal typischerweise in drei Stufen definiert wird.

• Frühes Kontinuum ( Elektron -Ionenplasma) ~0-200 ns
• Atom-/Ionenemission ~200 ns bis 10-20 µs
• Molekülemission ~20 µs bis Millisekunden

Für die meisten Anwendungen ist nur die atomare/ionische Emission von Interesse, was bedeutet, dass selbst eine zeitliche Verschiebung von wenigen Mikrosekunden dramatische Auswirkungen haben kann. Eine ungenaue Zeitmessung kann dazu führen, dass das Signal vom Laserpuls selbst überlagert wird, während eine zu große Verzögerung dazu führen kann, dass die Emission vollständig verpasst wird.

Abbildung 5 – Intensität des LIBS-Signals von Aluminium als Funktion der Zeitverzögerung.

Ein weiteres, sehr relevantes Beispiel sind Xenon-Blitzlampen, die aufgrund ihrer breiten spektralen Emission häufig in UV-VIS-Anwendungen eingesetzt werden. Diese Lampen erzeugen Licht durch Ionisierung von Xenongas, wodurch ein kurzzeitiger Entladungsimpuls entsteht.
Da das emittierte Licht nur kurzzeitig – oft als einzelner Impuls oder Impulsfolge – existiert, ist eine präzise Steuerung des Spektrometertriggers unerlässlich. Die korrekte Zeitsteuerung gewährleistet, dass die Messung während der Emissionsperiode erfolgt, wodurch die Signalqualität maximiert und unnötiges Rauschen vermieden wird.