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用Time Tagger和Pulse Streamer測試標定任意波形發生器HDAWG的觸發延遲參數

2025-07-28144次

在量子計算，量子比特控制（超導量子比特，自旋量子比特），雷達/激光雷達半導體測試，核磁共振譜(NMR) 和電子順磁共振譜 ( EPR)各種測試中，多通道任意波形發生器都是核心設備。

蘇黎世儀器的明星產品—多通道任意波形發生器 HDAWG 擁有同類產品中最高的通道密度，采樣率2.4 GSa/s，帶寬高達750 MHz。HDAWG 擁有 4/8 個直流耦合單端模擬輸出通道，輸出垂直分辨率為 16 位。每個模擬輸出有兩個可切換模式，直接模式（最高帶寬和超低噪聲）和放大模式 (最高輸出幅值為 5 Vpp)。HDAWG每對通道都有獨立的AWG內核，用于創建相位和時序可編程波形，單臺 HDAWG-8 儀器可以生成多達 4 對 IQ 信號或 8 個實值信號，對于多通道應用的場合，可以使用可編程量子系統控制器 (PQSC) 支持將多達 18 臺 HDAWG 儀器組合到一套系統中，為系統提供多達 144 個完全同步的 AWG 通道。

HDAWG 波形的定義和參數變化也非常簡單。這些都得益于內部數字振蕩器載波生成的獨立性。載波的頻率，相位和幅度變化可以被直接操控，無需使用任何 AWG 代碼。HDAWG 提供了豐富的波形產生函數，由內置函數可以直接定義和生成常用波形 (Blackman、Gauss、chirp、sine、square、sinc、DRAG, 及其它) ，同時內置了波形編輯工具，如相加、相乘、剪切、拼接、縮放，以及運行循環語句構建復雜的序列波形。HDAWG還支持導入波形數據，直接從用戶界面導入 .csv 文件。

HDAWG 每個波形生成通道都擁有獨立的觸發和標記通道，HDAWG可以用這些通道接收和發送觸發信號，和第三方儀器同步。HDAWG 采用低延遲設計，因此在前面板上的其中一個觸發輸入上檢測到外部觸發信號后，能夠在不到 50 ns 的時間內在信號輸出端生成首個樣本。這對于器件屬性短暫的量子計算反饋實驗非常重要，每節省一納秒，即可明顯改善實驗結果。儀器的 4 或 8 條輸出通道可按 2 條或 4 條為單位進行分組。每組均可單獨觸發，以便更加靈活地將信號分配給設備或裝置的各個單獨部分。

為了生成高度復雜且可實時控制的信號，HDAWG 能夠在可編程存儲器中預先存儲多達 1024 個波形。并且HDAWG可以根據通過 ZSync 從 PQSC 接收到的信息、HDAWG-CNT 脈沖計數器選件的測量結果或者其 32 比特數字輸入所應用的比特模式來決定播放哪些波形。以這種方式接收到的信息可以表示數字調制模式、特定儀器的測試波形或多量子比特狀態讀取結果。

在大多數應用場合，觸發輸出延遲是一個重要的應用參數。在工作場合，人們都是用示波器同步測定觸發脈沖和輸出波形，以圖形中的脈沖上升沿來計算觸發輸出延遲，大多數人以脈沖上升沿的20-80%位置作為對齊標準，也有些人以脈沖上升沿的10-90%位置作為對齊標準，脈沖上升沿的選擇隨意性，直接影響了測試的精度。

實驗工具：

Time Tagger Ultra 時間數字轉換器

Pulse Streamer八通道脈沖發生器

HDAWG 任意波形發生器

實驗目的：

用Time Tagger和Pulse Streamer測試標定多通道任意波形發生器HDAWG的觸發延遲參數

實驗連接圖：

實驗概述：

Pulse Streamer八通道脈沖發生器2路輸出同步數字觸發信號，一路給Time Tagger Ultra 時間數字轉換器作為同步信號，一路給 HDAWG 任意波形發生器作為觸發信號，觸發 HDAWG 生成一個53ns脈沖波形信號，HDAWG 生成的脈沖信號輸入到Time Tagger Ultra 時間數字轉換器另外一個通道上作為被檢測信號。通過Time Tagger Ultra 時間數字轉換器兩個通道的接收信號記錄時間差，即為HDAWG 觸發延遲參數。

實驗過程：

簡單寫一個腳本，生成一個53納秒的高斯波形，同步輸出一個marker信號，是5納米的高電平，48納秒的低電平

const len = 12;

wave w_gauss = gauss(144, 48, 24);

wave w_left = marker(len, 1);

wave w_right = marker(144-len, 0);

wave w_marker = join(w_left, w_right);

wave w_gauss_marker = w_gauss + w_marker;

while (true) {

playWaveDigTrigger(1,w_gauss_marker);

waitWave();

}

playWaveDigTrigger函數等待一個觸發信號，然后播放高斯波形，和同步marker方波信號。waitWave() 是等待當前波形播放完后循環播放。

Pulse Streamer 8/2 是一個同步數字碼型和任意波形發生器，具有8個數字信號輸出通道和2個模擬信號輸出通道。Pulse Streamer具備的強大用戶界面，可以快速定義復雜的脈沖序列和任意波形。用它輸出2路同步數字觸發信號，一路給HDAWG作為觸發信號，另外一路給時間相關單光子計數器作為同步信號。

在時間信號測量的領域，使用時間相關單光子計數器測量信號的時間標簽是一個常規操作。時間相關單光子計數器Timetagger，它擁有獨特數據處理架構的時間相關單光子計數器，尤其適用于時間相關的單光子計數、時間間隔計數、符合計數和數字協議分析。Time Tagger系列產品是強大的時間數據采集工具，可用于包括量子技術、單光子顯微鏡、熒光相關光譜、動態光散射、激光測距、粒子物理和精確時間協議同步測試等諸多領域。

互相關測試方法主要用于分析兩個信號之間的關聯性，通過計算交叉功率譜密度函數獲取互相關函數，可以判斷信號間的依賴關系。該方法在信號處理、通信、數據分析等領域有廣泛應用。