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1、實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 一一 光電二極管、光電三極管光電二極管、光電三極管光照特性的測(cè)試光照特性的測(cè)試、目的要求掌握光電二極管的工作原理和使用方法。進(jìn)一步了解光電二極管的光照特性和伏安特性,為設(shè)計(jì)光電系統(tǒng)前置放大器打下基礎(chǔ)。二、工作原理光電二極管是結(jié)型半導(dǎo)體光伏探測(cè)器件。當(dāng)入射光子能量大于材料禁帶寬度時(shí),半導(dǎo)體吸收光子能量將產(chǎn)生電子空穴對(duì)。產(chǎn)生在PN結(jié)內(nèi)的電子空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)(光電二極管工作時(shí)加反向偏壓Vb)作用下被分離,形成光生電勢(shì),產(chǎn)生光電流,如圖1所示 圖1 光電二極管工作原理圖光電三極管的原理性結(jié)構(gòu)如圖2所示。正常運(yùn)用時(shí),集電極加正電壓。因此,集電結(jié)為反偏置,發(fā)射結(jié)為正偏置,集電結(jié)為光電結(jié)。當(dāng)光照
2、到集電結(jié)上時(shí),集電結(jié)即產(chǎn)生光電流Ip向基區(qū)注入,同時(shí)在集電極電路產(chǎn)生了一個(gè)被放大的電流: 為電流放大倍數(shù)。 圖2 光電三極管工作原理圖(1)CppIIIE4E3E2E1E0E4E3E2E1E0U I0E4E3E2E1E0E4E3E2E1E0 U I0 圖3(a)光電二極管伏安特性曲線 (b)光電三極管伏安特性曲線光電二極管和光電三極管的伏安特性曲線三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)量光電二極管的光電流和照度特性曲線。測(cè)量光電二極管不同照度下的伏安特性曲線。圖4 光電二極管光照特性測(cè)試裝置照度計(jì)直流穩(wěn)壓電源A光電探測(cè)器調(diào)壓變壓器四、實(shí)驗(yàn)儀器及裝置 實(shí)驗(yàn)儀器:光電二極管、鎢絲燈、調(diào)壓變壓器、照度表、毫安表、直流穩(wěn)壓電
3、源等。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4。 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 二二 硅光電池負(fù)載特性的測(cè)試硅光電池負(fù)載特性的測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆展韫怆姵氐恼_使用方法。了解光電池零負(fù)載,以及不同負(fù)載時(shí)光電流與照度的關(guān)系。二、工作原理光電池具有半導(dǎo)體結(jié)型器件無(wú)源直接負(fù)載下的工作特性,工作原理如圖1所示。 RL外接負(fù)載為,Ip為光電流,ID為二極管結(jié)電流。 光IRLIDI A N P 圖1 光電池工作原理圖I為通過負(fù)載的外電流: 其中ISC為光電流反向飽和電流。當(dāng) 為溫度電壓當(dāng)量時(shí),負(fù)載RL上的電壓V=IRL 給光電池正向偏壓。當(dāng)零負(fù)載時(shí)(RL=0),(1)式外電流為短路電流: S為光電流靈敏度,短路電流ISC和照度E成正比。當(dāng)開路時(shí),(
4、RL=),(1)式外電流I=0則開路電壓為: 開路電壓Voc與照度E幾乎無(wú)關(guān);所有照度下的開路電壓Voc趨于光電池正向開啟電壓V=0.6伏,并小于這個(gè)電壓值。/(1)Tv vDscIIIIIeTTKVqscpIISEln(1)pocTSCIVVI最佳負(fù)載,負(fù)載在RL=0之間變化按經(jīng)驗(yàn)公式求出最佳負(fù)載:u當(dāng)RLRopt時(shí),并忽略光電池結(jié)電流,負(fù)載電流近似等于恒定短路電流。u當(dāng)RLRopt時(shí),光電池結(jié)電流按指數(shù)增加,負(fù)載電流近似于指數(shù)形式減小。 m(0.60.8)(0.60.8)ImococoptscVVVRISE三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)定電池零負(fù)載下Ip和E的關(guān)系。測(cè)定光電池不同負(fù)載情況下特性數(shù)據(jù)。四、實(shí)
5、驗(yàn)儀表和器材 硅光電池、照度計(jì)、鎢絲燈、調(diào)壓變壓器、直流穩(wěn)壓電源、毫伏電壓表、微安表、電阻和電位計(jì)等。圖2 光電池負(fù)載實(shí)驗(yàn)裝置照 度 計(jì)調(diào) 壓 變 壓 器 A R5 R6 RLC mv R3100B G1R4VE I2 I1 A G 100五、實(shí)驗(yàn)線路裝置 光電池負(fù)載實(shí)驗(yàn)線路裝置如圖2所示。u光電池受光照后,產(chǎn)生光電流I2。在A、B兩點(diǎn)的毫伏電壓會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源VE后,產(chǎn)生補(bǔ)償電流I1,I1和光電流I2方向相反。調(diào)節(jié)電位計(jì)R5(粗調(diào))和R6(細(xì)調(diào))使補(bǔ)償電流I1與光電流I2相減,并促使毫伏電壓表G1指示為零。此時(shí),表示A點(diǎn)和B點(diǎn)電位相同。相當(dāng)于光電池在A、B二點(diǎn)外電路為零狀態(tài)下工作,根
6、據(jù)電路平衡條件: 則光電流為:23124()0I RIIR42111431001()()1001002RIIIIRR實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 三三 光電倍增管特性和參數(shù)的光電倍增管特性和參數(shù)的測(cè)試測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤怆姳对龉艿幕咎匦?。學(xué)習(xí)光電倍增管基本參數(shù)的測(cè)量方法。學(xué)會(huì)正確使用光電倍增管。 二、實(shí)驗(yàn)原理工作原理 u光電倍增管是由半透明的光電發(fā)射陰極、倍增極和陽(yáng)極所組成的,由圖1所示。圖1 光電倍增管外形與結(jié)果原理示意圖a) 側(cè)窗式b) 端窗式c) 原理示意圖u當(dāng)入射光子照射到半透明的光電陰極K上時(shí),將發(fā)射出光電子,被第一倍增極D1與陰極K之間的電場(chǎng)所聚焦并加速后與倍增極D2碰撞,一個(gè)光電子從D1撞擊出
7、3個(gè)以上的新電子,這種新電子叫做二次電子。這些二次電子又被D1D2之間的電場(chǎng)所加速,打到第二個(gè)倍增極D2上。并從D2上撞擊出更多的新的二次電子。如此繼續(xù)下去,使電子流迅速倍增。最后被陽(yáng)極A收集。收集的陽(yáng)極電子流比陰極發(fā)射的電子流一般大105104倍。這就是真空光電倍增管的電子內(nèi)倍增原理。u 供電分壓器和輸出電路 u光電倍增管的極間電壓的分配一般是由圖2所示的串聯(lián)電阻分壓器執(zhí)行。u最佳的極間電壓分配取決于三個(gè)因素:陽(yáng)極峰值電流、允許的電壓波動(dòng)以及允許的非線性偏離。圖2 光電倍增管供電電路-HVD1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D811IA10IK1 2 3 4 5 6 7 8 9KA光電
8、倍增管的特性和參數(shù)陰極光照靈敏度 陰極光照靈敏度定義為光電陰極的光電流IK除以入射光通量所得的商: 國(guó)際照明委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)光照相應(yīng)于分布溫度為2859K的絕對(duì)黑體的輻射。陽(yáng)極光照靈敏度 陽(yáng)極光照靈敏度定義為陽(yáng)極輸出電流IA除以入射光通量所得的商:()KKmISA L()AAmISA I電流增益 電流增益定義為在一定的入射光通量和陽(yáng)極電壓下,陽(yáng)極電流與陰極電流的比值,也可以用陽(yáng)極光照靈敏度與陰極光照靈敏度的比值來確定,即: 或 暗電流 當(dāng)光電倍增管在完全黑暗的情況下工作時(shí),陽(yáng)極電路里仍然會(huì)出現(xiàn)輸出電流,稱為暗電流。引起暗電流的因素有:熱電子發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射、放射性同位素的核輻射、光反饋、離子反饋和極
9、間漏電等。AKIGIAKSGS三、實(shí)驗(yàn)裝置u實(shí)驗(yàn)裝置如圖3。 圖3 測(cè)試原理圖測(cè) 試 室光 源 室白 熾 燈白 熾 燈 電 源倍 增 管 電 源倍 增 管檢 流 計(jì)u本實(shí)驗(yàn)選用GB787-74型光電倍增管,其管腳和名稱見下圖。實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 四四 光電控制電路設(shè)計(jì)與裝調(diào)光電控制電路設(shè)計(jì)與裝調(diào)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤怆娙龢O管和紅外發(fā)光管的性能、參數(shù)及應(yīng)用。學(xué)會(huì)擬定、分析光電系統(tǒng)。掌握光電三極管接收及放大電路,紅外發(fā)光管脈沖調(diào)制光源的構(gòu)成與調(diào)試。二、實(shí)驗(yàn)原理與電路u 實(shí)驗(yàn)原理u光電控制系統(tǒng)一般由發(fā)光部分、接收部分和信號(hào)處理部分組成。u本實(shí)驗(yàn)采用振蕩電路產(chǎn)生的方波信號(hào)對(duì)紅外發(fā)光管進(jìn)行調(diào)制,使之輸出光脈沖信號(hào),
10、然后由光電三極管接收,放大還原為電信號(hào)。u方波脈沖發(fā)生器使用555時(shí)基集成電路;光電接收電路采用光電三極管組成的放大電路,本實(shí)驗(yàn)采用3DU11型。 參考實(shí)驗(yàn)電路 u發(fā)光電路由震蕩電路和紅外發(fā)光管HG413組成,電路圖如圖1所示。圖1 發(fā)光電路148237651 R1 2.2K R2 51K C1 0.2F C2 0.01FR3 39 DVCC(+5V) HG413u時(shí)基集成塊NE555輸出震蕩頻率由外接電阻R1、R2及電容C1決定。u3端為輸出端,R3是限流電阻,避免由于電流過大而燒壞紅外發(fā)光管D,其輸出信號(hào)為方波,占空比為 。1211.43()fRR C112RRR接收電路由光電三極管、放大
11、驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載組成。由于外接負(fù)載的不同,所采用的放大電路的形式也很多。u如果負(fù)載電流較小,可采用晶體管作放大器,輸出端直接帶負(fù)載(如圖2)。 圖2 晶體管放大電路T13DU11D(BT201)T23DG6R151K R2 6.2K VCC (+5V)u采用運(yùn)算放大器作放大電路(如圖3)該電路特點(diǎn)是:電路簡(jiǎn)單,調(diào)試方便,工作穩(wěn)定可靠。但輸出電流仍受運(yùn)算放大器的最大輸出電流限制。u如果負(fù)載電流較大,或者負(fù)載需要較高的電壓驅(qū)動(dòng),那么可以采用繼電器進(jìn)行弱電強(qiáng)電轉(zhuǎn)換(如圖4)該電路經(jīng)繼電器后輸出電流可較大。但其調(diào)試復(fù)雜,且電路的可靠性也由于采用的元器件增多而有所下降。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組裝脈沖發(fā)生器電路,并進(jìn)
12、行調(diào)試,先取C1=10F。此時(shí) 此頻率可由接收部分發(fā)光二極管直觀地顯示出來,便于調(diào)試。組裝光接收電路,將光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖。 聯(lián)調(diào) 361.432Hz2.2511010 10f實(shí) 驗(yàn) 五相關(guān)器的研究及其主要參數(shù)測(cè)量、目的要求了解相關(guān)器的原理。測(cè)量相關(guān)器的輸出特性。測(cè)量相關(guān)器的抑制干擾能力與抑制白噪聲能力。測(cè)量相敏檢波特性。二、基本原理u相關(guān)器由相敏檢波器與低通濾波器組成,是鎖定放大器的核心部件。鎖定放大器中的相關(guān)器通常采用圖1所示的形式,由一個(gè)開關(guān)式乘法器與低通濾波器組成。sin()AAVVtC0V0ViR1R0VAVB圖1 鎖定放大器中通常 采用的相關(guān)器41(sinsin3.)3BRRVtt
13、u相乘電路不是采用模擬乘法器,而是采用開關(guān)電路。參考信號(hào)VB可以認(rèn)為是以頻率R的單位幅度方波。VA為輸入信號(hào),表示為VAVAsin(t+)。當(dāng)R為信號(hào)。R時(shí)為噪聲或干擾,VA、VB之間的相關(guān)差可以由鎖定放大器參考通道的相移電路調(diào)節(jié),求得圖1中Vi和Vo為:式中:iABVV V0002120 1 2.100212002cos(21)1211 (21)cos()1 (21)ARnonRtR CnRRVntQVRnnR CQenR C 、 、12100(21)nRQtgnR C=0當(dāng)=R時(shí),圖1各點(diǎn)的波形如圖2所示。 注:圖1中低通濾波器為反相輸入,因此,輸出直流電壓與Vi反號(hào),圖2中為了更直觀起見
14、,畫的低通濾波器不倒相, Vo與Vi中的直流分量同號(hào)。u 對(duì)(2)式討論有下列結(jié)論: u 時(shí)間常數(shù), T1R0C0 u 當(dāng)=R時(shí), 輸出直流電壓與相位成cos關(guān)系。u 奇次諧波能通過并抑制偶次諧波,傳輸函數(shù)和方波的頻譜一樣,說明相關(guān)器是以參考信號(hào)頻率為參數(shù)的方波匹配濾波器。因此,能在噪聲中或干擾中檢測(cè)和參考信號(hào)頻率相同的方波或正弦波信號(hào)。輸出Vo與f/fR響應(yīng)曲線如圖3所示。012cosAoRVVR1/31/51/71/91/111357911 VoffR 圖3 Vo f/fR響應(yīng)曲線 曲線表明在fR的各奇次諧波的響應(yīng)為基波的1/(2n+1)。 離開奇次諧波頻率很快衰減,形成Q值很高的帶通濾波
15、器。圖4 相關(guān)器輸入為與參考信號(hào)同頻的 方波時(shí)它的輸出直流電壓與兩者 的相位差成線性關(guān)系V0-1+190180-90-180如果輸入信號(hào)為一恒定和參考方波頻率相同的方波信號(hào),則相關(guān)器為相敏檢波器,輸出的直流電壓和信號(hào)與參考信號(hào)兩者的相位差成線性關(guān)系。 如圖4所示,可以作鑒相器使用。等效噪聲帶寬 基波噪聲帶寬: 總等效噪聲帶寬: 式中T為低通濾波器的時(shí)間常數(shù)。1001122NfR CT2211816NNffT三、相關(guān)器框圖 u相關(guān)器實(shí)驗(yàn)插件盒的相關(guān)器電原理框圖如圖5所示。由加法器、交流放大器、開關(guān)式乘法器(PSD)、低通濾波器、直流放大器、參考通道方波形成與驅(qū)動(dòng)電路組成。 圖5 相關(guān)器框圖加法器
16、 信號(hào)輸入信號(hào)輸入 噪聲輸入噪聲輸入 面板控制面板控制信號(hào)輸入1,10,100 乘法器PSDPSD輸出輸出 面板控制面板控制 面板控制面板控制低通濾波器T=0.1s,1s,10s直流放大1,10,100直流輸出直流輸出加法器輸出加法器輸出 參考輸入?yún)⒖驾斎敕讲?qū)動(dòng)電路四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與測(cè)試相關(guān)器的PSD波形觀察及輸出電壓測(cè)量圖6 相關(guān)器PSD波形觀察及輸出電壓測(cè)量框圖多功能信號(hào)源正弦波輸出正弦波輸出相關(guān)器信號(hào)輸入信號(hào)輸入PSD輸出輸出參考輸入?yún)⒖驾斎胼敵鲚敵鼋涣?、直流噪聲電壓表表交流輸入交流輸入頻率計(jì) 輸入輸入寬帶相移器輸入輸入 同相輸出同相輸出相位計(jì)信號(hào)輸入信號(hào)輸入 參考輸入?yún)⒖驾斎?示波器u
17、按圖6所示用電纜或?qū)Ь€連接;接通電源,預(yù)熱二分鐘,調(diào)節(jié)多功能信號(hào)源,使輸出頻率在10KHz左右。u 調(diào)節(jié)寬帶相移器的相移量觀察PSD的輸出波形。測(cè)量相關(guān)器輸出的直流電壓與相關(guān)器輸入信號(hào)對(duì)參考信號(hào)之間相位差之間的關(guān)系。u 把實(shí)測(cè)結(jié)果與理論公式 對(duì)比。式中Vo為相關(guān)器輸出的直流電壓,KAC為交流放大倍數(shù),KDC為直流放大倍數(shù),VA為輸入信號(hào)的幅值,為參考信號(hào)與輸入信號(hào)之間的相位差。2cosoACDCAVKK V相關(guān)器諧波響應(yīng)的測(cè)量與觀察 u把上述實(shí)驗(yàn)連接圖略作如下改變,寬帶相移器的輸入信號(hào)由nf,f/n輸出(即n倍頻或n分頻)送給 。多功能信號(hào)源功能“選擇”置分頻。由于相關(guān)器的參考信號(hào)為輸入信號(hào)的
18、1n分頻,即相關(guān)器的輸入信號(hào)為參考信號(hào)的n倍頻。u先置分頻數(shù)為1,由示波器觀察PSD波形及測(cè)量PSD輸出直流電壓,調(diào)節(jié)相移器的相移,使輸出直流電壓最大,并觀察示波器波形相同于全波整流波形,相位計(jì)測(cè)量的相位差為0 ? 1,記下上述數(shù)據(jù)。改變分頻數(shù)n為2、3、4、5,對(duì)于某一“n”值重復(fù)上述測(cè)量。實(shí)測(cè)結(jié)果為:奇次諧波輸出的直流響應(yīng)電壓為基波的直流響應(yīng)電壓的1/n,偶次諧波的輸出直流響應(yīng)為0,PSD的輸出波形如圖7所示。 VA VO VR VPSDt ttt VA VO VR VPSDtttt VA VO VR VPSDtttt圖7 相關(guān)器諧波響應(yīng)的各點(diǎn)波形對(duì)噪聲的抑制與等效噪聲帶寬 u白噪聲電壓與
19、帶寬有關(guān)。多功能信號(hào)源中的白噪聲發(fā)生器是一寬帶白噪聲源。要確切測(cè)量與計(jì)數(shù)噪聲電壓,必須要已知噪聲帶寬,已知噪聲帶寬可以用高通,低通濾波器組成一個(gè)已知通帶寬度的帶通濾波器來確定。對(duì)于二階有源濾波器信號(hào)帶寬fs與等效噪聲帶寬fn有下列關(guān)系式?jīng)Q定: 2nsff圖8 對(duì)噪聲的抑制與等效噪聲帶寬測(cè)量框圖多功能信號(hào)源正弦波輸出正弦波輸出示波器頻率計(jì)同相輸出同相輸出直流輸出輸出高、低通濾波器輸入輸入輸出輸出寬帶相移器輸入輸入相關(guān)器信號(hào)輸入信號(hào)輸入噪聲輸入噪聲輸入?yún)⒖驾斎雲(yún)⒖驾斎爰臃ㄆ鬏敵黾臃ㄆ鬏敵鯬SD輸出輸出Y1Y2交流白噪聲交流、直流、噪聲電壓表輸入輸入噪聲輸出噪聲輸出X-Y記錄儀輸入輸入輸入輸入測(cè)試方
20、框圖如圖8所示 u白噪聲信號(hào)源通過高低通濾波器組成的帶通濾波器的限制,使高通、低通濾波器的輸出為已知等效噪聲帶寬的噪聲源,輸給相關(guān)器的噪聲,白噪聲電壓的大小由交流、直流、噪聲電壓表測(cè)量,在測(cè)量白噪聲電壓時(shí),給出的白噪聲的均方根電壓。相敏檢波特性 u實(shí)驗(yàn)連線及原理框圖同圖6。把多功能信號(hào)源的輸出改成方波輸出。工作頻率選為250Hz(其它頻率都可以)。輸入方波信號(hào)為1000mV。相關(guān)器的參數(shù)選擇:KAC=1,KDC=1,T1秒。 u改變寬帶相移器的相移量。由示波器觀察“PSD輸出”波形,并測(cè)量“相關(guān)器輸出”的直流電壓。用相位計(jì)測(cè)出不同相移量與輸出直流電壓值。用坐標(biāo)紙畫出Vo曲線為直線。表明輸出直流
21、電壓與相移量成線性關(guān)系的相敏特性,測(cè)360并說明周期性。五、注意事項(xiàng)信號(hào)源接頭過多,頻率計(jì)接線可不同時(shí)接,可先接頻率計(jì)后記下頻率,再接到其他點(diǎn)去;寬帶相移器的相位指示按鍵不一定準(zhǔn)確,以輸出直流電壓值顯示,并結(jié)合觀察PSD輸出的波形為準(zhǔn);倍頻、分頻輸出,單點(diǎn)(紅點(diǎn))按下為板面指示數(shù),多點(diǎn)按下為多點(diǎn)指示數(shù)的相加之和。倍頻或分頻后的相位可能發(fā)生改變,應(yīng)結(jié)合PSD波形和直流輸出進(jìn)行調(diào)整;本實(shí)驗(yàn)中信號(hào)源輸出頻率置1KHz,相關(guān)器交流放大倍數(shù)置X10檔,直流放大倍數(shù)置X10檔;本實(shí)驗(yàn)中所給出的實(shí)驗(yàn)調(diào)件僅供參考,可以自己擬定條件測(cè)量;實(shí) 驗(yàn) 六 同步積分器的研究及其主要參數(shù)測(cè)量一、目的要求了解同步積分器的原
22、理。測(cè)量同步積分器的輸出特性。測(cè)量同步積分器的抑制干擾能力與抑制白噪聲能力。測(cè)量同步積分器的過載電平。測(cè)量同步積分器的等效噪聲帶寬。二、基本原理u同步積分器是一種同步濾波器,同步積分器能在噪聲中提取微弱信號(hào),具有很強(qiáng)的抗干擾能力,和相關(guān)器一樣是微弱信號(hào)檢測(cè)儀器的關(guān)鍵部件之一。由于它輸出為交流信號(hào),因此,在使用上有時(shí)較相關(guān)器具有更多的優(yōu)點(diǎn)。同步積分器最簡(jiǎn)單的形式如圖1所示。 iVIRu設(shè)輸入信號(hào)為:Iisin(t+),兩電容C分別由電子開關(guān)S以參考頻率fR交替地接到電阻R上,對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行積分,可以求得同步積分器的輸出電壓為: 式中X為單位開關(guān)函數(shù),數(shù)學(xué)表達(dá)式為: 略去小項(xiàng),一級(jí)近似為: 式中
23、:ooVV X411(sinsin3sin5)35RRRXttt2121220,1,2cos(21)2cos()12112(21)12(21)tRninRConRRntQRIQVenRCnRCn212(21)nRQarctgRCnu由(1),(3)式表明,同步積分器輸出為一方波信號(hào),方波頻率為R。方波幅度由(3)式?jīng)Q定。通過討論有下列結(jié)論:u 時(shí)間常數(shù):u 當(dāng) 時(shí), 對(duì)圖2所示的同步積分器,2ITRCR2coioRIVcos210iVRRV 奇次諧波能通過,并抑制偶次諧波,傳輸函數(shù)的頻譜和方波的頻譜一樣,說明同步積分器是以參考信號(hào)頻率為參數(shù)的方波匹配濾波器。因此,能在噪聲或干擾中檢測(cè)和參考信號(hào)
24、頻率相同的方波或正弦波信號(hào)。如果輸入信號(hào)為一幅值恒定和參考方波頻率相同的方波信號(hào),則同步積分器輸出方波的振幅和信號(hào)與參考信號(hào)兩者的相位差成線性相敏關(guān)系。等效噪聲帶寬: 基波等效噪聲帶寬: 總等效噪聲帶寬: 114NfRC218NNff三、電路原理圖 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與測(cè)試輸出波形的觀察與輸出電壓的測(cè)量 同步積分器輸出波形觀察與測(cè)試框圖如圖4。諧波響應(yīng)的觀察與測(cè)量 實(shí)驗(yàn)連接原理框圖見圖5。u改變置分頻數(shù)n,測(cè)量對(duì)應(yīng)的n次諧波響應(yīng)。(因?yàn)閰⒖夹盘?hào)頻率的n次分頻,即輸入信號(hào)為參考信號(hào)的n次倍數(shù)),在每置一n值之后,調(diào)節(jié)相移器相移量使輸出方波幅度最大,測(cè)出這時(shí)的輸出電壓大小,并用示波器觀察輸入輸出波形。觀
25、察波形如圖6所示。 抑制不相干信號(hào)的測(cè)量及過載電平的測(cè)量 不相干信號(hào)的測(cè)試框圖如圖7。對(duì)白噪聲的抑制測(cè)量 白噪聲的抑制與等效噪聲帶寬的測(cè)量框圖如圖8。相敏特性的測(cè)量 相敏特性的測(cè)試框圖如圖9。同步積分器的相敏特性 如圖10,同步積分器輸入為恒幅方波時(shí),輸出幅度與相位差成線性關(guān)系。實(shí) 驗(yàn) 七多點(diǎn)信號(hào)平均器一、目的要求了解多點(diǎn)信號(hào)平均器的原理。觀察與測(cè)量多點(diǎn)信號(hào)平均器的輸出特性。觀察與測(cè)量多點(diǎn)信號(hào)平均器的抑制噪聲力。二、基本原理二、基本原理周期信號(hào)的波形復(fù)現(xiàn) u多點(diǎn)信號(hào)平均器是一種信號(hào)處理裝置,能從較強(qiáng)的干擾和噪聲中提取信號(hào),依據(jù)時(shí)域特性的取樣平均來改善信噪比,復(fù)現(xiàn)被噪聲淹沒的信號(hào)波形,它適用于重
26、復(fù)信號(hào)的波形復(fù)現(xiàn),在信號(hào)出現(xiàn)之后依次取多個(gè)信號(hào)樣品,并按固定頻率重復(fù)取樣,把每一個(gè)周期的許多取樣信號(hào),依次一一對(duì)應(yīng)相加求平均,從而有效地改善了信噪比。對(duì)于多點(diǎn)信號(hào)平均器可以由數(shù)字存儲(chǔ)器或模擬存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)求和平均,但是原理相同。u模擬多點(diǎn)信號(hào)平均器的核心是門積分電路,門積分電路的單元電路如圖1所示。u設(shè)控制開關(guān)的門脈沖的周期為TR,門寬為Tg,引入單位幅度的門脈沖函數(shù) fo(t), 式中 為相對(duì)門寬, 為門脈沖的圓頻率。 波形如圖2所示。 121sinonftnRTngRTT2RRTu門積分電路的門接通時(shí),積分電阻為R,門斷開時(shí),積分電阻為。引入單位幅度的門脈沖函數(shù)后,積分電阻與開關(guān)能用等效積分
27、電阻Re置換。u于是,門積分電路便可用圖3表示,形式上與普通積分電路相同,只是電阻值是時(shí)間的函數(shù)。 eoRRftu積分電路的微分方程為: 設(shè) 把式(4)代入式(3),解微分方程得: cosiiVVt ooieedVVVdtCRtCRt22cos()cos()1 (/ )1 (/ )tRtoitVVeRCRC12cos()1 sin()1 ()inVn R tnnRCn R22cos()cos()1 ()1 ()tRCn R teRCRCn Rn R2cos()1 ()tRCeRCn R 式中 根據(jù)物理意義簡(jiǎn)化式(5),對(duì)于多點(diǎn)信號(hào)平均器, 通常有 若被測(cè)信號(hào)中不含有直流項(xiàng)或不需要直流項(xiàng), 還有
28、 因此有:RCarctg()n R RCarctg()1n R RC1RC211()1 RCn R2111 ()RC 于是,式(5)簡(jiǎn)化為: 式(8)為門積分電路的傳輸函數(shù)。若考慮輸入信號(hào)頻率接近于直流,則式(5)中只有前兩項(xiàng)比較大,其它項(xiàng)可以忽略,于是 這個(gè)電路相當(dāng)于電阻為R/,電容為C的低通RC濾波器。 122cos()1 sincos()1 ()1 ()tiRConVnn R tVenRCRCn Rn R22cos()cos()1 ()1 ()tRCoitVVeRCRC等效噪聲帶寬 門積分電路對(duì)不相干信號(hào)的抑制能力,可以由傳輸函數(shù)直接求得。而對(duì)白噪聲的抑制能力用等效噪聲帶寬計(jì)算更簡(jiǎn)單。
29、根據(jù)定義等效噪聲帶寬可表示為: 是n次諧波相對(duì)于基波的歸一化傳輸函數(shù) 將式(11)代入式(10),得: 由此可知,fNn是、RC和n的函數(shù)。fNn2nNnfK dfKn2sin1sin21()nnKnRC f222sin ()2sin ()nNnfRC n基波處的等效噪聲帶寬總等效噪聲帶寬 有限帶寬噪聲 設(shè)低通濾波器的帶寬 ,此濾波器只能通過低于L次諧波的頻率。這時(shí)總的等效噪聲帶寬為基波到第L次諧波處的等效噪聲帶寬之和。直流附近的等效噪聲帶寬 若門積分電路的前級(jí)是直接耦合的直流放大器,就要考慮直流(或稱零頻)附近的等效噪聲帶寬在數(shù)值上與基波處相等。12NfRC1NNnnfffLfNRi2221
30、sin2sinLNnnfRCn2NDfRC信噪比的改善 對(duì)不相干信號(hào)的抑制能力 設(shè)某一不相干信號(hào)的頻率為 ,并在第P次諧波附近,有 。 求得輸出電壓相對(duì)于輸入電壓的傳輸函數(shù)為: 通常有 故式(17)化簡(jiǎn)為 fdfPffdRd sin121 ()pdPKPRCf1.2/1PRC fd2KpRC fd對(duì)窄帶噪聲的抑制能力 輸入端的白噪聲帶寬 ,對(duì)于白噪聲,輸出端相對(duì)于輸入端的信噪比改善為: 若 用式(15)來表示,并以 代入式(19)則: 當(dāng) 時(shí), 則 只有當(dāng)取樣門很窄而輸入白噪聲又不太寬,可 保證 時(shí),才能用式(21)表述信噪比的改善。 fLfNRi(/)/(/)/SNSNffNNiooifNo
31、fLfNRi(/)/(/)2sin ()22sin ()1LSNSNmoiLnnn 1L2sin ()22sin ()1LnLnn ( /)( /)S NomS Ni1fNifR對(duì)寬帶白噪聲的抑制能力 一個(gè)實(shí)際電路的輸入級(jí)總有一定的帶寬,等效噪聲帶寬不可能為無(wú)窮大。這里所指的白噪聲是相對(duì)的。當(dāng)被恢復(fù)的信號(hào)頻率較低或取樣門較寬,并且輸入電路帶寬較寬時(shí),可以把噪聲看成白噪聲。 在數(shù)學(xué)上若 ,可認(rèn)為噪聲是白噪聲。這時(shí), 輸出相對(duì)于輸入信噪比的改善為: 1fNTig( /)2 2( /)(1)24sinfS NNoiS NiRC 有 ,代入式(22)得: 式(23)表明:在白噪聲的條件下,門積分電路輸出相對(duì)于輸入的信噪比的改善,只與輸入等效噪聲帶寬和時(shí)間常數(shù)RC有關(guān),與等效積累次數(shù)m無(wú)關(guān)。這時(shí),通過減小門寬來增大等效時(shí)間常數(shù) 并不能進(jìn)一步
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