ボックスカー平均化装置

Electronic test instrument that averages an input according to the boxcar function

ボックスカーアベレージャー、ゲートインテグレーター、またはボックスカーインテグレーターは、定義された待機時間 (トリガー遅延) 後に指定された期間 (ゲート幅) にわたって信号入力電圧を積分し、複数の積分結果 (サンプル) を平均化する電子テスト機器です。数学的な説明については、ボックスカー関数を参照してください。

この測定技術の主な目的は、デューティサイクルが低いことが多いパルス実験の信号対雑音比を、次の 3 つのメカニズムによって改善することです: 1) 信号統合は、逆ゲート幅以上の周波数のノイズ成分を強力に抑制する最初の平均化ステップとして機能します。2) 実際に重要な情報を伝達する信号部分を時間領域に基づいて選択し、ノイズのみが存在する信号部分はすべて無視します。3) 定義された期間数にわたって平均化することで、ローパスフィルタリングと時間分解能の便利な調整が可能になります。

ロックインアンプと同様に、ボックスカーアベレージャは主に周期信号の解析に用いられます。ロックインアンプは中心周波数と帯域幅を調整可能な高度なバンドパスフィルタと理解できますが、ボックスカーアベレージャは対象信号を定義し、その結果得られる時間分解能を主に時間領域で定義します。

動作原理

ボックスカー操作は、トリガー遅延、ゲート幅、およびバッファー内で平均化されるトリガーイベント (つまりサンプル) の数によって定義されます。

動作原理は、2段階のプロセスとして理解できます。つまり、必要なゲート幅での信号積分と、定義された期間/トリガーイベントでの積分信号の平均化です。

コア回路のシンプルな実装を考えると、スイッチ S によってゲートできる通常の RCローパスフィルタのように見えます。

フィルタの時定数τ = RCがゲート幅に対して十分に大きな値に設定されている場合、出力電圧は信号帯域幅B = 1/(4RC)で入力信号を積分したものにほぼ近似されます。このフィルタの出力は、その後別のアナログ回路に送られ、平均化されます。各トリガイベントの後、このサンプリング回路は次のパルスを受信する前にリセットする必要があります。このリセットにかかる時間は、アナログ実装における速度制限の大きな要因の1つです。ゲート幅自体は数十ピコ秒程度まで小さく、遅延はゼロに設定されていても、最大トリガレートは通常数十 kHzです。

歴史

ボックスカー平均化器の起源は1950年代に遡り、この技術はパルス方式を用いた核磁気共鳴の実験における信号品質の向上に役立ちました。^[1]）。「ボックスカー回路のNMRへの応用」として最初に報告されたのは、ホルコムとノーバーグです。^[2]^[3]ホルコムとノーバーグは1955年の論文で、「ボックスカー積分器」の発明をLSキプタとHWクノーベルに大きく帰しています。^[要出典]

参考文献

^ D. WareとP. Mansfieldは1966年の出版物で「ボックスカー回路に関する初期の研究の多くは、理論的分析を含めて、JL LawsonとGE Uhlenbeckの『Threshold Signals』、MIT Radiation Laboratory Series（McGraw-Hill Book Company, Inc.、ニューヨーク、1950年）に収録されています。
^ Holcomb, DF; Norberg, RE (1955-05-15). 「アルカリ金属の核スピン緩和」. Physical Review . 98 (4). American Physical Society (APS): 1074–1091 . doi :10.1103/physrev.98.1074. ISSN 0031-899X.
^ Ware, D.; Mansfield, P. (1966). 「固体中の高速NMR過渡現象のための高安定ボックスカー積分器」Review of Scientific Instruments . 37 (9). AIP Publishing: 1167– 1171. doi :10.1063/1.1720449. ISSN 0034-6748.

外部リンク

ボックスカーアベレージャーとは何ですか?

[1] D. WareとP. Mansfieldは1966年の出版物で「ボックスカー回路に関する初期の研究の多くは、理論的分析を含めて、JL LawsonとGE Uhlenbeckの『Threshold Signals』、MIT Radiation Laboratory Series（McGraw-Hill Book Company, Inc.、ニューヨーク、1950年）に収録されています。

[2] Holcomb, DF; Norberg, RE (1955-05-15). 「アルカリ金属の核スピン緩和」. Physical Review . 98 (4). American Physical Society (APS): 1074–1091 . doi :10.1103/physrev.98.1074. ISSN 0031-899X.

[3] Ware, D.; Mansfield, P. (1966). 「固体中の高速NMR過渡現象のための高安定ボックスカー積分器」Review of Scientific Instruments . 37 (9). AIP Publishing: 1167– 1171. doi :10.1063/1.1720449. ISSN 0034-6748.