Zurich Instruments 锁相放大器
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Zurich Instruments 锁相放大器

600MHz信号平均器UHF-Boxcar

UHF-BOX Boxcar 平均器是历史上首款全数字化大型平均器,它开启了使用低工作周期分析非正弦信息的全新视角和创新方式。该平均器通过与一个振荡器同步的高速数字转换器操作,可允许无死时间捕获每一个样本,同时拒绝所有非周期信号量。 LabOne® 工具组包括一个 周期波形分析仪 (PWA) ,该仪器可形象显示出单独或多期间内的平均信号,并允许针对信号和基线抑制方便地设置求平均值窗口。UHF-BOX Boxcar 平均器是 UHFLI 锁相放大器 的选件,它含有 2 个独立的 Boxcar,每个 Boxcar 配备一个 PWA。


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UHF-BOX 主要特点

  • 2 个Boxcar 单元

  • 600 MHz 重复率

  • 基线抑制

  • 零采集死时间

  • 2 个周期性波形分析仪 (PWA)

  • 含 512 行的谐波分析仪

  • 图形设置 Boxcar 和基线窗口


UHF-BOX 升级和兼容性

  • 选件可现场升级

  • 与所有其他 UHF 选件兼容


UHF-BOX 应用

  • 脉冲激光光谱

  • 太赫兹光谱

  • 异步光学采样 (ASOPS)

  • 同步加速器辐射实验

  • 电子泵浦探测实验

  • 脉冲雷达

  • 荧光衰减分析

  • 飞行时间质谱

  • 超导体磁场穿越


UHF-BOX 功能图解


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同步检波小占空比的信号

Boxcar 平均器通过仅删除时域中相关的部分,恢复小占空比的信号。实际信号存在时的平均时间与仅噪声存在时的时间比率最低可达10-9。即使在非极端的例子中,很明显的是,最佳的信噪比也无法仅通过平均所有样本而实现,而只可以通过有效地拒绝所有噪声源而实现。此类实验的主要部分是处理周期性固定的极其规律重复的信号,而瑞士苏黎世仪器公司 (Zurich Instruments) 的 Boxcar 平均器正是一款同步检波工具。它不是基于逐点触发的提取,而是使用内部或外部参考频率,将测量值转移到实际实验参考的框架中。对于锁相检波,Boxcar 平均同步检波会拒绝未连接到有用频率的所有信号分量。

周期波形分析仪

为方便设置选通和基线窗口,周期波形分析仪 (PWA) 以图形方式显示信号平均值,使用光标即可以选取重要的信号部分。PWA 按 450 MHz 的采样率运行,根据参考振荡器的相位将每个输入样本与 1024 个可用区间之一关联。一个或多个周期可根据相位或时间显示。信号 FFT 表明所有谐波分量均存在于信号中 — 多谐波分析仪。通过该工具,用户可以立即推断出在单个谐波中信号功率是多少,并使用锁相解调器提取最多 8 个这样的单个分量。

基线抑制

Boxcar 求平均值包含两个步骤。第一步,计算出测量窗口内所有样本的平均值。第二步,通过用户可调节的振荡周期数目计算这些结果的平均值。基线抑制允许使用相同信号提取原则定义第二个相同大小的窗口,从而将结果从测量窗口结果中去掉。这样即使信号偏置更改,也可以获得恒定信号。另外,当把参考频率调谐到实验频率一半时,可以去除含有开、关信息类型的信号,如在泵浦探测实验中。

多通道 Boxcar

多通道 Boxcar也支持双时基实验。该实验适用的设置包括脉冲激光经历较慢的物理实验调制过程。多通道操作将快速脉冲的测量结果根据慢频率与时间区间关联。得出的结果是双时基的去卷积时间序列。异步光学采样 (ASOPS) 即是此类实验的典型例子,此实验将两个稍微失谐的重复激光源用在了泵浦探测实验中。Boxcar 首先提取低占空比的信号,接着 PWA 根据两个激光器的相对相位关联结果,再显示 Boxcar 结果。


UHF-BOX 规格

老式 Boxcar 平均器特点
信号输入2
Boxcar 平均器2
信号输入带宽直流 - 600 MHz
1.5 ns 上升时间 (20% - 80%)
重复率外部触发器:100 Hz 至 600 MHz
内部触发器:1 Hz 至 600 MHz
基线抑制:<450 MHz
采集死时间0(重复率 < 450 MHz)
1.6 ns(重复率 > 450 MHz)
输入灵敏度范围10 mV 至 1.5 V1
Boxcar 增益1,000,000 V/V1
输入噪声4 nV/√Hz,与处于全带宽的 100 μV 相符
积分器选通时间556 ps 至 9.3 ms2, 3
积分器选通延迟360 度全范围,极高分辨率
Boxcar 平均长度1 至 1 M 平均积分器结果
Boxcar 输出每平均长度 1 至 512 个更新,多达 2.5 MS/s


数字 Boxcar 特点
输入采样12 位,1.8 GSa/s
周期波形分析仪2
周期波形分析仪的数据区间1024
多通道 Boxcar 的数据区间1024
谐波分析仪,同时测量的谐波频率512
高级操作模式基线抑制完整微差测量
多通道 Boxcar

1 传统规格,旨在与老式 Boxcar 对比
2 取决于重复率的规格,仅合理的组合会提供有用的结果
3 该性能的条件是 600 MHz 模拟输入滤波器


UHF-BOX 产品特色

不错过一次脉冲

瑞士苏黎世仪器公司 (Zurich Instruments) 保证提供卓越的功能并改善用户的体验,为物理学家和工程师打造先进的信号采集工具。以下是 UHF-BOX Boxcar 平均器特点集锦。


测量快 1000 倍

使用数字技术实施的   Boxcar 平均器不用对积分器放电,所以保证了无缝数据采集和处理。因此,困扰模拟Boxcar 平均器的速度限制问题也就不复存在了。这款工具可以做到无死时间一个脉冲接一个脉冲地求平均值,重复率最多可达600 MHz。与传统模拟仪器相比,由于没有错过任何单次脉冲,所以某些应用将受益于增速了多达1000 倍的测量时间。选通窗口的间隔尺寸由1.8 GSa/s 采样速率的反数确定,即 556 ps 的倍数。

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更多应用 — 基线抑制


                      

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同时使用两个 Boxcar 平均器装置的输出,我们有可能使用基线抑制测量(将选通脉冲关时测量的背景噪声从在开时测量到的值中去除)或其他高级测量,如完整差分信号路径分析。基本净空所具备的灵活性可以支持比传统模拟平均器更多的应用。数字运算处理器 (DAP) 有能力在结果输出前将一个平均器的结果从其他结果中去除。这样可以保证实时采集差分信号和潜在闭环操作。亦支持其他运算操作。

 

使用简单 — 周期波形分析仪

仅需按动一个按钮,即可显示有用信号的周期波形,例如衰减过程的瞬态。脉冲的实际形状由高效时间区间重建,而该过程不需要任何外部设备。因此,用户可以方便地在用户界面内部定义平均器设置,而无需额外采样范围。

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使用两个时基测量

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使用两个时基的实验例子是,将较慢的调制重叠在快速脉冲激光上。一般来说,测量这样的信号会涉及到触发点复杂扫描和数据后处理过程。多通道平均器从容地解决了这一问题,它可以实时执行数据去卷积,根据慢时基将快时基的测量结果与时间区间关联。此过程以图形显示的形式提供关于振幅的即时反馈。参见多通道 Boxcar 平均器。

 

其他特点

与锁相放大器相似,高性能锁相环可追踪有用信号的周期性,并提供最佳信号恢复,可改善 Boxcar 求平均值的信噪比。对于重复率快速变化的应用,可配置锁相环能够提供更好的动态控制。

 

周期性波形分析仪

瑞士苏黎世仪器公司 (Zurich Instruments) 推出了一款新型仪器,该仪器具备诸多全新和现有的独特能力。


新一类仪器

周期波形分析仪 (PWA) 是一种同步检波器,可用于周期性信号分析。实施同步检波有多种方法,当从嘈杂背景中提取信号时,它是优化信噪比的有用方式。不同的同步检波方法均利用了一个事实,即有用信号是具有周期性的,而且相关频率是已知干扰。锁相检波和 Boxcar 求平均值是同步检波方式的两种实际例子,每种方式均根据特定的信号类型定制:正弦信号对应锁相检波,低占空比信号对应 Boxcar 求平均值。

PWA 采纳连续样本流,将它们同步关联到参考振荡器的实际相位,从而有效实现同步检波。另外,样本通过以前在相同相位的样本可计算出平均值。在多种参考频率周期中执行此类操作,即可产生诸多相位和样本对,其中相位是介于 0 和 2π 之间的值。它算作是一种周期信号的数字信号平均器。X 轴上的含相位的平均值绘图可称作是相位域图示。通过与采样示波器相似的几个数量级,PWA 也克服了由 ADC 实际采样率施加的限制。


放大任何周期波形

UHF-BOX Boxcar 平均器将相位值分类到 1024 个区间中,生成了次级(即 2π/1024 或 0.4°)分辨率的波形,形成相位域图示。如果该分辨率不够用,用户可以将输入信号调到更高的参考频率谐波,这样可以放大相关区域,将时间分辨率增加到毫度 (m°)。这样便可以精确分析低占空比或任何其他周期性重复瞬态的脉冲信号。

 

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Boxcar 还是锁相?让谐波分析器给出答案吧

通过 PWA 可以很容易选择最高效的信号恢复方法。基波中可用的占空比和信号能量几乎呈线性扩展。例如在 50% 占空比的矩形信号脉冲中,仅 1/3 的信号处于基波。如果占空比除以因数 2,则基波中的信号能量也减半。

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对 PWA 数据集执行的 FFT 可生成在更高的参考频率谐波下信号振幅的频谱分布。在使用 UHF-BOX PWA 的情况下,这是直流和参考频率前 511 个谐波的能量分布。因此,用户可以很容易决定锁相放大和 Boxcar 求平均值哪个是更合适的测量方法。例如,如果用户看到信号分布于诸多谐波分量而没有任何突出峰值,则 Boxcar 平均器检波方式可能是用来获得最好信噪比的更明智选择。


求周期信号平均值(信号平均器)

PWA 的参考频率由仪器自身提供,或者当通过外部生成时,可以通过可调节带宽的锁相环仔细追踪。与使用标准示波器执行的分析相比,这种方式具备极大的求平均值优势并且不会触发晃动。更重要的是,该工具能做到无死时间检波,而许多实时示波器在每次触发事件后都需要大量时间重新准备响应。相比来看,UHF-BOX PWA 可以捕获并求出 10 秒甚至更长时间的数据流,与 80 MHz 激光器的 8 亿个周期相一致,而不会错过任一样本。


低占空比信号分析

PWA 与示波器相似的功能也有助于选择 Boxcar 平均器测量所用的相关窗口。在相位域图示中,用户可以轻松选取包含重要信号的区域。而如果 512 个区间的分辨率不够用的话,用户可以将输入信号调到更高的参考频率谐波,这样就可以放大相关区域,按需要增加时间分辨率。

综上所述,周期波形分析仪是一款功能多样、强大的测量仪器,当与锁相放大器、信号平均器或 Boxcar 平均器等仪器相配合使用时能够提供极大的价值。PWA 在许多设置中都可以替代采样示波器,可以融入到任何组合的标准测量仪器中。


老式 Boxcar

Boxcar 平均器是众所周知的帮助从噪声中恢复信号的一类仪器。我们很容易找到半个世纪以前的相关材料[1], [2]。它采用的测量技术尤其适合于小占空比的信号,这说明信号的有用部分仅是时域系列的一小部分。通过时间分辨测量脉冲源获得的信号就属于这种情况。当开始事件触发此类信号时,我们能够细致地定义测量信号的时间窗口、放弃该窗口外的信号并进而放弃该信号包含的噪声。

Boxcar 一词的使用来源难以考究,但普遍认为是源于与美国货运火车外形的相似性和在示波器上显示的一系列脉冲形状 [3]。数学上的方脉冲 (boxcar) 函数是除了一个单区间等于常数外,其余皆在整个时间轴零轴以上的任何函数 [4]。


选通、积分和求平均值

Boxcar 平均器一般由两个组件构成:门控积分器和信号平均器。门函数作用于时域,需要起点和终点才能测量。当门打开时,输入信号开始积分;当门闭合时,则没有信号积分。集成的结果与脉冲下方的区域一致。与开始事件相比,积分可能延迟。假设输入单位是伏特 (Volts),那么矩形波串 (boxcar) 积分器的输出单位就是 V * s。

信号平均器采用若干积分结果完成求平均值。求平均值的过程起到低通滤波器的作用,减少了有用信号的动态活动,但按比例提高了信噪比到平均样本数的平方根。这是许多脉冲实验的主操作模式,它将大量脉冲用于检索相关信息。有两种经常使用的求平均值算法:线性移动和指数加权平均。这些算法可以通过合理的方式简单地同模拟技术配合使用。线性平均使用相同的权系数(样本总数除以样本数量)处理所有积分脉冲,内存受到被检查窗口 (Boxcar) 的限制;指数加权平均在时间序列中能够衡重比老式更新的样本,而且在理论上接受过去样本的内存不受限制。

通过生成与平均器测量结果相称的电压,传统 Boxcar 平均器对一些物理输出连接器实施静态测量模式。由于 Boxcar 平均器的控制参数(选通时间、选通延迟和选通长度)不随时间而改变,所以这种方法是静态的。


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第二种常见的测量方法是动态的。选通延迟扫描与短积分时间(小于脉冲长度)相结合,可用于描述脉冲波形。

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模拟对比数字 Boxcar

商用 Boxcar 平均器已存在很长时间,但大部分商用仪器的设计很老旧。这些仪器通常由集成到主机架内的 PCI 卡或 NIM 模块构成,提供一条或多条通道。这些仪器多数依赖模拟电子元件,因此限制了配置参数的设置范围。此类模拟 Boxcar 已由数千名科学家使用了数十年,是成熟的信号恢复仪器老式型号市场的一部分。这些仪器的功能已不能满足今天的高端应用,必须推出新的数字仪器产品。

数字 Boxcar 平均器遵循的是不同的执行理念。所以它与模拟仪器的对比不是很直观。即使数字仪器提供与模拟仪器同等的功能,一些提供的规格参数也只是出于对比之目的。

数字 Boxcar 平均器具有诸多优势,如卓越的规格、更广泛的设置和独特的功能,这些都是模拟仪器实际上不能提供的。数字 Boxcar 平均器仅适用于恢复周期源中的信号。而数字仪器在这方面的能力要略逊于可以轻松处理异步脉冲事件的模拟仪器。但对大多数应用来说,这种限制算不上什么问题。


下表详细显示了模拟和数字 Boxcar 平均器的规格对比以及数字仪器比模拟仪器优秀的地方。


静态 Boxcar 模式

由信号选通、积分、求平均值组成 — 数字和模拟仪器的同等行为

动态 Boxcar模式

同等于脉冲激光仪器中的波形重构或峰形分析器 — 模拟仪器需要外部斜坡发生器,而数字仪器无需外部设备即可立即执行重构工作

信号输入带宽

数字 Boxcar 定义位于模拟变数字转换器前部的反混叠滤波器提供的输入带宽 — 通常规格是采样频率的三分之一

重复率

定义最小和最大触发率的参数 — 从内部和外部触发时,仪器可能有不同的限制 — 当使用脉冲激光器时,触发率等同于激光重复率

积分器死时间

典型的模拟仪器规格,因为存在模拟积分器放电的限制能力 — 数字 Boxcar 的该参数可能很低,可支持更高的重复率

Boxcar 灵敏度范围

典型的模拟仪器规格,可指明在积分前应用于信号的模拟增益 — 数字仪器拥有相似但不同等的规格,因为增益会在模拟变数字转换器前应用于输入信号

Boxcar 增益

典型的模拟仪器规格,定义从输入到输出提供的总增益,增益 = Vout - Vin,数字仪器的该参数可能为任意大

积分器选通延迟

定义仪器可执行积分的时间窗口的规格 — 由于合适的内部实施,数字 Boxcar 可能超过采样速率分辨率,这不足为奇

积分器选通延迟

用于动态 Boxcar 模式的典型模拟规格 — 此参数是数字仪器的传统配置,并且能以 360 度全范围方便提供 — 没有具体限制

Boxcar 平均长度

数字实现远优于模拟仪器

Boxcar 输出

Boxcar 输出的更新频率


参考资料                                                                                         

[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信号平均器产品介绍下载

UHF-BOXCAR信号平均器产品操作软件LabOne18.05下载


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