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用Time Tagger和Pulse Streamer测试标定任意波形发生器HDAWG的触发延迟参数

2025-07-28129次

在量子计算，量子比特控制（超导量子比特，自旋量子比特），雷达/激光雷达半导体测试，核磁共振谱(NMR) 和电子顺磁共振谱 ( EPR)各种测试中，多通道任意波形发生器都是核心设备。

苏黎世仪器的明星产品—多通道任意波形发生器 HDAWG 拥有同类产品中最高的通道密度，采样率2.4 GSa/s，带宽高达750 MHz。HDAWG 拥有 4/8 个直流耦合单端模拟输出通道，输出垂直分辨率为 16 位。每个模拟输出有两个可切换模式，直接模式（最高带宽和超低噪声）和放大模式 (最高输出幅值为 5 Vpp)。HDAWG每对通道都有独立的AWG内核，用于创建相位和时序可编程波形，单台 HDAWG-8 仪器可以生成多达 4 对 IQ 信号或 8 个实值信号，对于多通道应用的场合，可以使用可编程量子系统控制器 (PQSC) 支持将多达 18 台 HDAWG 仪器组合到一套系统中，为系统提供多达 144 个完全同步的 AWG 通道。

HDAWG 波形的定义和参数变化也非常简单。这些都得益于内部数字振荡器载波生成的独立性。载波的频率，相位和幅度变化可以被直接操控，无需使用任何 AWG 代码。HDAWG 提供了丰富的波形产生函数，由内置函数可以直接定义和生成常用波形 (Blackman、Gauss、chirp、sine、square、sinc、DRAG, 及其它) ，同时内置了波形编辑工具，如相加、相乘、剪切、拼接、缩放，以及运行循环语句构建复杂的序列波形。HDAWG还支持导入波形数据，直接从用户界面导入 .csv 文件。

HDAWG 每个波形生成通道都拥有独立的触发和标记通道，HDAWG可以用这些通道接收和发送触发信号，和第三方仪器同步。HDAWG 采用低延迟设计，因此在前面板上的其中一个触发输入上检测到外部触发信号后，能够在不到 50 ns 的时间内在信号输出端生成首个样本。这对于器件属性短暂的量子计算反馈实验非常重要，每节省一纳秒，即可明显改善实验结果。仪器的 4 或 8 条输出通道可按 2 条或 4 条为单位进行分组。每组均可单独触发，以便更加灵活地将信号分配给设备或装置的各个单独部分。

为了生成高度复杂且可实时控制的信号，HDAWG 能够在可编程存储器中预先存储多达 1024 个波形。并且HDAWG可以根据通过 ZSync 从 PQSC 接收到的信息、HDAWG-CNT 脉冲计数器选件的测量结果或者其 32 比特数字输入所应用的比特模式来决定播放哪些波形。以这种方式接收到的信息可以表示数字调制模式、特定仪器的测试波形或多量子比特状态读取结果。

在大多数应用场合，触发输出延迟是一个重要的应用参数。在工作场合，人们都是用示波器同步测定触发脉冲和输出波形，以图形中的脉冲上升沿来计算触发输出延迟，大多数人以脉冲上升沿的20-80%位置作为对齐标准，也有些人以脉冲上升沿的10-90%位置作为对齐标准，脉冲上升沿的选择随意性，直接影响了测试的精度。

实验工具：

Time Tagger Ultra 时间数字转换器

Pulse Streamer八通道脉冲发生器

HDAWG 任意波形发生器

实验目的：

用Time Tagger和Pulse Streamer测试标定多通道任意波形发生器HDAWG的触发延迟参数

实验连接图：

实验概述：

Pulse Streamer八通道脉冲发生器2路输出同步数字触发信号，一路给Time Tagger Ultra 时间数字转换器作为同步信号，一路给 HDAWG 任意波形发生器作为触发信号，触发 HDAWG 生成一个53ns脉冲波形信号，HDAWG 生成的脉冲信号输入到Time Tagger Ultra 时间数字转换器另外一个通道上作为被检测信号。通过Time Tagger Ultra 时间数字转换器两个通道的接收信号记录时间差，即为HDAWG 触发延迟参数。

实验过程：

简单写一个脚本，生成一个53纳秒的高斯波形，同步输出一个marker信号，是5纳米的高电平，48纳秒的低电平

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函数等待一个触发信号，然后播放高斯波形，和同步marker方波信号。waitWave() 是等待当前波形播放完后循环播放。

Pulse Streamer 8/2 是一个同步数字码型和任意波形发生器，具有8个数字信号输出通道和2个模拟信号输出通道。Pulse Streamer具备的强大用户界面，可以快速定义复杂的脉冲序列和任意波形。用它输出2路同步数字触发信号，一路给HDAWG作为触发信号，另外一路给时间相关单光子计数器作为同步信号。

在时间信号测量的领域，使用时间相关单光子计数器测量信号的时间标签是一个常规操作。时间相关单光子计数器Timetagger，它拥有独特数据处理架构的时间相关单光子计数器，尤其适用于时间相关的单光子计数、时间间隔计数、符合计数和数字协议分析。Time Tagger系列产品是强大的时间数据采集工具，可用于包括量子技术、单光子显微镜、荧光相关光谱、动态光散射、激光测距、粒子物理和精确时间协议同步测试等诸多领域。

互相关测试方法主要用于分析两个信号之间的关联性，通过计算交叉功率谱密度函数获取互相关函数，可以判断信号间的依赖关系。该方法在信号处理、通信、数据分析等领域有广泛应用。