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多设备同步(MDS)

在实际应用中,有时需要对多个输入输出信号进行同步,以实现对所有设备的系统控制。

完全同步包括,各种参考时钟之间具有稳定且既定的相位关系,在既定的时间同步所有输出信号,以及对齐信号的时间戳和采样率。理想的解决方案为通过单个用户界面或 API 来实现所有仪器的协同工作。

苏黎世仪器 (Zurich Instruments) 致力于为用户提供综合性的且可扩展的测量仪器。 LabOne® 控制软件的多设备同步 (MDS) 模块可以实现多达 8 台仪器的同步,且所有仪器均可以通过单个图形用户界面 和 API 进行控制。

MDS的主要功能和工作原理

  • 所有仪器的时钟同步到一个主时钟
  • 同步测量数据的时间戳和采样率
  • 所有输出通道的采样同步
  • LabOne 中的 MDS 模块实现多测量设备同步测量
  • AWG 的 MDS 模式,可通过一个定序器控制多个 AWG 

示例:使用扫频工具进行多通道测量自动化

清扫器

几个输入信号的同时测量有助于并改善多端口网络的特性表征。为了测量多端口网络的频率响应,通常需要对一个端口施加激励信号,进而测量所有其他端口(包括从动端口)的响应。借助 MDS 模块的增强型 Sweeper 工具,用户可以使用单个 LabOne 用户界面或 API 来测量复杂多端口网络的完整频率响应,并显示测量结果。下图显示了使用两个同步 UHFLI 锁相放大器在单次扫描中测得的 4 端口网络的频率响应。

如果配置 MDS:所有涉及的仪器共享相同的 10 MHz 参考时钟,以具有相同的时钟速度。所有仪器的触发端口需按 MDS 的图示连接。当启动 MDS时,LabOne 执行以下步骤:

  1. 将从属仪器的参考时钟调整为主机时钟或外部源。
  2. 确定每个仪器在触发信号链中的位置。
  3. 测量仪器之间由于同轴线连接导致延迟。
  4. 在考虑同轴线延迟测量值的同时调整每台仪器的时钟。

在时序结束时,所有仪器都具有相同的时间坐标,即各个样本的同步时间戳。

    应用

    任何需要多通道信号发生和信号检测的应用都可以从 MDS 中受益。MDS 适用于以下研究领域:

    MDS-增强的 LabOne 功能

    • 扫描模块:扫描一台仪器的一个参数,并根据扫描参数的变化同步测量多个通道和多台仪器的响应。
    • DAQ:测量时域信号,同步记录多台仪器的采集信号,即采样点对齐。 
    • 绘图模块:同时显示来自多台仪器的信号和时间戳。
    • 频谱模块:比较来自多台仪器的信号测量频谱。

    支持 MDS 的仪器

    同一系列的多台仪器可使用 MDS 进行同步。任何使用 MDS 的仪器组都需要一定量的同轴线以实现参考时钟和触发信号的配置。

    MFLI/MFIA

    Diagram of multi-device synchronization for MF

    通过将一台仪器的 10 MHz 时钟输出连接到另一台仪器的时钟输入,用户可以同步多台 MFLI 锁相放大器和/或 MFIA 阻抗分析仪。触发信号的配置为,用一台仪器作为主控触发源,然后将该触发源的触发信号分配给所有其他仪器,包括主控(见图)。

    端口 配置 连接器
    触发输入/输出 星型 BNC
    10 MHz  时钟 串联 BNC

     

    HF2LI

    Diagram of multi-device synchronization for HF2

    HF2LI 锁相放大器使用 RJ45 连接器来共享触发和参考时钟信号 (见图),以一种特殊的方式来实现仪器同步。

    端口 配置 连接器
    ZSync 输入/输出 串联 RJ45

     

     

     

    UHFLI/UHFAWG/UHFQA

    Diagram of multi-device synchronization for UHF

    对于 UHF 系列仪器,如果仪器具有 AWG 和锁相功能,MDS 将给用户带来更多益处。UHF 仪器的时钟信号以星形方式分布,其中一台仪器充当主控仪器(或者使用外部 10 MHz 参考时钟),所有仪器通过环路共享触发信号 (见图)。

    端口 配置 连接器
    参考/触发 环路 BNC
    10 MHz 时钟 星型 SMA

    HDAWG

    Diagram of multi-device synchronization for HDAWG

    使用 MDS 最多可以同步 8 个 HDAWG 任意波形发生器 (对应于 64 个 AWG 通道)。通过外部时钟源,以星型方式分配 10/100 MHz 时钟。时间戳同步是通过所有仪器特定的 MDS 触发端口的环路配置来实现的 (请参见图)。同步超过64 个 HDAWG 通道需要使用 PQSC 可编程量子系统控制器。

    端口 配置 连接器
    MDS 1/2 环路 SMA
    10/100 MHz 时钟 星型 SMA

    MDS 问答

    • 与让不同仪器的时钟以相同的速度运行相比,MDS 更迈进了一步。 MDS 确保所有仪器具有相同的时基,即用于记录数据的同步时间戳和同步的 AWG 输出采样。

    • 使用 MDS 模块可以自动实现 HDAWG 和 MF 系列仪器的振荡器相位的同步 (例如,多个 MFLI 锁相放大器和/或 MFIA 阻抗分析仪)。对于其他系列仪器,用户必须手动实现同步。

    • MDS 不同于外部参考。外部参考是锁定放大器的功能,它可以从外部信号获取解调频率。这通常与 PLL 功能相关,用以将外部频率映射到内部数字振荡器。使用 MDS,时钟同步可以实现具有稳定相位关系的多台仪器的解调,但当改变频率时,必须手动调整仪器振荡器间相对相位。

    • 不可以。由于每个仪器平台都有自己的时钟频率,因此 MDS 只能同步同一系列的仪器,例如多台 MF。

    MDS 技术参数

      MFLI/MFIA HF2LI UHFLI/UHFAWG HDAWG
    设备数量 最多 8 个 最多 4 个 最多 8 个 最多 8 个
    时间分辨率 < 10 ns < 200 us < 1 ns < 1 ns
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