UHFLI (Ultra High Frequency Lock-In) от Zurich Instruments – сверхвысокочастотный двухканальный цифровой синхронный усилитель, который задает новые стандарты среди синхронных усилителей – по частоте, полосе демодуляции, интегрированным возможностям и ПО.

Ключевые характеристики

• Диапазон частот – от DC до 600 МГц;
• Скорость семплирования – 1.8 GSa, 12 бит;
• Входной шум 4 нВ/√Гц;
• Динамический резерв 100 дБ;
• Минимальная временная константа – 30 нс;
• 8 демодуляторов, до 8 осцилляторов;
• ПО LabOne в комплекте поставки: Oscilloscope, Parametric Sweeper, Imaging Module, Spectrum Analyzer (FFT);
• API для LabVIEW, .NET, MATLAB, C, Python.

Доступные опции

• UHF-BOX Схема усреднения с низкочастотным фильтром (Boxcar Averager);
• UHF-AWG Генератор сигналов произвольной формы;
• UHF-DIG Диджитайзер (Digitizer), или система оцифровки;
• UHF-MF Многочастотная опция;
• UHF-PID Счетверенный PID/PLL контроллер;
• UHF-MOD AM/FM модуляция;
• UHF-CNT Счетчик импульсов.

Все данные опции являются программными, и могут быть приобретены позднее без отправки оборудования на завод. Единственная опция, требующая приобретения дополнительного модуля – UHF-RUB (рубидиевые атомные часы): она используется в экспериментах, требующих сверхточной установки опорной частоты.

Описание

Вводы и выводы сигнала

Два 12-битных ввода сигналов обеспечивают уровень входных шумов не выше 4нВ/√Гц. Скорость семплирования составляет 1.8 GSa/s и обеспечивает эффективное сглаживание и отличное соотношение «сигнал/шум». Линейная комбинация нескольких синусоид может генерироваться с 14-битным разрешением в различных диапазонах вплоть до ±1.5 В. Опция UHF-MF (многочастотная опция) позволяет увеличить количество осцилляторов с 2 до 8. Опция UHF-AWG (генератор сигналов произвольной формы) позволяет создавать импульсы произвольной формы.

Демодуляторы и фильтры

Параметры каждого из 8 двухфазных модуляторов могут быть установлены независимо. Цифровые фильтры имеют более высокий динамический резерв, нулевой дрифт, точный фазовый сдвиг и высокую ортогональность по сравнению с аналоговыми. Все демодулированные сигналы могут быть выведены через 4 вспомогательных разъема с полосой шириной до 5 МГц и разрешением 16 бит.

ПО LabOne

Синхронные усилители UHFLI управляются с помощью ПО LabOne. Наличие интегрированного веб-сервера делает возможным использование графического интерфейса, доступного через любой браузер, и устраняет необходимость установки дополнительного ПО. Благодаря LabOne управление прибором очень удобно – любую функцию можно вызвать не более чем с двух кликов мышкой. Компьютер является центром сбора, анализа и хранения данных, а также позволяет легко и быстро автоматизировать измерения. Основные функции – Integrated Oscilloscope, Spectrum Analyzer, Imaging Module, Plotter, Parameter Sweeper.

Выбор API

Для комфортного внедрения в управляющую среду, применяемую конечным пользователем, имеются интерфейсы LabView, MATLAB, .NET, C и Python.

Основные функции ПО LabOne

Синхронный усилитель

Каждый демодулятор представлен в виде блок-схемы, для облегчения корректного понимания принципов работы синхронного усилителя. Функция «Обзор» (overview) даёт возможность контроля над всеми демодуляторами с единой панели.

Осциллоскоп с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ, FFT)

Позволяет выполнить анализ временной и частотной зависимостей сигналов на входах, а также триггерных сигналов. Ключевые особенности:

• Полное A/D разрешение на входе: 12 бит, 1.8 GSa/s;
• Два независимых канала, 128 MSa сегментированной памяти о форме сигналов с опцией UHF-DIG;
• Режимы отображения: положение (location), участок (area), слежение (tracking), волна (wave), пик (peak), гистограмма (histogram).

Параметрический свипер

Даёт возможность выполнения автоматических измерений путем смещения параметров прибора в определенных диапазонах с возможностью настройки числа шагов и их величины (линейной или логарифмической). Важнее всего то, что без проблем автоматизируется запись частотной зависимости в виде изменений смещающего напряжения или амплитуды тестового сигнала. Имеется несколько особых программных режимов (заключающихся в подборе оптимальных параметров для конкретных измерений), позволяющих получать точные и воспроизводимые результаты с минимальными затратами времени.

• Параметры, которые могут смещаться по заданному алгоритму: частота, фазовый сдвиг, амплитуда выходного сигнала, сдвиг токов и другие;
• Анализатор частотного отклика (график Боде);
• Предустановленные программные режимы (FRA, Noise, 3-Omega и другие);
• Нормализация, автоматическая подстройка частот, усреднение и стандартизация отклонений.

Анализатор спектра с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ, FFT)

Анализатор использует сигнал с вывода частоты или демодулятора как входной параметр и применяет быстрое преобразование Фурьер. Ключевые параметры:

• Четыре разнообразных функциональных окна БПФ;
• Спектры амплитуды, спектральной плотности и мощности;
• Режимы БПФ: FFT(X+iY), FFT(R), FFT(ϴ), FFT(f) и FFT((dϴ/dt)/2π);
• Авторегулировка, автосканирование, компенсация фильтра.

Система визуализации

Преобразует измеренные сигналы в изображение, для упрощения понимания процессов.

• Точное определение «линии», основанное на линейном триггере и заданном промежутке времени;
• Ресемплинг заданного числа точек с использованием интерполяции или усреднения;
• Возможность хранения полученных изображений в различных форматах.

Плоттер и программный триггер

Плоттер и программный триггер отображают разнообразную анализируемую информацию, а также параметры модели в заданном временном промежутке. Различие в том, что плоттер показывает информацию непрерывно, а программный триггер захватывает и отображает отдельные диапазоны, выбираемые на основании заданных условий.

• Отображение информации в полярной либо декартовой системе координат;
• Поддержка многодорожечного (multi-trace) режима с возможностью осевого группирования для удобного масштабирования.

Опционально доступные улучшения для UHFLI

UHFLI-MF: многочастотная опция

• Восемь осцилляторов вместо двух;
• Свободный выбор частоты;
• Выходной сумматор для 8 частот на выходе.

Опция UHF-MF (многочастотная опция) позволяет использовать дополнительно 6 внутренних осцилляторов и свободно настраивать частоту на каждом из 8 демодуляторов. Это расширяет возможности синхронного усилителя в области конфигурирования и генерации сигналов.

UHF-DIG: Диджитайзер (Digitizer), или система оцифровки

• Объем памяти для каждого канала - 128 MSa;
• Быстрая непрерывная запись данных;
• Сегментированная память;
• Осциллограф двойной развёртки с использованием быстрого преобразования Фурье.

Комбинация синхронного усилителя, AWG и диджитайзера в одном инструменте позволяет выполнять широкий спектр измерений благодаря возможности непрерывной записи данных, применению междоменных триггеров и сегментированной памяти для каждого из двух каналов осциллографа.

UHF-PID: счетверенный контроллер PID/PLL

• Четыре независимых PID контроллера
• Ширина фильтра низких частот до 300 кГц;
• ПО LabOne PID Advisor и автоматическая регулировка;
• Фазовая развертка ±64 π.

Четыре PID-контроллера встраиваются в синхронный усилитель и получают всю поступающую информацию, а также предоставляют обратную связь в виде амплитуды сигналов, фазовых сдвигов, или через вспомогательные разъемы. LabOne PID Advisor и функция автоматической настройки обеспечивают быстрое и точное достижение рабочих параметров.

UHF-MOD: AM/FM модуляция

• AM и FM модуляция/демодуляция;
• Работа с одним боковым лепестком;
• Носители на повышенных гармониках, а также боковые лепестки высоких порядков.

Два модулятора генерируют несущую частоту и по два боковых лепестка. Параметры фильтров для каждой частотной компоненты могут быть настроены независимо.

UHF-BOX: Схема усреднения с низкочастотным фильтром (Boxcar Averager)

• Два блока узкополосных фильтров (Boxcar)
• Подавление базовой линии
• Два периодических анализатора форм сигнала (PWA)
• Нулевое время холостого режима

UHF-BOX – первый полностью цифровой усреднитель с низкочастотным фильтром, позволяющий проводить качественный анализ несинусоидальных сигналов с низким коэффициентом заполнения. Он работает как высокоскоростной диджитайзер, синхронизированный с осциллятором, что полностью устраняет потерю непериодических компонент сигнала. Благодаря периодическим анализаторам формы сигнала (PWA) возможна визуализация усредненного за один или несколько периодов сигнала, а также установка границы подавления базовой линии и параметров узкополосного фильтра.

UHF-CNT: счетчик импульсов

• Четыре счетных модуля;
• Максимальная частота счета – 225 МГц;
• Настраиваемый уровень отсечки;
• Отсекание фонового шума.

Опция UHF-CNT (счетчик импульсов) позволяет анализировать до 4 независимых последовательностей импульсов одновременно, в том числе выполнять такие базовые измерения, как детектирование фотонов с использованием фотоумножителей. Система имеет 5 предустановленных режимов работы, а также возможность настройки уровня отсечки для каждого канала. Благодаря использованию междоменных триггеров, возможно определение разветвленных условий для модуля UHF-AWG (генератор сигналов произвольной формы) на основании посчитанных значений, в том числе сверхбыстрые цепи упреждения для квантовой коррекции ошибок.

UHF-RUB: рубидиевые атомные часы

• Высокая точность по частоте благодаря атомному референсу;
• Беспрецедентная температурная стабильность;
• Минимальный фазовый шум;
• Долгосрочная повторяемость результатов;
• Стабильность часов на всем сроке службы прибора;
• Совместимы со всеми опциями UHFLI, но требуется отправки прибора на завод-изготовитель.

Все UHFLI имеют высококачественный кристальный осциллятор с контролируемой температурой (OCXO), обеспечивающий высокий уровень точности. Однако в ряде приложений требуется еще более высокая температурная стабильность, минимальные фазовые шумы и высокая производительность на всем сроке службы прибора. Для этого требуется приобрести опцию UHF-RUB (рубидиевые атомные часы). Большая часть параметров, связанных с точностью, при этом улучшается еще на порядок. Так, начальная точность при 25 ºС у стандартного OCXO ±0.5 ppm, у UHF-RUB – ±0.0005 ppm, а стабильность – ± 0.4 и ± 0.0005 ppm/год соответственно.

При наличии этой опции часы UHF-RUB доступны через вывод времени на передней панели UHFLI.

UHF-AWG: генератор сигналов произвольной формы

• Два генератора сигналов произвольной формы с частотами до 600 МГц;
• Ширина полосы частот 600 МГц, 1.8 GSa/s;
• 14-битное вертикальное разрешение;
• Амплитудная модуляция.

Опция UHF-AWG дает возможность использования синхронного усилителя UHFLI, самого быстрого и продвинутого в мире, в качестве ультрасовременного генератора сигналов произвольной формы (AWG). В результате очень функциональный прибор, совмещающий в себе возможность генерации сигналов сложной формы и удобных инструментов анализа на базе ПО LabOne – интуитивно понятном и кроссплатформенном. На рисунке ниже показан двухканальный сигнал, сгенерированный с помощью AWG и детектированный с помощью диджитайзера (UHF-DIG) с использованием междоменных триггеров.

 

Спецификация

Общие параметры Размеры 45 × 35 × 10 см (для установки в 19-дюймовую стойку) Вес 6.4 кг Питание AC: 100 – 120, 220 – 240 В, 50/60 Гц Разъемы BNC на передней панели, SMA на задней панели Высокочастотные вводы сигнала Диапазон частот DC – 600 МГц Сопротивление на входе 50 Ом или 1 МОм || 18 пФ Шум по напряжению на входе 4 нВ/√Гц (> 100 кГц) Динамический резерв до 100 дБ Входная чувствительность по диапазону От 1 нВ до 1.5 В АЦП 12 бит, 1.8 GSa/s Высокочастотные выводы сигнала Диапазон частот DC – 600 МГц Диапазоны напряжений на выходе ± 150 мВ, ± 1.5 В (high-Z), -12.5 дБм, 7.5 дБм (50 Ом) ЦАП 14 бит, 1.8 GSa/s Демодуляторы и референс Кол-во демодуляторов 8 двухфазных Кол-во осцилляторов 2 (8 опцией с UHF-MF) Выходной диапазон 1 GbE: 1.6 MSa/s (максимум), USB: 400 kSa/s (максимум) Вспомогательные выходы: 28 MSa/s Постоянная времени От 30 нс до 76 с Диапазон измерений От 80 мкГц до 5 МГц Спад фильтра (дБ/Окт) 6, 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48 Разрешение по частоте/фазе 6 мкГц/1.0·10-6 ° (1 микроградус) Референс и триггеры 2 универсальных, 2 входных и 2 выходных разъема Прочее Вспомогательные выходы 4 канала, ±10 В, 16 бит, 28 MSa/s, X, Y, R, θ, f Вспомогательные входы 2 канала, ±10 В, 16 бит, 400 kSa/s Часы 10 МГц ввод и вывод Интерфейсы USB 2.0; LAN 1GbE Цифровые каналы ввода и вывода 4 универсальных 8-битных канала

 

- так обозначены опциональные модули, требующие приобретения одной или нескольких дополнительных опций.