Boxcar信號平均器和原理

1、Boxcar 信號平均器和原理摘要本文主要介紹了Boxcar 信號平均器檢測微弱信號的工作原理和使用方法,還包括了如何設定各項重要參數(shù)及其依據(jù),并在本文最后結合實踐給出了詳細的操作步驟和注意事項。一、引言一些基礎科學的研究領域,如高分辨激光光譜學,非線性光學和光與物質(zhì)相互作用等,都會遇到微弱光信號檢測的問題。有時候,光電流的強度甚至比光電倍增管熱燥聲的水平(10-14W 還要弱,這時,就需要能從噪聲背景中提取有用信號的檢測技術。在這種技術中,比較常用的方法有:選頻放大器,鎖相放大器,取樣平均器,光子計數(shù)器等。其中取樣平均器是指對周期重復信號,或調(diào)制信號多次取樣平均,靠犧牲時間的辦法改善信噪比并

2、恢復信號波形。取樣積分器又稱Boxcar 。二、實驗原理1. 取樣積分原理設輸入信號f (t 由被測信號S (t 和大小由方均根給出的隨機噪聲N (t 組成,且以周期T 重復,則:=+=+=2,1 n ,(2nT t N nT t S t N t S t f對其進行m 次取樣積分后累加得:(2(22111t N m t m S T t N T t N nT t S nT t N nT t S m n mn m n +=+=+= 輸入輸出的信噪改善比為:m t N t S t N m t mS SNR SNR SNIR in out =( 即若取樣100次,則改善10倍。而每一次取樣積分相當一次

3、互相關檢測。2. 兩種工作方式取樣積分器一般有兩種工作模式,其原理框圖如下:圖 1 Boxcar 工作模式框圖 當使用固定延時器時,儀器處于“靜態(tài)門測量方式”,取樣門在輸入信號每個周期T 的同一固定點進行取樣積分,從而測量該點的瞬時值。此時,若被測信號S (t 不是周期信號,但相對周期T 而言是緩變的,則可將其從噪聲中提取并記錄下來。此種情況相當于,門不動而波形動。但m 次取樣積分累積的結果抹去了mT 間隔內(nèi)波形的變化。當使用順序延時器時,儀器處于“波形測量方式”。此時,信號周期T ,或其一部分,即時基范圍被分為若干相等的間隔,每次取樣積分順延一個間隔,從而可以對重復性好的信號進行波形掃描。此

4、種情況相當于,波形不動而門動。在理想情況下,可以完全復原被測波形。 3. 主要參數(shù)(1取樣門寬度T g為了使信號波形得到恢復,要求:T g 0.5T ,門寬越窄信號恢復越精細。(2時基T d是可取樣積分的整個時間范圍。為了能完整掃過整個整個信號波形,T d 應大于等于信號周期T 。當然,如果只想測量信號的一部分,T d 也可小于T 。(3積分常數(shù)T c積分器本身的積分常數(shù)RC ,故完全積分時間一般約為2RC ,但是,取樣門的開門時間為門寬T g ,稱為有效積分時間。若開門時間與時基相等,即:T g = T b ( = T ,也即排滿完全積分時間,則取樣積分器積分次數(shù)為:N = 2RC /T g

5、 ,相應的信噪改善比為:g T RC N /2 ,儀器的積分常數(shù)為完全積分時間:T c =NT b =NT g =(2RC /T g T g =2RC 。若開門時間不能排滿完全積分時間,即存在無效積分時間,則:T c =NT b = (2RC /T g T b =2RC T b /T g 。此時,儀器的積分常數(shù)為不完全積分時間。可見,提高RC 和減少T g 有利于增加積分時間,從而提高信噪比。4. 噪聲來源及其特性與有用光電信號相伴隨的噪聲可按來自測量系統(tǒng)的內(nèi)部和外部來劃分。(1外部噪聲源包括:市電、無線電、電火花、脈沖放電等。(2內(nèi)部噪聲源是由各種器件,部件產(chǎn)生的,包括: 熱燥聲,由有功元件

6、中電子無規(guī)運動產(chǎn)生的電壓起伏引起; 散粒噪聲,電子發(fā)射的不規(guī)則離散性產(chǎn)生的電流起伏引起; 閃爍噪聲,器件中局部位壘不均勻引起,正比于1/f,是低頻段的主要噪聲源,頻率上限約500Hz。一般,外部噪聲易于克服,抑制內(nèi)部噪聲是弱光電信號檢測的主要任務。鎖相放大器不但對弱信號進行頻率調(diào)制和選頻放大,還鎖定被測信號的頻率和相位,使得噪聲要同時滿足頻率既落在通帶內(nèi),位相又相同才能通過放大器。這種幾率非常非常小,從而使噪聲受到強烈的抑制。鎖相放大器可檢測出噪聲比信號大104-106倍的微弱電信號。三、實驗儀器He-ne激光器,單色儀,Boxcar信號平均器四、實驗結果與數(shù)據(jù)分析1.參數(shù)選擇頻譜測量范圍:5

7、50nm-650nm掃描時間:400s掃描精度:0,1nm可測量點:500個由上面的數(shù)據(jù)得到開門總時間為800ms,又根據(jù)門寬為15s 可知每一個點在總開門內(nèi)要排滿完全積分時間需要測量50k次,由于Boxcar儀器的限制只能最多測量10k次,但是又由于電腦的計算極限的制約,最終每點只測量65次。2.信噪比改善研究本實驗中采用靜態(tài)門工作方式1He-Ne旁側(cè)光譜 圖2 He-Ne旁側(cè)光譜550-600nm范圍圖2不應該為He-Ne旁側(cè)光譜550-600nm范圍沒有經(jīng)過信噪比改善的圖像,可能是由于在保存圖像過程中出現(xiàn)錯誤,為錯誤圖像。圖 3 He-Ne 旁側(cè)光譜 550-600nm ´10

8、 圖 3 為取樣積分次數(shù)增加為原來 10 倍，觸發(fā) 1k 次所對應的圖像。根據(jù)信噪比改善公 式得到實驗值為 2.5，而理論值為 3.3。實驗值和理論值差別不大，存在的誤差應該是由于 電腦計算過程由于測量次數(shù)沒有覆蓋完全積分時間造成數(shù)據(jù)量過少引起的。 圖 4 He-Ne 旁側(cè)光譜 550-600nm ´ 100 圖 4 為取樣積分次數(shù)增加為原來 100 倍，觸發(fā) 10k 次所對應的圖像。根據(jù)信噪比改善 公式得到實驗值為 5.8，而理論值為 10。實驗值和理論值差別較大，較大誤差的產(chǎn)生可能 是因為該實驗軟件所能允許的最大觸發(fā) 1.1k 次，遠小于我們實驗中所選定值，造成數(shù)據(jù)大 量相互覆蓋

9、和丟失。 2 半導體 主要對比測量范圍為 650-700nm 圖 5 Tm 650-700nm 范圍 圖 5 為 Tm 650-700nm 范圍波形圖，由于沒有進行信噪比改善，圖像的質(zhì)量非常差，不能得到有 效信息。 圖 6 Tm 650-700nm ´10 圖 6 為 Tm 650-700nm 積分次數(shù)為原來 10 倍的情況，由圖中的信息得到實際的信噪 比為 2.3，而理論值為 3。雖然已經(jīng)很好的將微弱信號提取出來，但是還是有噪聲存在。 圖 7 Tm 650-700nm ´ 100 圖 7Tm 650-700nm 積分次數(shù)為原來 100 倍的情況，由圖中的信息得到實際的信噪比 為 6.25，而理論值為 10。通過以上三個圖可以看到門積分器對于微弱