Zurich Instruments 鎖相放大器
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Zurich Instruments 鎖相放大器

600MHz信號平均器UHF-Boxcar

UHF-BOX Boxcar 平均器是歷史上首款全數字化大型平均器,它開啟了使用低工作周期分析非正弦信息的全新視角和創新方式。該平均器通過與一個振蕩器同步的高速數字轉換器操作,可允許無死時間捕獲每一個樣本,同時拒絕所有非周期信號量。 LabOne® 工具組包括一個 周期波形分析儀 (PWA) ,該儀器可形象顯示出單獨或多期間內的平均信號,并允許針對信號和基線抑制方便地設置求平均值窗口。UHF-BOX Boxcar 平均器是 UHFLI 鎖相放大器 的選件,它含有 2 個獨立的 Boxcar,每個 Boxcar 配備一個 PWA。


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UHF-BOX 主要特點

  • 2 個Boxcar 單元

  • 600 MHz 重復率

  • 基線抑制

  • 零采集死時間

  • 2 個周期性波形分析儀 (PWA)

  • 含 512 行的諧波分析儀

  • 圖形設置 Boxcar 和基線窗口


UHF-BOX 升級和兼容性

  • 選件可現場升級

  • 與所有其他 UHF 選件兼容


UHF-BOX 應用

  • 脈沖激光光譜

  • 太赫茲光譜

  • 異步光學采樣 (ASOPS)

  • 同步加速器輻射實驗

  • 電子泵浦探測實驗

  • 脈沖雷達

  • 熒光衰減分析

  • 飛行時間質譜

  • 超導體磁場穿越


UHF-BOX 功能圖解


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同步檢波小占空比的信號

Boxcar 平均器通過僅刪除時域中相關的部分,恢復小占空比的信號。實際信號存在時的平均時間與僅噪聲存在時的時間比率最低可達10-9。即使在非極端的例子中,很明顯的是,最佳的信噪比也無法僅通過平均所有樣本而實現,而只可以通過有效地拒絕所有噪聲源而實現。此類實驗的主要部分是處理周期性固定的極其規律重復的信號,而瑞士蘇黎世儀器公司 (Zurich Instruments) 的 Boxcar 平均器正是一款同步檢波工具。它不是基于逐點觸發的提取,而是使用內部或外部參考頻率,將測量值轉移到實際實驗參考的框架中。對于鎖相檢波,Boxcar 平均同步檢波會拒絕未連接到有用頻率的所有信號分量。

周期波形分析儀

為方便設置選通和基線窗口,周期波形分析儀 (PWA) 以圖形方式顯示信號平均值,使用光標即可以選取重要的信號部分。PWA 按 450 MHz 的采樣率運行,根據參考振蕩器的相位將每個輸入樣本與 1024 個可用區間之一關聯。一個或多個周期可根據相位或時間顯示。信號 FFT 表明所有諧波分量均存在于信號中 — 多諧波分析儀。通過該工具,用戶可以立即推斷出在單個諧波中信號功率是多少,并使用鎖相解調器提取最多 8 個這樣的單個分量。

基線抑制

Boxcar 求平均值包含兩個步驟。第一步,計算出測量窗口內所有樣本的平均值。第二步,通過用戶可調節的振蕩周期數目計算這些結果的平均值。基線抑制允許使用相同信號提取原則定義第二個相同大小的窗口,從而將結果從測量窗口結果中去掉。這樣即使信號偏置更改,也可以獲得恒定信號。另外,當把參考頻率調諧到實驗頻率一半時,可以去除含有開、關信息類型的信號,如在泵浦探測實驗中。

多通道 Boxcar

多通道 Boxcar也支持雙時基實驗。該實驗適用的設置包括脈沖激光經歷較慢的物理實驗調制過程。多通道操作將快速脈沖的測量結果根據慢頻率與時間區間關聯。得出的結果是雙時基的去卷積時間序列。異步光學采樣 (ASOPS) 即是此類實驗的典型例子,此實驗將兩個稍微失諧的重復激光源用在了泵浦探測實驗中。Boxcar 首先提取低占空比的信號,接著 PWA 根據兩個激光器的相對相位關聯結果,再顯示 Boxcar 結果。


UHF-BOX 規格

老式 Boxcar 平均器特點
信號輸入2
Boxcar 平均器2
信號輸入帶寬直流 - 600 MHz
1.5 ns 上升時間 (20% - 80%)
重復率外部觸發器:100 Hz 至 600 MHz
內部觸發器:1 Hz 至 600 MHz
基線抑制:<450 MHz
采集死時間0(重復率 < 450 MHz)
1.6 ns(重復率 > 450 MHz)
輸入靈敏度范圍10 mV 至 1.5 V1
Boxcar 增益1,000,000 V/V1
輸入噪聲4 nV/√Hz,與處于全帶寬的 100 μV 相符
積分器選通時間556 ps 至 9.3 ms2, 3
積分器選通延遲360 度全范圍,極高分辨率
Boxcar 平均長度1 至 1 M 平均積分器結果
Boxcar 輸出每平均長度 1 至 512 個更新,多達 2.5 MS/s


數字 Boxcar 特點
輸入采樣12 位,1.8 GSa/s
周期波形分析儀2
周期波形分析儀的數據區間1024
多通道 Boxcar 的數據區間1024
諧波分析儀,同時測量的諧波頻率512
高級操作模式基線抑制完整微差測量
多通道 Boxcar

1 傳統規格,旨在與老式 Boxcar 對比
2 取決于重復率的規格,僅合理的組合會提供有用的結果
3 該性能的條件是 600 MHz 模擬輸入濾波器


UHF-BOX 產品特色

不錯過一次脈沖

瑞士蘇黎世儀器公司 (Zurich Instruments) 保證提供卓越的功能并改善用戶的體驗,為物理學家和工程師打造先進的信號采集工具。以下是 UHF-BOX Boxcar 平均器特點集錦。


測量快 1000 倍

使用數字技術實施的   Boxcar 平均器不用對積分器放電,所以保證了無縫數據采集和處理。因此,困擾模擬Boxcar 平均器的速度限制問題也就不復存在了。這款工具可以做到無死時間一個脈沖接一個脈沖地求平均值,重復率最多可達600 MHz。與傳統模擬儀器相比,由于沒有錯過任何單次脈沖,所以某些應用將受益于增速了多達1000 倍的測量時間。選通窗口的間隔尺寸由1.8 GSa/s 采樣速率的反數確定,即 556 ps 的倍數。

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更多應用 — 基線抑制


                      

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同時使用兩個 Boxcar 平均器裝置的輸出,我們有可能使用基線抑制測量(將選通脈沖關時測量的背景噪聲從在開時測量到的值中去除)或其他高級測量,如完整差分信號路徑分析。基本凈空所具備的靈活性可以支持比傳統模擬平均器更多的應用。數字運算處理器 (DAP) 有能力在結果輸出前將一個平均器的結果從其他結果中去除。這樣可以保證實時采集差分信號和潛在閉環操作。亦支持其他運算操作。

 

使用簡單 — 周期波形分析儀

僅需按動一個按鈕,即可顯示有用信號的周期波形,例如衰減過程的瞬態。脈沖的實際形狀由高效時間區間重建,而該過程不需要任何外部設備。因此,用戶可以方便地在用戶界面內部定義平均器設置,而無需額外采樣范圍。

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使用兩個時基測量

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使用兩個時基的實驗例子是,將較慢的調制重疊在快速脈沖激光上。一般來說,測量這樣的信號會涉及到觸發點復雜掃描和數據后處理過程。多通道平均器從容地解決了這一問題,它可以實時執行數據去卷積,根據慢時基將快時基的測量結果與時間區間關聯。此過程以圖形顯示的形式提供關于振幅的即時反饋。參見多通道 Boxcar 平均器。

 

其他特點

與鎖相放大器相似,高性能鎖相環可追蹤有用信號的周期性,并提供最佳信號恢復,可改善 Boxcar 求平均值的信噪比。對于重復率快速變化的應用,可配置鎖相環能夠提供更好的動態控制。

 

周期性波形分析儀

瑞士蘇黎世儀器公司 (Zurich Instruments) 推出了一款新型儀器,該儀器具備諸多全新和現有的獨特能力。


新一類儀器

周期波形分析儀 (PWA) 是一種同步檢波器,可用于周期性信號分析。實施同步檢波有多種方法,當從嘈雜背景中提取信號時,它是優化信噪比的有用方式。不同的同步檢波方法均利用了一個事實,即有用信號是具有周期性的,而且相關頻率是已知干擾。鎖相檢波和 Boxcar 求平均值是同步檢波方式的兩種實際例子,每種方式均根據特定的信號類型定制:正弦信號對應鎖相檢波,低占空比信號對應 Boxcar 求平均值。

PWA 采納連續樣本流,將它們同步關聯到參考振蕩器的實際相位,從而有效實現同步檢波。另外,樣本通過以前在相同相位的樣本可計算出平均值。在多種參考頻率周期中執行此類操作,即可產生諸多相位和樣本對,其中相位是介于 0 和 2π 之間的值。它算作是一種周期信號的數字信號平均器。X 軸上的含相位的平均值繪圖可稱作是相位域圖示。通過與采樣示波器相似的幾個數量級,PWA 也克服了由 ADC 實際采樣率施加的限制。


放大任何周期波形

UHF-BOX Boxcar 平均器將相位值分類到 1024 個區間中,生成了次級(即 2π/1024 或 0.4°)分辨率的波形,形成相位域圖示。如果該分辨率不夠用,用戶可以將輸入信號調到更高的參考頻率諧波,這樣可以放大相關區域,將時間分辨率增加到毫度 (m°)。這樣便可以精確分析低占空比或任何其他周期性重復瞬態的脈沖信號。

 

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Boxcar 還是鎖相?讓諧波分析器給出答案吧

通過 PWA 可以很容易選擇最高效的信號恢復方法。基波中可用的占空比和信號能量幾乎呈線性擴展。例如在 50% 占空比的矩形信號脈沖中,僅 1/3 的信號處于基波。如果占空比除以因數 2,則基波中的信號能量也減半。

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對 PWA 數據集執行的 FFT 可生成在更高的參考頻率諧波下信號振幅的頻譜分布。在使用 UHF-BOX PWA 的情況下,這是直流和參考頻率前 511 個諧波的能量分布。因此,用戶可以很容易決定鎖相放大和 Boxcar 求平均值哪個是更合適的測量方法。例如,如果用戶看到信號分布于諸多諧波分量而沒有任何突出峰值,則 Boxcar 平均器檢波方式可能是用來獲得最好信噪比的更明智選擇。


求周期信號平均值(信號平均器)

PWA 的參考頻率由儀器自身提供,或者當通過外部生成時,可以通過可調節帶寬的鎖相環仔細追蹤。與使用標準示波器執行的分析相比,這種方式具備極大的求平均值優勢并且不會觸發晃動。更重要的是,該工具能做到無死時間檢波,而許多實時示波器在每次觸發事件后都需要大量時間重新準備響應。相比來看,UHF-BOX PWA 可以捕獲并求出 10 秒甚至更長時間的數據流,與 80 MHz 激光器的 8 億個周期相一致,而不會錯過任一樣本。


低占空比信號分析

PWA 與示波器相似的功能也有助于選擇 Boxcar 平均器測量所用的相關窗口。在相位域圖示中,用戶可以輕松選取包含重要信號的區域。而如果 512 個區間的分辨率不夠用的話,用戶可以將輸入信號調到更高的參考頻率諧波,這樣就可以放大相關區域,按需要增加時間分辨率。

綜上所述,周期波形分析儀是一款功能多樣、強大的測量儀器,當與鎖相放大器、信號平均器或 Boxcar 平均器等儀器相配合使用時能夠提供極大的價值。PWA 在許多設置中都可以替代采樣示波器,可以融入到任何組合的標準測量儀器中。


老式 Boxcar

Boxcar 平均器是眾所周知的幫助從噪聲中恢復信號的一類儀器。我們很容易找到半個世紀以前的相關材料[1], [2]。它采用的測量技術尤其適合于小占空比的信號,這說明信號的有用部分僅是時域系列的一小部分。通過時間分辨測量脈沖源獲得的信號就屬于這種情況。當開始事件觸發此類信號時,我們能夠細致地定義測量信號的時間窗口、放棄該窗口外的信號并進而放棄該信號包含的噪聲。

Boxcar 一詞的使用來源難以考究,但普遍認為是源于與美國貨運火車外形的相似性和在示波器上顯示的一系列脈沖形狀 [3]。數學上的方脈沖 (boxcar) 函數是除了一個單區間等于常數外,其余皆在整個時間軸零軸以上的任何函數 [4]。


選通、積分和求平均值

Boxcar 平均器一般由兩個組件構成:門控積分器和信號平均器。門函數作用于時域,需要起點和終點才能測量。當門打開時,輸入信號開始積分;當門閉合時,則沒有信號積分。集成的結果與脈沖下方的區域一致。與開始事件相比,積分可能延遲。假設輸入單位是伏特 (Volts),那么矩形波串 (boxcar) 積分器的輸出單位就是 V * s。

信號平均器采用若干積分結果完成求平均值。求平均值的過程起到低通濾波器的作用,減少了有用信號的動態活動,但按比例提高了信噪比到平均樣本數的平方根。這是許多脈沖實驗的主操作模式,它將大量脈沖用于檢索相關信息。有兩種經常使用的求平均值算法:線性移動和指數加權平均。這些算法可以通過合理的方式簡單地同模擬技術配合使用。線性平均使用相同的權系數(樣本總數除以樣本數量)處理所有積分脈沖,內存受到被檢查窗口 (Boxcar) 的限制;指數加權平均在時間序列中能夠衡重比老式更新的樣本,而且在理論上接受過去樣本的內存不受限制。

通過生成與平均器測量結果相稱的電壓,傳統 Boxcar 平均器對一些物理輸出連接器實施靜態測量模式。由于 Boxcar 平均器的控制參數(選通時間、選通延遲和選通長度)不隨時間而改變,所以這種方法是靜態的。


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第二種常見的測量方法是動態的。選通延遲掃描與短積分時間(小于脈沖長度)相結合,可用于描述脈沖波形。

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模擬對比數字 Boxcar

商用 Boxcar 平均器已存在很長時間,但大部分商用儀器的設計很老舊。這些儀器通常由集成到主機架內的 PCI 卡或 NIM 模塊構成,提供一條或多條通道。這些儀器多數依賴模擬電子元件,因此限制了配置參數的設置范圍。此類模擬 Boxcar 已由數千名科學家使用了數十年,是成熟的信號恢復儀器老式型號市場的一部分。這些儀器的功能已不能滿足今天的高端應用,必須推出新的數字儀器產品。

數字 Boxcar 平均器遵循的是不同的執行理念。所以它與模擬儀器的對比不是很直觀。即使數字儀器提供與模擬儀器同等的功能,一些提供的規格參數也只是出于對比之目的。

數字 Boxcar 平均器具有諸多優勢,如卓越的規格、更廣泛的設置和獨特的功能,這些都是模擬儀器實際上不能提供的。數字 Boxcar 平均器僅適用于恢復周期源中的信號。而數字儀器在這方面的能力要略遜于可以輕松處理異步脈沖事件的模擬儀器。但對大多數應用來說,這種限制算不上什么問題。


下表詳細顯示了模擬和數字 Boxcar 平均器的規格對比以及數字儀器比模擬儀器優秀的地方。


靜態 Boxcar 模式

由信號選通、積分、求平均值組成 — 數字和模擬儀器的同等行為

動態 Boxcar模式

同等于脈沖激光儀器中的波形重構或峰形分析器 — 模擬儀器需要外部斜坡發生器,而數字儀器無需外部設備即可立即執行重構工作

信號輸入帶寬

數字 Boxcar 定義位于模擬變數字轉換器前部的反混疊濾波器提供的輸入帶寬 — 通常規格是采樣頻率的三分之一

重復率

定義最小和最大觸發率的參數 — 從內部和外部觸發時,儀器可能有不同的限制 — 當使用脈沖激光器時,觸發率等同于激光重復率

積分器死時間

典型的模擬儀器規格,因為存在模擬積分器放電的限制能力 — 數字 Boxcar 的該參數可能很低,可支持更高的重復率

Boxcar 靈敏度范圍

典型的模擬儀器規格,可指明在積分前應用于信號的模擬增益 — 數字儀器擁有相似但不同等的規格,因為增益會在模擬變數字轉換器前應用于輸入信號

Boxcar 增益

典型的模擬儀器規格,定義從輸入到輸出提供的總增益,增益 = Vout - Vin,數字儀器的該參數可能為任意大

積分器選通延遲

定義儀器可執行積分的時間窗口的規格 — 由于合適的內部實施,數字 Boxcar 可能超過采樣速率分辨率,這不足為奇

積分器選通延遲

用于動態 Boxcar 模式的典型模擬規格 — 此參數是數字儀器的傳統配置,并且能以 360 度全范圍方便提供 — 沒有具體限制

Boxcar 平均長度

數字實現遠優于模擬儀器

Boxcar 輸出

Boxcar 輸出的更新頻率


參考資料                                                                                         

[1] Boxcar Integrator with Long Holding Times, R. J. Blume, Rev. Sci. Instrum. 32, 1016 (1961), doi: 10.1063/1.1717602

[2] High Stability Boxcar Integrator for Fast NMR Transients in Solids, D. Ware and P. Mansfield, Rev. Sci. Instrum. 37, 1167 (1966), doi: 10.1063/1.1720449

[3] The Boxcar Detector, A synchronous detector that is used to recover waveforms buries in noise, J.D.W. Abernethy, Wireless World (December 1970)

[4] Wikipedia, Boxcar Function


UHF-BOXCAR信號平均器產品介紹下載

UHF-BOXCAR信號平均器產品操作軟件LabOne18.05下載


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