PCIe8917是阿爾泰科技推出的高速數(shù)字化儀,單通道最高5GS/s采樣率、10位分辨率、500MHz模擬帶寬,標(biāo)配4GB板載內(nèi)存(可升級(jí)8GB),采用PCIe 3.0 x8接口實(shí)現(xiàn)5GB/s連續(xù)傳輸速率。這款PCIe數(shù)字化儀面向雷達(dá)信號(hào)采集、射頻通信測試、超聲無損檢測、激光成像等寬帶信號(hào)場景,是目前國產(chǎn)數(shù)字化儀中單通道采樣率最高的型號(hào)之一。
在高速數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域,采樣率決定了能捕捉到的最高信號(hào)頻率。根據(jù)奈奎斯特采樣定理,要準(zhǔn)確還原一個(gè)頻率為f的信號(hào),采樣率至少需要2f。PCIe8917的5GS/s采樣率意味著奈奎斯特頻率為2.5GHz,而模擬帶寬為500MHz——也就是說,在500MHz帶寬內(nèi),采樣率提供了10倍過采樣裕量,能有效抑制混疊并提升時(shí)域分辨率。這個(gè)帶寬覆蓋了絕大部分雷達(dá)、射頻通信、超聲和激光信號(hào)的有效頻段。
市面上能做到5GS/s級(jí)別采樣率的數(shù)字化儀,大多來自國際儀器廠商,價(jià)格不菲。PCIe8917的定位是為國產(chǎn)用戶提供一個(gè)5GS/s級(jí)別的數(shù)字化儀選擇。它不是一塊通用采集卡,而是專門為吉赫茲級(jí)寬帶信號(hào)采集設(shè)計(jì)的數(shù)字化儀模塊。
產(chǎn)品核心應(yīng)用場景包括:
? 雷達(dá)與聲納信號(hào)采集:捕捉納秒級(jí)窄脈沖回波,分析目標(biāo)距離與速度信息
? 射頻通信測試:5G sub-6G信號(hào)、Wi-Fi信號(hào)的中頻直采與頻譜分析
? 超聲無損檢測:高頻超聲回波采集,用于材料內(nèi)部缺陷成像
? 激光與光學(xué)成像:激光雷達(dá)回波時(shí)間飛行測量、光電信號(hào)高速采集
? 脈沖物理實(shí)驗(yàn):核物理、等離子體物理中的瞬態(tài)脈沖信號(hào)捕獲
? 半導(dǎo)體測試:芯片高速IO信號(hào)質(zhì)量分析、眼圖測試
和普通采集卡最大的區(qū)別在于架構(gòu)。普通采集卡用1顆ADC通過多路復(fù)用切換通道,而PCIe8917板載4顆獨(dú)立的10位ADC芯片,每顆1.25GS/s,通過FPGA進(jìn)行通道組合。單通道模式下4顆ADC的采樣率疊加到一顆通道上,實(shí)現(xiàn)5GS/s;雙通道模式每通道2.5GS/s;四通道同步模式每通道1.25GS/s。這種靈活配置讓用戶可以在通道數(shù)和采樣率之間做權(quán)衡。
以下參數(shù)全部來自PCIe8917用戶使用手冊V6.00.00版,以官方規(guī)格書為準(zhǔn)。
PCIe8917模擬量輸入核心參數(shù)
參數(shù)項(xiàng) | 規(guī)格 |
產(chǎn)品型號(hào) | PCIe8917 |
總線類型 | PCI Express 3.0 x8 |
ADC分辨率 | 10位 |
通道數(shù) | 4通道單端模擬輸入 |
通道配置 | 可配置1、2或4通道(任意通道自由組合) |
最高采樣率(單通道) | 5GS/s |
最高采樣率(雙通道) | 2.5GS/s/通道 |
最高采樣率(四通道) | 1.25GS/s/通道 |
模擬帶寬(-3dB典型值) | 500MHz |
輸入阻抗 | 1M歐和50歐可程控配置 |
耦合方式 | 直流耦合、交流耦合(可程控配置) |
輸入量程 | 正負(fù)8V、正負(fù)0.8V |
過壓保護(hù) | 正負(fù)8V |
AC耦合截止頻率 | 50歐:5Hz;1M歐:5Hz |
板載內(nèi)存 | 標(biāo)配4GB,支持升級(jí)8GB(通道共享) |
數(shù)據(jù)傳輸 | DMA傳輸,連續(xù)傳輸率5GB/s |
板載時(shí)鐘 | 10MHz TCXO晶振 |
操作系統(tǒng) | XP/Win7/Win8/Win10/Win11 |
工作溫度 | 0攝氏度至正50攝氏度 |
存儲(chǔ)溫度 | 負(fù)20攝氏度至正70攝氏度 |
板卡功耗 | 典型30W(+12V供電),最大33W |
這張參數(shù)表里最值得關(guān)注的三個(gè)數(shù)字是:5GS/s采樣率、500MHz帶寬和4GB板載內(nèi)存。5GS/s的采樣率配合500MHz帶寬,意味著在有效帶寬內(nèi)提供了10倍過采樣——這對(duì)降低混疊噪聲、提升時(shí)域精度有直接幫助。4GB內(nèi)存則是長時(shí)間采集的底氣,單通道5GS/s下每采樣點(diǎn)2字節(jié),4GB內(nèi)存可以存儲(chǔ)約2G個(gè)采樣點(diǎn),對(duì)應(yīng)400毫秒的連續(xù)采集窗口。
對(duì)于高速數(shù)字化儀來說,分辨率標(biāo)稱10位只是理論值,真正衡量動(dòng)態(tài)性能的是頻域指標(biāo)。PCIe8917在規(guī)格書中給出了完整的頻譜特性數(shù)據(jù),測試條件為10MHz正弦波、-1dBFs信號(hào)幅度、1GS/s采樣率、64K數(shù)據(jù)寬度、加Hanning窗FFT分析,使用TTE Q56T系列濾波器抑制諧波。
PCIe8917頻譜特性參數(shù)(典型值)
輸入阻抗 | 量程 | SNR(dB) | THD(dB) | SFDR(dB) | ENOB(位) |
50歐 | 正負(fù)8V | 51.1 | 55.9 | 59.6 | 7.89 |
50歐 | 正負(fù)0.8V | 50.8 | 55.5 | 59.1 | 7.93 |
1M歐 | 正負(fù)8V | 51.0 | 56.1 | 59.2 | 7.98 |
1M歐 | 正負(fù)0.8V | 50.9 | 55.2 | 58.9 | 7.94 |
ENOB(有效位數(shù))是衡量ADC實(shí)際性能的關(guān)鍵指標(biāo)——10位ADC的理論ENOB上限是10位,但受噪聲和失真影響,實(shí)際有效位數(shù)通常會(huì)比標(biāo)稱值低1到2位。PCIe8917的ENOB在7.89到7.98之間,在10位ADC中屬于正常水平。SNR在50到51dB左右,SFDR接近60dB,這意味著在頻域分析中可以分辨出比主信號(hào)低60dB的諧波分量。
噪聲譜密度方面,5GS/s采樣率下AC耦合的系統(tǒng)噪聲為-145.49 dBFS/Hz,DC耦合為-145.38 dBFS/Hz。這個(gè)指標(biāo)在高速數(shù)字化儀中屬于不錯(cuò)的水平,說明板卡的模擬前端設(shè)計(jì)較為干凈。串?dāng)_方面,正負(fù)0.8V量程下DC至100MHz頻段串?dāng)_大于-63dB,正負(fù)8V量程下大于-53dB。
直流精度是做電壓幅度測量時(shí)需要關(guān)注的指標(biāo)。PCIe8917的直流精度分為垂直偏量為零和不為零兩種情況:
PCIe8917直流精度參數(shù)
條件 | 量程(V/Div) | 直流精度 |
偏量為零 | 正負(fù)8 | 正負(fù)(1%輸入信號(hào) + 1%滿量程 + 1mV) |
偏量為零 | 正負(fù)0.8 | 正負(fù)(1%輸入信號(hào) + 1%滿量程 + 8mV) |
偏量不為零 | 0.2 | 正負(fù)(1%輸入信號(hào) + 1%偏置 + 3%滿量程 + 1mV) |
偏量不為零 | 2 | 正負(fù)(1%輸入信號(hào) + 1%偏置 + 3%滿量程 + 8mV) |
需要注意的是,規(guī)格書中標(biāo)注的精度參數(shù)有嚴(yán)格的適用條件:產(chǎn)品在規(guī)定工作溫度范圍內(nèi)存放至少2小時(shí)、預(yù)熱30分鐘、完成板載校準(zhǔn)且充分冷卻,在20至25攝氏度實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測得。實(shí)際工程場景中的精度可能因溫度、海拔等因素有所偏差。
PCIe8917提供了兩大類采集模式,各自適配不同場景。
Standard模式(板載內(nèi)存模式):采樣數(shù)據(jù)先全部存儲(chǔ)到板載4GB內(nèi)存中,采集結(jié)束后再通過PCIe總線傳送到PC。優(yōu)點(diǎn)是可以四通道全速采樣(10GB/s數(shù)據(jù)率),不受總線帶寬限制;缺點(diǎn)是采樣長度受限于板載內(nèi)存大小。Standard模式又細(xì)分為:
? Standard Single Acquisition:單次采集,支持超長預(yù)觸發(fā)
? Standard Multiple Recording:多次記錄,內(nèi)存分段存儲(chǔ)多個(gè)觸發(fā)事件
? Standard Gate Sampling:門控采樣,由電平觸發(fā)控制采集啟停
FIFO模式(連續(xù)流模式):板載內(nèi)存作為FIFO緩沖器,數(shù)據(jù)持續(xù)傳輸?shù)絇C內(nèi)存或硬盤。優(yōu)點(diǎn)是可以不間斷長時(shí)間采集;缺點(diǎn)是持續(xù)數(shù)據(jù)率受限于PCIe總線實(shí)際帶寬(5GB/s),如果ADC產(chǎn)生的數(shù)據(jù)率超過總線帶寬,需要降低采樣率或減少通道數(shù)。舉例來說,F(xiàn)IFO模式下單通道每采樣點(diǎn)2字節(jié),5GB/s傳輸帶寬理論上可支撐2.5GS/s的持續(xù)采樣率,超過這個(gè)速率就需要用Standard模式。
還有一個(gè)實(shí)用功能叫8Bits Storage Mode——將10位原始數(shù)據(jù)降為8位存儲(chǔ),每個(gè)采樣點(diǎn)從2字節(jié)壓縮為1字節(jié),板載內(nèi)存的有效采樣容量直接翻倍,同時(shí)減少PCIe總線的數(shù)據(jù)負(fù)載。對(duì)于對(duì)分辨率要求不極端、但需要更長采集時(shí)間的場景,這個(gè)功能很實(shí)用。
對(duì)于高速數(shù)字化儀來說,觸發(fā)系統(tǒng)的靈活性直接決定了能否準(zhǔn)確捕獲目標(biāo)信號(hào)。PCIe8917的觸發(fā)引擎支持三種觸發(fā)源:軟件強(qiáng)制觸發(fā)、通道模擬觸發(fā)(AI0到AI3任一通道)、外部數(shù)字觸發(fā)(PFI0/PFI1接口),并且支持多觸發(fā)源OR和AND組合。
通道模擬觸發(fā)是重點(diǎn),它提供了17種觸發(fā)方式:
PCIe8917通道模擬觸發(fā)方式一覽
序號(hào) | 觸發(fā)方式 | 適用場景 |
1 | 上升沿觸發(fā) | 信號(hào)由低到高穿越觸發(fā)電平 |
2 | 下降沿觸發(fā) | 信號(hào)由高到低穿越觸發(fā)電平 |
3 | 雙沿觸發(fā) | 上升沿和下降沿均可觸發(fā) |
4 | 高電平觸發(fā) | 信號(hào)高于觸發(fā)電平時(shí)持續(xù)采集 |
5 | 低電平觸發(fā) | 信號(hào)低于觸發(fā)電平時(shí)持續(xù)采集 |
6 | 進(jìn)窗觸發(fā) | 信號(hào)從窗口外進(jìn)入窗口內(nèi)時(shí)觸發(fā) |
7 | 出窗觸發(fā) | 信號(hào)從窗口內(nèi)離開窗口時(shí)觸發(fā) |
8 | 窗內(nèi)觸發(fā) | 信號(hào)在窗口內(nèi)時(shí)持續(xù)采集 |
9 | 窗外觸發(fā) | 信號(hào)在窗口外時(shí)持續(xù)采集 |
10 | Re-arm上升沿觸發(fā) | 防止噪聲誤觸發(fā),確保單次上升沿觸發(fā) |
11 | Re-arm下降沿觸發(fā) | 防止噪聲誤觸發(fā),確保單次下降沿觸發(fā) |
12 | 遲滯上升沿觸發(fā) | 帶遲滯門控的上升沿觸發(fā) |
13 | 遲滯下降沿觸發(fā) | 帶遲滯門控的下降沿觸發(fā) |
14 | Re-arm遲滯上升沿 | 防噪聲+遲滯門控雙重保護(hù) |
15 | Re-arm遲滯下降沿 | 防噪聲+遲滯門控雙重保護(hù) |
16 | 高電平遲滯觸發(fā) | 高電平觸發(fā)+遲滯退出 |
17 | 低電平遲滯觸發(fā) | 低電平觸發(fā)+遲滯退出 |
Re-arm觸發(fā)模式在實(shí)際工程中特別有用。在噪聲環(huán)境里,普通的邊沿觸發(fā)容易被毛刺和噪聲反復(fù)觸發(fā),導(dǎo)致采集到大量無效數(shù)據(jù)。Re-arm模式要求信號(hào)先穿越re-arm level重新啟動(dòng)觸發(fā)引擎,再穿越trigger level才會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)事件,有效過濾掉信號(hào)中的噪聲毛刺。這在雷達(dá)回波檢測中尤其有價(jià)值——雷達(dá)脈沖往往伴隨大量環(huán)境噪聲,Re-arm觸發(fā)可以確保只在真正的回波脈沖上觸發(fā)。
外部數(shù)字觸發(fā)通過PFI0/PFI1接口實(shí)現(xiàn),支持3.3V LVTTL/LVCMOS電平,最小脈沖寬度20ns。PFI接口是復(fù)用設(shè)計(jì),上電默認(rèn)為觸發(fā)輸出模式,輸出3.2ns到1s寬度的正向脈沖,步進(jìn)3.2ns。觸發(fā)輸出功能可以用來同步外部設(shè)備或級(jí)聯(lián)多塊板卡。
PCIe8917的時(shí)鐘系統(tǒng)由板載10MHz TCXO晶振和外部參考時(shí)鐘兩路組成,通過MUX切換。板載TCXO在無外部參考時(shí)提供高精度時(shí)鐘;外部參考時(shí)鐘通過CLK_IN接口輸入,支持10MHz、20MHz、50MHz、100MHz、200MHz五種頻率,經(jīng)PLL倍頻后為ADC提供精確的5GHz時(shí)鐘。
CLK_OUT輸出與參考鐘頻率一致的時(shí)鐘信號(hào),可以直接作為其他板卡的參考時(shí)鐘。采樣率通過16位計(jì)數(shù)器分頻設(shè)置,公式為:抽樣速率=掃描時(shí)基頻率/ADC時(shí)鐘分頻器。多通道時(shí)每通道最大采樣率=總最大采樣率/通道數(shù)/分頻系數(shù)。
當(dāng)4通道不夠用時(shí),PCIe8917支持主從級(jí)聯(lián)方式擴(kuò)展通道數(shù)。硬件連接方案:主卡的CLK_OUT輸出接入從卡的CLK_IN作為參考時(shí)鐘;主卡的PFI0/1輸出接入從卡的PFI0/1作為同步觸發(fā)源。
啟動(dòng)流程有講究:先啟動(dòng)所有從卡,此時(shí)主卡未啟動(dòng)、無觸發(fā)信號(hào)輸出,從卡進(jìn)入等待狀態(tài);待主卡啟動(dòng)后輸出觸發(fā)信號(hào),所有從卡同時(shí)響應(yīng)。主卡時(shí)鐘源設(shè)為板載時(shí)鐘并開啟參考時(shí)鐘輸出,從卡時(shí)鐘源設(shè)為外部參考時(shí)鐘并關(guān)閉輸出,觸發(fā)方向與主卡保持一致。這種主從級(jí)聯(lián)方式可以擴(kuò)展到8通道、12通道甚至更多,級(jí)聯(lián)時(shí)各卡共享同一參考時(shí)鐘和同步觸發(fā)信號(hào),通道間相位一致性由硬件保證。
PCIe8917的模擬輸入通道由輸入保護(hù)、耦合選擇(AC/DC)、無源衰減、阻抗變換、差分轉(zhuǎn)化、程控增益放大、ADC驅(qū)動(dòng)及低通濾波器等模塊組成。輸入阻抗可在1M歐和50歐之間程控切換——1M歐適合高阻抗信號(hào)源(如示波器探頭),50歐適合射頻信號(hào)源(需阻抗匹配以減少反射)。
耦合方式AC/DC可程控選擇。AC耦合通過隔直電容去掉信號(hào)中的直流分量,適合純交流信號(hào)采集;DC耦合保留直流分量,適合需要測量信號(hào)絕對(duì)電壓值的場景。50歐阻抗下AC耦合截止頻率為5Hz,1M歐阻抗下也為5Hz。
PCIe8917采用軟件自動(dòng)校準(zhǔn)方式,不需要任何外部信號(hào)、參考電壓或測量設(shè)備,板卡內(nèi)部自動(dòng)測量并校準(zhǔn)偏移誤差。產(chǎn)品出廠時(shí)已完成校準(zhǔn),校準(zhǔn)常量保存在固定存儲(chǔ)區(qū)域。由于誤差會(huì)隨時(shí)間和溫度變化,建議在需要時(shí)重新校準(zhǔn)。校準(zhǔn)要求:環(huán)境溫度20至25攝氏度,預(yù)熱至少15分鐘,校準(zhǔn)時(shí)不要連接任何外部信號(hào)。當(dāng)板載溫度傳感器報(bào)告值變化超過正負(fù)5攝氏度時(shí),至少執(zhí)行一次自校準(zhǔn)。
時(shí)間戳功能是多重記錄模式的增強(qiáng)功能。FPGA內(nèi)部的高位寬計(jì)數(shù)器以實(shí)時(shí)采樣率同步運(yùn)行,記錄每個(gè)觸發(fā)事件相對(duì)于測量起始時(shí)刻的精確時(shí)間。時(shí)間戳支持Standard和StartReset兩種模式:Standard模式以軟件復(fù)位指令生成公共時(shí)間零點(diǎn),適合跨次波形記錄的時(shí)間差計(jì)算;StartReset模式每次采樣啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)歸零,適合多段分段記錄。
PCIe8917前面板接口布局:
接口 | 功能 | 類型 |
AI0 | 模擬量信號(hào)輸入通道0 | SMB |
AI1 | 模擬量信號(hào)輸入通道1 | SMB |
AI2 | 模擬量信號(hào)輸入通道2 | SMB |
AI3 | 模擬量信號(hào)輸入通道3 | SMB |
CLK_IN | 外部參考時(shí)鐘輸入 | SMB |
CLK_OUT | 參考時(shí)鐘輸出 | SMB |
PFI0 | 觸發(fā)信號(hào)輸入/輸出(復(fù)用) | SMB |
PFI1 | 觸發(fā)信號(hào)輸入/輸出(復(fù)用) | SMB |
P1 | RTSI同步觸發(fā)接口(預(yù)留) | - |
XS2 | 8Pin外部供電輸入 | - |
XS2是8-pin PCIe供電接口,當(dāng)系統(tǒng)安裝多張板卡時(shí)因總功耗較大,建議連接外部供電線纜。使用標(biāo)準(zhǔn)8-pin PCIe電源線,三根黃色線提供+12V,五根黑色線接地,線序必須完全正確。
安裝注意事項(xiàng):先關(guān)機(jī),觸碰機(jī)箱金屬部分釋放靜電后再取板卡,只握邊緣和金屬托架,不觸碰電子元件。板卡固定后開機(jī),系統(tǒng)自動(dòng)彈出安裝向?qū)?,?qū)動(dòng)INF文件路徑為C:/ART/ACTS1010/Driver/INF/Win32&Win64。支持Visual Studio、LabVIEW等開發(fā)環(huán)境,配套軟件光盤包含ACTS1010安裝包。
PCIe8917的10位ADC輸出雙極性數(shù)據(jù),采用補(bǔ)碼編碼。正滿度對(duì)應(yīng)碼值511(二進(jìn)制0000 0001 1111 1111),零點(diǎn)對(duì)應(yīng)碼值0,負(fù)滿度對(duì)應(yīng)碼值-512。電壓換算公式:
量程 | 換算公式(單位mV) |
正負(fù)8V | Volt = (16000.00/1024) * ADBuffer |
正負(fù)0.8V | Volt = (1600.000/1024) * ADBuffer |
其中ADBuffer為驅(qū)動(dòng)程序讀取的原始碼值。注意輸入信號(hào)不可超出正負(fù)8V最大范圍,否則會(huì)造成數(shù)據(jù)失真甚至設(shè)備損壞。
在5GS/s這種級(jí)別的采樣率下,信號(hào)完整性變得極其重要。實(shí)際調(diào)試中我們發(fā)現(xiàn),很多采集異常不是板卡本身的問題,而是信號(hào)路徑上的阻抗不匹配和噪聲干擾導(dǎo)致的。規(guī)格書手冊中專門強(qiáng)調(diào)了三條注意事項(xiàng):
第一,使用阻抗匹配的信號(hào)源。在500MHz帶寬下,信號(hào)傳輸線的阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的反射,表現(xiàn)為波形失真、振鈴和過沖。50歐輸入阻抗模式必須配合50歐輸出阻抗的信號(hào)源和50歐同軸電纜使用。
第二,遠(yuǎn)離噪聲源。信號(hào)線纜應(yīng)避開熒光燈、開關(guān)電源、鎮(zhèn)流器、變壓器、焊接設(shè)備、變頻器、電動(dòng)機(jī)等干擾源。必須經(jīng)過強(qiáng)磁場區(qū)域時(shí),將信號(hào)電纜穿入金屬屏蔽管。信號(hào)線纜嚴(yán)禁與供電線纜共用同一管道。
第三,使用高質(zhì)量同軸電纜。劣質(zhì)電纜的屏蔽性能差,在高頻下會(huì)引入串?dāng)_和傳輸線效應(yīng)。電纜連接處不能有彎折、變形或擠壓,否則屏蔽層失效導(dǎo)致信號(hào)異常。
PCIe8917在國產(chǎn)高速數(shù)字化儀中代表了目前的第一梯隊(duì)水準(zhǔn)。5GS/s單通道采樣率、500MHz帶寬、10位ENOB接近8位、4GB板載內(nèi)存、PCIe 3.0 x8接口——這些參數(shù)組合在一起,讓它能夠勝任雷達(dá)信號(hào)采集、射頻通信測試、超聲無損檢測、激光成像等對(duì)采樣率和帶寬有極高要求的應(yīng)用場景。產(chǎn)品提供2年保修。
17種觸發(fā)模式是這款產(chǎn)品的一個(gè)亮點(diǎn),尤其是Re-arm和遲滯觸發(fā)模式,在噪聲環(huán)境中的抗誤觸發(fā)能力很強(qiáng)。8Bits存儲(chǔ)模式可以在需要長時(shí)間采集時(shí)將內(nèi)存有效容量翻倍,是一個(gè)實(shí)用的工程設(shè)計(jì)。多卡同步的主從級(jí)聯(lián)方案也讓通道擴(kuò)展變得可行。
需要注意的局限:10位分辨率在高動(dòng)態(tài)范圍場景下精度有限,ENOB約8位適合頻域分析但對(duì)精密電壓測量的精度不如16位采集卡;Standard模式下的采集長度受限于4GB(8GB)板載內(nèi)存,F(xiàn)IFO模式下持續(xù)數(shù)據(jù)率受限于PCIe總線帶寬。如果你的應(yīng)用場景需要更高的分辨率而非更高的采樣率,16位同步采集卡可能更合適。
產(chǎn)品咨詢與技術(shù)支持:西安阿爾泰電子科技發(fā)展有限公司 | 電話/微信:17778972863 | 官網(wǎng):www.artcontrol.net
