Spectrum Instrumentation

— 使測試測量更簡單 —

Spectrum 儀器主要用於電子訊號的獲取、產生和分析,提供採樣率每秒百萬次至十億次,8/12/14/16位模擬分辨率的高速數字化儀、高精度數字化儀和任意波形發生器。且符合目前最常用的行業標準,包含PCIe,LXI,PXIe、PXI、PCI等,配套軟體可以使用產品示波器、數據記錄儀、數據採集系統、頻譜分析儀、邏輯分析儀、碼型發生器、數據流系統(FIFO)和瞬態記錄儀等多種儀器功能。

產品分類

Digitizer 數字化儀/AD板卡

數字化儀是一種電子採集設備,它採集模擬波形,透過模數轉換器(ADC) 對其進行處理,並將數字化樣本發送到緩衝區,以便在計算機處理之前將其保存起來。波形數字化儀是PC 或工業PC 的插卡,用於測量連續電壓信號以及電壓瞬變等快速信號變化。因此它們也被稱為瞬態記錄器。

如何選擇數字化儀

選擇數字化儀需要將您的測試中需要採集的波形特性與數字化儀規格相匹配。本節提供了一些常用的經驗法則以幫助選擇數字化儀。

帶寬

數字化儀所需的帶寬取決於您測量的波形的性質。對於正弦波,大於最大頻率兩倍的帶寬通常就足夠了。如果波形是具有快速轉換的脈衝狀,則最好使用五倍於脈衝波形頻率的帶寬,以便捕獲高達五次諧波。為了近似方波,帶寬應該允許傳輸高達五次諧波。

採樣率

採樣定理指出,為避免混疊,數字化儀的採樣率需要至少是所採集信號中最高頻率分量的兩倍。僅以最高頻率分量的兩倍進行採樣不足以準確再現時域信號中的快速邊沿。信號的準確數字化要求數字化儀的採樣率至少是所需帶寬的三到四倍。

分辨率和動態範圍

分辨率決定了數字化儀的動態範圍。動態範圍是數字化儀可以處理的最高信號電平與最低信號電平之比。涉及動態信號(具有大電壓分量和小電壓分量的信號)的應用需要高分辨率儀器。作為所需動態範圍的一階估計,將最高信號電平除以預期的最小信號電平。例如,考慮1 伏的滿量程範圍和100uV 的所需最小可檢測信號電平。該比率為10,000:1 或80 dB。對於每比特6 dB,在沒有附加噪聲的理想情況下,這需要13.3 比特的分辨率,因此需要14 比特的數字化儀。

採集記憶長度

確定數字化儀在單次採集中可容納的最長記錄長度。它還會影響任何給定記錄持續時間的採樣率。記錄長度等於採樣週期乘以採集存儲器長度。對於給定的數字化儀記錄長度,內存長度越大,可以使用的採樣率越高,而不會溢出內存。使用數字化儀作為PC 瞬態記錄器,採集內存長度可以成為最重要的規格。

觸發

觸發器將數據採集與外部事件同步。數字化儀的有效使用需要在設備觸發方面具有極大的靈活性。基於斜率和信號電平的簡單邊沿觸發是大多數數字化儀的標準配置。許多還提供窗口觸發。觸發源包括採集通道和多個外部觸發輸入。為了獲得最大的觸發靈活性,這些輸入與重新武裝能力可以邏輯組合以產生高級觸發狀態。

通道數和同步

每個模塊化數字化儀的每張卡都有特定數量的通道。使用多張卡可以增加頻道總數。為了保持同步,多個卡需要同步,以便它們共享公共觸發器和公共時鐘。

採集方式

數字化儀通常提供多種不同的採集模式。Spectrum 數字化儀提供環形緩衝區模式(類似於示波器操作)、FIFO 或流模式、多重記錄(分段模式)、門控採樣和多時基(ABA 模式),它結合了緩慢的連續記錄和快速的觸發採集事件。這些多種採集模式具有快速重新準備時間。

數字數據傳輸

數字化儀的主要優勢之一是能夠將數據快速傳輸到計算機以進行進一步分析和存檔。處於FIFO 模式(流模式)的Spectrum 數字化儀設計用於數字化儀緩衝存儲器和PC 存儲器之間的連續數據傳輸。可用的流傳輸速度取決於使用的數字化儀平台(PCI Express、PCI、PXI、cPCI、LXI)

構成因素

現代數字化儀有多種不同的外形和標準。今天最流行的是PCIe,通常在尺寸很關鍵並且數字化儀需要進入PC 和PXI 時使用。在使用多種不同的測試儀器構建大型自動化測試系統時,選擇通用的外形通常會使集成任務變得更加容易。

LXI/以太網儀器允許連接筆記本電腦和台式電腦或公司局域網中的任何位置。它們可以作為外部數字化儀或PC 瞬態記錄器運行。

  控制方式 PXIE PCIE LXI
產品分類 產品系列 Image Image Image Image
產品外觀 Image Image Image Image Image
主要特點 超高速 PXIe 板卡
3U 單槽
up to 1.7 GB/s
超高速 PCIE x8 Gen 2
3/4 長,單槽
up to 3.4 GB/s
高速 PCIE x4
1/2 長,單槽
more than 700 MB/s
以太網控制設備
A/D
數字化儀Digitizer
瞬態記錄儀
22xx系列 M4x.22xx M4i.22xx   DN2.22x-0x DN6.22x-xx
8 位分辨率
最高 5GS/s 採樣率
最多 4 通道
最高 1.5GHz 頻寬
8 位分辨率
最高 5GS/s 採樣率
最多 4 通道
最高 1.5GHz 頻寬
  8 位分辨率
最高 5GS/s 採樣率
最多 8 通道
最高 1.5GHz 頻寬
8 位分辨率
最高 5GS/s 採樣率
最多 48 通道
最高 1.5GHz 頻寬
44xx系列 M4x.44xx M4i.44xx   DN2.44x-0x DN6.44x-xx
14/16 位分辨率
最高 500MS/s 採樣率
最多 4 通道
最高 250MHz 頻寬
14/16 位分辨率
最高 500MS/s 採樣率
最多 4 通道
最高 250MHz 頻寬
  14/16 位分辨率
最高 500MS/s 採樣率
最多 8 通道
最高 250MHz 頻寬
14/16 位分辨率
最高 500MS/s 採樣率
最多 24 通道
最高 250MHz 頻寬
59xx系列     M2p.59xx-x4 DN2.59x-xx DN6.59x-xx
    16 位分辨率
最高 125MS/s 採樣率
最多 8 通道
16 位分辨率
最高 125MS/s 採樣率
最多 16 通道
16 位分辨率
最高 125MS/s 採樣率
最多 48 通道

AWG 任意波形發生器/DA卡

任意波形發生器(AWG) 從其內部存儲器或通過PC 系統的FIFO 模式重放加載的波形。數字信號被轉換為具有定義偏移和幅度的模擬輸出信號。

虹科Spectrum 所有的任意波形發生器都可用作多通道波形發生器,每張卡最多4 個通道。多通道AWG 可以與星型集線器進行內部同步,從而可以構建具有多達64 個同步通道的系統。

generatorNETBOX系列的單個獨立單元從兩個通道開始,在單個以太網/LXI 設備中最多可提供24 個通道。這些多通道波形發生器經常用於物理實驗,非常適合量子研究。

電子測試和測量設備可分為兩大類;測量儀器和信號源。數字萬用表、數字化儀、示波器、頻譜分析儀和邏輯分析儀等儀器測量輸入信號的電氣特性,最典型的是電位差或電壓。需要信號源提供用作測試激勵的信號。在許多測試情況下,被測設備不會自行生成信號。以放大器為例。如果沒有信號源來提供適當的輸入信號,則無法進行重要的電氣測量。正是測量儀器和信號源的組合使電氣測試成為可能。在本筆記中,我們將討論任意波形發生器(AWG) 的使用,

信號發生器分類總結

信號發生器有多種類型,每一種都對應特定的測試需求。表1 總結了常用的生成器。

表1:常用信號發生器匯總
信號源特徵波形
射頻信號發生器

能夠在很寬的頻率範圍內產生CW(連續波)正弦信號。
許多產品提供各種類型的模擬調製。包括幅度、頻率、相位和脈沖調制。
一些特殊的產品具有可以在用戶設置的頻率響應測試範圍內掃描輸出頻率的能力。

正弦
調製正弦
掃頻正弦
矢量信號發生器能夠生成數字調製的RF 信號,這些信號可以使用數字調製格式中的任何一種,例如
QAM、QPSK、FSK、BPSK 和OFDM。
正弦
調製正弦
脈衝發生器產生脈衝波形或方波。用於測試數字和脈衝系統。矩形脈衝
數據或數據
模式生成器
產生多個邏輯信號(即邏輯1 和0),用作數字電路和系統功能驗證和測試的激勵源矩形脈衝
函數發生器生成簡單的重複波形,如正弦波、鋸齒波、階躍(脈衝)、方波和三角波。可能包括
某種調製功能,例如幅度調製(AM)、頻率調製(FM) 或相位調製(PM)
正弦
矩形脈衝
方波
三角形
斜波/鋸齒
調製波形
噪聲
任意波形
發生器
基於數字的信號源能夠在標示的帶寬、頻率範圍、精度和輸出電平限制內生成任何波形。以上全部

任意波形發生器盡可能接近通用信號源。可以使用方程以高精度分析創建波形,或者使用數字化儀或數字示波器捕獲並重放。此外,模塊化AWG 提供緊湊的尺寸和與其主機計算機的高度集成兼容性,使其成為自動化測試系統的理想選擇。

任意波形發生器

AWG 框圖任意波形發生器(AWG) 是數字信號源,其操作非常類似於數字化儀的反向操作。在數字化儀對模擬波形進行採樣、數字化然後將其存儲在其採集存儲器中的情況下,AWG 具有存儲在波形存儲器中的波形的數字描述。選定的波形樣本被發送到數模轉換器(DAC),然後經過適當的濾波和信號調節,作為模擬波形輸出。圖1 包含AWG 的概念框圖。

波形以數字形式加載到波形存儲器中。與數字化儀中的採集存儲器一樣,該存儲器必須能夠以AWG 支持的最高采樣率進行計時。當收到指令時,波形存儲器的內容被發送到DAC,在那里數字值被轉換為模擬電壓。一些DAC 允許額外的內插以達到比波形存儲器提供的更高的輸出更新率。

存儲器控制器跟踪波形存儲器中每個波形組件的元素以及任何關聯的鏈接,並以正確的順序輸出它們。此外,為了節省內存空間,它可以在重複元素上循環,這樣這些元素在波形內存中只需要列出一次。
DAC 輸出諧波豐富,需要濾波。這是在輸出級完成的,它通過調整增益和偏移來過濾和調節信號以滿足用戶的波形規範。

波形的時序由時鐘控制,該時鐘可以使用內部或外部時鐘源。

同步由觸發發生器維持,觸發發生器根據用戶指定的事件輸出或推進波形。觸發事件可以是內部的、外部的或鏈接到另一個模塊化AWG 或數字化儀。

上述元素的實際實現因具體型號而異,但所有AWG 都有相似的元素。

任意波形發生器規格

由於輸出波形選擇的極大靈活性和AWG 的數字特性,任意波形發生器的規格與標准信號發生器有很大不同。

帶寬、採樣率和最大輸出頻率

關鍵參數,如數字化儀,是帶寬和採樣率。帶寬決定了AWG 可以以小於3dB 的損耗輸出的最高正弦波頻率。由於AWG 可以創建的許多波形富含諧波,因此帶寬限制將決定可以生成的最高頻率波形。例如,方波通常必須能夠通過五次諧波才能被識別。對於給定的帶寬,最高頻率方波是AWG 帶寬的五分之一。

採樣率與帶寬有關。根據採樣理論,採樣率必須至少是帶寬的兩倍。在固定最大帶寬的情況下,增加採樣率並不會提高最大帶寬。採樣率還決定了AWG 的水平分辨率。這定義了可以在波形內設置的最小時間增量。

存儲深度

波形存儲器的大小決定了無需重複(循環)任何波形分量即可輸出的最長波形。沒有循環的信號持續時間的限制是內存長度乘以採樣週期。使用循環來重複冗餘波形組件而不佔用任何額外的存儲空間可以大大增加最大波形長度。

具有先進先出(FIFO) 流模式的模塊化AWG 可以通過利用其主機的內存來進一步擴展波形。例如,虹科Spectrum的M4i.66xx 系列產品可以使用AWG 的內部存儲器作為高速緩衝器,以高達2.8 GBytes/s 的速度將數據從主機PC 傳輸到AWG。這將AWG 從內部存儲器的存儲限制中解放出來。將FIFO 流與循環和鏈接功能相結合,可以生成前所未有的各種長波形。

幅度分辨率

幅度分辨率指定AWG 可以生成的最小輸出信號電平以及相鄰樣本之間的最小幅度步長。AWG 的幅度分辨率由DAC 和存儲器的分辨率位數決定。通常,在DAC 分辨率和採樣率之間存在權衡。也就是說,DAC 中的位數越多,最大採樣率就越低。

操作模式

AWG 可能包含多種操作模式,這些模式決定瞭如何重放存儲的波形。重複(循環)所選波形段和基於觸發器或選通信號在段之間前進的能力提供了最大的靈活性,並減少了複雜波形所需的內存量。以下是常見操作模式的摘要:

單發

每個外部或軟件觸發都會播放一次編程波形。第一次觸發後,後續觸發將被忽略。

重複輸出

編程的波形會連續播放預編程的次數或直到執行停止命令。觸發源可以是外部觸發輸入或軟件觸發。第一次觸發後,其他觸發事件將被忽略。

單次輸出

該模式在每次觸發事件後輸出一次板載存儲器的波形數據。觸發源可以是外部觸發,也可以是內部軟件觸發。

先進先出FIFO模式

FIFO 模式是Spectrum 的模塊化AWG 獨有的操作模式。它設計用於主機內存或硬盤與AWG 之間的連續數據傳輸。數據流的控制由驅動程序在中斷請求的基礎上自動完成。完整安裝的板載內存用於緩衝數據,使連續流傳輸極其可靠。

多次重放模式

多次重播多次重放模式可在多個觸發事件上快速輸出波形,而無需重新啟動硬件。板載內存被分成幾個大小相等的段。每個段可以包含不同的波形數據,每個數據隨著每個觸發事件的發生而輸出。這種模式允許非常快的重複率。

門控重放

門控重播門控重放採樣模式輸出由外部門控信號控制的波形數據。僅當門信號處於預編程電平時才重放數據。

序列模式

序列模式序列模式將內部卡存儲器拆分為多個不同長度的數據段。這些數據段使用附加的序列存儲器以用戶設置的順序鏈接。序列存儲器決定了段的輸出順序以及每個段的循環次數。可以定義觸發條件以在段之間前進。在序列模式下,可以通過簡單的軟件命令在回放波形之間切換,或者在回放其他段的同時重新定義段的波形數據。

輸出幅度範圍

AWG 可以產生的最大輸出幅度由輸出放大器級決定。通常,在AWG 採樣率和輸出幅度之間也存在折衷,更快的AWG 具有較低的最大輸出幅度。最小滿量程輸出範圍取決於輸出級中的內部衰減器。在任何給定的滿量程範圍內,理論最小值是滿輸出除以幅度分辨率(例如,具有10 Vp-p 範圍和16 位分辨率的AWG 的最小輸出步長為10/65,536 = 152.5 µV)。內部噪聲和非線性限制了實際的最小信號輸出。

輸出通道數

虹科Spectrum AWG 的每張卡的輸出通道數可以是1、2 或4 個通道。使用多張卡和Star-Hub功能,最多可以鏈接8 張卡,提供最多32 個完全同步的頻道。

輸出濾波功能

輸出濾波提高了AWG 輸出的信噪比。通常可以指定濾波器的類型和截止頻率。

調製

所有AWG 都可以通過在軟件中使用製造商的操作軟件(如SBench 6 或其他第三方數學軟件)以分析方式創建調製波形,並將它們下載到AWG 波形存儲器中來創建調製波形。

觸發

另一個有用的功能是具有觸發輸入以啟動輸出或將波形推進多個段。

AWG 還可以產生與波形輸出同步的輸出觸發或標記輸出。然後,這些信號可用於在波形期間的適當時間觸發數字化儀、示波器或其他儀器。

數字輸出

除了模擬輸出之外,一些AWG 還可以產生並行數字邏輯輸出。這些數字輸出通常通過降低模擬分辨率或將它們放置在數據字的未使用位中(如在16 位數據字中有兩個備用位的14 位AWG)添加到波形數據中。. 輸出電平通常是常見邏輯系列的輸出電平。

如何選擇任意波形發生器?

選擇AWG 需要將前面討論的AWG 基本參數與測試需求相匹配。

帶寬:AWG的帶寬決定了可以輸出的最高頻率。這必須大於或等於測試所需的最大頻率。請記住,諧波豐富的波形需要的帶寬是所需頻率的三到五倍。

採樣率:按照奈奎斯特定律,AWG 的最大採樣率必須至少是所需帶寬的兩倍。在實際應用中,通常最好以三或四倍的係數進行採樣。採樣率決定了可設置的最小時間增量。請注意,AWG 通常會限制創建波形所需的最小樣本數。通常,它們要求波形包含偶數個樣本或固定樣本數的倍數(例如4、8、16 等)。

內存長度:波形內存長度決定了AWG 可以支持非重複信號的最長持續時間。支持波形中“循環”或重複冗餘元素的操作模式減少了所需的波形存儲量。

另外使用FIFO 操作模式提供了一種增加可用內存的方法。

輸出幅度:AWG 的最大輸出電平必須符合測試要求。如果不是,則可能需要帶寬等於或超過AWG帶寬的外部放大器。

動態範圍/幅度分辨率:同時要輸出的測試信號最大幅度與最小幅度之比決定了測試的動態範圍要求。這由以位表示的AWG 的幅度分辨率決定。請注意,AWG 中的噪聲和非線性將動態範圍限制為小於理論值。實際性能通常以有效位數(ENOB) 為特徵。

軟件支持

AWG 需要有可用於波形生成和控制的軟件。幾乎所有AWG 產品都附帶了用於Windows 和Linux 的驅動程序。驅動程序允許您使用C/C++、IVI、.NET、Delphi、Visual Basic 和Python 等常見編程語言編寫自己的軟件。驅動程序還支持第三方軟件,如LabVIEW (Windows)、MATLAB(Windows 和Linux)和LabWindows/CVI。

另外虹科Spectrum還包括一個名為SBench 6 的全功能軟件包。SBench 6 是一款功能強大且直觀的交互式測量軟件,用於採集、處理和創建信號。它可以與所有虹科Spectrum 的數字化儀、AWG 和基於LAN 的數字化儀NETBOX 系統配合使用。

Easy Generator 組件

簡易發電機SBench 6 提供Easy Generator組件,可用於於選擇六種函數發生器波形中的任何一種,包括正弦、矩形、三角形、鋸齒、SINC 和DC 波形。每個波形的頻率、相位和幅度都是用戶可調的,矩形、三角形和鋸齒波形的佔空比也是如此。可以為每個可用的輸出通道選擇單獨的波形設置,只需按下“開始”按鈕即可將所有啟用的波形傳輸到AWG 輸出,如圖5 所示。

使用SBench 6 中的方程創建波形

數學方程創建波形的最準確方法是基於數學方程。它們精確且可重複,並提供範圍廣泛的測試信號。SBench 6 包括一個函數發生器編輯器,它支持使用基於文本的方程生成波形,如圖6 所示。

函數發生器編輯器接受文本格式的方程,並允許選擇波形的採樣率、幅度和持續時間。

正弦掃描圖7 顯示了使用SBench 6 中可用的運算符和函數創建正弦掃描波形的更詳細示例。

導入波形

正如我們所見,可以在虹科提供的SBench 6 軟件中本地創建波形。還可以從其他來源創建或獲取波形,包括數字化儀和數字示波器等儀器以及電子表格、數學程序和系統集成軟件等軟件工具。這些來源的波形可以導入SBench 6 並使用表3 中列出的任何格式發送到AWG。

對波形進行信號處理

SBench 6 提供了許多可以應用的信號處理和測量工具。可以使用支持和、差積和比率的波形運算來組合多個波形。移動平均和濾波可用於降低噪聲和提高信噪比。快速傅立葉變換(FFT) 和直方圖等分析工具可用於在輸出之前研究波形。幅度、時間和頻率的測量可用於確認波形精度。這是AWG 支持軟件包中提供的一項非常獨特的功能。


 

 
 


控制方式 PXIE PCIE LXI
產品系列 Image Image Image Image
產品外觀 Image Image Image Image Image
主要特點 超高速 PXIE 板卡
3U 單槽
UP TO 1.7 GB/S
超高速 PCIE X8 GEN2
3/4 長,單槽
UP TO 3.4 GB/S
高速 PCIE X4
1/2 長,單槽
MORE THAN 700 MB/S
以太網控制設備
D/A
任意波形發生器AWG
65xx系列     M2p.65xx-x4 DN2.65x-xx DN6.65x-xx
    16 位分辨率
最高 125MS/s 更新速率
最多 8 通道
16 位分辨率
最高 125MS/s 更新速率
最多 16 通道
16 位分辨率
最高 125MS/s 更新速率
最多 48 通道
66xx系列 M4x.66xx M4i.66xx   DN2.66x-xx DN6.66x-xx
16 位分辨率
最高 1.25GS/s 更新速率
最多 4 通道
最高 400MHz 頻寬
16 位分辨率
最高 1.25GS/s 更新速率
最多 4 通道
最高 400MHz 頻寬
  16 位分辨率
最高 1.25GS/s 更新速率
最多 8 通道
最高 400MHz 頻寬
16 位分辨率
最高 1.25GS/s 更新速率
最多 24 通道
最高 400MHz 頻寬
產品系列

A/D、數位化儀、暫態紀錄器產品系列

◆ 高達 5 GS/s 的採樣率和 8 位分辨率

◆ 用於 DC,1.5 GHz 範圍內可用

◆ 有 PCIe、PXIe 和 LXI 版本

◆ 高達 6.4 GS/s 的採樣率和 12 位分辨率

◆ 用於 DC,1.5 GHz 範圍內可用

◆ 有 PCIe 版本

◆ 採樣率 500 MS/s 和 14 位分辨率

◆ 採樣率 250 MS/s 和 16 位分辨率

◆ 可選 8 條多功能 XIO 線用於混合訊號測試

◆ 有 PCIe、PXIe 和 LXI 版本

◆ 採樣率 5 -125 MS/s 和 16 位分辨率

◆ 用於 DC,60 MHz 範圍內可用

◆ 可選 16 條多功能 XIO 線用於混合訊號測試

◆ 有 PCIe 和 LXI 版本

D/A、任意波形產品系列

◆ 輸出速率 40 MS/s - 1.25 GS/s和 16 位分辨率

◆ 大輸出電壓擺幅,高達 ±12 V

◆ 可選 16 條多功能 XIO 線

◆ 用於 DC,60 GHz 範圍內可用

◆ 有 PCIe 和 LXI 版本

◆ 輸出速率 625 MS/s - 1.25 GS/s和 16 位分辨率

◆ 用於 DC,400 GHz 範圍內可用

◆ 有 PCIe、PXIe 和 LXI 版本

數字波形採集/模式生成

二合一

不只是單純的硬體設備
熱銷產品

22xx 8 Bit digitizers 數字化儀

up to 5GS/s
  • 具有 5 GS/s、2.5 GS/s 和 1.25 GS/s 的版本
  • 提供 1、2 和 4 通道版本
  • 4G 示例板載內存
  • ±200 mV 和 ±2.5 V 之間的 4 個輸入範圍
  • 強大的內存分割模式
  • 快速的流媒體模式
  • 多張卡可以同步
  • 可選輸入範圍:±40 mV 至 ±500 mV
熱銷產品

44xx 14/16 Bit Digitizer 數字化儀

up to 500 MS/s
  • 具有 130 MS/s、250 MS/s 和 500 MS/s 的版本
  • 提供 2、4 和 8 通道版本
  • 2G 示例板載內存
  • ±200 mV 和 ±10 V 之間的 6 個輸入範圍
  • 強大的內存分割模式
  • 快速的流媒體模式
  • 多張卡可以同步
  •  
熱銷產品