为了实现 640×512分辨率的 EMCCD（Electron-Multiplying CCD）在 1×10-3 lx照度条件下 25 fps连续动态成像，设计了对应的相机。搭建了相机硬件平台，分析了 EMCCD工作时序、AFE工作时序、BT.656编码和 Camera Link编码时序。利用硬件描述语言在 FPGA中产生了相应的驱动时序。实现了 EMCCD曝光和读出控制，AFE相关双采样和光学暗电平钳位，模拟视频信号逐行变隔行和插值拉伸以及 Camera Link协议的并串转换。通过实际测量和分析，相机在模拟夜天光 1×10-3 lx照度， EMCCD增益 1000倍，镜头焦距 25mm，F1.4的条件下，能同时输出模拟视频和数字视频，成像帧率 25 fps，信噪比 21.8 dB。
EMCCD相机 时序设计 EMCCD camera, timing design, AFE, BT.656, Camera L AFE BT.656 Camera Link
1 上海科技大学上海 200120
2 中国科学院上海高等研究院上海 201210
上海硬X射线自由激光装置（Shanghai High Repetition rate XFEL and Extreme light facility，SHINE）整体采用基于白兔协议（White Rabbit，WR）技术的定时系统。束线站定时系统接收外部参考信号，并通过定时主节点、WR交换机和从节点等WR设备将定时信号分发到各光束线和实验站。定时设备控制系统基于简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）与实验物理与工业控制系统（Experiment Physics and Industrial Control System，EPICS）开发，可远程监测和控制分布式定时设备。该系统获取定时设备硬件相关参数，通过EPICS IOC（Input/Output Controller）保存至内存数据库。定时系统参数可以通过PyDM（Python Display Manager）编写的用户界面查看，并可在Archiver Appliance中存档与检索。通过测试证明此控制系统能够实时监测设备参数，并能远程控制信号时延及脉宽等，满足SHINE光束线与实验站的定时需求。
SHINE 定时系统 白兔协议 EPICS SNMP SHINE Timing system White Rabbit EPICS SNMP 
Author Affiliations
Abstract
1 School of Physics Science and Engineering, Tongji University, Shanghai, China
2 State Key Laboratory of High Field Laser Physics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, China
3 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China
4 XIOPM Center for Attosecond Science and Technology, State Key Laboratory of Transient Optics and Photonics, Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Xi’an, China
The development of high-intensity ultrafast laser facilities provides the possibility to create novel physical phenomena and matter states. The timing fluctuation of the laser pulses is crucial for pump–probe experiments, which is one of the vital means to observe the ultrafast dynamics driven by intense laser pulses. In this paper, we demonstrate the timing fluctuation characterization and control of the front end of a 100-PW laser that is composed of a high-contrast optical parametric amplifier (seed) and a 200-TW optical parametric chirped pulse amplifier (preamplifier). By combining the timing jitter measurement with a feedback system, the laser seed and preamplifier are synchronized to the reference with timing fluctuations of 1.82 and 4.48 fs, respectively. The timing system will be a key prerequisite for the stable operation of 100-PW laser facilities and provide the basis for potential pump–probe experiments performed on the laser.
feedback control high-intensity ultrafast laser timing fluctuation High Power Laser Science and Engineering
2023, 11(4): 04000e52
1 上海科技大学 上海 200120
2 中国科学院上海高等研究院 上海 201210
上海硬X射线自由电子激光装置（Shanghai High Repetition rate XFEL (X-ray Free Electron Laser) and Extreme light facility，SHINE）是一个高重频XFEL装置，束线站定时系统需要为设备提供基于硬件的精确的X射线束团编号和定时触发。对于SHINE束线站单脉冲工作模式的设备，采集数据包以及对应时刻的束团编号信息，便于后续实验数据分析。设计了一个束团编号采集的测试系统，它基于Zynq-UltraScale+型片上系统（System-On-Chip，SOC）搭建，采用了白兔协议（White Rabbit）协议的定时系统环境。该测试系统通过FPGA夹层卡（FPGA Mezzanine Card，FMC）获取嵌入型从节点的束团编号，使用LwIP（Light weight Internet Protocol）协议搭建的TCP协议栈实现束团编号的采集。采用Basler相机对该系统进行了实验测试，并使用pypylon库来采集相机的数据。实验测试结果表明：该束团采集测试系统获得的束团编号数量和图像帧数相同，可以满足SHINE束线站对于束团编号采集的需求。
定时 上海硬X射线自由电子激光装置 白兔协议 束团编号 Timing SHINE White Rabbit protocol Bunch ID
1 南京信息工程大学计算机与软件学院, 江苏 南京 210044
2 国防科技大学第六十三研究所, 江苏 南京 210007
在全数字发信机系统中, 射频脉宽调制(RF-PWM)将基带调制信号的幅度与相位信息编码为输出脉冲的宽度和位置。由于数字信号处理器件的非理想特性, 其时钟信号的上升沿和下降沿存在抖动误差, 影响 RF-PWM的输出信号质量。基于 3种 RF-PWM实现方案, 本文通过公式推导确定了时钟抖动引入的非线性失真项, 并给出了时钟抖动影响下不同方案输出脉冲信号底噪的数学解析式。最后利用 Matlab软件, 对不同方案在时钟抖动条件下的基波、奇次谐波和底噪进行仿真验证, 结果证明理论推导正确; 同时对信号的矢量幅度误差(EVM)和邻信道功率比(ACPR)进行仿真, 分析出时钟抖动对信号带内外性能的影响。结果表明, 时钟抖动引入的非线性失真主要体现为底噪的抬高; 不同 RF-PWM实现方案时钟抖动的影响特性各有不同, 其中五电平方案对时钟抖动影响具有抑制效果, 且随时间分辨力的增大而增大。
全数字发信机 时钟抖动 射频脉冲宽度调制 移相控制 固定门限 All-Digital Transmitter(ADTx) timing jitter Radio Frequency Pulse Width Modulation(RF-PWM) outphasing fixed threshold 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(3): 340
1 福建省先进高场超导材料与工程协同创新中心, 福建 福州 350117
3 西南交通大学超导与新能源研究开发中心, 四川 成都 610031
激光诱导击穿光谱(LIBS)以激光诱导微等离子体的原子发射为技术特征, 在科研与工业领域正得到重视与蓬勃发展。 作为环境气体的氩气对等离子体演化过程中粒子的碰撞过程有重要影响, 决定着LIBS技术分析性能的发挥。 利用光谱诊断技术深入研究LIBS技术条件下氩气的光谱特征, 对于提升LIBS技术及其应用水平具有重要的意义。 利用中阶梯光栅光谱仪记录时间序列光谱信息研究了瞬态Ar等离子体碰撞和衰减过程, 包括等离子体演化过程中的辐射机制和等离子体电子数密度及温度的时间演化特征。 结果表明, 在激光与氩气相互作用的初始阶段, 光谱主要由连续辐射组成, 在0.6 μs后, 光谱开始主要由氩原子、 离子的离散跃迁辐射谱线组成。 氩原子线和离子线的演化周期不同, 在0~1.0 μs延迟时间内离子线占主导, 在1.0~30 μs原子线占主导。 利用Stark展宽, Saha-Boltzmann曲线方程对60, 80和100 mJ脉冲激光能量激发下的等离子体的电子数密度和温度进行了计算, 等离子体电子数密度在0.2~2.0 μs延迟时间内快速衰减, 之后在较长的延迟时间内缓慢下降, 大约在4.0 μs达到同一个数量级; 等离子体温度(80 mJ)从初始0.2 μs时的18 000 K迅速下降到13 000 K(2.0 μs), 在5.0 μs后缓慢下降到12 000 K。 为进一步检验和优化激光脉冲用于氩气的分析性能, 对氩的不同特征谱线信噪比随时间演化的特征进行了研究, 结果表明, 氩原子线在2.0~6.0 μs的延迟窗口具有较高的信噪比, 氩离子线则在0.1~1.0 μs延迟窗口具有较高的信噪比。
激光诱导击穿光谱 氩气 等离子体 时序特征 时间分辨 Laser-induced breakdown spectroscopy Argon Plasma Timing characteristics Time resolved 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1049
1 合肥工业大学 微电子学院, 合肥 230009
2 合肥工业大学 数学学院, 合肥 230009
芯片老化引发的可靠性问题日益严重,会降低芯片性能,最终可能导致芯片失效。针对已有的芯片老化测量结构硬件开销大、影响关键路径时序等问题,提出了一种低开销的旁路重构振荡环的片上老化测量方案。实验结果表明,相比现有方案,该方案硬件开销降低了63.2%,在性能上平均提高了15.7%,并且老化在线测量误差较小,仅为2%。
关键路径时序 旁路重构 振荡环 老化测量方案 critical path timing bypass reconfiguration oscillating ring aging measurement scheme
1 电子科技大学 电子科学与工程学院, 成都 610054
2 中国科学院 微电子研究所, 北京 100029
针对时间交织型模数转换器(TI ADC)子通道间的采样时间失配, 提出了一种基于时延滤波的校准算法。该校准算法是一种纯片外校准算法, 在片外进行FFT分析并重新拟合理想信号, 提取每个子通道信号的时延偏差, 再由此偏差计算每个子通道对应的FIR滤波器系数, 完成时延偏差的补偿。该校准算法解决了子通道间采样时间失配导致的TI ADC精度不足的问题。将该算法应用于12 GS/s 12 bit ADC交织板。结果表明, 无杂散动态范围(SFDR)平均提升了31.356 4 dBc, 有效位数(ENOB)平均提升了3.177 6 bit。
时间交织型模数转换器 采样时间偏差校准 时延滤波 TI ADC timing mismatch calibration delay filtering
1 中国科学院 微电子研究所, 北京 100029
2 中国科学院 硅器件技术重点实验室, 北京 100029
3 中国科学院大学, 北京 100049
对一种流水线型模数转换器(ADC)的时序电路进行了改进研究。改进时序延长了余量增益单元MDAC部分加减保持相位的时长, 可以在不增加功耗与面积的情况下, 将一种10位流水线型ADC在20 MS/s采样率下的有效位(ENOB)从93位提高到98位, 量化精度提高了5%; 将该ADC有效位不低于93位的最高采样率从21 MS/s提高到29 MS/s, 转换速度提高了35%。ADC的采样频率越高, 改进时序带来的效果越显著。该项技术特别适用于高速高精度流水线型ADC, 也为其他结构ADC的高速高精度设计提供思路。
流水线型模数转换器 改进型时序 高速高精度 pipelined ADC timing optimization high speed and high precision
