過去的30年里，虹科Spectrum儀器儀表部門一直致力于設計和制造基于PC端的儀器，如用于電子測試和測量市場數字化儀和信號發生器產品。本公司最近決定替換其廣受歡迎的M2i.49xx系列數字化儀卡。M2i.49xx系列產品設計于十多年前，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，挑戰不僅在于與舊產品的規格相匹配，還要提供一些能夠為性能設定新的行業標準的東西；具體包括測量速度、準確性和精度。此外，目標是將所有新技術打包到一個半尺寸的PCIe卡中，以便能夠在更多的PC系統中使用。這意味著產品的整體尺寸要縮小一倍。

圖1顯示，M2p.59xx系列是舊款M2i.49xx數字化儀的一半大小。新產品提供更高的準確性、采樣率、帶寬、內存和數據傳輸速度。

▲ 圖1

本文將對虹科中檔位10到100 MS/s 16位數字化儀M2p.59xx與其前代產品M2i.49xx進行比較，以下將詳細介紹新產品M2p.59xx功能的精進之處。

02

采用更具模塊化的模塊設計

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

為了減小產品尺寸，虹科Spectrum設計了全新的基礎卡。尤其在時鐘設計上，新產品采用了純低抖動差分時鐘而非傳統的單端時鐘。差分時鐘可以通過確保ADC不受周圍環境的時鐘噪聲干擾來減小抖動。時鐘方案還采用了相鎖環（PLL）架構，具有優于±1 ppm的準確性和高穩定性。設計具有靈活性，可以內部或外部時鐘模式，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時鐘和觸發分配系統輕松共享給其他數字化儀。實際上，Star-Hub可以同步時鐘和觸發最多16張卡，從而創建具有最多128個完全同步通道的數字化儀系統。

圖2顯示了M2p.59xx系列產品的簡單框圖。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板上。

▲ 圖2

03

采用新一代模數轉換器

任何數字化儀的核心都是ADC（模數轉換器）。對于M2p.59xx系列，虹科Spectrum選擇了新一代ADC技術，提供了經濟高效的多通道性能，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計。

虹科Spectrum的設計始終在每個采集通道上配備了ADC和獨立的信號調理電路。這種組合使得能夠準確捕獲不同幅度的信號。對于M2p.59xx系列產品，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）、過壓保護和校準。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擾的影響，并最大程度地提高測量質量，新產品特別關注對采集子板上的屏蔽。圖3顯示了定制設計的屏蔽板，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，通過特別關注模塊間連接和使用差分時鐘信號進行同步，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量PC電源可能引起的其他潛在問題。基礎卡片采用更好的電源設計，所有電源線都經過濾波和直流轉換處理。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系列數字化儀。箭頭所指的是保護高分辨率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，新產品在信噪比（SNR）、無雜散動態范圍（SFDR）、總諧波失真（THD）和有效位數（ENOB）等參數上提供了出色的動態測量性能。

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

▲ 表1

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更快的自動化測試和數據流

表1同樣顯示了使用更快的PCIe總線的好處；數據傳輸速度從160 MB/s提高到700 MB/s以上。因此，較新的卡可以將數據流轉到PC RAM或存儲設備（如SSD），比老式設備快四倍以上。對于需要采集長時間連續信號的應用，更快的流媒體速率也使數字化儀能夠以更高的采樣率運行。例如，一個雙通道數字化儀以125 MS/s的速度采樣，可以在不丟失任何信息的情況下連續流轉數據。同樣，一個四通道數字化儀可以以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，它們也支持數據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數字化儀和PC之間直接使用基于CUDA的GPU。SCAPP的最大優勢是，數據直接從數字化儀傳遞到GPU，在那里可以利用GPU板的多個（多達5000個）處理核心進行高速并行處理。GPU是進行數據成像和復雜信號分析（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

結論

虹科Spectrum用新的高精度產品系列來取代老化的M2i.49xx系列數字轉換器，由此產生的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，使新舊卡的轉換非常容易。

此外，現有的OEM客戶在未來幾年內還可以使用舊的系列。新數字轉換器的模塊化設計允許創建20個新模型；使用戶能夠選擇最符合其特定應用的采樣率、帶寬和通道數量。結果還表明，設計良好的PCIe卡可以匹配或超越大多數傳統的臺式產品以及其他模塊化儀器。

以上是本期干貨分享。