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Hochwertige Signalerfassung mit hervorragender Signaltreue
Die Rotationsspektroskopie ermöglicht die genaue Identifizierung der Moleküle in einem Gasgemisch sowie die Möglichkeit, chemische Reaktionen in der Prüfkammer von Moment zu Moment zu untersuchen. Eine der Herausforderungen dieser Anwendung ist die Anforderung eines sehr hohen Dynamikbereichs im Erfassungssystem, aufgrund des sehr großen Amplitudenbereichs der Spektrallinien. Forscher nutzen die Mittelwertbildung, um den Dynamikbereich des Oszilloskops zu erweitern, was dann Leistungsanforderungen an das Oszilloskop stellt, um Hunderttausende bis Millionen von Erfassungen in kürzester Zeit durchzuführen.
Es werden ständig neue Techniken entwickelt, um die Anwendung der Mikrowellenspektroskopie zu erweitern. Heute konzentrieren sich die Forscher darauf, chemische Reaktionen von Moment zu Moment zu analysieren. Tektronix verfolgt diese Arbeit mit neuen Merkmalen und Funktionen in Echtzeit-Oszilloskopen, um den sich ändernden Anforderungen gerecht zu werden.
Erfahren Sie, wie es geht:
- Direkte Erfassung von Mikrowellen- und Millimeterwellensignalen
- Verkürzung der Erfassungszeit bei statischen Proben durch Hardware-Mittelwertbildung und „Übersichts-Frame“
- Weniger Zeit für die Mittelung und Datenreduzierung bei der Analyse chemischer Reaktionen von Moment zu Moment
- Kompensation Ihrer Daten für Signalwegverluste und Reflexionen
Direkte Erfassung von Mikrowellen- und Millimeterwellensignalen
Bei der Rotationsspektroskopie werden Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Chirps durch eine Gasprobe übertragen, das empfangene Signal mit einem Breitband-Signalerfassungssystem erfasst, die Zeitbereichsdaten in den Frequenzbereich umgewandelt und schließlich ein Musterabgleich der erfassten Daten mit der theoretischen spektralen Zusammensetzung bestimmter Moleküle durchgeführt, um den tatsächlichen Inhalt der Gasprobe zu identifizieren. Tek bietet Echtzeit-Oszilloskope, die Signale bis zu 70 GHz direkt erfassen können. Diese Instrumente können die Eliminierung von Aufwärts-/Abwärtswandlern ermöglichen, wodurch ein potenzielles Fehlerelement und eine Rauschquelle aus dem Signalpfad entfernt werden.
Zeitliche Entwicklung der CP-FTmmW-Signale von HCN, HNC und HCCCN nach Photodissoziation bei t = 0 von CH2CHCN, erhalten im Modus mit hoher Zeitauflösung des Spektrometers. Nachdruck (angepasst) mit freundlicher Genehmigung von „Time-Resolved Kinetic Chirped- Pulse Rotational Spectroscopy in a Room-Temperature Flow Reactor“, veröffentlicht im Journal of Physical Chemistry Letters. Copyright 2018 American Chemical Society.
Die Hardware-Mittelwertbildung im Erfassungssystem ermöglicht eine sehr schnelle Berechnung, und der Modus „Nur Übersichts-Frame“ führt zu einer erheblichen Datenreduzierung innerhalb des Erfassungssystems, wodurch weniger Zeit für die Übertragung der Wellenformdaten innerhalb des Oszilloskops von der Erfassungsplatine auf die PC-Hauptplatine benötigt wird. Kombiniert verbessern diese beiden Funktionen den Analysedurchsatz erheblich.
Weniger Erfassungszeit bei statischen Proben mithilfe der Hardware-Mittelwertbildung und der Frame-Übersichtsfunktion
Die Rotationsspektroskopie erfordert eine hohe Signalmittelung, um den Dynamikbereich des erfassten Signals zu erweitern. Normalerweise würde diese Mittelwertbildung zu langen Erfassungszeiten führen, aber die proprietäre Technologie, die auf allen Ultra-/Hochleistungs- und Echtzeit-Oszilloskopen von Tektronix verfügbar ist, verwendet die in die Erfassungsplatine integrierte Hardware-Mittelwertbildung, um die Datenerfassung zu beschleunigen.
Mit dem Modus „Summary Frame Only“ (Nur Übersichts-Frame), der als Standardfunktion in Tek Oszilloskopen verfügbar ist, erfasst die Erfassungshardware einen punktweisen Mittelwert über alle Frames hinweg und bietet einen Übersichts-Frame mit einem erweiterten Dynamikbereich und einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Wenn nur die Daten des Übersichts-Frames benötigt werden, wird viel Zeit gespart, da die Datenmenge, die von der Erfassungsplatine des Oszilloskops an das interne PC-System des Oszilloskops übertragen werden muss, reduziert wird. Anstatt beispielsweise 1.000 Frames zu übertragen, müssen Sie nur den Übersichts-Frame übertragen, was zu einer Datenreduzierung von 1000:1 führt.
Weniger Zeit für die Mittelung und Datenreduzierung bei der Analyse chemischer Reaktionen von Moment zu Moment
Die Entwicklung hin zu Experimenten von Moment zu Moment, bei denen Forscher chemische Reaktionen analysieren, stellt im Vergleich zur statischen Probenanalyse noch höhere Anforderungen an die gesammelte Datenmenge. Tektronix hat den Modus „Orthogonal FastFrame Averaging“ (Orthogonale Mittelwertbildung mit schnellen Frames) entwickelt, um dieser neuen Anforderung gerecht zu werden. Das Oszilloskop erstellt einen Satz Mittelwert-Frames, der mehreren erfassten Frame-Sätzen entnommen wird, was die Erfassungszeit drastisch verkürzt. Sobald die Mittelwertbildung abgeschlossen ist, bleibt nur noch der Frame-Satz mit den Mittelwerten. Auch hier gilt: Wenn 1000 Frame-Sätze erfasst und gemittelt wurden, stellt der resultierende Frame-Satz mit den Mittelwerten eine Datenreduzierung von 1000:1 für die Übertragung auf die PC-Platine des Oszilloskops dar.
Die orthogonale FastFrame Mittelwertbildung ermöglicht es dem Benutzer, eine effiziente Hardware-Mittelwertbildung mehrerer Frame-Sätze zu einem einzigen Frame-Satz mit Mittelwerten durchzuführen. Zum Beispiel wird der jeweils erste Frame zusammen mit allen anderen erfassten „ersten Frames“ Punkt für Punkt gemittelt, um einen „Mittelwert der ersten Frames“ zu erhalten. Dieser Vorgang wird für alle anderen Frames wiederholt und erzeugt hochauflösende Daten, die jeden sequenziellen Zustand mit einer Lücke von nur 6 μs zwischen den einzelnen Frames darstellen.
Das Vorkompensationsverfahren misst den Amplituden- und Phasengang des AWG und des angeschlossenen Koaxialkabels, erstellt einen Filter zur Kompensation dieser Reaktion und führt dann die Vorverzerrung der Wellenform so durch, dass der resultierende Ausgang flach ist.
Kompensation Ihrer Daten für Signalwegverluste und Reflexionen
Die Erfassung eines möglichst spektral reinen und amplitudengenauen Datensatzes erfordert die Kompensation der erfassten Daten mit einem Korrekturfilter. Tek bietet zwei Lösungsstufen an, um diese Kompensation zu bewältigen.
Bei Verwendung eines Tek AWG und eines Tek Echtzeit-Oszilloskops steht ein automatisiertes Programm zur Verfügung, um einen Vorverzerrungsfilter zu erzeugen. Dieser Filter wird dann auf die ursprünglichen AWG-Wellenformdaten angewendet, um eine „Vorverzerrungs-“ oder „Vorkompensations“-Wellenform zu erzeugen. Diese Kompensation korrigiert automatisch Amplituden- und Phasenschwankungen, die durch Systemelemente (Kabel, Aufwärts-/Abwärtswandler, Antennen usw.) zwischen dem Ausgang des AWG und dem Eingang des Oszilloskops verursacht werden. Da diese Technik das vom AWG erzeugte Signal modifiziert, hat dies keine Auswirkungen auf die Erfassungseffizienz.
Ein noch robusteres Kompensationstool ist verfügbar, die sogenannte Analyse serieller Datenverbindungen (SDLA). Dieses Tool erzeugt einen Filter, der Amplituden- und Phasenschwankungen sowie Reflexionen korrigiert. Die Eingabe in SDLA sind S-Parameterdaten (in der Regel mit einem VNA erzeugt), und die Ausgabe ist ein FIR-Filter, der bei jeder Erfassung mithilfe eines mathematischen Kanals auf dem Oszilloskop automatisch auf die Oszilloskopdaten angewendet wird. Dies kann auf den endgültigen Datensatz angewendet werden, um die Auswirkungen auf die Erfassungseffizienz zu minimieren.
