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高质量信号采集,信号保真度高
转动光谱能够准确识别气体混合物中的组成分子,并能在试验室内进行即时化学反应研究。该应用面临的挑战之一是采集系统需要很宽的动态范围,这是因为光谱线的振幅范围非常广。研究人员利用平均法来扩展示波器的动态范围,这就对示波器提出了性能要求,要求示波器在尽可能短的时间内执行数十万到数百万次采集。
人们不断创造新技术来扩展微波光谱学的应用。如今,研究人员正专注于进行即时化学反应分析。泰克密切关注此类分析的新特点和新功能,以满足这些不断变化的需求。
微波和毫米波信号的直接采集
转动光谱涉及以下方面:发射微波或毫米波线性调频脉冲穿过气体样本,利用宽带信号采集系统采集接收到的信号,将时域数据转换为频域数据,最后是将采集的数据与特定分子的理论光谱成分进行模式匹配,以确定气体样本的实际含量。泰克提供可直接采集高达 70GHz 信号的实时示波器。有了这些仪器,无需再使用增频/降频变频器,因而可以减少信号路径中一个潜在的误差元素和噪声源。

在光谱仪的精细时间分辨率模式下获得的 CH2CHCN 在 t = 0 时经过光解离后,HCN、HNC 和 HCCCN 的 CP-FTmmW 信号随时间的变化。经许可转载(改编)自《物理化学快报》上发表的“Time-Resolved Kinetic Chirped- Pulse Rotational Spectroscopy in a Room-Temperature Flow Reactor”。美国化学学会 2018 年版权所有。

采集系统中的硬件平均法提供了非常快速的计算,并且“仅汇总帧”模式使得采集系统中的数据显著减少,从而减少了将波形数据从采集板传输到示波器中的 PC 主板所需的时间。这两项功能结合在一起,显著提高了分析吞吐量。
使用硬件平均法和汇总帧功能减少静态样本的采集时间
转动光谱需要大量计算信号平均值来扩展采集信号的动态范围。通常情况下,这种平均法会导致采集时间过长,然而,泰克的所有高性能/超高性能实时示波器均采用专有技术,可利用采集板内置的硬件平均值计算来加快数据采集速度。
随着“仅汇总帧”模式成为泰克示波器的一项标准功能,采集硬件对所有帧进行逐点平均值计算,并提供具有扩展动态范围且信噪比经过改善的汇总帧。如果只需要汇总帧数据,则减少了从示波器采集板传输到示波器内部 PC 系统的数据量,从而节省了大量时间。例如,您不需要传输 1000 个帧,而只需要传输汇总帧,这样数据缩减率高达 1000:1。
缩短了即时化学反应分析的平均计算时间和数据简化时间
与静态样本分析相比,即时实验(研究人员通过实验来分析化学反应)的发展对数据收集量提出了更高的要求。泰克开发了“正交 FastFrame 平均”模式来应对这一新要求。示波器创建了一组平均帧,这些帧是从多组帧的采集中获得的,大大缩短了采集时间。完成平均值计算后,只会留下“平均帧集”。同样,如果采集了 1000 组帧并求取了平均值,得到的平均帧集表示传输到示波器 PC 板的数据缩减率为 1000:1。

正交 FastFrame 平均法允许用户对多组帧进行高效的硬件平均值计算,将其转换为单组平均帧。例如,将每个第一帧与获取的所有其他“第一帧”进行逐点平均计算,从而产生“平均第一帧”。对所有其他帧重复这一过程,产生代表每个连续状态的高分辨率数据,每个帧之间的间隔时间短至 6uS。

预补偿过程测量了 AWG 和所连接的同轴电缆的振幅和相位响应,构建了一个滤波器来补偿这种响应,然后使波形预失真,从而让输出结果变得平坦。
对数据进行信号路径损耗和反射补偿
要采集光谱最纯净和振幅最精确的数据集,需要通过校正滤波器补偿采集的数据。泰克提供两种级别的解决方案来解决此补偿问题。
使用泰克 AWG 和泰克实时示波器时,可使用自动程序来生成预失真滤波器。然后将该滤波器应用于原始 AWG 波形数据,可产生“预失真”或“预补偿”波形。这种补偿可自动校正 AWG 输出和示波器输入之间由系统元件(电缆、增频/降频变频器、天线等)引起的振幅和相位变化。由于该技术修改了 AWG 产生的信号,因此对采集效率没有影响。
还有一种更强大的补偿工具,称为串行数据链路分析 (SDLA)。该工具生成的滤波器可用于校正振幅和相位变化以及反射。SDLA 的输入数据是 S 参数(通常使用 VNA 生成),输出是 FIR 滤波器,它可通过示波器上的数学通道自动应用于每次采集的示波器数据。这适用于最终数据集,以尽量减少对采集效率的影响。