本白皮书概述了利用 Moku:Pro 的多仪器模式的多频锁相放大器。
Moku:Pro 是一款片上仪器 (IoC) 测试系统，能够在单个基于 FPGA 的硬件平台上运行多台仪器。现在，借助多仪器模式，传统上由独立硬件盒或模块组成的整个测试设备系统，可以在单个 Moku:Pro 上实现。利用 FPGA 的动态重构功能，用户可以独立热插拔仪器，而不会影响系统中的其他仪器。此外，仪器之间可以互连，信号在数字域内完全传输，无需离开 FPGA。这实现了高数据速率和超低延迟，并且不会降低信噪比 (SNR)，而信噪比通常会因在独立硬件模块或盒中进行模数或数模转换而降低。
多仪器模式扩展了现有 Moku:Pro 仪器的多功能性，包括锁相放大器，现在可以配置为提供多频率和多谐波解调功能。
多仪器模式架构
图 1：Moku:Pro 上的多仪器模式用户界面 - 所有 4 个插槽均为空
图 1 显示了构建多仪器系统的起点。 Moku:Pro 的 FPGA 分为 4 个仪器“插槽”。 每个插槽代表 UltraScale+ FPGA 中的一个段，并且可以访问 Moku:Pro 的模拟输入和输出。 信号可以在数字域中的这些仪器之间传递，而无需离开 FPGA，因此具有确定性的纳秒级延迟，是无损的。 所有 4 个插槽都可以通过单击“同步”按钮进行相位同步。 用户可以灵活地将 Moku:Pro 的各个仪器放入这些插槽中，例如可以同时部署频谱分析仪、示波器和 PID 控制器。
多个振荡器、多个谐波：在多仪器模式下使用锁相放大器
锁定放大器通过在滤波之前将输入信号与已知稳定的本地振荡器混合，从嘈杂的背景中提取单个频率分量的幅度和相位。 在某些应用中，用户需要同时获得多个频率的幅度和相位信息，无论是来自单个振荡器的谐波还是来自任意频率的多个振荡器。 这通常需要额外的硬件、信号分离器或多个锁定放大器。
借助多仪器模式，用户现在可以灵活地在仪器插槽中放置最多四个锁相放大器。这消除了对多个硬件单元的需求，简化了复杂的实验室设置，从而降低了成本和配置时间。每个锁相放大器都可以独立配置其各自的本振，使用户能够解调 4 个任意频率的信号，例如一个基波和 3 个谐波等。Moku:Pro 可以解调高达 4 MHz 的 600 个信号，并具有 120dB 的动态范围和卓越的 混合ADC 噪声系数。
每个锁相放大器还可以连接到 Moku:Pro 的其他仪器，实现信号前或信号后调节、数据可视化和数据记录。
图 2 显示了具有三个锁相放大器和一个示波器的多仪器模式配置。
图 2：具有 3 个示波器的 1 个锁相放大器配置
输入 1 上的 ADC 配置为馈入插槽 1、2 和 3 以进行解调。 每个锁定槽中的本地振荡器都设置为调制频率的基波或特定谐波。 然后，这些本地振荡器与“同步”按钮同步，这是多锁相放大器应用中的一个重要功能。 解调信号然后通过 DAC 1、2 和 3 发送到模拟输出。同时，插槽 4 中的示波器配置为观察来自 Lock-in 1 和 Lock-in 2 的信号。信号路由是高度灵活； 所有插槽都可以访问所有输入和输出，并将高速数字信号共享到相邻插槽或信号总线以将信号发送到非相邻插槽。 利用 FPGA 中的动态重新配置，插槽 1、2 和 3 中的锁定可以保持运行，同时示波器与频谱分析仪无缝交换。 这允许在不干扰锁定放大器的情况下观察频率分量。
PID 控制器、滤波器、信号发生器等可以与锁定一起实施，以协同执行验证、分析和进一步的信号处理。
结语
Moku:Pro 的数字锁相放大器支持从直流到 600 MHz 的双相解调 (XY/Rθ)，动态储备超过 120 dB。混合 ADC 技术可确保从声波到射频的整个频谱范围内始终如一的低噪声。多仪器模式可灵活地以完全可定制的方式扩展这些功能，例如添加多个谐波或频率解调功能。这些优势相结合，使 Moku:Pro 成为一款功能强大且灵活的工具，可用于设计闭环控制系统并实现复杂的测试和测量场景。
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