德思特产品 | 德思特创新性多通道测试系统：模块化设计与PC技术集成的解决方案

随着电子设备日益采用阵列和并行化技术以提升系统速度，对于多通道测试的需求也随之增长。并且该需求几乎涵盖每个领域，例如用于无线电通讯链路的MIMO（多输入多输出）天线，又例如在先进雷达、声纳和超声波系统中使用的发射器和接收器阵列；甚至是在电子元器件领域，对多通道测试的需求也在扩大：各种模块的复杂性日益提升，引脚数量逐渐增多，微控制器和处理系统也在采用更快速、更复杂的逻辑电路和总线架构。

在传统上，大多数测试测量产品都是设计用于台式或手持操作的。因此，在涉及多通道应用时，它们的外形尺寸往往限制了它们可以提供的通道数量。比如，数字示波器通常提供两到四个通道，而台式的信号源则通常仅限于一到两个通道。如果用这些仪器来组建多通道的大型测试系统，往往意味着购买多个仪器。这种做法通常会占用大量空间，并且在系统集成和软件开发过程中也会面临一系列的困难和挑战。而实际上，我们还有另一种方法：使用模块化仪器。在选择合适的平台后，用户只需添加模块即可配置出与他们特定需求相匹配的多通道测试系统。当然，模块化系统也有其天然的缺点——它们通常会更贵一些，并且有时候性能会落后于运用最新一代仪器技术实现的台式仪器。此外，模块化系统有时还会限制软硬件的选择。

德思特则采取了一种创新的方法来构建多通道测试系统——使用模块化设计并直接与最先进的PC技术相集成。凭借在基于PC仪器开发领域超过30年的专业经验，德思特推出了一系列专为多通道测试测量应用设计的PCIe板卡。这些PCIe板卡的设计使其能够轻松安装在几乎任意的桌面级PC机箱或专门的PCIe扩展箱中，从而充分利用最新的高性能技术，例如市面上最快的CPU和GPU处理平台。此外，德思特还提供了一系列硬件和软件工具，这些工具使得构筑定制化的多通道测试系统变得既简便又快捷。

39款可混搭的型号

TS-M2p系列是德思特Spectrum推出的入门级通用产品线，包含39种不同的型号。这些PCIe板卡之间的一致性和互连性非常明显，使得用户能够轻松地配置它们，以构建几乎任何所需的多通道测试系统。产品线分为三个主要类别：

• • 24种数字化仪，专注于模拟信号采集；

• • 14种任意波形发生器（AWG），专用于模拟信号生成；

• • 一种多功能数字I/O卡，能够同时进行高速数字信号的采集和生成。

为了确保用户能够获取或生成与特定测试需求完美匹配的信号，我们的数字化仪和AWG板卡提供了多种时钟速度选项，它们对应不同的采样率或输出速率以及模拟带宽。这些设备均采用16位高分辨率技术。其中，TS-M2p系列的数字化仪在时钟速度方面提供了5、20、40、80和125 MS/s的采样速率选项，而AWG板卡的输出速率则有40、80或125 MS/s可选。此外，我们还提供了在一张板卡上提供了1、2、4或8个完全同步通道的子型号选项，以满足多样化的测试需求。

 

图1展示了TS-M2p.5968-x4数字化仪，它配备了8个输入通道，每秒可采样高达125MS，并拥有16位的垂直分辨率。每个通道都配备了完整的前端电路，以及示波器级别的性能，用户可以调整诸如输入范围、偏移量和阻抗等参数。这种灵活的前端设计使得该卡能够捕捉各种电子信号，而16位的分辨率则确保了卓越的准确性和宽动态范围。

TS-M2p系列的所有产品均为半长尺寸的PCIe卡（168mm x 107mm x 30mm），几乎兼容所有台式PC，且易于安装。这些产品的设计共用同一种基板搭配不同子板，来实现各种不同具体型号。这种设计理念使得三大类仪器能够无缝协同工作，提供相似的功能并拥有相近的编程接口。共同利用久经验证的技术，不仅降低了每款产品的生产成本，还提升了整个系列的可靠性。

模块化连接与Star-Hub

共用同款基板的另一个显著优点在于，每个产品都可以使用相似的时钟和触发电路。为了充分利用这一优势，我们开发了一种名为Star-Hub的时钟和触发分配系统。该系统确保所有连接的卡都能与同一时钟和触发信号同步。Star-Hub与M2p系列中的所有卡兼容，并能够在一个系统中实现数字化仪、AWG和数字I/O这三个类别仪器板卡的同步操作。

Star-Hub模块有两种不同的版本：一种是小型版本，可实现最多6张卡的同步；另一种大型版本，最多可实现16张卡的同步。

Star-Hub模块是一块可以安装在任何M2p产品上的电路板，安装在其之上的M2p板卡讲成为系统主控。系统中的其他卡则通过长度相同的小线缆连接在一起，同时，主卡也需要这样的连接。这确保系统中所有卡的所有通道之间有尽可能小的相位延迟和偏差。图2显示了Star-Hub模块安装在M2p板上的样子。一旦安装了Star-Hub，无论何时启动系统，软件驱动程序都会自动识别并检查各个板之间的连接。此外由于所有的卡都组合为一整个系统运行，因此编程和板卡控制工作大大简化。

 

为了获得最大的触发灵活性，可以使用任何卡甚至多个卡作为系统整体的触发源。所有可选的触发功能（例如基于通道信号、外部、软件、窗口、脉冲宽度、重装、斜率、OR / AND组合、延迟）在使用Star-Hub时仍然可用。此外，所有卡的触发源可以进行逻辑OR操作，以满足需要多通道触发输入进行逻辑组合的情况。

创建最多128个通道模拟信号采集系统

对于需要多通道信号采集的测试情况，我们可以使用Star-Hub配合多达16张M2p系列数字化仪板卡进行同步采集操作，这允许创建最高可达128个通道的采集系统。例如，我们可以使用6张TS-M2p.5923-x4板卡构建一个具有48个通道的系统，每个通道的采样率最高可达20 MS/s。这一采样速度等级非常适合诸如雷达、超声成像、机械测量、光成像和LIDAR测距、流体力学、地震研究以及风洞测试等应用。我们曾经在一台Supermicro（超微）PC工作站上实现该系统，该计算机可以容纳多达6张PCIe卡，从而形成紧凑又非常强大的测试平台。

更大测试规模的系统也可以通过使用具有更多插槽的PC（基于非焊接式CPU的PC系统可提供多达二十个插槽）或使用扩展机箱来构建。比如Supermicro的一款机箱，可以做到同时容纳8张数字化仪板卡、1张AWG板卡和1张显卡，再加额外1个备用插槽。通过将多达16张PCIe数字化仪板卡安装在单个机箱中可以使测试系统非常紧凑，这是当系统尺寸和通道密度都很重要时一个很好的解决方案。此外，通过使用商用级PC组件，而非专有的模块化仪器标准，可以大幅降低系统的成本。

对于需要捕获和分析更高频率信号的应用，只需更换一批速度更快的数字化仪板卡即可。例如，可以使用16张TS-M2p.5943-x4板卡加上Star-Hub一起构建一个具有128个完全同步通道的系统，这样每个通道采样率可以高达80 MS/s，或者使用16张M2p.5966-x4板卡，在提供64个通道时采样速率为125 MS/s。像这样的高速采集系统被广泛用于各种应用，包括元件测试、成像系统、通信监测、监视、光学时间域反射仪（OTDR）以及大型科学实验。

多通道模拟信号生成

在大多数测试系统中，都需要信号源来提供模拟信号作为激励源。在不少情况下，被测设备本身并不直接产生信号。以放大器为例，如果没有信号源为其提供适当的输入信号，则无法进行任何有意义的电气测量。测量仪器和信号源的结合使得电气测试成为可能。同时使用AWG和数字化仪可以轻松地构建自动化测试平台，完成激励响应或闭环类测量。

在信号源方面，AWG几乎是一种通用产品，因为它能够生成几乎任何所需的信号或波形。用户可以通过方程式精确地创建波形，或者使用数字化仪或数字示波器捕获实际信号，并随后由AWG重新回放。此外，AWG的模块化设计也提供了紧凑的尺寸和高度集成的兼容性，这使得它们成为自动化测试系统的理想选择。

TS-M2p系列AWG可以生成几乎任何波形，其信号频率最高可达60 MHz。该产品的一个关键特性是其精确的锁相环（PLL）电路，它用于驱动每个通道的输出时钟。我们的PLL设计提供了较高的时钟精度（≤±1.0 ppm）和稳定性。它允许时钟速率完全可编程，设置分辨率为1 Hz，设置范围在1 kHz至每张卡的最大速度之间。同样，幅度摆动亦可以编程调节，范围从±1 mV到±6 V @ 50 Ω负载，或±12 V @ 高阻抗负载。

 

像数字化仪一样，AWG也可以通过Star-Hub进行连接，以允许创建具有多达80个通道完全同步的信号仿真系统。多通道信号生成的需求可以在各种应用中找到。例如，多通道AWG可以提供用于驱动相控阵系统的信号，无论是RF信号的天线还是超声换能器。这类系统的一个共同点是它们能使发射的电信号转换成另一种形式。图3显示了一个8单元超声波相控阵传输系统的基本信号波形。

通过对各通道的驱动信号添加顺序延迟，从超声波换能器阵列发出的信号可以指向某个方向甚至聚焦到特定点。AWG用户对波形的幅度和定时特性的控制拥有全部权限，从而在控制发射的波前方面提供了完全的灵活性。图3（右侧的示意图）还显示了如何以均匀、侧方向或聚焦方式引导波束。

其他可以部署多通道任意波形发生器系统的例子还包括机器人、机电一体化系统、元件测试、光学系统（例如收发器测试）以及作为完整的设备模拟器。

用于互联的多功能I/O

每一块TS-M2p系列的数字化仪和AWG卡都配备有几个前面板连接器，以便于轻松与其他测试仪器设备集成。标准配置包括外部触发和时钟输入接口，以及四个额外的连接器：一个多功能输出XO、和三个多功能I/O。这些连接器可以单独编程执行不同的功能，这包括时钟和触发I/O，以及反映板卡状态标志信号。此外，多功能连接器还可以用于同步数字I/O（即把数字信号数据存储在模拟数据样本点数据内）、异步I/O线路和逻辑触发输入。

 

这些多功能连接器使得数字化器和AWG卡能在各种混合（模拟和数字）信号测试环境中使用。如果需要更多的数字I/O通道，还有一个选项可以增加16条同步数字线（数据会合并到模拟数据中）。这些额外的I/O通道有效扩展了标准的四个多功能XIO线至20条。这些通道完全可编程，可以作为数字化仪的同步数字输入、AWG的同步数字输出，或者作为异步I/O线、状态线，甚至是额外的触发输入。

根据逻辑分析和模式生成的数字I/O

TS-M2p系列除了有数字化仪和AWG（模拟信号发生器）主要用于采集和生成模拟信号， 该产品家族还有另一款产品——TS-M2p.7515-x4板卡，它专注于处理数字信号。这款卡拥有32个并行通道，可以编程以在高达125 MHz的时钟速率，进行数字信号的采集或生成。当设置为数字采集模式时，这些通道支持3.3V并兼容5V TTL，适用于多种类型的数字信号。而在生成模式下，板卡提供高阻抗负载下的输出电平：低状态为0.2V，高状态为2.8V。

重要的是，这款数字I/O卡与M2p系列的数字化器、AWG也共享同一款基板。因此，它也可以与Star-Hub配合使用，与系统中安装的其他任何同系列板卡共享相同的时钟和触发信号。当然，通过将多张TS-M2p.7515-x4板卡与Star-Hub连接，也可以创建具有更多通道的数字采集或生成系统。例如，将16张板卡与Star-Hub组合，您将得到一个最多拥有512个完全同步通道的数字I/O系统。这对于工程师和科学家在需要大量通道进行逻辑分析或定时测量的场景中，是一种非常经济高效的解决方案。同样，它也是将模式生成功能融入复杂控制系统的一种经济方式。

软件和集成工具

TS-M2p产品是全可编程的，几乎可以与任何PC搭配使用，且配备了构建系统的所需工具。驱动程序支持Windows和Linux操作系统，而编程示例和支持覆盖多种编程语言，如C++、LabVIEW、MATLAB、Visual Basic.NET、Python和Julia等。这种广泛的语言选择让用户可以根据自己的熟悉程度选择最合适的编程语言来创建自定义测试程序，从而加速开发进程，提高效率。无论是对于专业开发者还是业余爱好者，这种灵活性都大大提高了他们的工作效率。

如果需要一站式解决方案，德思特也提供了现成的控制软件——SBench 6。该软件支持信号生成、采集、显示、处理、存储和报告，特别适合多通道应用。它设计得直观易用，具备多项功能，能帮助您简化系统设置和控制流程。此外，SBench 6还支持通过内置的导入/导出功能与其他程序或设备（如示波器）共享数据，借助导入导出功能，用户还可以很方便地以二进制、ASCII或Wave格式传输数据。

满足信号分析需求的处理能力

TS-M2p卡基于PCIe标准，采用4条Gen 1通道连接。这种高速总线使得每张卡都能与PC之间以极高的速度（高达700 MB/s）传输数据。对于多通道应用，这种总线非常理想，因为每个PCIe设备都有自己的专属带宽，不会影响系统中的其他设备。这有助于解决多种多通道系统中的常见问题，即数据传输慢导致系统响应迟钝，甚至无法正常使用。相比之下，TS-M2p卡能够快速将数据传输到PC的处理系统，保持数据吞吐量并优化处理速度。

对于需要强大信号和数据处理的应用，我们还提供一个特别的解决方案：SCAPP。SCAPP SDK实现了德思特Spectrum数字化仪或AWG与基于CUDA的GPU卡之间的直接连接。一旦数据进入GPU，用户可以利用GPU上多达5000个处理核心和高达24GB的大容量显存。SCAPP基于RDMA（远程直接内存访问）技术，能以全PCIe传输速度在板卡与GPU之间传输数据，从而充分发挥GPU的处理能力。

同时，CUDA图形卡的结构也非常适合M2p系列产品，因为它是为并行数据处理设计的，而这正是大多数信号处理任务的核心。例如，数据转换、滤波、平均、基线抑制、FFT窗口函数，甚至FFT本身等处理任务都可以轻松地进行并行化。SCAPP SDK软件基于C/C++语言编写，并提供了经过测试和优化的基本功能示例，如滤波、平均、数据解复用、数据转换或FFT。这些示例可以通过通用的编程技能进行修改和适配，以满足用户特定的应用需求。

结论

随着多通道测试的普及，对系统的性能要求也在逐步提高，同时成本控制也变得尤为重要，德思特通过TS-M2p产品系列，提供了一种经济高效的解决方案。该系列产品支持模拟和数字信号的采集和生成，并利用最新的基于PC的技术路线，实现了多通道仪器的协同工作。由于我们精心的产品和软硬件选项设计，用户可以轻松构建几乎任意多通道的测试系统，并可以根据特定应用需求进行定制。