数字化仪

Spectrum已发布11种新的数字化仪产品，专门用于捕获和分析DC至2MHz频率范围内的电子信号。产品以1kS/s至5MS/s的速率提供信号采集，并具有16位分辨率，几乎可用于传感器将机械性能（如振动，加速度，压力，位移等）转化为电信号的任何应用。11种数字化仪有两种格式：2至8个通道的PCIe卡和4至48个通道的LXI以太网仪器。 卡和机箱 PCIe卡直接可以插入PC内，将其转变为功能强大的数据采集系统或数据记录仪。M2p.591x系列的四个新型号提供2、4或8个通道，还可以将多达16个卡连接在一起，以创建具有多达128个完全同步通道的大型系统。基于LXI的产品是公司NETBOX系列的一部分。它们提供与PCIe卡类似的功能，但通过一条简单的以太网电缆连接到PC或系统网络。NETBOX有两种尺寸。小型DN2.591产品提供4、8或16个通道，较大的DN6.591产品提供24、32、40或48个通道。DN2.591产品的体积小巧，配有可选的12V/24V电源，几乎可以在任何地方部署。DN6.591单元的高通道密度使其非常适合需要采集和分析多个信号的情况（例如来自传感器，换能器或天线阵列的信号）。 灵活的通用设计 为了确保新的数字转换器可以在尽可能多的应用中使用，通道输入提供了极大的多功能性。每个器件都有其自己的16位ADC和一个完全可编程的放大器，其输入范围在±200mV至

在选择用于获取电子信号的数字化仪时，考虑的主要规格往往是采样率，带宽和分辨率。前两个参数有助于定义数字化仪能够捕获的最大频率内容。作为精确和可重复测量的一般指南，用户通常尝试以比其最高频率快10倍的采样速率对信号进行采样。例如，以大约100MS/s的速率采样10MHz信号，确保数字化信号具有足够的时间分辨率准确再现。类似地，为了确定信号不会被无意衰减（丢失幅度信息），用户通常希望数字化仪的模拟带宽至少比其最高信号频率高2至5倍。因此，测量10MHz信号通常需要20至50MHz的带宽。 采样率和带宽对于显示信号的时间和频率内容是十分重要的，而分辨率是第三个参数，它是检测幅度变化和显示波形细节的重要参数。然而，许多人很容易将分辨率与准确性，精度和灵敏度相混淆。虽然它会对这些参数产生重大影响，但并不能反应全部的情况。用户需要考虑数字化仪误差的所有可能来源（如时钟精度，失真，噪声和线性度），以了解产品在测量其特定信号类别时的性能。为了确定这些错误的影响，好的数字化仪制造商提供了许多辅助规格（通常称为动态参数）来演示其模型在各种受控测试条件下的性能。 图1 M4i.4451-x8 什么是分辨率？ 所有数字化仪制造商都以位为单位指定分辨率，表示模数转换器（ADC）在其满量程（FS）输入范围内可以分辨多少级。级别数为2n，其中n为ADC的位数。因此，一个8位ADC具有256个电平

M3i.41xx-exp和M3i.41xx系列停产，规格更好的M2p.59xx-x4和M4i.44xx系列成为其替代品。与M3i.41xx系列相比，它提供了更多的版本，具有更高的带宽和更快的采样率，同时电路板的尺寸更小。除了这些主要区别外，M4i.44xx系列还有许多小的改进，在与不同应用程序区域连接时较之前更容易。虽然接口改进，但API仍然相同，因此从现有软件进行迁移会十分简单。 M2p.59xx-4系列提供20种不同型号，从1通道到8通道，采样速率从20MS/s到125MS/s。M4i.44xx-8系列提供10种不同型号，2-4通道，采样率从130MS/s到500MS/s。产品系列更换表如下所示。 产品系列更换表 下面将详细对比两个产品。 特征比较 1 高精度，更高采样率 M4i系列具有高精度14/16bit，更快的采样率130MS/s-500MS/s，带宽也增加到65MHz-250MHz，采用3通道数字输入，数字量输入与模拟量输入同步采样并存储在存储器中。 2 尺寸更小，内存大，数据传输更快 尺寸更小，相比于m3i的尺寸，M4i.xxxx-x8选择3/4的PCIe的尺寸会适合更多的系统。内存更大，标准的4GB内存。3.4GByte/s传输速度，比之前的提高20倍，可支持更多流应用程序。M4i系列还包含SCAPPGPU接口，数据可以直接传输到基于CUDA的GPU

介绍 模块化数字化仪和类似的测量仪器（如图1所示的Spectrum M4i系列）需要将各种信号特性与内部模数转换器（ADC）的固定输入范围相匹配。 数字化仪前端还必须最大程度地减少被测设备的负载并提供适当的耦合。另外，可能需要进行滤波以减少宽带噪声的影响。所有这些功能都由仪器的“前端”提供，其中包括输入与ADC之间的所有电路。数字化仪用户需要了解权衡利弊才能有效使用这些仪器。 图1 频谱M4i.44xx高速数字化仪，包括2和4通道版本，分辨率为14或16位。 图2显示了本示例中使用的Spectrum M4i系列模块化数字化仪的框图。每个输入通道都有自己的前端（绿色阴影部分），可以独立设置。前端提供适当的输入耦合和端接以及范围选择和带宽限制滤波。 图2 M4i.44xx PCI Express 14/16位模块化数字化仪的框图。 每个通道的前端显示为绿色。 前端提供适当的输入耦合和端接以及范围选择和带宽限制滤波。 前端功能 要使模块化数字转换器最大化实现其多功能性，要求前端电路具有以下功能： 1.选择一种输入端接，提供匹配的阻抗或具有高阻抗输入的最小负载。 2.根据需要提供交流或直流耦合，选择耦合模式。 3.滤波，最大程度地降低噪声同时减少谐波分量（如果存在）。 4.多个输入范围，可以捕获输入信号电平的大范围变化，同时将噪声和失真降至最低，以保持信号完整性。 5.内部校准

介绍 数字化仪用于将电信号转换为一系列测量值，然后输出为幅度值随时间变化的数字数组。为了使这些信息有用，时间信息通常与特定参考点相关，参考点通常是触发位置。触发点可以是从测量信号中引用，也可以来自其他外部源。触发功能是将时间测量值与特定的已知时间点联系起来。对于重复信号，触发器必须稳定才能将一次采集的测量结果与其他采集进行比较。当将多个数字化仪或相关的采集仪器集成到一个多通道系统中时，只有当所有通道都参考公共时间轴时，才能得到较好的数据。这要求系统的数据采集元件与由同一事件触发的所有数字化仪通道的时间同步。本应用笔记将重点介绍触发和同步的相关内容。 触发 触发是仪器采集和数字化信号的基本功能。最常见的触发方法是使用数字化仪某个通道的输入信号。基本原理是检测到波形上的定义点，并将此“触发事件”标记为已采集数据上的一个已知位置。图1提供了一个基本的边沿触发的例子。信号源是输入通道，触发事件发生在波形上升沿越过 500mV 的触发电平时。当触发事件发生时，已采集信号上的位置被标记为时间轴上的零时间点，如图中的光标位置所示。如果信号是重复的，每次进行新采集时，数字化仪都会在同一点触发，从而实现稳定的显示。 图1 信号波形，电平和时序的范围变化较大，所以要求数字化仪触发电路非常灵活。图2显示了 M4i.4451系列数字化仪的触发“引擎”的框图。它提供了现代数字化仪支持的多种触发条件的示例。

—用于产生高振幅信号，提供24v的输出摆幅 2019年11月26日，Spectrum最近发布了6个新型任意波形发生器（AWG）—M2p.65 xx系列PCIe卡。新的AWG通过提高可用的输出范围来扩展产品功能，从而可以产生振幅波动高达1MΩ的±12V或50Ω的±6V的波形。为了获得更高的输出电压范围，该卡配置了额外的放大电路和更大的冷却板。这使卡会稍宽一些，占据了两个PCIe插槽，但长度仍为168mm。板卡的体积小，几乎可以安装在任何PC机箱中，是一个功能强大且灵活的波形发生器。 M2p.65xx系列AWG使用最新的16位数模转换器，并具有快速PCIe x4接口以及高达700 MByte/s的流传输速度。用户可以选择40MS/s（M2p.654x系列）或125MS/s（M2p.657x系列）的输出速度，每张卡具有一个，两个或四个通道。 每个通道都有自己的DAC和输出级电路。多通道卡共享一个公共时钟和触发器，以确保完全同步，输出级电路包含四个可切换的滤波器路径以帮助优化信号质量。灵活的输出级电路与高分辨率16位DAC结合使用，可以生成失真极低，动态范围出色，信噪比高的信号。 Spectrum的首席技术官Oliver Rovini表示：“大多数AWG的主要局限性是它们可以生成精确的高幅度波形。这些新型AWG卡采用完全集成的封装，提供了一种经济高效的解决方案