【虹科分享】適用于超高精度測量的PCIe數(shù)字化儀

過去的30年里，虹科Spectrum儀器儀表部門一直致力于設(shè)計和制造基于PC端的儀器，如用于電子測試和測量市場數(shù)字化儀和信號發(fā)生器產(chǎn)品。本公司最近決定替換其廣受歡迎的M2i.49xx系列數(shù)字化儀卡。M2i.49xx系列產(chǎn)品設(shè)計于十多年前，而隨著它們的老化，零部件采購變得更加困難。

對于虹科Spectrum工程師們來說，挑戰(zhàn)不僅在于與舊產(chǎn)品的規(guī)格相匹配，還要提供一些能夠為性能設(shè)定新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的東西；具體包括測量速度、準(zhǔn)確性和精度。此外，目標(biāo)是將所有新技術(shù)打包到一個半尺寸的PCIe卡中，以便能夠在更多的PC系統(tǒng)中使用。這意味著產(chǎn)品的整體尺寸要縮小一倍。

圖1顯示，M2p.59xx系列是舊款M2i.49xx數(shù)字化儀的一半大小。新產(chǎn)品提供更高的準(zhǔn)確性、采樣率、帶寬、內(nèi)存和數(shù)據(jù)傳輸速度。

▲ 圖1

本文將對虹科中檔位10到100 MS/s 16位數(shù)字化儀M2p.59xx與其前代產(chǎn)品M2i.49xx進(jìn)行比較，以下將詳細(xì)介紹新產(chǎn)品M2p.59xx功能的精進(jìn)之處。

02

采用更具模塊化的模塊設(shè)計

所有的虹科Spectrum數(shù)字化儀都采用模塊化設(shè)計，產(chǎn)品由一個基礎(chǔ)板和用于采集（ADC和放大器）以及其他外設(shè)的子板組成。基礎(chǔ)板通常集成了數(shù)字化儀的時鐘系統(tǒng)、電源、存儲器、存儲器管理系統(tǒng)和PCIe接口控制器。這種模塊化的方法使得一個基礎(chǔ)板可以支持多個具有不同性能水平的采集板，從而創(chuàng)建一系列共享相同技術(shù)的產(chǎn)品。

為了減小產(chǎn)品尺寸，虹科Spectrum設(shè)計了全新的基礎(chǔ)卡。尤其在時鐘設(shè)計上，新產(chǎn)品采用了純低抖動差分時鐘而非傳統(tǒng)的單端時鐘。差分時鐘可以通過確保ADC不受周圍環(huán)境的時鐘噪聲干擾來減小抖動。時鐘方案還采用了相鎖環(huán)（PLL）架構(gòu)，具有優(yōu)于±1 ppm的準(zhǔn)確性和高穩(wěn)定性。設(shè)計具有靈活性，可以內(nèi)部或外部時鐘模式，并確保通道之間良好的同步。另一個特點是時鐘可以通過Spectrum的Star-Hub時鐘和觸發(fā)分配系統(tǒng)輕松共享給其他數(shù)字化儀。實際上，Star-Hub可以同步時鐘和觸發(fā)最多16張卡，從而創(chuàng)建具有最多128個完全同步通道的數(shù)字化儀系統(tǒng)。

圖2顯示了M2p.59xx系列產(chǎn)品的簡單框圖。陰影綠色和紅色的部分是子板。綠色表示采集板，紅色表示Star-Hub選項。其他所有組件均位于主基礎(chǔ)板上。

▲ 圖2

03

采用新一代模數(shù)轉(zhuǎn)換器

任何數(shù)字化儀的核心都是ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。對于M2p.59xx系列，虹科Spectrum選擇了新一代ADC技術(shù)，提供了經(jīng)濟(jì)高效的多通道性能，同時可以處理廣泛的輸入信號頻率。Spectrum選擇了來自Linear Technology的16位ADC系列，具有從20 MS/s到125 MS/s的采樣率變種、引腳兼容性和LVDS接口。ADC還具有相對較低的功耗，非常適合多通道卡設(shè)計。

虹科Spectrum的設(shè)計始終在每個采集通道上配備了ADC和獨立的信號調(diào)理電路。這種組合使得能夠準(zhǔn)確捕獲不同幅度的信號。對于M2p.59xx系列產(chǎn)品，通道具有六個不同的信號輸入范圍（從±200 mV到±10 V的全量程）、信號偏移、可選擇的阻抗（50 Ω和1 MΩ）、過壓保護(hù)和校準(zhǔn)。通道還具有額外的功能，可以配置為單端或真差分模式。

04

減少噪聲影響

為了減小不受歡迎的噪音和串?dāng)_的影響，并最大程度地提高測量質(zhì)量，新產(chǎn)品特別關(guān)注對采集子板上的屏蔽。圖3顯示了定制設(shè)計的屏蔽板，有助于防止從其他PC組件或潛在的板載源（例如卡片FPGA使用的快速異步時鐘）收集噪音。類似地，通過特別關(guān)注模塊間連接和使用差分時鐘信號進(jìn)行同步，可以減少可能的電磁兼容性問題。

為了確保良好的性能，虹科Spectrum的工程師們還決定消除由低質(zhì)量PC電源可能引起的其他潛在問題。基礎(chǔ)卡片采用更好的電源設(shè)計，所有電源線都經(jīng)過濾波和直流轉(zhuǎn)換處理。這可以防止卡片的板載模擬部件收集到可能存在于ATX主板電源線上的任何噪音。

圖3顯示了一個八通道M2p.59xx系列數(shù)字化儀。箭頭所指的是保護(hù)高分辨率ADC和寬帶放大器不受不必要的噪聲源影響的屏蔽層。

▲ 圖3

05

提供卓越性能與多樣選擇

M2p.59xx數(shù)字化儀系列相較于老款M2i.49xx系列的8個型號，新增了20個型號，為客戶提供了更多的選擇和性能。該系列提供了1通道、2通道、3通道和8通道以及采樣率分別為20、40、80和125 MS/s的型號。最重要的是，新產(chǎn)品在信噪比（SNR）、無雜散動態(tài)范圍（SFDR）、總諧波失真（THD）和有效位數(shù)（ENOB）等參數(shù)上提供了出色的動態(tài)測量性能。

表1顯示了舊的M2i.49xx系列和新的M2p.59xx系列的基礎(chǔ)和頂級產(chǎn)品的比較。新產(chǎn)品的采樣率和帶寬明顯較高，它們的動態(tài)性大于等于老產(chǎn)品的整體能力。

▲ 表1

06

更快的自動化測試和數(shù)據(jù)流

表1同樣顯示了使用更快的PCIe總線的好處；數(shù)據(jù)傳輸速度從160 MB/s提高到700 MB/s以上。因此，較新的卡可以將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到PC RAM或存儲設(shè)備（如SSD），比老式設(shè)備快四倍以上。對于需要采集長時間連續(xù)信號的應(yīng)用，更快的流媒體速率也使數(shù)字化儀能夠以更高的采樣率運行。例如，一個雙通道數(shù)字化儀以125 MS/s的速度采樣，可以在不丟失任何信息的情況下連續(xù)流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)。同樣，一個四通道數(shù)字化儀可以以90MS/s的速度運行，八通道卡可以以45MS/s的速度運行。

虹科Spectrum卡的另一個特點是，它們也支持?jǐn)?shù)據(jù)流到最新的圖形處理單元（GPU）。這些卡包括Spectrum的Cuda Access for Parallel Processing（SCAPP）功能，允許在任何Spectrum數(shù)字化儀和PC之間直接使用基于CUDA的GPU。SCAPP的最大優(yōu)勢是，數(shù)據(jù)直接從數(shù)字化儀傳遞到GPU，在那里可以利用GPU板的多個（多達(dá)5000個）處理核心進(jìn)行高速并行處理。GPU是進(jìn)行數(shù)據(jù)成像和復(fù)雜信號分析（如FFT、平均、濾波和脈沖特征分析）的完美場所。

最后，更快的PCIe總線和SCAPP的結(jié)合為用戶提供了極大地減少自動測試和測量時間的可能性。

07

結(jié)論

虹科Spectrum用新的高精度產(chǎn)品系列來取代老化的M2i.49xx系列數(shù)字轉(zhuǎn)換器，由此產(chǎn)生的M2p.59xx系列體積更小，可以處理更廣泛的輸入頻率，而且測量速度更快，精度更高。軟件API接口是100%兼容的，使新舊卡的轉(zhuǎn)換非常容易。

此外，現(xiàn)有的OEM客戶在未來幾年內(nèi)還可以使用舊的系列。新數(shù)字轉(zhuǎn)換器的模塊化設(shè)計允許創(chuàng)建20個新模型；使用戶能夠選擇最符合其特定應(yīng)用的采樣率、帶寬和通道數(shù)量。結(jié)果還表明，設(shè)計良好的PCIe卡可以匹配或超越大多數(shù)傳統(tǒng)的臺式產(chǎn)品以及其他模塊化儀器。

以上是本期干貨分享。