本白皮书概述了在 Moku:Pro 上使用多仪器模式的多频锁相放大器。Moku 硬件平台将高精度模拟硬件与基于 FPGA 的数字信号处理相结合，采用完全可重构架构。借助多仪器模式，以往需要单独硬件或模块的多种仪器可以在单个 Moku 上配置和运行，仪器和信号路由在内部 FPGA 上并行运行。
通过动态FPGA重配置，仪器可以独立更换，而不会影响系统中的其他仪器。信号也可以在数字域内直接在仪器之间路由，无需离开FPGA，从而实现高数据速率和超低延迟处理，同时避免了在独立硬件仪器之间路由信号时所需的额外模数转换和数模转换步骤。在此实现方案中，多个锁相放大器在Moku:Pro的多仪器模式下同时部署，从而在单个硬件平台上实现多频和多谐波解调。
多仪器模式架构
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其他嵌入式仪器，从而实现信号预处理或后处理、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。
测量信号包含被噪声掩盖的微弱目标分量，该信号被送入 Moku:Pro 的模拟输入 1，并由相应的 ADC 进行数字化。数字化后的信号随后在内部 FPGA 上路由至插槽 1、2 和 3，由三个锁相放大器进行并行解调。每个锁相放大器插槽中的本地振荡器均设置为调制频率的基频或特定谐波，并进行相位同步，从而在解调通道之间保持一致的相位关系，以实现精确的多频和多谐波测量。
解调后，生成的信号会被内部路由至数模转换器 1、2 和 3，转换为模拟信号并输出到相应的 Moku:Pro 输出端。同时，插槽 4 中的示波器被配置为观察来自所有三个锁相放大器的信号，从而无需额外的测量硬件即可实时监测和比较解调后的输出。
仪器间的信号路由设计高度灵活。每个插槽均可访问硬件输入和输出，高速数字信号既可在相邻插槽间直接传输，也可通过内部信号总线路由至非相邻插槽中的仪器。利用内部FPGA的动态可重构特性，锁相放大器插槽1、2和3可在示波器与频谱分析仪无缝切换时保持运行。这样便可在不干扰锁相放大器的情况下观察频率分量。此外，还可与锁相放大器并排部署PID控制器、滤波器和信号发生器等其他仪器，以并行执行实时控制、验证、分析和进一步的信号处理。
结语
Moku:Pro 数字锁相放大器支持从直流到 600 MHz 的双相解调 (XY/Rθ)，动态余量超过 120 dB。多仪器模式扩展了这些功能，允许多个锁相放大器同时工作，进行多频和多谐波测量。凭借相位同步操作和仪器间灵活的数字信号路由，Moku:Pro 提供了一个功能强大且可重配置的平台，用于并行信号处理和实时分析。
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