このホワイトペーパーでは、Moku:Pro のマルチ機器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:Pro は、単一の FPGA ベースのハードウェアプラットフォーム上で複数の計測器を実行できるInstrument-on-Chip (IoC) テスト システムです。マルチ機器モードにより、従来は個別のハードウェアボックスまたはモジュールで構成されていたテスト機器のシステム全体を、単一の Moku:Pro 上で実現できるようになりました。 FPGAの動的再構成を利用すると、ユーザーはシステム内の残りの計測器に影響を与えることなく、計測器を個別にホットスワップできます。さらに、計測器を相互接続することができ、信号は FPGA を離れることなくデジタルドメイン内で完全に計測器間を通過します。これにより、通常、別個のハードウェアモジュールまたはボックスでのアナログからデジタルへの変換、またはデジタルからアナログへの変換によって生じる SNR の劣化なしに、超低遅延で高いデータレートが可能になります。
マルチ機器モードは、マルチ周波数やマルチ高調波復調機能を提供するように構成できるロックイン アンプなど、既存の Moku:Pro 計測器の多用途性を拡張します。
マルチ機器モードの構造
図 1: Moku:Proマルチ機器モード ユーザーインターフェイス – ４つの空スロット
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。
複数のオシレーター、複数の高調波：マルチ機器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。
マルチ機器モードにより、ユーザーは最大４台のロックインアンプを装置スロットに柔軟に配置できるようになりました。これにより、複数のハードウェアユニットが不要になり、複雑なラボのセットアップが簡素化され、コストと設定時間が削減されます。各ロックインアンプは、独自の局部発振器で独立して構成でき、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、１２０dBのダイナミックレンジと優れたブレンドADC雑音指数で、最大６００MHzまでの４つの信号を復調できます。
各ロックインアンプは Moku:Pro の他の機器にも接続でき、信号の前後調整、データの視覚化、データロギングが可能になります。
図２は、３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機器モードの構成を示しています。
図２: ３つのオシロスコープを備えたロックインアンプ構成
入力１の ADC は、復調のためにスロット １、２、３に供給されるように構成されている。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ます。これらの局部発振器は 「Sync 」ボタンで位相が同期されます。これはマルチロックインアンプのアプリケーションでは重要な機能です。復調された信号は、DAC１、２、３を経由してアナログ出力に送られます。同時に、スロット４３のオシロスコープは、ロックイン１とロックイン２からの信号を観測するように設定されます。信号ルーティングは非常に柔軟で、すべてのスロットがすべての入出力にアクセスでき、隣接するスロットや、隣接しないスロットに信号を送信するための信号バスに高速デジタル信号を共有できます。FPGAのダイナミックリコンフィギュレーションを利用して、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交換しながら、スロット１、２、３のロックインを動作させたままにすることができます。これにより、ロックインアンプを妨害することなく周波数成分を観測できます。
PID コントローラー、フィルター、信号発生器などをロックインと一緒に実装して、検証、分析、信号処理を連携して実行できます。
まとめ
Moku:Proのデジタルロックインアンプは、１２０ dB以上のダイナミックリザーブで、DCから６００ MHzまでのデュアルフェーズ復調（XY/Rθ）をサポートします。ブレンドADCテクノロジーは、アコースティックからRFまで、全帯域にわたって一貫した低ノイズを保証します。マルチ機器モードは、複数の高調波や周波数復調機能を追加するなど、完全にカスタマイズ可能な方法でこれらの機能を拡張する柔軟性を提供します。これらの利点を併せ持つMoku:Proは、閉ループ制御システムの設計や高度な試験・測定シナリオの実装において、他に類を見ない強力かつ柔軟なツールとなります。
詳細については、 マルチ機器モードをご覧ください。
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