德国FEMTO LUCI‑M 数据采集和数字控制系统

FEMTO LUCI-M 由主机 USB 接口供电，供电电压 5 V、电流 2 A，需要连接具备 3 A 供电能力的 USB-C 端口；若主机端口输出能力不足，可通过带电源的 USB 集线器转接。安装时应当远离强干扰源，工作环境要求没有烟雾、粉尘、油脂与冷凝水汽，工作温度保持在 0 ℃ 至 40 ℃ 之间，存放温度可承受 -40 ℃ 至 80 ℃。 做长时间记录时，先在软件中选定采样率：观测快速瞬变用 2.5 MS/s，记录长期趋势则换到 500、100、10 或 1 kS/s 的降采样档位，在时间跨度与数据密度之间取得平衡。内置 64 MB 存储器可容纳超过一千六百万个样本，足以支撑无人值守的连续采集。 安全上要守住绝对最大额定值：BNC 与 D-Sub 上的模拟输入电压不得超过 ±20 V，8 针端口与 D-Sub 上的数字输入不得超过 ±30 V。模拟输入提供 2 路 BNC 母座加 D-Sub 两种形式，配套插头型号为 DMC 1,5/4-G1-3,5 P20THR。 日常使用中，建议定期检查连接器是否松动，配对插头为 DFMC 1,5/4-ST-3,5 BK，插拔时注意对准防

在飞秒放大器与光电探测器构成的链路里，FEMTO LUCI-M 承担的是数字化与控制中枢的角色。光接收机把光信号转成电流，经可变增益放大器转成电压之后，由模拟输入完成采集；同时它的模拟输出可以给放大器提供增益切换或者偏置调节用的控制电压，数字输出负责切换外部外设，数字输入用来读取放大器状态。 按官方说明，这样搭建起来的是一套完整的计算机联网测量链路，不必再额外配置独立的采集卡，系统中只需要这一台设备就能完成采集、记录与控制，接线与软件架构都简化不少。 接口方面，D-Sub 连接器可直接连接带数字接口的 FEMTO 系列设备，模拟输入除 D-Sub 上的 4 路之外还额外提供 2 路同轴连接器，每个通道可在 6 个输入连接器之间切换接入。对飞秒级测量而言，通道噪声不大于 0.1 % 满量程、输入短接时不大于 500 µV RMS、失调温漂不超过 300 µV/K，决定了长时间扫描时基线是否稳定。

FEMTO LUCI-M 有两个可选型号：LUCI-M-4 提供 4 路模拟输入并且带模拟输出，LUCI-M-2 只有 2 路模拟输入，不带模拟输出。选择的核心就看两件事——需要同时观测几路信号，以及是否需要用电压去控制外部器件。 如果实验要同时比对两路以上的探测器输出，或者需要在采集的同时给放大器送出增益控制电压和偏置电压，就应当选 4 通道型号；如果只是记录一到两路电压、把控制功能交给其它仪器，2 通道型号体积更紧凑，占用更少。 两者的模拟输入指标完全一致：都是 16 位分辨率、每通道 2.5 MS/s 同步采样、±10 V 输入范围，而且每个通道都能在 6 个输入连接器之间切换其中一路接入，也就是说通道数并不等于可接信号源的总数，2 通道型号照样能轮巡多个测点。 此外要考虑供电与环境：设备由 USB-C 总线供电，不需要额外电源适配器，工作温度范围 0 ℃ 到 40 ℃，存储温度 -40 ℃ 到 80 ℃。若接入的前端设备要求负载不小于 100 kΩ，读数会低约 0.5 %，软件端补偿即可。

用 FEMTO LUCI-M 完成一次长期数据记录，可以按四步走。第一步是接线：把被测信号接到模拟输入的 BNC 母座或者 D-Sub 接口，确认信号幅度落在 ±10 V 标称范围内，需要联动的外部器件接到模拟输出或者数字输出端。 第二步是配置：通过 USB-C 连上主机，用支持 SCPI 的软件或官方提供的 Python 示例程序设定通道、采样率与触发方式。若做长时趋势记录，把采样率降到 500、100、10 或 1 kS/s，让 64 MB 内存容纳更长的时间跨度。 第三步是校准与试采：先把输入端短接测一次本底噪声，确认不大于 500 µV RMS；若前端设备要求后级负载不小于 100 kΩ，记得在软件里乘上 1.005 的校正系数。 第四步是采集与监控：启动之后，面板指示灯绿色表示 USB 通信进行中、琥珀色表示正在采集数据，可自由编程按键可绑定常用动作。配合数模输出还能在记录过程中自动调节放大器增益或偏置。 记录过程中若发现基线缓慢漂移，多半与温度变化有关，失调温漂指标不超过 300 µV/K，保持恒温或缩短单次记录时长都能缓解。任务结束后，先停止采集再断开线缆，最后核对样本数

FEMTO LUCI-M 通过 USB-C 接口与主机连接，数据传送与供电由同一根线缆完成，供电电压 5 V、电流 2 A，要求主机端口具备 3 A 供电能力；若 USB 端口输出能力不足，可借助带电源的 USB 集线器转接。 在指令层面它兼容 SCPI 可编程仪器标准命令集。SCPI 是文本形式的通用指令，因此这套系统不绑定特定的硬件、操作系统或者编程语言，用户可以用熟悉的开发环境自行写控制程序。官方另外提供 Python 源代码示例和图形用户界面作为可选下载，拿到之后即可快速跑通采集流程，也能在其基础上改成自动化测试脚本。 与计算机之间的电气隔离是另一项关键设计，它把主机侧的地噪声与测量侧隔开，保证信号质量并把噪声降到最低，这对微弱信号采集尤其重要。设备内置 64 MB 存储器，可缓存超过一千六百万个样本，短时间高速采集时不必完全依赖主机实时读取，即便在长时间无人值守的记录任务中也能保持数据链路稳定。

FEMTO LUCI-M 共有 19 路数字输出与 5 路数字输入，全部兼容 TTL 电平。数字输入阻抗 10 kΩ，逻辑低电平不高于 0.8 V、逻辑高电平不低于 2.0 V，可用来读取外部设备的状态位、报警信号或者门控信号；数字输出阻抗 50 Ω，单路最大输出电流 20 mA，低电平不高于 0.4 V，在 1 kΩ 负载下高电平不低于 4.0 V，可以直接驱动继电器、指示灯或者切换外部外设。 在接口分布上，数字输出中 17 路位于 D-Sub 接口、2 路位于外部连接器，数字输入中 3 路位于 D-Sub、2 路位于外部连接器，D-Sub 上的 3、4、6、7 号引脚还可以在模拟与数字功能之间切换，灵活性比较高。模拟与数字功能复用同一组引脚时，要在配置阶段先确定工作模式，避免把输出脚误当作输入脚使用而造成信号冲突。 由于 D-Sub 连接器能直接连接带数字接口的 FEMTO 系列设备，用户无需另做转接线，就能把放大器、探测器与本系统组成受程序统一调度的整体。设备面板配有可自由编程按键，可绑定常用输出动作；指示灯绿色代表 USB 通信进行中，琥珀色代表正在采集数据，现场判断运行状态很

FEMTO LUCI-M 的模拟输入先由多路选择器切换输入源，再经 16 位 Σ-Δ 模数转换器把电压信号转成数字量，每通道最高 2.5 MS/s 并且各通道同步采样。所谓 16 位，是指在 ±10 V 标称输入范围下把一个量程切成六万多个台阶，全速采样时折合约 0.37 mV 一个码，实际可用的信号范围还能延伸到 ±12 V。 同步采样的价值在于多通道之间没有时间错位，比较两个通道的相位或者波形时不必再做时间补偿。输入级输入阻抗为 10 kΩ，线性度 ±0.2 %，总谐波失真不大于 0.03 % 满量程，增益精度在 100 kHz、20 V 峰峰值条件下优于 0.05 %，这些指标共同决定了还原波形的保真程度。 需要注意的是，许多 FEMTO 前端设备要求负载阻抗不小于 100 kΩ，直接接入后读到的数据会偏低约 0.5 %，在软件里乘上 1.005 的固定系数就能修正。模拟链路带宽为 1.1 MHz，-3 dB 点约 1.15 MHz；设备与主机之间做了电气隔离，可切断地环路干扰，把噪声压到很低。实际使用中，若信号源内阻较高，还应在软件里评估输入阻抗带来的分压误差，必要时在前端增加

FEMTO LUCI-M 的模拟输出为 3 通道 12 位数模转换器，输出电压 ±10 V，实际可达 ±10.5 V，分辨率约 5.1 mV，主要用于输出静态控制信号驱动外部设备，或者当作偏置电压源使用。三个通道里有两个走控制接口，专门用于偏置或者失调调节，另一个走同轴连接器作通用输出。 典型用法是把其中一路接到可变增益放大器的增益控制端，用软件设定电压来切换放大倍数；另一路用于补偿探测器的直流失调，让有用信号落在输入范围中央。它的输出阻抗 50 Ω，要求负载不小于 10 kΩ 做终端匹配，最大输出电流 ±20 mA，上升与下降时间典型值 500 µs，因此适合设定静态工作点，不适合产生高频波形。 输出的增益精度不大于 0.1 % 满量程，噪声在 20 MHz 带宽下不大于 200 µV RMS，失调温漂不超过 10 µV/K，温度变化时设定值漂移很小。使用时还要守住绝对最大额定值：模拟输入端最高 ±20 V，数字端最高 ±30 V，超出会损坏设备。面板上的可自由编程按键可把常用输出设定固化成一个动作。

FEMTO LUCI-M 是一款紧凑型通用 USB 数据采集与数字控制系统，既能把外部设备的输出电压数字化，也能输出可控电压去驱动或者偏置外部器件，因此一台设备就同时具备测量和控制两种能力。它有 LUCI-M-4 与 LUCI-M-2 两种可选配置，前者提供 4 路模拟输入并带模拟输出，后者为 2 路模拟输入，用户可按通道规模挑选。 在结构上，模拟输入采用 16 位 Σ-Δ 模数转换器，每通道采样率可达 2.5 MS/s 并支持同步采样，还可以切到 500、100、10、1 kS/s 等档位降采样，以适配不同时间跨度的记录任务。模拟输出是 3 通道 12 位数模转换器，其中两路用于偏置或者失调调节，另一路作通用用途。 数字端共有 19 路数字输出与 5 路数字输入，全部兼容 TTL 电平，可读取状态与报警信号，也能切换外部外设。设备内置 64 MB 存储器，可保存超过一千六百万个样本，通过 USB-C 接口与主机通信，整套系统适合实验室自动化测控、通用数据采集与长期数据记录。

FEMTO LUCI-M 采集微弱信号时，读数精度主要受五方面影响：输入阻抗带来的负载效应、器件自身的噪声与温漂、采样率与带宽的匹配程度、环境条件，以及信号的接线方式。 负载效应最容易被忽略。本机输入阻抗为 10 kΩ，而不少 FEMTO 前端设备希望后级负载不小于 100 kΩ，直接接上会让测得电压偏低约 0.5 %，正确做法是在软件端乘固定系数 1.005 修正。噪声方面，通道噪声不大于 0.1 % 满量程，输入短接时不大于 500 µV RMS，失调温漂不超过 300 µV/K，所以长时间测量前应先短接输入端测一次本底，并且尽量在温度稳定的条件下工作。 采样率同样影响结果：2.5 MS/s 适合捕捉快速瞬变，做长期趋势记录则切到 500、100、10 或 1 kS/s 降采样，能显著减小数据量。环境方面，工作场所不得存在烟雾、粉尘、油脂、油污与冷凝水汽；绝对最大额定值还规定模拟输入不得超过 ±20 V。 接线方式同样关键：模拟输入有 D-Sub 与 BNC 母座两种入口，使用屏蔽同轴电缆并把屏蔽层单点接地，可以减少空间耦合进来的工频干扰。信号频率接近带宽上限时，幅值会出现可见衰减