【导读】传统台式锁相放大器虽被誉为检测“神器”，但其封闭的“黑盒”架构、固定的通道数量以及难以实现系统级同步的局限，已逐渐无法适应分布式光纤传感、多轴惯导测试等复杂场景对高密度并行与自定义算法的严苛需求。面对这一痛点，NI正式推出了全新的Lock-in-Amplifier (LIA) FPGA Reference Design。这套开放的IP核心方案打破了硬件与软件的界限，能够将PXI R系列、FlexRIO乃至示波器板卡瞬间“进化”为高性能数字锁相放大器。它不仅保留了即开即用的便捷性，更赋予了科研人员深度定制FPGA流水线的自由，让采集硬件真正转化为可灵活定义的“软件定义仪器”。
为什么我们需要开放的LIA架构？
在基础物理、材料科学、光学测量的前沿探索中，以及生物医药、分布式传感、惯性导航等高端工业应用里，如何从强噪声背景中精准提取微弱信号，始终是测量的核心挑战。锁相放大器（LIA）因此被公认为微弱信号检测的“神器”。
然而，传统台式LIA往往受限于其“黑盒”属性：通道数固定、体积笨重、无法满足用户自定义算法的需求、难以实现高精度时钟基准下的多机同步。特别是在分布式光纤传感或多轴惯导测试等复杂场景下，用户对“高密度通道并行”和“系统级相干性”有着严苛要求——这恰恰是传统单体仪器难以逾越的鸿沟。
如果您的采集卡就能直接”进化“为高性能锁相放大器，会是怎样的体验？
并不是增加一台仪器，而是释放硬件的潜能。我们正式推出 NI Lock-in-Amplifier (LIA) FPGA Reference Design。这是一套开放且强大的FPGA IP核心，能够直接赋能您的NI FPGA RIO硬件（涵盖R系列、FlexRIO及协处理器、甚至是示波器板卡），将其瞬间转化为高精度、高灵活性的数字锁相放大器，完美适配从实验室研发到工业量产的复杂测量需求。
图1: 基于PXI 的锁相放大器硬件架构
核心亮点一： 开放式 FPGA 平台，兼顾“即开即用”与“算法自定义”
NI 提供的不仅仅是硬件，而是一套完整的开放式 FPGA 参考设计（Reference Design）。即开即用：提供基于 Host 端的完整驱动与 GUI，用户无需编写底层代码，即可像操作标准仪器一样配置滤波器、查看频谱，降低您FPGA的使用门槛。
图2: 基于 LabVIEW 的锁相放大器交互界面
算法自定义：打破传统仪器的“黑盒”限制，向用户开放 FPGA IP Core。科研人员可将自定义的解调算法、级联滤波器或PID 控制逻辑直接嵌入 FPGA 流水线中，实现真正的“软件定义仪器”。
广泛的硬件适配能力
该参考设计具有极强的跨平台移植性， FPGA IP Core 能够灵活部署于多种 NI 硬件平台，满足从低成本控制到高性能射频直采的各类需求，为了确保参考设计的可靠性与性能确定性，研发团队已针对以下主流硬件配置进行了严格验证：
核心亮点二：系统级优势，高密度多通道并行与分布式异地同步
得益于NI PXI板卡自身的高集成度以及PXI平台背板时钟与触发架构，该方案解决了传统台式仪器在通道拓展和系统同步上的痛点：高密度通道并行：NI PXI板卡凭借其高密度AI/AO通道设计，在单张板卡上即可原生支持多个LIA通道的激励与采集。 结合PXI机箱的灵活扩展，单机箱即可轻松实现数十通道LIA系统，大幅摊薄单通道成本。 这远比依赖堆叠独立盒式仪器来拓展通道的传统方案更具性价比，并显著简化了系统复杂度和布线。分布式异地同步：支持GPS/PPS 驯服时钟。在大型物理实验或分布式光纤传感场景下，能够实现跨机箱、甚至跨地域的纳秒级相位一致性，构建统一时基的测量网络。
核心亮点三：宽频信号处理——从DC到3.2 GS/s 射频直采与双模解调架构
通过引入 N-SPC (N-Sample-Per-Cycle)并行处理技术，该设计能够适配从低速高精到高速宽带的各类 NI 硬件：3.2 GS/s射频直采架构：通过引入 N-SPC (N-Sample-Per-Cycle) 并行处理技术，我们的设计能够无缝适配从低速高精到高速宽带的各类NI硬件。特别是当适配3.2 GS/s采样率的FlexRIO数字化仪（如PXIe-5785）时，可实现DC至320 MHz的有效信号带宽覆盖，直接在数字域完成高保真I/Q解调。这种射频直采架构确保了信号处理的纯净性与精确度，避免了模拟前端的失真。
表格1: FPGA LIA 不同架构性能与兼容性横评
多架构解调灵活性与智能适配：我们深知不同应用场景对LIA解调策略的需求各异。因此，我们的参考设计支持多种FPGA LIA架构，满足您在精度、速度和兼容性上的严苛要求：
我们的架构支持外部PLL（External PLL）、外部Hilbert（External Hilbert）和内部参考（Internal Reference）模式。这意味着您可以根据信号特点灵活选择最匹配的解调策略。例如，我们的IP在1-spc和N-spc模式下，均能支持这些架构，并且在吞吐量、采样率及频率范围上均有明确的优化和验证，甚至支持K7/KU等特定FPGA目标，部分架构更可移植到任何FPGA平台，为您的项目提供了无与伦比的兼容性和灵活性。
通过深度融合开放式FPGA架构与NI强大的PXI硬件平台，该方案不仅成功解决了传统设备在通道扩展性、算法灵活性及多机同步上的瓶颈，更凭借从DC到3.2 GS/s的宽频覆盖能力以及N-SPC并行处理技术，实现了射频直采级别的高保真解调。无论是需要低成本快速部署的实验室研发，还是追求纳秒级相位一致性的跨地域大型科学工程，这一“软硬结合”的解决方案都能提供极具性价比的系统级优势。
