HDAWG (High Density Arbitrary Waveform Generator) от Zurich Instruments - это многоканальный генератор сигналов произвольной формы, имеющий самую высокую плотность каналов среди представленных на рынке приборов и разработанный специально для расширенной генерации сигналов в полосе до 750 МГц. HDAWG поставляется с 4 или 8 DC-связанными несимметричными аналоговыми выходными каналами. Каждый вывод может быть независимо переключен в прямой режим работы, с увеличенной полосой частот и низким значением шумов, либо в режим усиления, с возможностью увеличения амплитуды сигнала до 5 Vpp. Для каждого канала можно установить два маркера, что позволяет обеспечить точную синхронизацию всей системы с одновременным сохранением 16-битного разрешения.

Современное и удобное ПО на базе LabOne обеспечивает высокую производительность и гибкость и делает простым использование HDAWG в качестве генератора сигналов специальной формы. ПО LabOne является кросс-платформенным и имеет API для LabVIEW, Python, C, MATLAB, .NET. Расширенная библиотека примеров в Python позволяет легко интегрировать систему в имеющуюся архитектуру

Ключевые характеристики

• 2.4 GSa/s, 16 бит, 750 МГц;
• Максимальная амплитуда 5 Vpp;
• Масштабируемость до 64 выходных каналов;
• Задержка от триггера до выхода менее 50 нс;
• Цифровая модуляция на нескольких частотах;
• ПО LabOne AWG секвенсер и компилятор;
• Наибольшая плотность каналов из представленных на рынке приборов.

Области применения

HDAWG – это инструмент исследовательского класса, разработанный специально для соответствия всем требованиям в сложных экспериментах. Это достигается за счет расширения базовой функциональности генератора сигналов произвольной формы дополнительной памятью огибающих, функционала генератора сигнала специальной формы, внутренних осцилляторов и встроенному счетчику импульсов.

Квантовые вычисления и радары с фазированной антенной решеткой (ФАР)

Несколько приборов HDAWG могут управляться и автоматически синхронизироваться с использованием единого пользовательского интерфейса, делая возможным эффективное масштабирование радаров и квантовых компьютерных систем. Это позволяет снизить сложность итоговой системы, а также уменьшить занимаемое ей место. Короткое время реакции (50 нс) на внешний триггерный сигнал дает возможность использования методов коррекции квантовой ошибки с высокой точностью. Внутренние осцилляторы минимизируют время загрузки огибающей, обеспечивая фазовую когерентность и простое определение формы сигнала. Интегрированный счетчик импульсов помогает упростить установки для экспериментов с захваченными ионами.

ЯМР- и иные виды спектроскопии

Сигналы в ЯМР- и иных видах спектроскопии имеют широкий временной диапазон – от наносекунд до секунд. HDAWG позволяет ускорить такие измерения за счет применения переменной частоты семплирования и/или параметрического свипера. Использование цифровой модуляции позволяет наложить произвольную огибающую на один или несколько несущих сигналов, что делает время загрузки формы огибающей в память минимальным, при этом автоматически поддерживается фазовая когерентность.

Испытание полупроводниковых приборов

Вложенная последовательность, итерации форм сигналов и динамическое секвенироваие с DIO-контролем делают HDAWG идеальным для генерации сигналов в длительных высокопроизводительных измерениях. Умножение или добавление сигналов произвольной формы к сигналам специальной формы расширяет возможности и позволяет упростить и ускорить выполнение рутинных измерений.
 

Основные параметры

Высокоуровневое программирование генератора сигналов произвольной формы

ПО LabOne разработано таким образом, чтобы вы легко и интуитивно понятно, в легко читаемой форме, воспринимали всю информацию о HDAWG. После определения огибающей и последовательностей в программе LabOne AWG Sequencer, компилятор LabOne AWG Compiler преобразовывает программу в машинный код и передает результат в прибор с минимально возможными задержками. LabOne Sequencer поддерживает петли с динамическим изменением задержки и точками условных ветвлений.
Помимо использования стандартных форм огибающих, таких как гауссова, блэкменовская или синусоидальная и т.п., LabOne содержит все необходимые математические и программные инструменты для создания сигналов с нестандартными формами. Например, вы можете легко добавлять, умножать, вырезать и объединять различные формы огибающих или отдельные их части. Импортирование измеренных сигналов или огибающих, рассчитанных в других программах, например, MATLAB, это простая операция – нужно просто перетащить расчет в окно программирования LabOne.

Система триггеров с малым временем отклика и условное ветвление

Благодаря конструкции, обеспечивающей малое время задержки, HDAWG может сгенерировать первый сигнал на выходе менее чем через 50 нс после получения внешнего триггерного сигнала на одном из TTL вводов на передней панели. Это необходимо для реализации экспериментов с обратной связью в области квантовых вычислений, где свойства системы быстро меняются, и каждая сохраненная наносекунда значительно повышает качество эксперимента. 4 или 8 выходных каналов могут быть сгруппированы по 2 или по 4. Каждая из полученных групп может иметь индивидуальную триггерную настройку, что повышает гибкость прибора при распределении сигналов в различные части устройства или всей установки.
Для генерации сигналов высокой сложности в реальном времени HDAWG может делать выбор из 1024 предварительно загруженных в программируемую память огибающих, основанных на двоичном коде с ее 32-битных входов. Они могут представлять собой цифровой шаблон модуляции, тестовую форму сигнала конкурентного устройства или результат считывания состояния нескольких кубитов.

Осцилляторы, модуляторы и контроль фазы

HDAWG оснащен цифровыми осцилляторами для генерации синусоидальной несущей сигнала, не зависящей от запрограммированной в программе огибающей. Это означает, что длинные сигналы могут быть сгенерированы с быстрой загрузкой в память и высокой точностью фазовой когерентности от импульса к импульсу. Несущие частоты и фазы, которые в противном случае были бы записаны в статичном виде, могут легко настраиваться и изменяться.
Многочастотная опция HDAWG-MF увеличивает количество осцилляторов и включает полностью цифровую модуляцию I/Q для реализации частотной, фазовой и амплитудной модуляции в виде мультиплексирования в частотной области, или phase cycling. С опцией HDAWG-FG (генератор сигналов специальной формы), принципиальная схема модуляции дает возможность выйти за пределы синусоидальных несущих к произвольной форме несущей частоты.

Синхронизация с несколькими устройствами (MDS)

Благодаря MDS несколько HDAWG могут управляться как один многоканальный прибор:
• Работа со всеми инструментами возможна из единого UI/API-интерфейса;
• Абсолютная синхронизация всех каналов вывода;
• Внутренние часы всех приборов синхронизированы по фазе;
• Для работы с приборами серии UHF (UHFLI, UHFAWG и всеми их исполнениями) выполняется синхронизация времени и частоты дискретизации.
При использовании большого количества приборов LabOne AWG Compiler обеспечивает передачу главной программы последовательностей на все приборы. Автоматический протокол обмена триггерами обеспечивает синхронизацию времени включения генерации. С использованием MDS возможно построить полноценную систему генерации и анализа сигналов, включающую в себя такие системы UHF серии, как синхронный усилитель (Lock-In amplifier), усреднитель с низкочастотным фильтром (Boxcar averager), диджитайзер и генератор сигналов произвольной формы, в т.ч. специальной, работающими на частотах вплоть до 600 МГц.

Окно работы с генератором сигналов специальной формы (опция HDAWG-FG) в LabOne UI дает прямой доступ к определению стандартных форм и отображает предварительную форму импульса согласно заданным параметрам. Эти стандартные сигналы с настраиваемыми частотами могут быть умножены или добавлены к сигналам AWG.

Доступные для заказа модели и опции

В наличии имеются две системы - HDAWG4 является 4 канальной, а версия HDAWG8 - 8 каналов. Технически эти модели идентичны, за исключением количества каналов и связанных с этим особенностей, например, количества осцилляторов. Следует иметь в виду, что 4-канальная система не может быть улучшена до 8-канальной. Ниже приведен список опций, доступных для расширения базового функционала прибора. Опции доступны как сразу при заказе прибора, так и в любое последующее время без необходимости отправки прибора на завод.

HDAWG-ME Расширение памяти

• Память на каждый канал расширяется до 500 MSa вместо стандартных 64 MSa.
Опция HDAWG-ME позволяет воспроизводить более длинные паттерны сигналов с выборочным определением сигнала. Это особенно важно при воспроизведении сигналов с нестандартным и неповторяющимся шумом или воспроизведением сигналов записанных с помощью приборов UHF серии.

HDAWG-FG генератор сигналов специальной формы (функциональный генератор)

• 4-х или 8-ми канальный генератор сигналов специальной формы;
• Сигналы с квадратной, пилообразной, треугольной и т.п. огибающими;
• Модуляция сигналом AWG;
• Суммируется с сигналом AWG.
Опция HDAWG-FG упрощает генерирование стандартных сигналов и расширяет возможности по генерации сигналов – путем добавления или умножения этих сигналов с сигналами AWG. Контроль частоты и амплитуды сигнала, а также коэффициента заполнения доступен с помощью технологии прямого цифрового синтеза (DDS). Специализированный графический интерфейс делает возможным настройку формы сигнала в несколько кликов.

HDAWG-MF Многочастотная опция

• 4 осциллятор на пару каналов;
• Независимые огибающие для нескольких несущих;
• Выходной сумматор для 4 модулированных сигналов.
Опция HDAWG-MF увеличивает количество осцилляторов и возможности модуляции прибора HDAWG. Это позволяет ускорить загрузку формы сигнала в память и обеспечивает лучшую гибкость в областях применения, где необходимо настраивать суперпозицию несущих частот.

HDAWG-CNT счетчик импульсов

• 4 либо 8 счетных модулей;
• Максимальная скорость счета – 300 МГц;
• Настраиваемый уровень дискриминации;
• Вычитание фона
Опция HDAWG-CNT дает возможность детектирования фотонов в экспериментах с использованием фотоумножительных пластин или APD. Множественные последовательности импульсов на триггерных входных портах или DIO могут быть проанализированы с помощью пяти определенных режимов работы, в том числе с фиксацией времени для статистического анализа. Последовательности условных ветвлений могут определены на основании получаемых значений счетчиков, что дает возможность использования сверхбыстрых петель прямой связи для коррекции квантовых ошибок.

Шумы на выходе выше 200 кГц (иллюстрация к спецификации)

 





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
Генератор сигналов произвольной формы
Кол-во каналов 4 либо 8, зависит от модели
Кол-во маркеров 2 на канал (1 на SMA, 1 на DIO)
Разрешение 16 бит
Память для формы сигналов 64 MSa, 500 MSa с опцией HDAWG-ME
Длина последовательности 16384 инструкции
Степень детализации сигнала 8 семплов
Минимальная длина формы сигнала 32 семпла
Волновые выводы
Режимы работы Усиление, прямой вывод
Частотный диапазон, макс. усиление при 50 Ом 0-750 МГц, 0.8 Vpp;
0-300 МГц, 5.0 Vpp
Импеданс на выходе 50 Ом, DC-связь
Выходной диапазон (на 50 Ом) От 0.2 до 5.0 Vpp (усиление),
0.8 Vpp (прямой)
Напряжение смещения (на 50 Ом) ± 1.25 В (усиление),
0 В (прямой)
Шумы на выходе выше 200 кГц <30 нВ/√Гц (усиление 5 Vpp);
<12 нВ/√Гц (прямой), см. рис. на пред. странице
Характеристики во временной области
Скорость семплирования, внутренний и внешний источник От 1.5 kSa/s до 2.4 GSa/s (внутренний источник),
От 50 MSa/s до 2.4 GSa/s (внешний источник)
Разрешение по частоте семплирования 7 цифр
Время нарастания/спада <550 пс (усиление, шаг 1 В),
<300 пс (прямой, шаг 0.8В)
Задержка от получения триггера до подачи сигнала на вывод Менее 50 нс
Перекос между каналами <200 пс между двумя любыми каналами,
<20 пс (между каналами 1 и 2, 3 и 4 и т.д.)
Настройка перекоса Разрешение 10 пс в диапазоне 10 нс.