КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА ОПТИКИ

ПРАКТИКУМ “ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ І СИСТЕМИ”

7

Вимірювання форми імпульсу випромінювання

КИЇВ 2001

Список лабораторних робіт та додаткових матеріалів практикуму

“Оптико-електронні прилади і системи”

--------------------------------------------------------------------------------------------

1. Дослідження характеристик фотоелектронного помножувача.

2. Дослідження характеристик фоторезистора.

3. Дослідження характеристик фотодіода.

4. Електрометричний вимірювач струму.

5. Синхронний детектор.

6. Метод лічби одноелектронних імпульсів.

7. Вимірювання форми імпульсу випромінювання.

8. Реєстрація спектрів пропускання.

9. Реєстрація спектрів випромінювання.

10. Вимірювання спектральної чутливості фотоприймачів.

11. Вимірювання абсолютної та порогової чутливості фотоприймача.

12. Методи модуляційної спектроскопії.

13. Мікрофотометри.

1. Терміни та визначення

2. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла. Функція Планка.

3. Опис спектрофотометра СФ-5

У цій лабораторній роботі Ви побачите, як у випадку періодичного імпульсного сигналу можна відновити його форму в умовах, коли шум у багато разів перевищує рівень корисної складової.

Теоретична частина

Імпульсний сигнал довільної форми (у тому числі й оптичний) містить у собі досить велике число гармонік. Тому пристрій для спостереження таких сигналів повинен однаково добре відтворювати широкий спектр частот, або, як говорять, мати широку смугу пропускання.

Однак, чим ширше смуга частот реєстратора, тим більше можливостей для шумів і завад різної природи виявитися на виході разом з корисним сигналом. Наприклад, рівень "білого" шуму пропорційний квадратному кореню зі смуги частот реєстратора. Джерело ж такого шуму може бути як в електронній схемі і приймачі випромінювання реєстратора, так і в самому сигналі.

Якщо реєструємий імпульс - однократний і, більш того, шуми в його присутності перевищують рівень корисного сигналу, то проблема виділення сигналу із шуму стає практично нерозв'язною.

У випадку ж повторюваних імпульсів, у нас з'являється можливість у присутності нерегулярних перешкод застосувати метод накопичення, тобто багаторазово і незалежно вимірювати миттєві значення амплітуди імпульсу в різних частинах періоду повторення для того, щоб можна було знайти усереднені значення рівня сигналу, що відповідають різним моментам часу. У найпростішому виді це можна зробити, наприклад, за допомогою запам'ятовуючого осцилографа, що залишає слід від кожного імпульсу, що з'являється на екрані, не стираючи попереднього. Таким чином, виходить більш-менш сильно розмита крива, графічно усереднюючи яку можна отримати сигнал з меншими спотвореннями, ніж при осцилографуванні одного періоду (мал.1). Ступінь зменшення впливу

Мал.1. Ілюстрація методу накопичення: а) - "чистий сигнал", б) - однократний запис сигналу із шумом, в) - результат багаторазового накладення сигналу із шумом.

Мал.2 Ілюстрація принципу накопичення та усереднення окремих ділянок сигналу

завад буде тим більшою, чим за більше число періодів усереднений сигнал, тобто чим більше час накопичення. Незручність такого методу полягає в деякій суб'єктивності одержання усередненого вручну результату.

Більш досконалий метод відбудови (накопичення та усереднення) періодично повторюваного сигналу чисто електронним способом дістав назву стробоскопічного.

Суть методу полягає в наступному. Покладемо, що періодичний сигнал у межах деякого періоду T розділений на n окремих частин (мал.2). За допомогою деякого комутатора імпульси, що відповідають першій ділянці, спрямовуються для реєстрації в один канал, ті що відповідають другій ділянці - у другий канал і т.д. У кожнім каналі є накопичувальний пристрій, напруга на виході якого поступово зростає в міру збільшення числа минулих періодів реєструємого сигналу. Після проходження деякого певного числа періодів N інший комутатор спрямовує накопичені сигнали, зняті з всіх комірок, послідовно починаючи з першої і закінчуючи коміркою номер n, на вхід пристрою індикації (осцилографа, самопишучого потенціометра...). У результаті на виході останнього (на екрані, чи стрічці) відмічається сходинкова напруга, що відповідає вихідному періодичному сигналу при N-кратному усередненні кожної з його ділянок. Завдяки цьому в межах кожної ділянки відношення напруги сигналу до напруги шуму збільшується в N^1/2 разів у порівнянні з цим відношенням для вихідного сигналу (при білому шумі), що досягається ціною збільшення часу спостереження в порівнянні з одним періодом вихідного сигналу в N разів.

Точність відтворення форми сигналу істотно залежить від числа n інтервалів, на які розбитий його період. Інтервал часу

t_o = Т / n (1)

називають часом розділення пристрою.

Часто через громіздкість таку багатоканальну схему заміняють одноканальною з одною накопичувальною коміркою. У цій комірці послідовно накопичуються сигнали з усіх ділянок періоду Т: спочатку - імпульси, що відповідають початковим ділянкам N сигналів, після чого результат знімається на пристрій індикації і ведеться нагромадження N імпульсів, що відповідають наступній ділянці вихідного сигналу і т.д. Відтворення сигналу закінчується після накопичення імпульсів, що відповідають кінцевій n-ній ділянці періоду вихідного сигналу.

Для проведення такого циклу накопичення і відтворення форми усього вихідного сигналу потрібний час, займаний nN його періодами. Тому час виміру t_mes при переході до одноканальної системи, без додаткового виграшу у величині відношення сигнал/шум, зростає в n разів і стає рівним

t_mes = nNT. (2)

Для побудови одноканального вимірювального пристрою можна між джерелом вихідного сигналу (датчиком, чи підсилювачем, що приєднаний за датчиком) і накопичувачем включити електронний затвор (ключ) і відмикати його на інтервали часу t₀=T / n синхронно з періодом передування сигналу. Моменти відмикання ключа повинні N раз збігатися з початком періоду досліджуваного сигналу, потім N разів запізнюватися на величину t₀, потім N разів запізнюватися на 2t₀ і т.д. Як накопичувач можна застосувати звичайну інтегруючу RC-ланку. На ній повинне відбуватися лінійне накопичення N перших імпульсів (для цього її постійна часу RC > NT), потім отримана напруга повинна бути сприйнята індикатором, а накопичувальний конденсатор розрядженим. Після цього починається цикл накопичення N наступних імпульсів, що закінчується індикацією досягнутої напруги.

На практиці часто користаються не стрибкоподібним, а безупинним і рівномірним зростанням величини запізнення інтервалу часу t₀ стосовно початку періоду реєструємого сигналу, а усереднена напруга з накопичувальної комірки також неперервно подається на індикатор, розгортка якого проходить повний цикл за час t_mes. Таким чином, на індикаторному пристрої (екрані осцилографа, самопишучому потенціометрі чи графобудівнику) записується неперервна крива, що відрізняється від вихідного сигналу відносно меншим рівнем завад і зміною масштабу часу в число разів, рівне t_mes/T.

Така система запису сигналу цілком подібна спектральному приладу, у якому в площині дисперсії плавно переміщується вихідна щілина, що вибирає ту чи іншу ділянку спектра, а за щілиною розташований реєструючий пристрій з інтегруючою ланкою. У результаті такої аналогії інтервал часу t₀ називають "часовою щілиною".

Фактично ми маємо справу з імпульсним (ключовим) синхронним детектором (див. лаб. раб. N5) зі скануванням запізнювання відмикання ключа відносно початку (чи іншої довільної точки періоду) досліджуваного сигналу. Комплекс пристроїв, що підтримують описану процедуру, називають імпульсним інтегратором (Sampling Integrator) або стробоскопом (Boxcar Detector).

Число усереднень N, що визначає поліпшення відношення сигнал/шум у системі неперервного запису, дорівнює числу проходжень щілиною того самого миттєвого значення сигналу. Оскільки швидкість руху щілини по осі часу дорівнює T/t_mes [сек/сек], то час проходження того самого значення сигналу щілиною шириною t₀ дорівнює величині t₀t_mes /T. За цей час укладається число періодів сигналу, рівне

N = (t_mes/T)(t₀/T) . (3)

Тому при білому шумі і лінійному накопиченні імпульсів виграш у відношенні сигнал/шум при переході від реєстрації одного періоду сигналу до реєстрації з усередненням за час t_mes при часі розділення t₀ складе

= (t_mes  t₀)^1/2/T . (4)

Однак, слід мати на увазі, що при неперервній роботі накопичувача не вдається отримати лінійне підсумовування сигналів при збереженні часу розділення на рівні, що задається шириною щілини t₀. Дійсно, тому що в описуваній системі в результаті накопичення сигналів відбувається зміна масштабу часу в t_mes/T разів, то для збереження часу розділення всієї установки у цілому час розділення накопичувального пристрою і наступної частини схеми повинне бути не більше t₀T_R/T. Тому, якщо, наприклад, як накопичувач використовується інтегруюча ланка, то її постійна часу повинна задовольняти нерівності

RC < t₀ T_R/T = NT, (5)

тобто ця ланка повинна бути досить швидкою, щоб зафіксувати, як змінюється рівень сигналу при переміщенні щілини по осі часу на величину, рівну її ширині. З іншого боку, як уже відзначалося вище, умова лінійності накопичення

RC > NT, (6)

тобто накопичувальна ланка повинна бути достатньо інерційною для того, щоб у межах часу t₀ відбувалося підсумовування сигналів. Насправді постійну часу інтегруючої ланки вибирають виходячи з першої умови (практично це робиться дуже просто: варіюючи значення RC знаходять таку мінімальну величину, при якій подальше її зниження не викликає зміни форми сигналу; це означає, що час розділення установки визначається величиною t₀). При цьому величина  виявляється в 3-4 рази менше, ніж задана виразом (4).