RIGOL高能粒子物理实验数据采集系统的应用案例

在高能物理实验中，PMT作为粒子探测器的重要组成部分，广泛应用于各种实验装置中。例如，PMT可以用于测量带电粒子的轨迹和能量，通过精确测量粒子在磁场中的飞行时间和偏转角度，可以推算出粒子的质量、电荷和动量等关键参数。此外，PMT还可用于探测中性粒子（如光子、中子等），通过测量其与物质相互作用产生的次级粒子，从而间接探测中性粒子的性质。

光电倍增管(PMT)是一种高度灵敏的光检测设备,它的工作原理基于光电效应、二次电子发射和电子光学理论，其结构主要包括光电阴极、聚焦极、倍增极和阳极。当光子入射到光阴极上时，由于光电发射效应，光电阴极会激发出光电子，这些光电子在电场的作用下被加速并撞击到倍增极上，产生更多的二次电子。产生的二次电子经过多级倍增后，电子数目得到极大增加，最终形成可被检测的电信号。

图 1.1 PMT 工作原理图

测试挑战

• 测试通道数多：PMT可以测量带电离子的轨迹与能量，而在这个探测过程中，需要多路通道一起测量。而像传统的示波器通道数多为4路或8路，不满足测试需求。

• 测试环境恶劣：高能粒子物理实验过程中，测试环境比较特殊，且不便从外围控制，有些测试环境甚至会有几十摄氏度的温差变化。而这一温度差异可能会超出常规的仪器工作温度。

• 通道间的精确同步：高能粒子物理实验过程中使用的PMT具有超快的时间响应，这使得它能够用于测量光信号的快速变化。那么在多通道采集过程中，也就要求这通道间的精确同步，这样才能降低测试误差。

• 数据处理量大：高能粒子物理实验过程中，一次需要对多个通道的数据进行同时处理，也就意味着在同一个显示屏上要显示出多个通道的数据。而传统的示波器一个屏幕上最多只能显示8个通道，不符合测试需求。            

解决方案

为了应对以上测试难点，RIGOL推出了DS8000-R系列板卡式示波器以及DS SYNC64 64通道同步模块以及Ultra DAQ多通道数据处理软件。

图 3.1 多通道数据采集系统实际连接图

1.信号测试：选择 DS8000-R 作为测试设备完成多通道信号测试

图 3.2 DS8000-R 实物图

表 3.1 DS8000-R 核心参数表

DS8000-R集6种独立仪器于一体，包括一台示波器、一台频谱分析仪、一台任意波形发生器、一台数字电压表、一台高精度频率计和累加器以及一台协议分析仪。DS8000-R系列数字示波器提供给用户结合实际需要的最佳选择。在作为单机使用时，可以外接显示屏、鼠标、键盘等设备完成测试。在集成测试过程中，其1U的高度以及半机架的宽度的高度集成，在系统集成测试场景下，最多支持集成128台示波器，扩展为512个通道。在满足用户高速、多通道并行进行数据采集需求的同时，紧凑叠加，节省空间。

同时，DS8000-R系列数字示波器出色的热设计，经过严格的可靠性测试，支持 -40℃~+50℃的工作温度，在恶劣环境中仍可正常工作。

图 3.3 多通道数据采集系统集成柜实物图

2.通道同步: DS SYNC64 64 通道同步模块

图 3.4 DS SYNC64 同步模块实物图

图 3.5 DS SYNC64 同步模块连接图

对于需要多通道并行数据采集的用户，DS SYNC64同步机可以作为示波器的触发源，将输出接口连接到示波器的EXT触发输入端，实现多台示波器的同步触发。还可以用作通道标定，通过同轴线连接到示波器的模拟通道输入端，对各个模拟通道进行校准。保证多台级联的示波器可以进行数据的同步采集，提升测量结果的可靠性。

DS SYNC64有4个触发脉冲输入接口，可实现4个通道的触发（TriggerIn1~TriggerIn4）；支持触发释抑，有64路触发信号输出接口，单台最多可以支持64台示波器进行级联。通过使用功分器来连接两台同步机的触发脉冲输入端口，然后两台同步机共计128个触发信号输出接口，连接128台DS8000-R。便可以完成128台仪器，共计512通道同步。

3.波形显示：UltraDAQ-Lite 多通道高速数据采集软件

图 3.6 UltraDAQ-Lite 设备添加与设置页面

图 3.7 UltraDAQ-Lite 波形观察页面

DS8000-R系列示波器标配精简版多通道高速数据采集软件UltraDAQ-Lite，支撑客户在简单的集成系统中进行基本的通道配置和波形显示。UltraDAQ-Lite可控制最多 4 台示波器同时工作，实现同步采集16通道的数据，并可以通过USB/ 以太网进行高速数据通信。

在用户配置界面，用户可以通过USB或者以太网将仪器添加到软件中。同时还可以对通道的触发类型、触发电平、存储深度、水平时基、水平偏移、探头比、通道耦合等多项参数进行设置。在通道处设置完成后，就可以进入到观察页面完成对于多通道信号的测量与观察。另外，还可以将波形数据保存下来，方便后续的数据分析。

同时，DS8000-R系列示波器提供集成控制软件的SDK（开源提供，可到RIGOL 官网下载）。用户可以根据实际的需求，在开源软件包的基础上进行灵活的二次开发，实现对采集波形的测量与分析、历史数据导出和离线分析等自定义功能。软件开发工具包，能够满足客户对多种特定场景的应用需求。

结论

高能粒子物理实验数据采集系统在测试系统中会有越来越多的应用场景。包括在量子通信、汽车电子、电子通信等等。而RIGOL推出的DS8000-R多通道高速数据采集应用方案具备高集成、高采样、高同步、低抖动、低延迟、高集成度、可应用于恶劣测试环境等多个优点。同时对应的软件可以满足客户不同的应用需求，在节省空间成本和经济成本的同时，可以有效地提高客户的测试效率。

方案优势：高性能以及多通道：DS8000-R具备高采样、深存储、高集成度以及多功能的优势，可以满足客户在使用过程中的不同需求，其工作温度可以低至-40℃，可以满足恶劣的测试环境。同时仪器可以支持128台仪器级联，最高512个通道数，满足客户对于多通道的需求。

低抖动以及多路数据处理：DS8000-R在使用同步机的情况下，抖动低至 350PSrms，时延低至 500ps。大大降低了因仪器带来的误差。同时RIGOL提供的上位机可以将多路信号显示在一块屏幕上，方便对于实验数据的观察与分析。          

仪器支持

DS8000-R 系列数字示波器         

DS8000-R系列数字示波器是基于RIGOL的ASIC芯片和UltraVision II技术平台的紧凑型中高端数字示波器。DS8000-R具有紧凑结构设计，机身轻薄小巧。支持多机系统集成，适合机架安装，提供远程操控，满足工业自动化测试系统要求。

产品支持：

RIGOL DS8000-R 

紧凑型中高端数字示波器

产品特点：

■ 模拟通道带宽：2GHz、1GHz和350MHz三种型号

■ 实时采样率最高达10 GSa/s（DS8104-R/DS8204-R），5 GSa/s（DS8034-R）

■ 输入、输出通道数：4个模拟通道，1个EXT输入通道

■ 标配500Mpts存储深度

■ 波形捕获率高于600,000个波形每秒

■ 低抖动，支持多机同步（<200 psRMS，典型值）

■ 最多可扩展至512个通道，支持同步采集（可使用同步机进行多通道同步）

一直以来，普源精电专注于电子设计、测试、生产、优化，提供为满足客户需求的广泛解决方案及产品组合，并通过强化在硬件、算法及软件方面的技术实力，紧密对接客户需求和市场动态，持续探索提升产品应用的行业覆盖性。

未来，公司将进一步聚焦客户应用，围绕通信、新能源、半导体等前沿科技赛道，加强高端产品和解决方案的部署，形成从技术到产品、从时域到频域、从通信到新能源半导体的全方位解决能力，为客户解决测试挑战和创造核心价值。