使用苏黎世仪器为周期信号选择合适的测量工具：锁相放大器还是Boxcar Averager？-问答
锁相放大器还是Boxcar Averager？为周期信号选择合适的测量工具-问答
关键词：MFLI，Boxcar Averagers，光学与光电子学，纳米技术与材料科学，工程与半导体
2023年11月21日 Gustavo Ciard
这篇博客文章回答了观众在网络研讨会“MFLI或Boxcar Averager？为周期信号选择正确的测量工具”中提出的许多问题。该活动已录制完毕，视频可在网络获取。
锁相放大器和Boxcar Averager的工作原理
要了解锁相放大器和boxcar averager工作原理的详细讨论和严格的数学处理，请查看我们的锁定检测原理和boxcar averager原理白皮书，或直接与我们联系。
问题
在STM测量中，基本电子噪声在幅度上与信号相似。在这种情况下，是使用锁相放大器更好还是使用Boxcar Averager更好？
这个问题的答案取决于您从STM测量中期望的信号类型。对于正弦或高占空比信号，锁相放大通常更好。对于低占空比信号，Boxcar Averager平均也成为一种有吸引力的方法。
在复杂信号的情况下，选择可能并不明显。尽管如此，锁定测量始终是一个很好的起点，在低占空比信号的情况下也是如此，因为实验可以快速轻松地设置。
最终，确定测量策略的最佳方法是锁相放大器和Boxcar Averager之间的一对一比较：这在苏黎世仪器UHFLI锁相放大器和UHF-BOX Boxcar Averager选项上是可行的。
Boxcar averager和大多数示波器上可用的信号平均功能之间的区别是什么？锁相和boxcar技术总是比简单地对多个样本进行平均要好吗？
示波器上的信号平均和Boxcar平均功能在降低信号噪声方面具有相似的目的，但它们的工作方式不同。
如果你的起始信号足够大且重复，那么简单的信号平均（将同一信号的多次采集叠加，逐点计算平均值）无疑是一个好策略。
然而，如果信号很小并且隐藏在噪声中，在采集之间变化很快，或者你只对某些频率分量感兴趣，那么仅仅通过平均来提取信息将非常复杂。在这些情况下，锁相放大和/或boxcar averaging将在信号质量方面产生优越的性能。
因此，最终，在boxcar averaging、锁定检测或示波器上的信号平均之间的选择取决于信号的特定特性和存在的噪声的性质。对于大信号和重复信号，简单的平均可能就足够了，但对于更复杂的场景，锁定和boxcar averaging技术在精度和对不同信号条件的适应性方面提供了额外的优势。
如果想要用Boxcar Averager测量的短脉冲信号是双极性的，该怎么办？
信号的极性不会影响boxcar averager的性能。
在正电压信号或负电压信号上操作boxcar averager将分别简单地产生具有加号或减号的积分值。然后，根据测量的目的，您可以根据感兴趣的信号的具体特征设置Boxcar Averager门和baseline。
例如，如果目标是测量信号的正和负贡献之和，则可以将boxcar gate设置在正脉冲上，将baseline设置在负脉冲上。然后，由于boxcar计算boxcar gate和baseline之间的差，因此输出与正负两个贡献的总和成比例。在博客文章设置用于脉冲激光实验的UHFLI Boxcar averager中也讨论了类似的场景。
boxcar平均是否等效于信号乘以-1（baseline）和+1（脉冲）及其减法？
人们确实可以将boxcar gate视为前面有加号的boxcar window和减号的boxcar baseline内的信号积分。然后，输出计算为两个积分信号的总和：gate+（-baseline）。
请注意，baseline减法是可选的，如果没有boxcar baseline，输出只是boxcar gate的积分值。
在锁相电流输入配置中，我能知道TIA中使用的反馈电阻器的大小吗？
假定你是在询问我们MFLI锁相放大器的当前输入。电流输入的所有相关规范，包括跨阻抗增益、输入阻抗和其他规范，均列在此表中。
是否可以使用锁相放大器捕获1个以上的谐波？
当然。由于我们仪器中有多个解调器，您可以测量尽可能多的谐波。
MFLI配备了4个解调器（如果安装了MD选项），因此最多可以同时测量四个谐波。HF2LI和UHFLI分别有6个和8个解调器，因此它们可以同时测量多达6个和8个谐波。
我可以使用MFLI放大器在拉曼光谱图中找到baseline（振幅与波数）吗？
这个问题需要一个小小的警告。
通常，锁相放大器仅与光谱积分检测器（例如光电二极管、PMT）结合使用，而不与光谱分辨检测器（例如光谱法、CCD相机）结合使用。对于后者，对于检测器的每一个检测元件都需要专用的锁相放大器，这使得实现非常不切实际。
回到问题上来——如果你在频域中测量拉曼光谱（例如，使用光谱仪），那么你一开始就不会使用锁相放大器。
相反，如果你在时域中测量拉曼光谱，然后应用傅立叶变换来获得光谱响应，那么原则上，你可以使用锁相放大器来分析来自检测器的信号，因此也可以了解测量的背景。
移动平均滤波器可以与数字化锁相放大器一起使用吗？
boxcar averager上移动平均滤波器的相同实现不能用于锁相放大器，因为它们对信号执行的操作不同。
然而，在后者中，平均功能是由低通滤波器及其设置提供的，更确切地说是由其时间常数提供的。从本质上讲，可以将低通滤波器的时间常数视为输出测量结果之前的平均时间。时间常数越长（进而滤波器带宽越小），信号被平均的时间就越长，从而以牺牲测量速度为代价来抑制更多的噪声。
这也是为什么平均和低通滤波可以被视为等效运算的原因。
区分瞬时信号（拉曼）和长寿命信号（荧光）的最佳方法是什么（boxCar或锁相）？
给出一个明确的答案并不简单。
最佳的测量方法取决于探测器发出的信号的特性，而信号的特性又取决于激发光的特性和样品的响应。
如网络研讨会中所解释的，如果信号几乎是正弦或高占空比（例如，如果检测器带宽小于激励激光器的重复率），那么锁定通常是最佳方法。相反，如果信号是非常低的占空比，则boxcar averaging将是优选的方法。
对于特定于应用程序的情况，这同样取决于原始信号的特征。有时，像荧光寿命这样的长寿命信号可能会从低占空比的单个测量点重建，这使得boxcar averaging比锁相放大更有利。
我可以问一下，除了激光源之外，是否还会出现其他噪音，例如WIFI，仪器/附近其他仪器中的一些其他信号？
原则上，各种噪声源，如Wi-Fi和其他设备的电磁干扰、电源波动、环境因素和串扰，都会影响测量结果。接地问题、放大器和检测器噪声、光学伪影和环境电磁场也是需要考虑的因素。减少噪音需要良好的实验实践，包括适当的屏蔽、接地和隔离技术。
然而，在大多数情况下，这些类型的噪声源具有明确定义的频率分量，如电源的50-60Hz或100s MHz下的无线电/移动贡献。此外，正是由于这个原因，锁相放大器是一个很好的工具，可以将您的测量与外部因素隔离开来，因为它们仅在单个频率下测量：从这些不需要的频率分量中选择正确的调制频率可以帮助获得更好的测量，从而限制外部噪声的影响。
请问您为什么选择软件上的两个区域（平坦部分和脉冲部分）？计算机在这两个区域上做什么？如果我们同时进行boxcar averaging和锁相放大，会对彼此产生任何影响或产生额外的噪声吗？
我在软件上选择的两个区域分别是boxcar gate（脉冲周围）和boxcar baseline（没有信号）。
当启用baseline减法时，boxcar averager的输出计算为boxcar gate内的积分值减去boxcar baseline内的积分数值。通过这种方式，可以抑制Boxcar Averager测量输出中的DC或缓慢变化的分量。
可替换地，例如，如果目标是计算两个连续脉冲之间的差，则将在第一脉冲周围设置boxcar gate，并在第二脉冲附近设置boxcar baseline，从而在输出上具有两者之间的直接差。
关于同时进行两次测量时的潜在附加噪声：由于仪器是全数字的，锁相放大和boxcar averager基本上都是在数字水平上进行的，因此两次测量之间绝对没有干扰。事实上，唯一重要的噪声是信号本身上的噪声，可能还有模数转换级的量化噪声。然而，考虑到我们锁相放大器的可变输入范围，后者很少需要担心。
如果有与信号频率相似的噪声，boxcar averager会更好吗？还是取决于？
这是一个非常重要的问题。事实上，在噪声与感兴趣的信号（即，噪声和具有相同频率的信号）完全同步的情况下，以单一频率（基频）测量的锁相放大器会同时接收这两种信号，从而可能降低测量质量。
另一方面，boxcar averager将检测带宽扩展到基波的多个谐波，具体数量取决于门的宽度、信号的重复率和仪器测量的谐波数量。这意味着，假设噪声贡献仅与基波同步，则高次谐波将是无噪声的，因此对整体信噪比有积极贡献。因此，对于这个特定的场景，boxcar averaging将是选择的方法。
