《时间折叠”使皮秒级任意序列发生器成为现实》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2018-07-16
  • 中国科大杜江峰院士领导的科研团队,提出并实现了一种可以突破时钟速度极限的时序发生方法,实现了时间分辨率达5皮秒的任意序列发生器,将高精度时间序列发生功能的时间精度首次提升至皮秒量级。该成果作为头条文章日前发表在《科学仪器评论》上。

    高精度的序列发生器广泛应用于高端仪器、测试测量、前沿科学研究等重要领域,其可用于产生高时间分辨率的控制脉冲序列,对各分系统进行高精度同步控制。目前,高精度序列发生器在量子计算、量子精密测量、自动化控制与测量、脉冲成像技术、医学诊疗等诸多方向得到广泛应用。在过去的数十年中,序列发生技术绝大部分采用高速时钟法,这种方法中序列的时间精度依赖于时钟速度(1 GHz频率的时钟即等同于1 ns的时间分辨率),提高序列时间精度即需提高时钟速度。然而,技术上实现10 GHz以上速度的时钟难度很大,利用现有技术得到皮秒量级的时序发生功能是极其困难的。

    杜江峰团队创新性地提出一种称之为“时间折叠”的高时间精度序列发生方法,与“时间内插”法相结合,不仅突破了传统的高速时钟法实现序列发生的时间精度的上限,得到皮秒量级的序列发生功能,还同时在皮秒尺度改善序列发生的时间线性,保障高质量、高稳定度的序列发生功能。测试表明,新的序列发生技术可实现时间分辨率为5皮秒、动态范围为5纳秒至10秒的序列发生功能。新提出的“时间折叠”技术还提供了进一步提升时间性能的潜力。

    这一技术可以广泛应用到各类需求高时间精度序列发生功能场合,对前沿科学的进步和技术发展起到重要的推动作用。

  • 原文来源:http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2018-07/16/content_690173.shtml
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    • 德国汉斯多尔夫,2019年3月13日讯——全球领先的PC测试测量设计商Spectrum仪器今日宣布推出六款任意波形发生器(AWG)。新产品体积小且兼具成本效益,并针对信号质量进行了重点优化。新款65系列任意波形发生器包含16位模拟数字转换器和一个流速高达700MByte/s的PCIe x4接口。由于卡片长度为168mm,几乎适用于所有PC。凭借40 MS/s或125 MS/s的速度,产品的板载内存能够达到512 MSamples,输出水平高达±6 V并拥有4个额外的多功能输出。该系列卡片为需要在1MHz至60MHz频率区间进行信号获取的工程师提供极大的帮助。此外,该系列产品广泛适用于超声波、激光雷达、雷达、汽车、医学科学以及大型物理实验等领域。 新款任意波形发生卡拥有两个独立的输出速率,用户可以从40MS/s和125 MS/s两个选项进行选择。此外,每张卡片都具有单通道、双通道和四通道的型号。每个通道都有独立的DAC和输出级。为了确保信号的同步,多通道卡共享一个时钟和触发器。输出级包含四个可切换的滤波路径,以帮助信号质量的优化。同时,新款任意波形发生卡可产生高达±6 V的输出摆幅并传输至1 MOhm高阻抗,或±3 V的输出摆幅传输至50 Ohms。灵活的输出级与16位高分辨率DAC结合,产生的信号不仅失真率低,而且具有杰出的动态范围和高信噪比。 Spectrum仪器首席技术官Oliver Rovini表示:“此次发布的任意波形发生卡(AWG)性能卓越并兼具成本效益,尤其对于有测试需求,或希望在DC至60MHz范围内生成模拟信号的专业人士提供了最佳选择。高质量的信号再现成为了需要通过波形来模拟系统或组件的工程师与科学家们的福音。” 无限的波形阵列 为了使M2p.65xx系列任意波形发生器能够产生足够长且复杂的波形,每张卡片还配备了一个512 MSamples的板载内存,使其能够与不同输出模式相辅相成。例如,内存能够分区并且能够通过不同区域的循环和切换来创建波形。这些卡片还具有FIFO流功能,可以通过速率高达700MB/s 的PCIe总线读取新的波形数据,并同时读取已传输的信息。这种灵活性使用户能够创建超长的单次波形,或诸如雷达、超声波、激光雷达或声呐系统信号等持续变化的突发信号。而这些仅仅是新款产品众多应用中的一部分。 刺激反应系统 对于需要同时使用AWG和数字化仪的应用,例如刺激反应系统或封闭循环应用,可通过Spectrum仪器所提供的Star-Hub背负式模块实现16中不同M2p级别产品的同步。新款M2p.65xx AWG与2018年发布的M2p.59xx 16位数字化仪能够完美匹配。M2p.59xx数字化仪能够提供1至8个通道,采样率保持在20 MS/s和125 MS/s之间。为了确保各个通道的完全同步,Star-Hub为每个通道配备了一个公共时钟和触发信号。此外,Star-Hub系统也适用于需要同时通过不同测试信号刺激多个测试点或传感器阵列的情况。 AWG的控制与信号生成 使用Spectrum AWG控制和生成信号非常简单直接。这些卡片均可编程,且Spectrum仪器还提供了免费的驱动程序。编程语言包括C ++、VB.NET、C#、J#、Delphi、Java或Python代码,以及LabVIEW和MATLAB等第三方软件工具。对于不具备研发能力的用户而言,只需要运行产品自带的SBench6专业版软件即可。 SBench6为用户操作AWG的所有模式和设置提供了简单易用的控制界面。该软件为支持多通道操作而设计,可用于波形显示、信号生成、数据分析以及文档功能。该软件的EasyGenerator功能用于创建基本信号,从而产生正弦波、三角形或矩形等具有可编程频率、幅度和相位的波形。此外,复杂的信号可以通过数学方程式或在其它程序或设备(如数字化仪或示波器)中使用Binary、ASCII或波形格式来实现。 能够集成至任何测试系统 AWG卡一旦被安装至PC,便很容易与其它的测试测量设备集成。通过前面板SMB连接器提供信号输出以及时钟和触发输入。前面板还包含四个MMCX连接器(一个多功能输出和三个多功能I/O线),用于完成诸如数字输出通道、时钟、触发、状态输出以及不同步I/O线等不同的任务。这种高水准的连接性使AWG卡可以轻松适应大多数自动化测试系统环境。 AWG的混合模式 通过将多功能I/O线切换为数字输出,能够为AWG增加四条同步输出通道。单个AWG卡片能够生成四个全速并行的模拟输出和数字输出。这对于在实验中控制外部设备或是在OEM项目中对接尤其有效。 五年质保 Spectrum仪器 M2p.65xx系列AWG已全面量产并可立即交付。所有卡片都经过严格的工厂测试,并内含Spectrum仪器所提供的SBench6软件基础版本用于首次测试。Spectrum仪器首席执行官Gisela Hassler 表示:“ M2p系列任意波发生器产品将公司30年基于PC设备的设计和生产发挥到极致。因此,我们很自豪的为该系列产品提供五年质保。此外,Spectrum仪器所提供的软件和固件更新在整个产品生命周期均为免费。我们拥有强大的工程师团队,能够在几小时内直接为客户提供技术支持。”
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    • 高功率脉冲激光器是许多科学和工程实验的核心技术,在光谱学、计量学、量子信息、原子物理学和材料研究领域中发挥驱动作用。为了能够可靠、一致地进行这些实验,研究人员需要以高精度、高灵活性和严格的时序控制来控制脉冲激光器。具有高采样率的泰克任意波形发生器 (AWG) 能够完成上述任务。 科学家和工程师利用泰克的 AWG 能够生成各种形状(矩形波形、指数波形、线性和非线性频率调制的啁啾信号、高斯波形和自定义波形)的快速电压脉冲。通过在一个或多个同步通道上生成高分辨率和宽带宽信号,泰克 AWG 可以凭借卓越的保真度和精度来驱动激光二极管或电光调制器,从而使其创建出真实而复杂的信号场景,这些场景可以对定向能量流进行相位对齐,在新材料中引发量子效应,并微调化学反应等其他条件。 生成波形以引发并微调效应 图 1: 用于创建高速精确脉冲的 SourceXpress 软件 图 2:AWG5200 - 2 至 8 个通道,采样率高达 10 G次每秒 图 3:AWG70000 - 1 或 2 个通道,采样率高达 50 G次每秒 加入干扰以在压力条件下进行严格测试 泰克 AWG 包括用于控制 AWG 仪器的 SourceXpress 软件,为用户提供强大的信号生成和编辑功能,用以精细定义脉冲形状、持续时间、频率、幅度、相位和调制等参数(图 1)。此外,用户可以使用泰克 AWG 将噪声、抖动、干扰和失真故意添加到信号中,以测试激光系统在这些压力条件是否能够保持良好性能。这样可以帮助用户获得有关其系统稳健性和操作限制的明确指标。 此外,得益于其序列化功能,SourceXpress 软件简化了创建和回放成千上万个脉冲波形的过程,这些波形可以按照用户指定的任意顺序精确放置。波形回放可以从嵌入式波形标记、外部触发器开始,或者按照特定的“跳转”逻辑从一个波形样本切换到下一个样本。 例如,物理实验中的挑战之一是操纵频率啁啾激光器,这种激光器可以在微妙 (μs) 时间内实现数吉赫兹 (GHz) 的频率跨度,这是实现两个量子态之间转换的所需条件。研究人员可以通过使用 AWG 产生的调制信号来控制注入锁定激光系统中的电光相位调制器,从而简化实验流程。 惯性约束聚变 (ICF) 是另一种物理应用,使用由 AWG 驱动的多个高功率固态激光器。 高功率激光器输出高稳定的激光脉冲,具有独立、精确、可控的时域形态,满足功率平衡的要求。由于对复杂时间形状激光脉冲的需求,因此对激光脉冲的时间形状调整能力变得十分重要,AWG 在这方面提供了精确振幅和时序控制,从而实现最小的信号失真和最大的能量传输效率。在下面的特定实例中,AWG 以精确的振幅和时间特性调制脉冲激光包络,这有助于激光器输出特定的能量分布。 总之,具有高采样率的泰克 AWG(图 2 和图 3)是功能多样且强大的仪器,可以提高脉冲激光实验的质量和效率,为以前所未有的精度和灵活性创建和操作光脉冲提供了多种可能性。