【虹科分享】适用于超高精度测量的PCIe数字化仪

过去的30年里，虹科Spectrum仪器仪表部门一直致力于设计和制造基于PC端的仪器，如用于电子测试和测量市场数字化仪和信号发生器产品。本公司最近决定替换其广受欢迎的M2i.49xx系列数字化仪卡。M2i.49xx系列产品设计于十多年前，而随着它们的老化，零部件采购变得更加困难。

 

对于虹科Spectrum工程师们来说，挑战不仅在于与旧产品的规格相匹配，还要提供一些能够为性能设定新的行业标准的东西；具体包括测量速度、准确性和精度。此外，目标是将所有新技术打包到一个半尺寸的PCIe卡中，以便能够在更多的PC系统中使用。这意味着产品的整体尺寸要缩小一倍。

 

图1显示，M2p.59xx系列是旧款M2i.49xx数字化仪的一半大小。新产品提供更高的准确性、采样率、带宽、内存和数据传输速度。

▲ 图1

 

本文将对虹科中档位10到100 MS/s 16位数字化仪M2p.59xx与其前代产品M2i.49xx进行比较，以下将详细介绍新产品M2p.59xx功能的精进之处。

 

02

  采用更具模块化的模块设计

 

所有的虹科Spectrum数字化仪都采用模块化设计，产品由一个基础板和用于采集（ADC和放大器）以及其他外设的子板组成。基础板通常集成了数字化仪的时钟系统、电源、存储器、存储器管理系统和PCIe接口控制器。这种模块化的方法使得一个基础板可以支持多个具有不同性能水平的采集板，从而创建一系列共享相同技术的产品。

 

为了减小产品尺寸，虹科Spectrum设计了全新的基础卡。尤其在时钟设计上，新产品采用了纯低抖动差分时钟而非传统的单端时钟。差分时钟可以通过确保ADC不受周围环境的时钟噪声干扰来减小抖动。时钟方案还采用了相锁环（PLL）架构，具有优于±1 ppm的准确性和高稳定性。设计具有灵活性，可以内部或外部时钟模式，并确保通道之间良好的同步。另一个特点是时钟可以通过Spectrum的Star-Hub时钟和触发分配系统轻松共享给其他数字化仪。实际上，Star-Hub可以同步时钟和触发最多16张卡，从而创建具有最多128个完全同步通道的数字化仪系统。

 

图2显示了M2p.59xx系列产品的简单框图。阴影绿色和红色的部分是子板。绿色表示采集板，红色表示Star-Hub选项。其他所有组件均位于主基础板上。

 

▲ 图2 

 

 

03

  采用新一代模数转换器

 

任何数字化仪的核心都是ADC（模数转换器）。对于M2p.59xx系列，虹科Spectrum选择了新一代ADC技术，提供了经济高效的多通道性能，同时可以处理广泛的输入信号频率。Spectrum选择了来自Linear Technology的16位ADC系列，具有从20 MS/s到125 MS/s的采样率变种、引脚兼容性和LVDS接口。ADC还具有相对较低的功耗，非常适合多通道卡设计。

 

虹科Spectrum的设计始终在每个采集通道上配备了ADC和独立的信号调理电路。这种组合使得能够准确捕获不同幅度的信号。对于M2p.59xx系列产品，通道具有六个不同的信号输入范围（从±200 mV到±10 V的全量程）、信号偏移、可选择的阻抗（50 Ω和1 MΩ）、过压保护和校准。通道还具有额外的功能，可以配置为单端或真差分模式。

 

 

 

04

  减少噪声影响

 

为了减小不受欢迎的噪音和串扰的影响，并最大程度地提高测量质量，新产品特别关注对采集子板上的屏蔽。图3显示了定制设计的屏蔽板，有助于防止从其他PC组件或潜在的板载源（例如卡片FPGA使用的快速异步时钟）收集噪音。类似地，通过特别关注模块间连接和使用差分时钟信号进行同步，可以减少可能的电磁兼容性问题。

 

为了确保良好的性能，虹科Spectrum的工程师们还决定消除由低质量PC电源可能引起的其他潜在问题。基础卡片采用更好的电源设计，所有电源线都经过滤波和直流转换处理。这可以防止卡片的板载模拟部件收集到可能存在于ATX主板电源线上的任何噪音。

 

图3显示了一个八通道M2p.59xx系列数字化仪。箭头所指的是保护高分辨率ADC和宽带放大器不受不必要的噪声源影响的屏蔽层。

 

▲ 图3

 

 

05

  提供卓越性能与多样选择

 

M2p.59xx数字化仪系列相较于老款M2i.49xx系列的8个型号，新增了20个型号，为客户提供了更多的选择和性能。该系列提供了1通道、2通道、3通道和8通道以及采样率分别为20、40、80和125 MS/s的型号。最重要的是，新产品在信噪比（SNR）、无杂散动态范围（SFDR）、总谐波失真（THD）和有效位数（ENOB）等参数上提供了出色的动态测量性能。

 

表1显示了旧的M2i.49xx系列和新的M2p.59xx系列的基础和顶级产品的比较。新产品的采样率和带宽明显较高，它们的动态性大于等于老产品的整体能力。

▲ 表1

 

 

 

06

  更快的自动化测试和数据流

 

表1同样显示了使用更快的PCIe总线的好处；数据传输速度从160 MB/s提高到700 MB/s以上。因此，较新的卡可以将数据流转到PC RAM或存储设备（如SSD），比老式设备快四倍以上。对于需要采集长时间连续信号的应用，更快的流媒体速率也使数字化仪能够以更高的采样率运行。例如，一个双通道数字化仪以125 MS/s的速度采样，可以在不丢失任何信息的情况下连续流转数据。同样，一个四通道数字化仪可以以90MS/s的速度运行，八通道卡可以以45MS/s的速度运行。

 

虹科Spectrum卡的另一个特点是，它们也支持数据流到最新的图形处理单元（GPU）。这些卡包括Spectrum的Cuda Access for Parallel Processing（SCAPP）功能，允许在任何Spectrum数字化仪和PC之间直接使用基于CUDA的GPU。SCAPP的最大优势是，数据直接从数字化仪传递到GPU，在那里可以利用GPU板的多个（多达5000个）处理核心进行高速并行处理。GPU是进行数据成像和复杂信号分析（如FFT、平均、滤波和脉冲特征分析）的完美场所。

 

最后，更快的PCIe总线和SCAPP的结合为用户提供了极大地减少自动测试和测量时间的可能性。

 

 

 

07

  结论

 

虹科Spectrum用新的高精度产品系列来取代老化的M2i.49xx系列数字转换器，由此产生的M2p.59xx系列体积更小，可以处理更广泛的输入频率，而且测量速度更快，精度更高。软件API接口是100%兼容的，使新旧卡的转换非常容易。

 

此外，现有的OEM客户在未来几年内还可以使用旧的系列。新数字转换器的模块化设计允许创建20个新模型；使用户能够选择最符合其特定应用的采样率、带宽和通道数量。结果还表明，设计良好的PCIe卡可以匹配或超越大多数传统的台式产品以及其他模块化仪器。

 

以上是本期干货分享。