Onderzoekers hebben een hoogefficiënte 3-in-1 hardware- en softwaresysteem ontwikkeld voor gepulseerde elektronparamagnetische resonantie (EPR) spectroscopie, waarbij een ADC, DAC en pulsgenerator zijn gecombineerd op één enkele kaart.
Een team van wetenschappers, waaronder onderzoekers van het Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion en het International Tomography Center, heeft een innovatieve PCI Express (PCIe) kaart gepresenteerd die specifiek is ontworpen voor EPR-spectroscopie. Volgens een publicatie op arxiv.org combineert dit systeem drie cruciale componenten op één bord: een 16-bit digitaal-naar-analoog converter (DAC) met een effectieve sample rate van 10 GS/s, een 14-bit analoog-naar-digitaal converter (ADC) van 2,5 GS/s en een pulsgenerator met 11 kanalen.
Efficiëntie door parallelle verwerking
Het belangrijkste kenmerk van dit nieuwe systeem is de implementatie van aangepaste firmware. Deze software stelt de kaart in staat om de buffers van de DAC en de pulsgenerator te herladen en tegelijkertijd gedigitaliseerde gegevens te streamen terwijl een experiment loopt. Hierdoor gaat er geen tijd verloren aan de invoer of uitvoer van gegevens, wat de algehele snelheid van het proces aanzienlijk verhoogt.
De integratie is verder geoptimaliseerd door het systeem te koppelen aan de open-source software Atomize. De aansturing van de pulsequenties verloopt via een high-level Python application programming interface (API), wat de toegankelijkheid voor onderzoekers vergroot.
Prestaties en benchmarking
Om de effectiviteit van de kaart te testen, is er gebruikgemaakt van een 'four-pulse double electron-electron resonance' (DEER) sequentie. Uit de resultaten, zoals beschreven door arxivlens.com, blijkt dat de kaart een tijdsefficiëntie van bijna 100% bereikt bij accumulatietijden van enkele milliseconden per pulsequentie. Dit geldt zelfs voor complexe protocollen van arbitrary waveform generators (AWG).
De onderzoekers stellen vast dat deze efficiëntie ongevoelig is voor variabelen zoals het aantal pulsen, de diepte van de fase-cyclus of het aantal meetpunten. De prestaties blijven consistent voor elk protocol waarbij de herhalingstijd van een 'shot' groter is dan de herprogrammeertijd van de kaart, die ongeveer 2 milliseconden bedraagt. Dankzij deze on-the-fly herprogrammering is elke opeenvolgende sequentie volledig onafhankelijk, wat bovendien niet-uniforme sampling en acquisitie mogelijk maakt.
Context van FPGA-toepassingen in meettechniek
De ontwikkeling van deze 3-in-1 eenheid past in een bredere trend waarbij Field Programmable Gate Arrays (FPGA's) worden ingezet om de precisie en snelheid van meetinstrumenten te verhogen. FPGA-technologie wordt al langer gebruikt voor gespecialiseerde converters. Zo beschrijft een document op scribd.com methoden voor multichannel ADC-modules die DSP en FPGA combineren voor toepassingen met een laag stroomverbruik en een compact formaat.
Daarnaast zijn er diverse andere toepassingen van FPGA's voor tijd- en amplitude-analyse. In een onderzoek gepubliceerd via springer.com werd bijvoorbeeld een multi-channel pulsamplitude-analyzer ontwikkeld voor energiespectrometers, waarbij een kristaloscillator van 100 MHz werd opgeklokt naar 200 MHz om de nauwkeurigheid en differentiële lineariteit te verbeteren. Ook zijn er hoogresolutie tijd-naar-digitaal converters (TDC) ontwikkeld op basis van FPGA's die een precisie van 20 picoseconden kunnen bereiken, zoals vermeld in een technisch rapport op arxiv.org.
De nieuwe EPR-eenheid onderscheidt zich echter door de specifieke combinatie van hoge sample rates en de naadloze integratie van zowel zend- als ontvangstfuncties op één PCIe-kaart, wat essentieel is voor de veeleisende protocollen binnen de chemische fysica.