RIGOL高能粒子物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用案例

在高能物理實(shí)驗(yàn)中，PMT作為粒子探測(cè)器的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于各種實(shí)驗(yàn)裝置中。例如，PMT可以用于測(cè)量帶電粒子的軌跡和能量，通過(guò)精確測(cè)量粒子在磁場(chǎng)中的飛行時(shí)間和偏轉(zhuǎn)角度，可以推算出粒子的質(zhì)量、電荷和動(dòng)量等關(guān)鍵參數(shù)。此外，PMT還可用于探測(cè)中性粒子（如光子、中子等），通過(guò)測(cè)量其與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子，從而間接探測(cè)中性粒子的性質(zhì)。

光電倍增管(PMT)是一種高度靈敏的光檢測(cè)設(shè)備,它的工作原理基于光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)理論，其結(jié)構(gòu)主要包括光電陰極、聚焦極、倍增極和陽(yáng)極。當(dāng)光子入射到光陰極上時(shí)，由于光電發(fā)射效應(yīng)，光電陰極會(huì)激發(fā)出光電子，這些光電子在電場(chǎng)的作用下被加速并撞擊到倍增極上，產(chǎn)生更多的二次電子。產(chǎn)生的二次電子經(jīng)過(guò)多級(jí)倍增后，電子數(shù)目得到極大增加，最終形成可被檢測(cè)的電信號(hào)。

圖 1.1 PMT 工作原理圖

測(cè)試挑戰(zhàn)

? 測(cè)試通道數(shù)多：PMT可以測(cè)量帶電離子的軌跡與能量，而在這個(gè)探測(cè)過(guò)程中，需要多路通道一起測(cè)量。而像傳統(tǒng)的示波器通道數(shù)多為4路或8路，不滿足測(cè)試需求。

? 測(cè)試環(huán)境惡劣：高能粒子物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)試環(huán)境比較特殊，且不便從外圍控制，有些測(cè)試環(huán)境甚至?xí)袔资當(dāng)z氏度的溫差變化。而這一溫度差異可能會(huì)超出常規(guī)的儀器工作溫度。

? 通道間的精確同步：高能粒子物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的PMT具有超快的時(shí)間響應(yīng)，這使得它能夠用于測(cè)量光信號(hào)的快速變化。那么在多通道采集過(guò)程中，也就要求這通道間的精確同步，這樣才能降低測(cè)試誤差。

? 數(shù)據(jù)處理量大：高能粒子物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，一次需要對(duì)多個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)處理，也就意味著在同一個(gè)顯示屏上要顯示出多個(gè)通道的數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)的示波器一個(gè)屏幕上最多只能顯示8個(gè)通道，不符合測(cè)試需求。

解決方案

為了應(yīng)對(duì)以上測(cè)試難點(diǎn)，RIGOL推出了DS8000-R系列板卡式示波器以及DS SYNC64 64通道同步模塊以及Ultra DAQ多通道數(shù)據(jù)處理軟件。

圖 3.1 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)際連接圖

1.信號(hào)測(cè)試：選擇 DS8000-R 作為測(cè)試設(shè)備完成多通道信號(hào)測(cè)試

圖 3.2 DS8000-R 實(shí)物圖

表 3.1 DS8000-R 核心參數(shù)表

DS8000-R集6種獨(dú)立儀器于一體，包括一臺(tái)示波器、一臺(tái)頻譜分析儀、一臺(tái)任意波形發(fā)生器、一臺(tái)數(shù)字電壓表、一臺(tái)高精度頻率計(jì)和累加器以及一臺(tái)協(xié)議分析儀。DS8000-R系列數(shù)字示波器提供給用戶(hù)結(jié)合實(shí)際需要的最佳選擇。在作為單機(jī)使用時(shí)，可以外接顯示屏、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等設(shè)備完成測(cè)試。在集成測(cè)試過(guò)程中，其1U的高度以及半機(jī)架的寬度的高度集成，在系統(tǒng)集成測(cè)試場(chǎng)景下，最多支持集成128臺(tái)示波器，擴(kuò)展為512個(gè)通道。在滿足用戶(hù)高速、多通道并行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集需求的同時(shí)，緊湊疊加，節(jié)省空間。

同時(shí)，DS8000-R系列數(shù)字示波器出色的熱設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的可靠性測(cè)試，支持 -40℃~+50℃的工作溫度，在惡劣環(huán)境中仍可正常工作。

圖 3.3 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成柜實(shí)物圖

2.通道同步: DS SYNC64 64 通道同步模塊

圖 3.4 DS SYNC64 同步模塊實(shí)物圖

圖 3.5 DS SYNC64 同步模塊連接圖

對(duì)于需要多通道并行數(shù)據(jù)采集的用戶(hù)，DS SYNC64同步機(jī)可以作為示波器的觸發(fā)源，將輸出接口連接到示波器的EXT觸發(fā)輸入端，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)示波器的同步觸發(fā)。還可以用作通道標(biāo)定，通過(guò)同軸線連接到示波器的模擬通道輸入端，對(duì)各個(gè)模擬通道進(jìn)行校準(zhǔn)。保證多臺(tái)級(jí)聯(lián)的示波器可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步采集，提升測(cè)量結(jié)果的可靠性。

DS SYNC64有4個(gè)觸發(fā)脈沖輸入接口，可實(shí)現(xiàn)4個(gè)通道的觸發(fā)（TriggerIn1~TriggerIn4）；支持觸發(fā)釋抑，有64路觸發(fā)信號(hào)輸出接口，單臺(tái)最多可以支持64臺(tái)示波器進(jìn)行級(jí)聯(lián)。通過(guò)使用功分器來(lái)連接兩臺(tái)同步機(jī)的觸發(fā)脈沖輸入端口，然后兩臺(tái)同步機(jī)共計(jì)128個(gè)觸發(fā)信號(hào)輸出接口，連接128臺(tái)DS8000-R。便可以完成128臺(tái)儀器，共計(jì)512通道同步。

3.波形顯示：UltraDAQ-Lite 多通道高速數(shù)據(jù)采集軟件

圖 3.6 UltraDAQ-Lite 設(shè)備添加與設(shè)置頁(yè)面

圖 3.7 UltraDAQ-Lite 波形觀察頁(yè)面

DS8000-R系列示波器標(biāo)配精簡(jiǎn)版多通道高速數(shù)據(jù)采集軟件UltraDAQ-Lite，支撐客戶(hù)在簡(jiǎn)單的集成系統(tǒng)中進(jìn)行基本的通道配置和波形顯示。UltraDAQ-Lite可控制最多 4 臺(tái)示波器同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)同步采集16通道的數(shù)據(jù)，并可以通過(guò)USB/ 以太網(wǎng)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信。

在用戶(hù)配置界面，用戶(hù)可以通過(guò)USB或者以太網(wǎng)將儀器添加到軟件中。同時(shí)還可以對(duì)通道的觸發(fā)類(lèi)型、觸發(fā)電平、存儲(chǔ)深度、水平時(shí)基、水平偏移、探頭比、通道耦合等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在通道處設(shè)置完成后，就可以進(jìn)入到觀察頁(yè)面完成對(duì)于多通道信號(hào)的測(cè)量與觀察。另外，還可以將波形數(shù)據(jù)保存下來(lái)，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

同時(shí)，DS8000-R系列示波器提供集成控制軟件的SDK（開(kāi)源提供，可到RIGOL 官網(wǎng)下載）。用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際的需求，在開(kāi)源軟件包的基礎(chǔ)上進(jìn)行靈活的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集波形的測(cè)量與分析、歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出和離線分析等自定義功能。軟件開(kāi)發(fā)工具包，能夠滿足客戶(hù)對(duì)多種特定場(chǎng)景的應(yīng)用需求。

結(jié)論

高能粒子物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在測(cè)試系統(tǒng)中會(huì)有越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)景。包括在量子通信、汽車(chē)電子、電子通信等等。而RIGOL推出的DS8000-R多通道高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用方案具備高集成、高采樣、高同步、低抖動(dòng)、低延遲、高集成度、可應(yīng)用于惡劣測(cè)試環(huán)境等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)對(duì)應(yīng)的軟件可以滿足客戶(hù)不同的應(yīng)用需求，在節(jié)省空間成本和經(jīng)濟(jì)成本的同時(shí)，可以有效地提高客戶(hù)的測(cè)試效率。

方案優(yōu)勢(shì)：高性能以及多通道：DS8000-R具備高采樣、深存儲(chǔ)、高集成度以及多功能的優(yōu)勢(shì)，可以滿足客戶(hù)在使用過(guò)程中的不同需求，其工作溫度可以低至-40℃，可以滿足惡劣的測(cè)試環(huán)境。同時(shí)儀器可以支持128臺(tái)儀器級(jí)聯(lián)，最高512個(gè)通道數(shù)，滿足客戶(hù)對(duì)于多通道的需求。

低抖動(dòng)以及多路數(shù)據(jù)處理：DS8000-R在使用同步機(jī)的情況下，抖動(dòng)低至 350PSrms，時(shí)延低至 500ps。大大降低了因儀器帶來(lái)的誤差。同時(shí)RIGOL提供的上位機(jī)可以將多路信號(hào)顯示在一塊屏幕上，方便對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的觀察與分析。

儀器支持

DS8000-R 系列數(shù)字示波器

DS8000-R系列數(shù)字示波器是基于RIGOL的ASIC芯片和UltraVision II技術(shù)平臺(tái)的緊湊型中高端數(shù)字示波器。DS8000-R具有緊湊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)身輕薄小巧。支持多機(jī)系統(tǒng)集成，適合機(jī)架安裝，提供遠(yuǎn)程操控，滿足工業(yè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)要求。

產(chǎn)品支持：

RIGOLDS8000-R

緊湊型中高端數(shù)字示波器

產(chǎn)品特點(diǎn)：

■模擬通道帶寬：2GHz、1GHz和350MHz三種型號(hào)

■實(shí)時(shí)采樣率最高達(dá)10 GSa/s（DS8104-R/DS8204-R），5 GSa/s（DS8034-R）

■輸入、輸出通道數(shù)：4個(gè)模擬通道，1個(gè)EXT輸入通道

■標(biāo)配500Mpts存儲(chǔ)深度

■波形捕獲率高于600,000個(gè)波形每秒

■低抖動(dòng)，支持多機(jī)同步（<200 psRMS，典型值）

■最多可擴(kuò)展至512個(gè)通道，支持同步采集（可使用同步機(jī)進(jìn)行多通道同步）

一直以來(lái)，普源精電專(zhuān)注于電子設(shè)計(jì)、測(cè)試、生產(chǎn)、優(yōu)化，提供為滿足客戶(hù)需求的廣泛解決方案及產(chǎn)品組合，并通過(guò)強(qiáng)化在硬件、算法及軟件方面的技術(shù)實(shí)力，緊密對(duì)接客戶(hù)需求和市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，持續(xù)探索提升產(chǎn)品應(yīng)用的行業(yè)覆蓋性。

未來(lái)，公司將進(jìn)一步聚焦客戶(hù)應(yīng)用，圍繞通信、新能源、半導(dǎo)體等前沿科技賽道，加強(qiáng)高端產(chǎn)品和解決方案的部署，形成從技術(shù)到產(chǎn)品、從時(shí)域到頻域、從通信到新能源半導(dǎo)體的全方位解決能力，為客戶(hù)解決測(cè)試挑戰(zhàn)和創(chuàng)造核心價(jià)值。