デジタル遅延ジェネレータ

デジタル遅延発生器（デジタル時間変換器とも呼ばれる）は、イベントのトリガー、同期、遅延、ゲーティングのための正確な遅延を提供する電子試験装置です。これらの発生器は、単一または複数のイベントを標準タイミング基準に基づいて電子的にタイミング制御する必要がある多くの実験、制御、プロセスで使用されます。デジタル遅延発生器は、一連のイベントを開始したり、イベントによってトリガーされたりします。通常の電子タイミングと異なる点は、出力同士、および開始イベントとの同期性です。

時間/デジタルコンバーターは逆の機能を実行します。

装置

デジタル遅延ジェネレーターは機能的にはパルスジェネレーターに似ていますが、タイミング解像度ははるかに細かく、遅延と幅のジッターははるかに小さくなります。

一部のメーカーは自社製品を「デジタル遅延・パルスジェネレーター」と呼び、遅延とパルス幅のコントロールに加えて、各出力に独立した振幅極性とレベルコントロールを追加しています。これにより、各チャンネルは遅延、パルス幅、振幅を個別にコントロールでき、トリガーは外部ソースまたは汎用パルスジェネレーターのような内部繰り返し周波数ジェネレーターに同期します。

一部の遅延ジェネレータは、デバイスをトリガーするための正確な遅延（エッジ）を提供します。また、ゲーティング機能も可能にする正確な遅延と幅を提供するものもあります。遅延ジェネレータには、タイミングチャンネルが1つしかないものもあれば、複数のタイミングチャンネルを持つものもあります。

デジタル遅延ジェネレータの出力は通常ロジックレベルですが、電磁干渉環境に対応するために高電圧出力を提供するものもあります。非常に過酷な環境向けには、一部のメーカーでは光ファイバーコネクタ付きの光出力および／または入力をオプションとして提供しています。一般的に、遅延ジェネレータは50Ωの伝送線路環境で動作し、反射とタイミングの曖昧さを最小限に抑えるために、特性インピーダンスで終端されます。

歴史的に、デジタル遅延発生器は遅延機能のみを備えた単一チャンネルデバイスでした（下記のDOT参照）。現在では、各チャンネルから遅延とゲート機能を備えたマルチチャンネルユニットが標準となっています。中には、他のチャンネルを参照したり、複数のチャンネルのタイミングを1つに統合したりすることで、より複雑なマルチトリガーアプリケーションを実現できるものもあります。複数のレーザーと検出器をトリガーおよびゲート制御できます（「OHの平面レーザー誘起蛍光によるメタン/空気混合物のレーザー点火に関する実験的研究」の2番目の参照を参照）。別の例として、ユーザーが選択した数のフラッシュランプパルスでレーザーを励起するチャンネルがあります。別のチャンネルは、そのレーザーのQスイッチングに使用できます。そして、3番目のチャンネルは、レーザーの発射後、特定の時間にデータ収集システムまたはイメージングシステムをトリガーおよびゲート制御するために使用できます（下記のsensorsportal.com参照を参照）。

モード同期によって生成されたレーザーパルス列から単一のレーザーパルスを選択する、あるいはピッキングする機能は、一部の遅延発生器のもう一つの貴重な機能です。モード同期レートをデジタル遅延発生器の外部クロックとして使用することで、遅延とパルス幅を調整し、単一のパルスを選択し、他のイベントをその単一のパルスに同期させることができます。

用途

遅延ジェネレータは、高速イメージングアプリケーションにおいて高速光検出器を遅延およびゲートすることもできます。（下記の高速写真撮影に関する参考資料を参照）

デジタル遅延発生器は、通常、大規模なシステムや実験のタイミング制御の中核を担います。ユーザーは通常、システム全体または実験全体を単一の制御手段で制御するために、GUI （グラフィカルユーザーインターフェース）を作成します。デジタル遅延発生器のメーカーは、このようなGUIの作成を容易にするリモートプログラミング機能を提供しています。GPIB 、RS-232、USB、Ethernetなどの業界標準規格は、様々なメーカーから提供されています。

実験流体力学では、流体の流れを調べるためにデジタル遅延発生器が用いられます。粒子画像流速測定（PIV）の分野には、複数のレーザーをトリガーするタイミングの主要コンポーネントとしてデジタル遅延発生器を用いる複数のサブセットが含まれます。複数のチャネルから様々なレーザーをトリガーできます。また、複数のチャネルのタイミングを1つのチャネルに多重化することで、同じデバイスを複数回トリガーしたり、ゲートしたりすることも可能です。1つのチャネルから複数の多重化されたパルスを使用して、レーザーをトリガーしたり、カメラをゲートしたりできます。もう1つの便利な設定は、1つのチャネルでフラッシュランプをあらかじめ設定された回数駆動し、その後に単一のQスイッチ、そしてデータ収集システムまたは画像化システム用の遅延とゲートを設けることです。

負の遅延は、他のチャンネルを基準として選択できるデジタル遅延ジェネレータで利用できます。これは、基準よりも先にイベントが発生する必要があるアプリケーションに役立ちます。例えば、基準よりも先にシャッターを開ける場合などです。

デジタル遅延発生器は質量分析に使用されている。^[1]

マルチトリガーデジタル遅延ジェネレータ

新たな開発として、ゲーティングと外部トリガー、デュアルまたはマルチトリガー機能を備えたデジタルディレイジェネレータがあります。ゲート機能により、ユーザーは電子信号で出力やトリガーを有効化できます。一部の機種は、単一または別々のコネクタを使用してゲートまたはトリガー機能を備えています。デュアルまたはマルチトリガーのデジタルディレイジェネレータは、複数の入力トリガーを備えています。これらのトリガーは、任意のチャンネルまたはすべてのチャンネルを選択的にトリガーするために使用できます。

マルチトリガーバージョンは、インターロック、ラッチ、動的遅延調整、トリガーノイズ抑制を組み込むためのプログラマブルロジックコントローラタイプの機能を備えています。トリガーは、入力と出力をAND、OR、XOR、およびNegated形式で論理的に組み合わせることで形成されます。

LIDARアプリケーションでは、デジタル遅延発生器が使用されます。1つのチャネルはレーザーをトリガーするために使用されます。もう1つのチャネルは、データ取得システムに遅延ゲートを提供します。ゲーティングにより、不要なデータの大部分を無視しながら、関心領域のみを処理・保存できます。

デュアルトリガー・デジタルディレイジェネレータは、独立してトリガーされる2つのデジタルディレイジェネレータを1つのパッケージにまとめたものです。ベンチトップ型デジタルディレイジェネレータはマルチチャンネル化されているため、2つ以上の入力トリガーを使用し、各トリガーに反応するチャンネルを選択することが可能になりました。デュアルトリガー機能を実現する興味深いコンセプトとして、トリガー入力とゲート入力が別々に備わった機器において、ゲートを第2のトリガーとして動作させるというものがあります。

デザイン

DDGの設計における重要な課題は、水晶発振器の精度を持ちながら、基準発振器のエッジに量子化されないトリガー遅延を生成することです。デジタル遅延生成にはいくつかの手法が用いられます。

• 最も単純な方式では、デジタルカウンタとフリーランニング水晶発振器を用いて1クロックの不確定性を持つ時間間隔を測定し、非同期トリガに対して1クロック周期のピークツーピーク出力エッジジッタを実現します。この手法は、Quantum ComposerおよびBerkeley Nucleonicsの計測機器で使用されています。
• トリガ水晶発振器、LC発振器、または遅延線発振器は、トリガ時刻に起動され、粗い遅延を生成するためにカウントされ、その後、アナログの微調整または「バーニア」遅延によってクロック周期間の補間が行われます。強化策として、位相同期ループ（PLL）を使用して、起動可能な発振器をより正確な連続動作水晶発振器に同期させ、元のトリガ同期を維持する技術が用いられます。古典的なHewlett Packard 5359Aタイムシンセサイザは、ヘテロダイン位相同期技術を用いて水晶発振器に同期させたトリガECL遅延線発振器を使用していました。この技術はその後、Berkeley Nucleonics社およびLeCroy社の複数の遅延発生器に採用されました。Highland Technology社は、トリガLC発振器とDSP位相同期方式を採用しています。外部トリガに対するジッタは10ps RMS未満を実現できます。
• 電流源を用いてコンデンサを充電することで、数十ナノ秒の遅延範囲をカバーするアナログランプ遅延発生器を設計することが可能です。その後、水晶発振器でタイミングを計り、ランプ電流を整数クロック分停止させることができます。ランプ電流を停止することで、発振器をトリガに同期させることなく遅延範囲を拡大できます。この技術は米国特許4,968,907に記載されており、Signal Recovery計測器に採用されています。低遅延ジッタを実現できますが、リーク電流はミリ秒単位の遅延では深刻な誤差要因となります。
• フリップフロップベースのデュアルランク同期回路は、上記のケース(1)のように、外部トリガーをカウンタベースの遅延発生器に同期させるのに使用できます。これにより、入力トリガーとローカルクロック間のスキューを測定し、ショットごとにバーニア遅延を調整することで、トリガーとクロック間のジッタの大部分を補正することが可能になります。綿密なキャリブレーションを行うことで、数十ピコ秒RMSレベルのジッタを実現できます。スタンフォード・リサーチ・システムズ社はこの技術を採用しています。

参照

• プログラマブルロジックコントローラ
• 時間-デジタルコンバータ

参考文献

1. Sun, Qingyu; Nelson, Hosea; Ly, Tony; Stoltz, Brian M.; Julian, Ryan R. (nd), "Side Chain Chemistry Mediates Backbone Fragmentation in Hydrogen Deficient Peptide Radicals" (PDF) , Journal of Proteome Research , 8 (2): 958– 66, doi :10.1021/pr800592t, PMID  19113886, archived from the original (PDF) on 2010-10-10 , retrieved 2014-11-25 ,レーザーパルスは、質量分析計からデジタル遅延発生器を介してレーザーにTTLトリガー信号を供給することで同期された。

• デジタル遅延ジェネレータに基づくターゲット速度シミュレータ - 米国運輸省 DOT HS 809 811 セクション 4.10。
• 「OHの平面レーザー誘起蛍光によるメタン/空気混合物のレーザー着火の実験的研究」
• 「PIVを用いた乱流境界層に対する局所力の測定」
• http://www.sensorsportal.com/HTML/DIGEST/february_06/Pulse_Generator.htm
• 「高速写真撮影アプリケーション用光源としての繰り返しパルスルビーレーザー」
• 「単一光子検出モジュール」
• 「ライダーリモートセンシング」
• 「複数の出力を備えたプログラム可能なシーケンスジェネレータ」^{[永久リンク切れ]}
• Barnett, Cleon; Cahoon, Erica; Almirall, José R. (2008). 「レーザー誘起ブレークダウン分光法によるガラスの元素分析における波長依存性」. Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy . 63 (10): 1016– 1023. Bibcode :2008AcSpB..63.1016B. doi :10.1016/j.sab.2008.07.002.
• 「シンクロトロンタイミング - 複数チャンネル」

外部リンク

• http://www.berkeleynucleonics.com/resources/575_Multiplexing(1).pdf 「複数のパルス列による同期、遅延、ゲーティング」
• https://www.keysight.com/en/pd-1000001406%3Aepsg%3Apro-pn-5359A/time-synthesizer?nid=-536900193.536882162&cc=US&lc=eng
• http://www.quantumcomposers.com/
• http://www.greenfieldtechnology.com/
• http://www.signalrecovery.com/9650Apage.htm
• http://www.thinksrs.com/products/DG645.htm
• http://www.highlandtechnology.com/DSS/T560DS.html
• http://zone.ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6131 FPGAベース