このホワイトペーパーでは、Moku:Proのマルチインストゥルメントモードを利用したマルチ周波数ロックインアンプの概要を説明します。Mokuハードウェアプラットフォームは、高精度アナログハードウェアとFPGAベースのデジタル信号処理を、完全に再構成可能なアーキテクチャで組み合わせたものです。マルチインストゥルメントモードを使用すると、従来は個別のハードウェアやモジュールが必要だった複数の計測器を、1台のMoku上でまとめて構成および動作させることができ、計測器と信号ルーティングは内部FPGA上で並列に動作します。
FPGAの動的な再構成により、システム内の他の機器に影響を与えることなく、機器を個別に変更できます。また、信号をFPGAから出ることなくデジタル領域で機器間を直接ルーティングできるため、高データレートと超低遅延処理が可能になり、個別のハードウェア機器間で信号をルーティングする際に発生するアナログ-デジタル変換およびデジタル-アナログ変換の段を回避できます。この実装では、Moku:Proのマルチインストゥルメントモードで複数のロックインアンプが同時に展開され、単一のハードウェアプラットフォーム上で多周波数および多高調波復調が可能になります。
マルチインストゥルメントモードアーキテクチャ
図１は、複数の機器によるシステム構築の開始点を示しています。 Moku:Pro の FPGA は４つの計測器「スロット」に分割されています。 各スロットは UltraScale+ FPGA 内のセグメントを表し、Moku:Pro のアナログ入力および出力にアクセスできます。 信号はデジタル領域でこれらの機器間をFPGAから出ることなく受け渡すことができるため、ロスレスで確定的なナノ秒レベルのレイテンシーを実現します。 「Sync」ボタンを １回タップするだけで、４つのスロットすべての位相を同期できます。 ユーザーは、Moku:Pro の個々の計測器をこれらのスロットに柔軟に配置できます。たとえば、スペクトラムアナライザ、オシロスコープ、PID コントローラを同時に導入できます。
複数の発振器、複数の倍音：マルチインストゥルメントモードでのロックインアンプの使用
ロックインアンプは、フィルタリングの前に入力信号を既知の安定した局部発振器と混合することにより、ノイズの多い背景から単一周波数成分の振幅と位相を抽出します。一部のアプリケーションでは、ユーザーは、単一の発振器または任意の周波数の複数の発振器の高調波から、複数の周波数で同時に振幅と位相の情報を必要とします。これには多くの場合、追加のハードウェア、信号スプリッター、または複数のロックインアンプが必要になります。
マルチインストゥルメントモードにより、ユーザーは最大4台のロックインアンプをインストゥルメントスロットに配置できる柔軟性が得られます。これにより、複数のハードウェアユニットが不要になり、複雑なラボ環境が簡素化され、コストと設定時間を削減できます。各ロックインアンプはそれぞれ独自の局部発振器を使用して独立して構成できるため、例えば基本波と3つの高調波など、任意の周波数の4つの信号を復調できます。Moku:Proは、600dBのダイナミックレンジと優れた性能で、最大120MHzのXNUMXつの信号を復調できます。 ブレンドADC ノイズ指数。
各ロックインアンプは、他の組み込み機器にも接続でき、信号の前処理または後処理、データ可視化、およびデータロギングを可能にします。
図 2 は、XNUMX つのロックイン アンプとオシロスコープを備えたマルチ インストルメント モード構成を示しています。
ノイズに埋もれた微弱な目的成分を含む測定信号は、Moku:Proのアナログ入力1に入力され、対応するADCによってデジタル化されます。デジタル化された信号は、内部FPGA上でスロット1、2、3にルーティングされ、3つのロックインアンプによって並列復調されます。各ロックインスロットの局部発振器は、変調周波数の基本波または特定の高調波に設定され、位相が同期されているため、復調チャネル全体で一貫した位相関係が維持され、正確な多周波数および多高調波測定が可能になります。
復調後、得られた信号は内部的にDAC 1、2、3に送られ、対応するMoku:Pro出力でアナログ信号に変換されます。同時に、スロット4のオシロスコープは3つのロックインアンプからの信号を観測するように構成されており、追加の測定ハードウェアを必要とせずに、復調された出力をリアルタイムで監視および比較できます。
計測器間の信号ルーティングは、非常に柔軟に設計されています。各スロットはハードウェアの入出力にアクセスできる一方、高速デジタル信号は隣接するスロット間で直接伝送することも、内部信号バスを介して隣接していないスロットの計測器にルーティングすることもできます。内部FPGAの動的な再構成機能を利用することで、ロックインスロット1、2、3は動作させたまま、オシロスコープとスペクトラムアナライザをシームレスに切り替えて使用できます。これにより、ロックインアンプの動作を妨げることなく周波数成分を観測できます。PIDコントローラ、フィルタ、信号発生器などの追加計測器をロックインアンプと並行して配置することで、リアルタイム制御、検証、解析、およびさらなる信号処理を並列に実行できます。
結論
Moku:Proデジタルロックインアンプは、DCから600MHzまでの周波数帯域で、120dB以上のダイナミックレンジを備えたデュアルフェーズ復調（XY/Rθ）をサポートします。マルチインストゥルメントモードでは、複数のロックインアンプを同時に動作させることで、多周波数・多高調波測定に対応し、これらの機能を拡張します。位相同期動作と機器間の柔軟なデジタル信号ルーティングにより、Moku:Proは並列信号処理とリアルタイム解析のための強力で再構成可能なプラットフォームを提供します。
詳細については、こちらから マルチインストゥルメントモード.
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