Boxcar 平均器选件

UHF-BOX 选件为 UHFLI 锁相放大器增加了 2 个相互独立的 600 MHz Boxcar 平均器单元，可提升使用非正弦波形应用的测量速度和信噪比（SNR）。与使用数字转换器或示波器不同，Boxcar 平均器的测量结果可立即在数字域中获取，也可作为模拟信号输出，并支持用户自定义的偏置和缩放系数。

使用 LabOne^® 用户界面，可轻松设置 Boxcar 测量：周期波形分析仪（PWA）可显示波形的单个周期，并通过平均抑制噪声，突出显示所关注的波形特征。将 PWA 光标置于波形的相关部分两侧，即可以图形化方式设置 Boxcar 窗口；还可以设置第二个平均窗口来减少基线波动并实现差分测量。为达到测量速度与信噪比 SNR 之间的最佳平衡，测量结果可在连续周期上进行平均，平均次数范围为 1 至 100 万次。

锁相放大器 vs Boxcar

锁相放大器非常适用于分析正弦信号并提取频谱中的特定分量，而 Boxcar 平均器则更适合用于低占空比信号的测量（见图例）。脉冲实验中的典型输入信号具有脉冲宽度 T_p、脉冲重复周期 T_rep 和占空比 d。在 Boxcar 平均过程中，输入信号与一个 Boxcar 函数（也称为矩形脉冲序列）相乘，其脉冲宽度为 T_Box。通过这种方式，Boxcar 窗口之外的噪声分量会被抑制（见图 c）。在 Boxcar 门控窗口内，对信号进行积分，从而在每个周期内得到一个单一值，随后在 N 个周期上进一步平均。

从低占空比信号中提取数据需要同时获取基频和许多高次谐波的信息。为了捕获这些额外信息，Boxcar 平均器的信号输入带宽需要比基频大很多倍。因此，与锁相测量相比，设置 Boxcar 测量需要更精细地控制更多参数。其优势通常体现在更短的测量时间和更高的信噪比 SNR 上，这在成像等应用领域中尤为重要。因此，锁相测量和 Boxcar 测量是分析周期信号的互补工具。

仅使用 Boxcar 窗口进行测量时，所得结果会包含频谱中的直流（DC）分量。因此，测量结果容易受到测量过程中直流漂移的影响。通过引入一个相对于常规 Boxcar 窗口、具有用户自定义时间偏移的参考窗口，并将其测量结果从主 Boxcar 窗口测量结果中扣除，即可消除该直流分量。此时数据不再受直流漂移伪影的影响，并且随时间的变化更加稳定。

参考窗口还可用于差分测量。例如，在泵浦-探测实验中，用于诱导待测效应的泵浦脉冲可能仅在每两个探测脉冲中出现一次。通过锁定在泵浦脉冲周期上，用户可在同一周期内同时显示泵浦脉冲和探测脉冲（见图）。此时可使用 Boxcar 窗口测量含有泵浦与探测的复合信号，同时使用参考窗口测量仅包含探测脉冲的信号。图中，绿色时域迹线表示仅使用 Boxcar 窗口测量的结果，即一个正弦调制的脉冲序列，红色迹线对应 Boxcar 窗口与参考窗口测量结果之差。此时泵浦引入的系统性偏移被消除，同时部分噪声分量得到抑制，从而显著提高了信噪比 SNR 和测量精度。

周期波形分析仪（PWA）接收连续采样数据流，并将其与参考振荡器的相位同步关联。每个采样值还会与此前处于相同相位的采样值进行平均。在参考频率的多个周期上执行该操作，可获得密集的相位与采样值数据对；以相位作为 X 轴绘制平均值，即可得到待测信号的相位域表示，并实现出色的噪声抑制。

PWA 根据相位将每个输入采样值分配至 1024 个数据区间中的一个，从而得到分辨率为 2π/1024（即 0.4 度）的波形图。如果该分辨率无法满足要求，可放大所关注的区域，将相位分辨率进一步提升至毫度级。

PWA 结合了通过平均实现的高噪声抑制能力和高时间分辨率，因此可帮助用户以最少的操作准确设置 Boxcar 窗口和基线窗口。

谐波分析仪可将对 PWA 数据执行快速傅里叶变换（FFT）所得的结果可视化，进而显示信号幅度在参考频率各次谐波上的频谱分布。该频谱包含直流（DC）分量以及第 1 次至第 511 次谐波的能量分布。借助此功能，用户可确定更合适的测量方法——锁相放大或 Boxcar 平均。

如果信号分散在许多谐波分量上，并且不存在明显的峰值（见左图），则 Boxcar 检测可能是实现最佳信噪比的更好选择。如果所关注的大部分信号集中在某一次谐波上（见右图），则锁相检测通常是更加稳健的选择。

UHFLI 锁相放大器内置的算术运算单元可将两个 Boxcar 单元的测量结果作为运算对象，并直接在仪器内部执行算术运算。借助此功能，可实现更多高级测量，例如逐脉冲直接归一化至特定数值。

某些应用（例如表征材料的非线性吸收特性）需要准确获知传输到样品每个脉冲的功率。使用另外的光电二极管测量激光器的输出功率，再通过算术运算单元对到达样品的功率进行归一化，可获得更加准确的表征结果。

当低占空比信号受到额外调制时，Boxcar 单元可将 Boxcar 测量结果直接路由至某一路锁相解调器的输入端。这一过程无需离开数字域，因而能在最短时间内以高数值精度达到最佳信噪比。典型应用包括脉冲激光源的额外幅度调制（见图）或泵浦-探测实验中的周期性延迟变化。