本白皮书概述了使用 Moku:Pro 多仪器模式的多频锁定放大器。
Moku:Pro 是一种片上仪器 (IoC) 测试系统，能够在基于 FPGA 的单个硬件平台上运行多个仪器。 现在有了多仪器模式，传统上由单独的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 的动态重新配置，用户可以独立地热插拔仪器，而不会影响系统中的其余仪器。 此外，仪器可以互连，信号在它们之间完全在数字域中传递，而无需离开 FPGA。 这可以实现高数据速率和超低延迟，而不会降低通常由单独的硬件模块或盒子中的模数或数模转换引起的 SNR。
多仪器模式扩展了现有 Moku:Pro 仪器的多功能性，包括现在可以配置为提供多频率和多谐波解调功能的锁相放大器。
多仪器模式架构
图 1：Moku:Pro 上的多乐器模式用户界面——所有 4 个插槽都是空的
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。
借助多乐器模式，用户现在可以灵活地在乐器插槽中放置多达四个锁定放大器。 这消除了对多个硬件单元的需求并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自己的本地振荡器，使用户能够解调 4 个任意频率的信号，例如基波和 3 个谐波等。Moku:Pro 可以解调 4 个高达 600 MHz 的信号120dB 的动态范围和优越 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。
结论
Moku:Pro 的数字锁相放大器支持从 DC 到 600 MHz 的双相解调 (XY/Rθ)，动态储备超过 120 dB。 混合 ADC 技术可确保在从声学到射频的整个频谱范围内保持一致的低噪声。 多仪器模式提供了以完全可定制的方式扩展这些功能的灵活性，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独特工具，可用于设计闭环控制系统以及实施复杂的测试和测量场景。
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