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光电技术综合应用实验讲义


第二部分 光电技术综合应用实验 实验 1 一、实验目的 1、掌握光电倍增管结构以及工作原理。 2、学习掌握光电倍增管基本特性。 3、学习掌握光电倍增管基本参数的测量方法。 4、了解光电倍增管的应用。 二、实验原理 1、基本工作原理 光电倍增管(PMT)是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。典型的光电倍增 管如图 1-1 所示,在真空管中,包括光电发射阴极(光 阴极)和聚

焦电极、电子倍增极和电子收集极(阳极) 的器件。 当光照射光电倍增管的阴极 k 时,阴极向真空中激 发出光电子 (一次激发) 这些光电子按聚焦极电场进入 , 倍增系统,由倍增电极激发的电子(二次激发)被下一 倍增极的电场加速,飞向该极并撞击在该极上再次激发 出更多的电子,这样通过逐级的二次电子发射得到倍增 放大,放大后的电子被阳极收集作为信号输出。因为采 用了二次发射倍增系统, 光电倍增管在可以探测到紫外、 可见和近红外区的辐射能量的光电探测器件中具有极高 的灵敏度和极低的噪声。光电倍增管还有快速响应、低 本底、大面积阴极等特点。 2、光电倍增管结构 图 1-1 端窗型光电倍增管剖面图 一般,端窗型(Head-on)和侧窗型(Side-on)结构的光电倍增管都有一个光阴极。侧窗 型的光电倍增管,从玻璃壳的侧面接收入射光,而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入 射光。通常情况下,侧窗型光电倍增管价格较便宜,并在分光光度计和通常的光度测定方面有 广泛的使用。大部分的侧窗型光电倍增管使用了不透明光阴极(反射式光阴极)和环形聚焦型 电子倍增极结构,这使其在较低的工作电压下具有较高的灵敏度。 端窗型(也称作顶窗型)光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极(透过式 光阴极) ,使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫 米到几百平方厘米的光阴极。端窗型光电倍增管中还有针对高能物理实验用的,可以广角度捕 集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。 3、光电倍增管特性参数 (1)暗电流 当光电倍增管完全与光照隔绝(即完全黑暗的环境)时,在加上工作电压后在阳极电路里
1

光电倍增管的静态特性测试

仍然会出现输出电流,我们称之为暗电流,暗电流与阳极电压有关,通常是在与指定阳极光照 灵敏度相应的阳极电压下测定的。引起暗电流的因素有:热电子发射,场致发射、放射性同位 素的核辐射,光反馈、离子反馈、极间漏电等。 (2)阴极、阳极灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数,一般是指积分灵敏度,即白光 灵敏度,其单位为 uA/Lm。光电倍增管的灵敏度一般包括阴极灵敏度、阳极灵敏度。 阴极光照灵敏度是一定光照情况下,每单位通量入射光(实际用 10-5~10-2Lm)产生的阴极 光电子电流。阴极光照灵敏度 SK 是指光电阴极本身的积分灵敏度。定义为光电阴极的光电流 Ik 除以入射光通量 Φ 所得的商
IK (1) ( ?A / Lm) ? 光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图 2-12 所示。入射到阴极 K 的光照度为 E,光电阴极 Sk ?

的面积为 A,则光电倍增管接受到的光通量为

? ? E? A
由式(1) (2)可以计算出阴极灵敏度。

(2)

入射到光电光电阴极的光通量不能太大,否则由于光电阴极层的电阻损耗会引起测量误差。 光通量也不能太小,否则由于欧姆漏电流影响光电流的测量精度,通常采用的光通量的范围为 10-5~10-2Lm。 阳极光照灵敏度是每单位阴极上的入射光通量(实际用 10 ?10 ~ 10 ?5 Lm)产生的阳极输出电 流(经过二次发射极倍增后) 。阳极光照灵敏度 Sp 是指光电倍增管在一定工作电压下阳级输出电 流与照射阴极上光通量的比值 S p ?
Ip ? ( A / Lm)

(3)

它是一个经过倍增后的整管参数,在测量时为保证光电倍增管处于正常的线性工作状态,光通 量要取得比测阴极灵敏度小,一般在 10 ?10 ~ 10 ?5 lm 的数量级。 (3)放大倍数(电流增益)G 光阴极发射出来的光电子被电场加速撞击到第一倍增极,以便发生二次电子发射,产生多 于光电子数目的电子流。这些二次电子发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极产生又一次 的二次电子发射,连续地重复这一过程,直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集,从而达 到了电流放大的作用。这时可以观测到,光电倍增管的阴极产生的很小的光电子电流,已经被 放大成较大的阳极输出电流。 放大倍数 G(电流增益)定义为在一定的入射光通量和阳极电压下,阳极电流 Ip 与阴极电流

IK 间的比值。
G? Ip IK

(4)

放大倍数 G 主要取决于系统的倍增能力,因此它也是工作电压的函数。由于阳级灵敏度包 含了放大倍数的贡献,于是放大倍数也可以由在一定工作电压下阳极灵敏度和阴极灵敏度的比
2

值来确定,即
G? Sp SK

(5)

(4)阳极伏安特性 当光通量Ф 一定时,光电倍增管阳极电流 I A 和阳极与阴极间的总电压 VH 之间的关系为阳极 伏安特性。光电倍增管的增益 G 与二次倍增极电压 E 之间的关系为
G ? (bE) n

(6)

其中 n 为倍增极数;b 为与倍增极材料有关的常数。所以阳极电流 I A 随总局 电压增加而急 剧上升。使用管子时注意阳极电压的选择。另外由阳极伏安特性可求增益 G 的数值。 (5)光电特性 光电倍增管的光电特性定义为在一定的工作电压下,阳极输出电流 Ip 与光通量之间的曲线 关系。 三、实验内容 1、光电倍增管暗电流测试实验 (1)将光电倍增管置于黑暗坏境达 30 分钟以上,即在做实验之前将光电倍增管实验仪在 不通电的情况下置 30 分钟。 (这样可以保证光电倍增管阳极暗电流测试准确) (2)将照度计的与光通路组件的照度计的控头输出对应相连(红为正极,黑或蓝为负极) , 将光通路组上光电倍增管的输出(航空插座)与电流检测单元的光电倍增管输入(航空插座) 采用电缆线连接起来。 (3)将“电流检测单元”上两刀三掷开关 BM1 拨到“电流检测”“光源驱动单元”的三掷 , 开关 BM2 拨到“静态特性” ,将拨位开关 S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7 均拨下。 (4)将“光照度调节”电位器及“高压调节”电位器调到最小值,阴阳极切换开关拨至“阳 极电流测试” 。 (5)接通电源,打开电源开关,将照度计拨到 200LX 档,电压表调至 2000V 档。此时,发 光二极管 D10(白光) ,D9(红光) ,D8(橙光) ,D7(黄光) ,D6(绿光) ,D5(蓝光) ,D4(紫光) 均不亮。电流表显示“000” ,照度计显示“00.0” 。(由于光电倍增管的高压包本身的特性,高 压包在调零时有较小的电压,属于正常现象) (6)缓慢调节电压调节旋钮至电压表显示为 750V,800V,850V,900V,依次记下此时电流表 的显示值,该值即为光电倍增管在相应电压下时的暗电流; 电压(V) 电流(nA) (7)将高压调节旋钮逆时针调节到最小值; (8)关闭电源开关,拆除连接电缆放置原处,实验完成。 750 800 850 900

3

2、光电倍增管阴极灵敏度测试实验 (1)将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连(红为正极,黑为负 极) ,将光源调制单元 J4 与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连,将电流检测单元的电流 输入与光电倍增管的信号输出使用屏蔽线连接起来,电路板上的高压输出与光电倍增管结构上 的高压输入使用屏蔽线连接起来。 (注意:请不要将两根屏蔽接错,以免允烧坏实验仪器) (2)将“电流检测单元”上两刀三掷开关 BM1 拨到“电流测试”“光源驱动单元”的三掷 , 开关 BM2 拨到“静态特性” ,将拨位开关 S2,S3,S4,S5,S6,S7 均拨下,S1 拨向上。 (3)将电路板上“光照度调节”电位器和“高压调节”电位器调到最小值,面板上的右下 角开关拨到“阴极测试” ,结构件上阴阳极切换开关拨至“阴极” 。 (4)接通电源,打开电源开关,将照度计拨到 20LX 档。此时,发光二极管 D1(白光)发光, D2(红光) ,D3(橙光) ,D4(黄光) ,D5(绿光) ,D6(蓝光) ,D7(紫光)均不亮。电流表显示 “000” ,高压电压表显示“000” ,照度计显示“0.00” 。(由于光照度计精度较高,受各种条件 影响,短时间内末位出现不回 0 现象属于正常现象) (注意:在测试阴极电流时,阴极电压调节请勿超过 200V,以免烧坏光电倍增管) (5)缓慢调节“光照度调节”电位器,使照度计显示值为 0.5LX,保持光照度不变,缓慢调 节电压调节旋钮至电压表显示为 80V, 记下此时电流表的显示值, 该值即为光电倍增管在相应电 压下时的阴极电流。
IK 其中 ? ? E ? A (本 ( ?A / Lm) 计算相应阴极灵敏度。 ? 实验仪上光电倍增管的光阴极直径为 φ 10mm,光通量约为 10-5Lm)

(6) 根据测试的数据, 按照公式 S k ?

(7)将高压调节旋钮逆时针调节到零;将光照度调节旋钮逆时针调节到零,关闭电源开关, 拆除连接电缆放置原处。 (如需继续做下面的实验内容,可不拆除) 3、光电倍增管阳极灵敏度测试实验 (1)将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连(红为正极,黑为负 极) ,将光源调制单元 J4 与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连,将电流检测单元的电流 输入与光电倍增管的信号输出使用屏蔽线连接起来,电路板上的高压输出与光电倍增管结构上 的高压输入使用屏蔽线连接起来。 (注意:请不要将两根屏蔽接错,以免烧坏实验仪器) (2)将“电流检测单元”上两刀三掷开关 BM1 拨到“电流测试”“光源驱动单元”的三掷 , 开关 BM2 拨到“静态特性” ,将拨位开关 S1,拨上,S2,S3,S4,S5,S6,S7 均拨下。 (3)将电路板上“光照度调节”电位器和“高压调节”电位器调到最小值,面板上的右下 角开关拨到“阳极测试” ,结构件上阴阳极切换开关拨至“阳极” 。 (4)接通电源,打开电源开关,将照度计拨到 20LX 档。此时,发光二极管 D1(白光)发光, D2(红光) ,D3(橙光) ,D4(黄光) ,D5(绿光) ,D6(蓝光) ,D7(紫光)均不亮。电流表显示 “000” ,高压电压表显示“000” ,照度计显示“0.00” 。(由于光照度计精度较高,受各种条件 影响,短时间内末位出现不回 0 现象属于正常现象)
4

(5)缓慢调节“光照度调节”电位器,使照度计显示值为 0.1LX,保持光照度不变,缓慢 调节电压调节旋钮至电压表显示 400V,记下此时电流表的显示值。 (6) 根据所测试的数据, 按照公式 S p ?
Ip ?

其中 ? ? E ? A ( A / Lm) 计算阳极灵敏度。

(本

实验仪上光电倍增管的光阴极直径为 φ 10mm,光通量约为 10-5Lm) (7)将高压调节旋钮逆时针调节到零;将光照度调节旋钮逆时针调节到零,关闭电源开关, 拆除连接电缆放置原处。 (如需继续做下面的实验内容,可不拆除) 4、光电倍增管放大倍数(电流增益)测试实验 (1)将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连(红为正极,黑为负 极) ,将光源调制单元 J4 与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连,将电流检测单元的电流 输入与光电倍增管的信号输出使用屏蔽线连接起来,电路板上的高压输出与光电倍增管结构上 的高压输入使用屏蔽线连接起来。 (注意:请不要将两根屏蔽接错,以免允烧坏实验仪器) (2)将“电流检测单元”上两刀三掷开关 BM1 拨到“电流测试”“光源驱动单元”的三掷 , 开关 BM2 拨到“静态特性” ,将拨位开关 S2,S3,S4,S5,S6,S7 均拨下,S1 拨上。 (3)将电路板上“光照度调节”电位器和“高压调节”电位器调到最小值,面板上的右下 角开关拨到“阴极测试” ,结构件上阴阳极切换开关拨至“阴极” 。 (4)接通电源,打开电源开关,将照度计拨到 20LX 档。此时,发光二极管 D1(白光)发光, D2(红光) ,D3(橙光) ,D4(黄光) ,D5(绿光) ,D6(蓝光) ,D7(紫光)均不亮。电流表显示 “000” ,高压电压表显示“000” ,照度计显示“0.00” 。(由于光照度计精度较高,受各种条件 影响,短时间内末位出现不回 0 现象属于正常现象) (注意:在测试阴极电流时,阴极电压调节请勿超过 200V,以免烧坏光电倍增管) (5)缓慢调节“光照度调节”电位器,使照度计显示值为 0.5LX,保持光照度不变,缓慢调 节电压调节旋钮至电压表显示为 80V, 记下此时电流表的显示值, 该值即为光电倍增管在相应电 压下时的阴极电流。 (6)将电路板上“光照度调节”电位器和“高压调节”电位器调到最小值,面板上的右下 角开关拨到“阳极测试” ,结构件上阴阳极切换开关拨至“阳极” 。 (7)缓慢调节“光照度调节”电位器,使照度计显示值为 0.5LX,保持光照度不变,缓慢 调节电压调节旋钮至电压表显示 400V,记下此时电流表的显示值。 (8)利用公式 G ? 数; (9)将高压调节旋钮逆时针调节到零;将光照度调节旋钮逆时针调节到零,关闭电源开关, 拆除连接电缆放置原处。 5、光电倍增管阴极光电特性测试实验 (1)将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连(红为正极,黑为负 极) ,将光源调制单元 J4 与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连,将电流检测单元的电流
5

Ip IK

或G ?

Sp SK

,计算出光照度为 0.5 lx 时,阳级电压为 400V 时的放大倍

输入与光电倍增管的信号输出使用屏蔽线连接起来,电路板上的高压输出与光电倍增管结构上 的高压输入使用屏蔽线连接起来。 (注意:请不要将两根屏蔽接错,以免允烧坏实验仪器) (2)将“电流检测单元”上两刀三掷开关 BM1 拨到“电流测试”“光源驱动单元”的三掷 , 开关 BM2 拨到“静态特性” ,将拨位开关 S2,S3,S4,S5,S6,S7 均拨下,S1 拨向上。 (3)将电路板上“光照度调节”电位器和“高压调节”电位器调到最小值,面板上的右下 角开关拨到“阴极测试” ,结构件上阴阳极切换开关拨至“阴极” 。 (4)接通电源,打开电源开关,将照度计拨到 20LX 档。此时,发光二极管 D1(白光)发光, D2(红光) ,D3(橙光) ,D4(黄光) ,D5(绿光) ,D6(蓝光) ,D7(紫光)均不亮。电流表显示 “000” ,高压电压表显示“000” ,照度计显示“0.00” 。(由于光照度计精度较高,受各种条件 影响,短时间内末位出现不回 0 现象属于正常现象) (注意:在测试阴极电流时,阴极电压调节请勿超过 200V,以免烧坏光电倍增管) (5)将光照度调节旋钮逆时针调节到零,缓慢调节“高压调节”电位器,使电压表显示值 为 80V,保持阴极电压不变,缓慢调节“光照度调节”旋钮至照度计显示为 0LX,0.5LX, 1.0 LX, 1.5LX, 2LX,2.5LX, 3LX,3.5LX, 4LX 依次记下此时电流表的显示值,该值即为光电倍增管在 相应光照度条件下时的阴极电流,填入下表中电流 1; (6)根据上述的操作步骤(5) ,测试阴极电压在 50V 时所对应电压的阴极电流值填入下表 中电流 1。 光照(lx) 电流 1(nA) 电流 2(nA) (7)将高压调节旋钮逆时针调节到零;将光照度调节旋钮逆时针调节到零,关闭电源开关, 拆除连接电缆放置原处。 (8)根据表中所测试的数据,在同一坐标轴中描绘光电倍增管在两种电压下的阴极电流-光 照特性曲线,即为光电特性曲线。 6、光电倍增管阳极光电特性测试实验 (1)将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连(红为正极,黑为负 极) ,将光源调制单元 J4 与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连,将电流检测单元的电流 输入与光电倍增管的信号输出使用屏蔽线连接起来,电路板上的高压输出与光电倍增管结构上 的高压输入使用屏蔽线连接起来。 (注意:请不要将两根屏蔽接错,以免烧坏实验仪器) (2)将“电流检测单元”上两刀三掷开关 BM1 拨到“电流测试”“光源驱动单元”的三掷 ,
6

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

开关 BM2 拨到“静态特性” ,将拨位开关 S1 拨向上,S2,S3,S4,S5,S6,S7 均拨下。 (3)将电路板上“光照度调节”电位器和“高压调节”电位器调到最小值,面板上的右下 角开关拨到“阳极测试” ,结构件上阴阳极切换开关拨至“阳极” 。 (4)接通电源,打开电源开关,将照度计拨到 20LX 档。此时,发光二极管 D1(白光)发光, D2(红光) ,D3(橙光) ,D4(黄光) ,D5(绿光) ,D6(蓝光) ,D7(紫光)均不亮。电流表显示 “000” ,高压电压表显示“000” ,照度计显示“0.00” 。(由于光照度计精度较高,受各种条件 影响,短时间内末位出现不回 0 现象属于正常现象) (5)缓慢调节“高压调节”电位器,使电压表显示值为 250V,保持阳极电压不变,缓慢调 节“光照度调节”旋钮至照度计显示为 0LX,0.5LX, 1.0 LX, 1.5LX, 2LX,2.5LX, 3LX,3.5LX, 4LX 依次记下此时电流表的显示值, 该值即为光电倍增管在相应光照度条件下时的阴极电流, 填 入下表中电流 1; (6)根据上述的操作步骤(5) ,测试阳极电压在 200V 时所对应电压的阴极电流值填入下表 2 中电流 2。 光照(lx) 电流 1(nA) 电流 2(nA) (7)将高压调节旋钮逆时针调节到零;将光照度调节旋钮逆时针调节到零,关闭电源开关, 拆除连接电缆放置原处。 (8)根据表中所测试的数据,在同一坐标轴中描绘光电倍增管在两种电压下的阳极电流-光 照特性曲线,即为阳极光电特性曲线。 7、光电倍增管阴极伏安特性测试实验 (1)将照度计的与光通路组件的照度计的控头输出对应相连(红为正极,黑或蓝为负极) , 将光通路组上光电倍增管的输出(航空插座)与电流检测单元的光电倍增管输入(航空插座) 采用电缆线连接起来。 (2)将“电流检测单元”上两刀三掷开关 BM1 拨到“电流检测”“光源驱动单元”的三 , 掷开关 BM2 拨到“静态特性” ,将拨位开关 S6,S5,S4,S3,S2,S1 均拨下,将拨位开关 S7 拨上。 (3)将“光照度调节”电位器及“高压调节”电位器调到最小值,阴阳极切换开关拨至“阴 极电流测试” 。 (4)接通电源,打开电源开关,将照度计拨到 200LX 档,电压表调至 2000V 档。此时, 发光二极管 D10(白光)发光。D9(红光) ,D8(橙光) ,D7(黄光) ,D6(绿光) ,D5(蓝光) , D4(紫光)均不亮。电流表显示“000”,照度计显示“00.0” 。
7

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

(5)缓慢调节“光照度调节”电位器,使照度计显示值为 0.5LX,保持光照度不变,缓慢 调节电压调节旋钮至电压表显示为 5V,10V,15V,20V,25V,30V,35V,40V,45V,50V 依次记下此时电 流表的显示值,该值即为光电倍增管在相应电压下时的阴极电流;

电压(V) 电流(nA)

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

(6)根据上述的操作步骤,分别测试光照度在 1.0LX, 2.0LX 时所对应电压的阴极电流值。 (7)根据上述所测试的电流值,描绘光电倍增管阴极电流-电压特性曲线。 (8)将高压调节旋钮逆时针调节到零;将光照度调节旋钮逆时针调节到零; (9)关闭电源开关,拆除连接电缆放置原处,实验完成。 8、光电倍增管阳极伏安特性测试实验 (1)将照度计的与光通路组件的照度计的控头输出对应相连(红为正极,黑或蓝为负极) , 将光通路组上光电倍增管的输出(航空插座)与电流检测单元的光电倍增管输入(航空插座) 采用电缆线连接起来。 (2)将“电流检测单元”上两刀三掷开关 BM1 拨到“电流检测”“光源驱动单元”的三 , 掷开关 BM2 拨到“静态特性” ,将拨位开关 S6,S5,S4,S3,S2,S1 均拨下,将拨位开关 S7 均拨上。 (3)将“光照度调节”电位器及“高压调节”电位器调到最小值,阴阳极切换开关拨至“阳 极电流测试” 。 (4)接通电源,打开电源开关,将照度计拨到 200LX 档,电压表调至 2000V 档。此时, 发光二极管 D10(白光)发光。D9(红光) ,D8(橙光) ,D7(黄光) ,D6(绿光) ,D5(蓝光) , D4(紫光)均不亮。电流表显示“000” ,电压表显示“000” ,照度计显示“00.0” 。 (5)缓慢调节“光照度调节”电位器,使照度计显示值为 0.1LX,保持光照度不变,缓慢 调节电压调节旋钮至电压表显示为 0V,20V,40V,60V,80V,100V,150V,200V,250V,300V 依次记下此时电流表的显示值,该值即为光电倍增管在相应电压下时的阴极电流; 电压(V) 电流(nA) (7)按照上述的操作方法,分别测试光照度在 1LX,2LX 时,所对应电压的阳极电流值。 (8)根据上述所测试的几组电流值,描绘光电倍增管阳极电流-电压特性曲线,并对曲线进 行分析。 (9)将高压调节旋钮逆时针调节到零;将光照度调节旋钮逆时针调节到零; (10)关闭电源开关,拆除连接电缆放置原处,实验完成。 四、实验报告 1、记录相应实验数据 2、画出要求的图形。 0 20 40 60 80 100 150 200 250 300

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五、思考题 1、光电倍增管的暗电流对信号检测有何影响?在使用时如何减少暗电流? 2、光电倍增管中倍增极有哪几种结构?每一种的主要特点是什么?

实验 2

相关器的研究及其主要参数测量
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一、实验目的 1、了解相关器的原理 2、测量相关器的输出特性 3、测量相关器的抑制干扰能力 二、实验原理 相关器由相敏检波器与低通滤波器组成,是锁定放大器的核心部件。锁定放大器中的相关 器通常采用图 1 所示的形式,由一个开关式乘法器与低通滤波器组成。

图 1 锁定放大器中通常采用的相关器
VA ? VA sin(?t ? ? )

VB ?

1 (sin ? R t ? sin ? R t ? ??) ? 3

4

相乘电路不是采用模拟乘法器,而是采用开关电路。参考信号 VB 可以认为是以频率 ? R 为基 频的单位幅度方波。VA 为输入信号,表示为 VA ? VA sin(?t ? ? ) 。当 ? ? ? R 时为信号。? ? ? R 时 为噪声或干扰,VA 、VB 之间的相关差可以由锁定放大器参考通道的相移电路调节,求得图 1 中
V i 和 Vo 为: Vi ? VA ? VB
2R V V0 ? ? 0 A ?R1
? cos{[? ? (2n ? 1)? R ]t ? ? ? Q2 n ?1 } 1 {{ ? n ? 0 ,1, 2? 2n ? 1 1 ? {[? ? (2n ? 1)? R ]R0 C 0 }2 ?

(1)

?e

?

t R0C1

? cos( ? Q2 n ?1 ) ?

(2)
}}

1 ? {[? ? (2n ? 1)? R ]R0 C 0 }2

? 式中: Q2 n?1 ? tan ?1 (? ? (2n ? 1)? R ) R0 C0

当 ? ? ? R 时,图 1 各点的波形如图 2 所示。 (注:图 1 中低通滤波器为反相输入,因此,输 出直流电压与 Vi 反号,图 2 中为了更直观起见,画的低通滤波器不倒相, Vo 与 Vi 中的直流分 量同号。 )

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图2 对(2)式讨论有下列结论: 1、时间常数, T1 ? R0 C0 2、当 ? ? ? R 时, V0 ? ?
2 R0VA cos? ?R1

相关器各点波形图

输出直流电压与相位 ? 成 cos? 关系。 3、奇次谐波能通过并抑制偶次谐波,传输函数和方波的频谱一样,说明相关器是以参考信 号频率为参数的方波匹配滤波器。因此,能在噪声中或干扰中检测和参考信号频率相同 的方波或正弦波信号。输出 V0 与 f / f R 响应曲线如图 3 所示。

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图3

V0 ~ f / f R 响应曲线

曲线表明在 f R 的各奇次谐波的响应为基波的 1 /(2n ? 1) ,离开奇次谐波频率很快衰减,形成 Q 值很高的带通滤波器。 如果输入信号为一恒定和参考方波频率相同的方波信号,则相关器为相敏检波器,输出的 直流电压与信号和参考信号两者的相位差成线性关系。如图 4 所示,可以作鉴相器使用。

图 4 相关器输入为与参考信号同频的方波时其输出直流电压与两者的相位差成线性关系 相关器框图如图 5 所示。

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图 5 相关器框图 三、实验内容 1、相关器的 PSD 波形观察及输出电压测量 按图 6 所示用电缆或导线连接。

图6

相关器 PSD 波形观察及输出电压测量框图

(1) 接通电源,预热二分钟,调节多功能信号源,使输出频率在 1KHz 左右,频率计测 量信号源频率。调节输出幅度旋钮。用交流、直流、噪声电压表测量输出交流电 压,使输出 100mv。 (2) 置相关器直流放大倍数×10,交流放大倍数×1。用示波器观察 PSD 输出波形。并 用交直流电压表测量相关器的输出直流电压,相关器低通滤波常数置 1 秒。 (3) 调节宽带相移器的相移量观察 PSD 的输出波形。测量相关器输出的直流电压与相 关器输入信号对参考信号之间相位差 ? 之间的关系。按下表填写实验数据并描绘
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示波器显示 PSD 的输出波形。

?

V0

波形

备注

(4) 把实测结果与理论公式 V0 ?

2

?

K AC K DCVA cos? 对比。式中 V0 为相关器输出的直流

电压, K AC 为交流放大倍数, K DC 为直流放大倍数, VA 为输入信号的幅值, ? 为 参考信号与输入信号之间的相位差。 2、相关器谐波响应的测量与观察 (1) 把上述实验连接图略作如下改变,宽带相移器的输入信号由 nf,f/n 输出(即 n 倍频 或 1/n 分频)送给 。多功能信号源功能“选择”置分频。由于相关器的参考信号为 输入信号的 1∕n 分频,即相关器的输入信号为参考信号的 n 倍频。 (2) 先置分频数为 1,由示波器观察 PSD 波形及测量 PSD 输出直流电压,调节相移器的 相移,使输出直流电压最大,并观察示波器波形相同于全波整流波形,相位计测量的 相位差为 0?,记下上述数据。改变分频数 n 为 2、3、4、5…,对于某一“n”值重复上 述测量。实测结果为:奇次谐波输出的直流响应电压为基波的直流响应电压的 1/n, 偶次谐波的输出直流响应为 0,PSD 的输出波形如图 7 所示。

图 7 相关器谐波响应的各点波形
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3、相关器对不相干信号的抑制 测试方框图如图 8 所示。

图8

对不相干信号抑制的测试框图

(1) 多功能信号源Ⅰ的输出正弦信号为相关器的输入信号,由相关器的“信号输入”端输 入,多功能信号源Ⅱ的输出信号作为相关器的干扰信号,由相关器的“噪声输入”端 输入。同时由信号源Ⅰ输给宽带相移器,相移器输出作为相关器的参考信号,由相关 器的“参考输入”端输入。由示波器观察相关器的“加法器输出”波形与“PSD”输 出波形。用交流、直流、噪声电压表测量输入信号、干扰信号的电压,测量相关器输 出的直流电压,由频率计测量信号和干扰电压的频率。 (2) 选择相关器的直流放大倍数为 10,交流放大倍数为 1,时间常数为 1s,调节多功能信 号源Ⅰ的频率为 200Hz(可任选) ,电压为 100mV,调节多功能信号源Ⅱ的输出电压为 0(即相关器输入信号不混有干扰信号) ,调节宽带相移器的相移量,使相关器的参考 信号与输入信号同相,即输出直流电压最大,可以用示波器观察 PSD 输出波形,同时 也由电压表指示两者一致。记下“加法器输出”“PSD 输出”波形及相关器输出直流 , 电压(正比于输入信号的有效值) 。 (3) 调节多功能信号源Ⅱ的输出电压为 300mV,即干扰电压为待测信号电压的 3 倍。任选 一工作频率(例如 930Hz) 。由示波器观察“加法器输出” “PSD 输出”波形,很显然 被测信号已被干扰信号淹没。同时测量相关器的输出直流电压,可发现输出直流电压 与没有干扰信号时几乎一样。表明相关器具有很强的抑制干扰能力。 (4) 改变干扰信号的频率,将发现干扰信号频率接近输入信号的奇次谐波时,抑制干扰能
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力下降(输出直流电压发生周期性变化) ,等于奇次谐波时,不具有抑制干扰能力(即 同频干扰) ,在信号各奇次谐波处形成帯通特性,通常带宽(或用 Q 值表示)由低通 滤波器的时间常数决定。 改变积分时间常数为 0.1s 或 10s。 将发现抑制干扰的能力不 一样,即通带带宽不同。根据上述不同参数,测出各组数据进行总结分析。 四、实验报告 1、记录整理相应实验数据,画出相应观察波形。 2、回答思考题。 五、思考题 1、相关器抑制干扰信号的原理是什么? 2、相关器在各奇次谐波处的通带与什么有关,如何使其通带变窄?

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实验 3 一、实验目的

光电倍增管时间特性测试实验

1、学习掌握光电倍增管时间特性的测量方法,以便今后能正确选用光电倍增管; 2、学习掌握光电倍增管光谱特性的测量方法。 二、实验原理 1、光电特性 光电倍增管的光电特性定义为在一定的工作电压下,阳极输出电流 Ip 与光通量之间的曲线 关系。 2、时间特性 光电倍增管的渡越时间,定义为光电子从光电阴极发射经过倍增极达到阳极的时间。由于 光电子在倍增过程中的统计性质以及电子的初速效应和轨道效应,从阴极同时发出的电子到达 阳极的时间是不同的,即存在渡越时间分散。因此,输出信号相对于输入信号会出现展宽和延 迟现象,这就是光电倍增管的时间特性。 在测试脉冲光信号时,阳极输出信号必须真实地再现一个输入信号的波形。这种再现能力 受到电子渡越时间、阳极脉冲上升时间和电子渡越时间分散(TTS)的很大影响。电子渡越时间 就是脉冲入射光信号入射到光阴极的时刻,与阳极输出脉冲幅度达到峰值的时刻两者之间的时 间差异。 阳极脉冲上升时间定义为全部光阴极被脉冲光信号照射时, 阳极输出幅度从峰值的 10% 到 90%所需的时间。对于不同的脉冲入射光信号,电子渡越时间会有一些起伏。这种起伏就叫做 电子渡越时间分散(TTS) ,并定义为单光子入射时的电子渡越时间频谱的半高宽(FWHM) 。渡越 时间分散(TTS)在时间分辨测试中是较主要的参数。时间响应特性取决于倍增极结构和工作电 压。通常,直线聚焦型和环形聚焦型倍增极结构的光电倍增管比盒栅型和百叶窗型倍增极结构 的光电倍增管有较好的时间特性。而将常规的倍增极替换为 MCP 的微通道板型光电倍增管,比 其他类型倍增极的光电倍增管有更好的时间特性。例如,因为在阴极、MCP 和阳极间加入了较短 的平行电场,相对于普通的光电倍增管,微通道板型光电倍增管的渡越时间分散(TTS)得到了 极大的改善。 3、光谱特性 光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子。其转换效率(阴极灵敏度)随入射光的 波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。光谱响应特性的长 波端取决于光阴极材料,短波端则取决于入射窗材料。对于双碱阴极和 Ag-O-Cs 阴极的光电倍 增管定义为其灵敏度降至峰值灵敏度的 1%点,多碱阴极则定义为峰值灵敏度的 0.1%。 三、实验内容 1、光电倍增管时间特性测试实验 (1)将照度计的与光通路组件的照度计的控头输出对应相连(红为正极,黑或蓝为负极) , 将光通路组上光电倍增管的输出(航空插座)与电流检测单元的光电倍增管输入(航空插座) 采用电缆线连接起来。 (2)将“电流检测单元”上两刀三掷开关 BM1 拨到“信号测试”“光源驱动单元”的三掷 , 开关 BM2 拨到“时间特性” ,将拨位开关 S6,S5,S4,S3,S2,S1 均拨下,将拨位开关 S7 均拨 上。
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(3)将“光照度调节”电位器及“高压调节”电位器调到最小值,阴阳极切换开关拨至“阳 极电流测试” 。 (4)接通电源,打开电源开关,将照度计拨到 200LX 档,电压表调至 2000V 档。此时,发 光二极管 D10(白光)发光。D9(红光) ,D8(橙光) ,D7(黄光) ,D6(绿光) ,D5(蓝光) ,D4 (紫光)均不亮。电流表显示“000” 。 (5)用示波器探头分别连接到时间特性测试区中的 TP1 和 TP2 测试钩上,缓慢增加电压至 200V,300V,400V,500V,600V,700V,观察两路信号在示波器中的显示,并作出相应的实验 记录; (6)使电压稳定在 600V 左右,调节“脉冲宽度调节”旋钮,观察实验现象,并作出相应 的实验记录。 (7)将高压调节旋钮逆时针调节到零; (9)将高压调节旋钮逆时针调节到零;将光照度调节旋钮逆时针调节到零; (10)关闭电源开关,拆除连接电缆放置原处,实验完成。 2、光电倍增管光谱特性测试实验 (1)将照度计的与光通路组件的照度计的控头输出对应相连(红为正极,黑或蓝为负极) , 将光通路组上光电倍增管的输出(航空插座)与电流检测单元的光电倍增管输入(航空插座) 采用电缆线连接起来。 (2)将“电流检测单元”上两刀三掷开关 BM1 拨到“电流检测”“光源驱动单元”的三掷 , 开关 BM2 拨到“静态特性” ,将拨位开关 S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7 均拨下。 (3)将“光照度调节”电位器及“高压调节”电位器调到最小值,阴阳极切换开关拨至“阳 极电流测试” 。 (4)接通电源,打开电源开关,将照度计拨到 200LX 档,电压表调至 2000V 档。此时,发 光二极管 D10(白光) ,D9(红光) ,D8(橙光) ,D7(黄光) ,D6(绿光) ,D5(蓝光) ,D4(紫光) 均不亮。电流表显示“000” ,照度计显示“00.0” 。 (5)将 S1 拨向上,缓慢调节“光照度调节”电位器使光照度为 50LX,再将 S1 拨向下。 (6)缓慢调节“高压调节”电位器,使电压表的读数为 200V。 (7)分别将 S6 拨向上,所对应的发光二极管 D9(红光)亮,测出此时的电流值,再将 S6 拨向下。使用同样的方法,依次测试橙光,黄光,绿光,蓝光,紫光时的电流值,填写表 10-1。 表 10-1 波长(nm) 电流(nA) 根据上述所测试的数据,描绘出光电倍增管的电流-光谱特性曲线; (8)重复步骤(5)~(7) ,白光的光照度为 20LX,40LX 时所对应光谱的电流值,并描绘 其特性曲线分析之。 (9)将高压调节旋钮逆时针调节到零;将光照度调节旋钮逆时针调节到零; (10)关闭电源开关,拆除连接电缆放置原处,实验完成。
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红光 (625~630)

橙光 (600~605)

黄光 (585~590)

绿光 (515~520)

蓝光 (460~465)

紫光 (400~405)

四、实验报告 1、自拟表格,将实验内容 1 中的第(5)步、第(6)步实验现象记录下来,并对实验现象 进行解释。 2、整理在不同光照下,光电倍增管的电流,根据所测试的数据,描绘出光电倍增管的光谱 特性曲线。 五、思考题 1、什么是光电倍增管的时间特性? 2、什么是光电倍增管的光谱特性?

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实验 4 一、实验目的 1、了解同步积分器的原理。

同步积分器的研究及其主要参数测量

2、测量同步积分器的输出特性。 3、测量同步积分器的抑制干扰能力。 4、测量同步积分器的过载电平。 二、实验原理 同步积分器是一种同步滤波器,同步积分器能在噪声中提取微弱信号,具有很强的抗干扰 能力,和相关器一样是微弱信号检测仪器的关键部件之一。由于它输出为交流信号,因此,在 使用上有时较相关器具有更多的优点。同步积分器最简单的形式如图 1 所示。

图 1 同步积分器 设输入信号为: I i sin(?t ? ? ) ,两电容 C 分别由电子开关 S 以参考频率 f R 交替地接到电阻 R 上,对输入信号进行积分,可以求得同步积分器的输出电压为:
Ii ?
Vo ? Vo X

Vi R

(1)

式中 X 为单位开关函数,数学表达式为: 4 1 1 X ? (sin ? R t ? sin 3? R t ? sin 5? R t ? ?) ? 3 5 略去小项,一级近似为:
Vo ? 2 RI i
?

(2)

?

? cos{[? ? (2n ? 1)? R ]t ? ? ? Q2 n ?1 } 1 {{ ? n ? 0 ,1, 2? 2 n ? 1 1 ? {2 RC[? ? (2n ? 1)? R ]}2

?e

1 2 Rc

? cos( ? Q2 n ?1 ) ?

(3)

1 ? {2 RC[? ? (2n ? 1)]}

2

}}

20

? 式中 : Q2 n?1 ? arctan{2 RC[? ? (2n ? 1)? R ]}

(4)

由(1)(3)式表明,同步积分器输出为一方波信号,方波频率为 ? R 。方波幅度由(3) , 式决定。通过讨论有下列结论: 1)时间常数
Ti ? 2RC
2 RI i cos?

(5) (6)

2)当 ? ? ? R 时, Vo ?

?

图2 对图 2 所示的同步积分器,

用运算放大器构成的同步积分器

Vo ? ?

2R Vi cos? ?R1

(7)

3)奇次谐波能通过,并抑制偶次谐波,传输函数的频谱和方波的频谱一样,说明同步积分 器是以参考信号频率为参数的方波匹配滤波器。因此,能在噪声或干扰中检测和参考信 号频率相同的方波或正弦波信号。 三、实验内容 1、输出波形的观察与测试 按图 3 用电缆连接。接通电源,预热两分钟。

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图 3 同步积分器输出波形观察与测试框图 1)调节多功能信号源,使交流输出为 200mV,用频率计测量频率为 2.8KHz(其他频率 均可) 。同步积分器的交流放大倍数置×10,时间常数置 0.1 秒。 (注意交流电压的指 示是按正弦波的有效值校准的。 现用来测方波应乘一个修正系数, 因为不做绝对测量, 下面就把指数认为是方波的有效值) 2)调节相移器的相移量,观察同步积分器的输出方波幅度随参考信号与信号之间的相位 差 ? 按 cos? 规律变化,记下 ? 与对应的输出幅度值,画出曲线成余弦规律。并画出 ? 为 0 o , 90 o , 180 o , 270 o 时,示波器所显示的输入与输出信号波形。 2、谐波响应的观察与测量 实验原理连接框图如图 4 所示。

图 4 同步积分器谐波响应的测量
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1)调节多功能信号源,使交流输出为 200mV,用频率计测量频率为 2.8kHz(其他频率均 可) 。同步积分器的交流放大倍数置×10,时间常数置 0.1 秒。 2)改变置分频数 n,测量对应的 n 次谐波响应。 (因为参考信号频率的 n 次分频,即输入信 号为参考信号的 n 次倍数) 在每置一 n 值之后, , 调节相移器相移量使输出方波幅度最大, 测出这时的输出电压大小,并用示波器观察输入输出波形。观察波形如图 5 所示。用电 1 压表测出的输出电压响应是:奇次谐波响应为基波响应的 ;偶次谐波被抑制(输出响 n 应为 0 或很小)

图 5 当 n=1,2,3 时, V i , V R , Vo 的波形 3、 抑制不相干信号的测量及过载电平的测量 不相干信号的测试框图如图 6。 1)调节多功能信号源Ⅰ,使交流输出为 200mV,用频率计测量频率为 2.8kHz(其他频率 均可) 。同步积分器的交流放大倍数置×1,时间常数置 0.1 秒。 2)多功能信号源Ⅱ输出的正弦信号作为干扰信号。用示波器观察加法器把信号与干扰信号 混在一起的波形。观察同步积分器的输出波形,并测量信号电压,干扰电压,同步积分 器输出电压,测量信号频率与干扰频率。 3)置信号频率为 1kHz 左右。干扰信号频率任选(如 1.5kHz) 。首先使多功能信号源Ⅱ输
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出电压为 0,观察与测量同步积分器的输入输出信号波形与电压。然后调节多功能信号 源Ⅱ的输出电压到适当值,观察加法器输出,再观察同步积分器输出。并测量输出方波 幅度的变化。干扰信号电压增加,每增加一次测量一次,直到同步积分器过载。这时的 电平为不相干信号过载电平(即干扰信号电压) 。 4)改变干扰源频率,重复上述测量。结果表明,同步积分器具有很强的抑制干扰能力,在 各奇次谐波处形成带通特性。改变时间常数进行测量,可得到带通宽度由时间常数决定 的结论。同时,测量过载电平表明,同步积分器的过载电平是频率的函数,画出过载电 平曲线并讨论。

图 6 对不相干信号的抑制测试框图

四、实验报告 1、记录各实验数据,整理实验报告 2、回答思考题。 五、思考题 1、同步积分器对奇次和偶次谐波的响应是什么? 2、为什么说同步积分器的过载电平是频率的函数?

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实验 5 一、实验目的 1、了解锁相环的原理和应用 2、利用锁相设计光电报警电路 二、实验原理

锁相环原理及应用实验

光电报警系统是一种重要的监视系统,目前其种类已经日益增多。有对飞机、导弹等军事 目标入侵进行的报警系统,也有对机场、重要设施或危禁区域防范进行报警的系统。一般说来, 被动报警系统的保密性好,但是设备比较复杂;而主动报警系统可以利用特定的调制编码规律, 达到一定的保密效果,设备比较简单。 在不需要多路控制的应用场合, 可以使用由常规集成电路组成的单通道红外遥控电路。 这种 遥控电路不需要使用较贵的专用编译码器,因此成本较低。 单通道红外遥控发射电路方框图如下图所示
光 调 制 光 发 射 光 接 收 弱 信 号 放 大 锁 相 环

判 决

图1

单路红外遥控原理图

如图 1 所示。 光调制部分采用 555 定时器构成多谐振荡器作调制电源, 用它构成占空比为 1: 1 的方波信号,通过调整不同的电容值而产生不同频率的方波信号,即调制信号,设定不同频率 的调制信号代表不同的意义,如设定 1K 信号为数字“1” ,10K 的信号为数字“2”等等;通过 红外发光二极管发出光由光敏二极管接收放大判决后得到原始的调制信号,再将调制信号送入 锁相环电路。若输入的信号与锁相环设置的中心频率一致时,输出为低电平,从而实现了单路 红外遥控的功能。可见,本实验的核心即为红外接收解调控制电路。 图 2 为红外接收解调控制电路。图中,IC1 是 LM567。LM567 是一片锁相环电路,采用 8 脚双列直插塑封。其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率 f2, f2≈1/1.1RC。其①、②脚通常分别通过一电容器接地,形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网 络。②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽:电容值越大,环路带宽越窄。①脚所接电容的容 量应至少是②脚电容的 2 倍。③脚是输入端,要求输入信号≥25mV。⑧脚是逻辑输出端,其内 部是一个集电极开路的三极管,允许最大灌电流为 100mA。LM567 的工作电压为 4.75~9V,工 作频率从直流到 500kHz,静态工作电流约 8mA。LM567 的内部电路及详细工作过程非常复杂, 这里仅将其基本功能概述如下:当 LM567 的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时, ⑧脚由高电平变成低电平,②脚输出经频率/电压变换的调制信号;如果在器件的②脚输入音频 信号,则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。在图 4 的电路中我们仅利用了 LM567 接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性,来形成对控制对象的控制。

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图 2 红外接收解调控制电路 弄清了 LM567 的基本工作原理和功能后,再来分析图 2 电路便非常简单了。IC1 是红外接 收头,它接收发射器发出的红外信号,其中心频率与发射器载波频率 f0 相同,在输出端 OUT 输出频率为 f1 的方波信号。我们将 LM567 的中心频率调到与发射器中“与非”门 1、2 振荡频率 相同,即使 f2= f1。则当发射器发射信号时,LM567 便开始工作,⑧脚由高电平变为低电平, 利用这个变化的电平便可去控制各种对象。利用图 2 的电路,我们可以做成遥控开关,遥控家 里的各种家用电器。 实际上,利用图 2 所示的电路,我们也可以较容易地将其改造成多路遥控电路。方法是: 在发射器中将改变电阻和电容的值,使之产生若干种频率不同的调制信号;在接收电路中,设 置若干只 LM567, 其输入均来自红外接收头, 各个 LM567 的振荡频率不同但与发射端一一对应。 这样当发射器按压不同的按钮,接入不同的调制信号时,在接收端对应的 LM567 的⑧脚的电平 就会发生变化,由此形成多路控制。严格说来,这属于一种频分多路,与数字编译码多路控制 相比,缺点是调试比较复杂。但在有些场合,如在多路报警中,也有其一席之地。因在报警应 用场合中,需要解决两路以上同时报警的问题时,用时分多路存在复杂的同步问题,在频宽允 许的情况下用频分多路则很容易解决。 三、实验内容 1、锁相环原理及应用测试实验 (1)光源调制单元 J2 上的短路块与 C9 电容相连,将光源调制模块的 T53(方波输出)与锁相 环模块 T8(锁相环输入)相连。 (2)打开交流开关以及直流开关,调节光源调制电位器,并用示波器测试方波输出的信号 TP1, 直到信号输出为 1:1 的方波为止。记录此时信号的幅度和频率。 (3)调节锁相环模块的电位器,使本振频率与锁相环输入信号频率一致,再用示波器测试锁相 环输出信号 TP5,并用电压表测试锁相环输出 T9,观察调节过程中的波形,直到输出为低 电平为止,此时锁相已经成功。 (4)分析在调节过程中的信号变化情况。 (6)实验完成,关闭电源,拆除各导线。 2、利用锁相环设计光电报警实验 (1)安装好光发射装置和光接收装置,并且使红外发光二极管与光电二极管在同一水平线上。 (2)将光源调制单元的 T1(LED+)和 T2(LED-)分别与光发射单元的 P 极和 N 极相连,光接
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收单元的 P 极和 N 极分别与 T3(PD+)和 T4(PD-) 。光源调制单元 J2 上的短路块与 C9 电 容相连。 (3)打开交流开关,再打开直流开关,发光二极管 D4、D5 亮。用示波器测试光源调制单元的 调制信号 TP1,调节相应的电位器使得调制波形为 1:1 的方波信号。 (4)关闭直流开关,连接放大输出 T5 与判决输入 T6,连接判决输出 T7 与锁相环输入 T8,将 锁相环输出 T9 送入报警保持电路模块的输入端 T10,输出端 T11 接入报警电路 T50。 (5)打开直流开关,调节放大模块电位器,并用示波器测试放大输出 TP2,直到放大信号调节 到最大为止。调节判决模块的电位器,并用示波器测试判决输出 TP3,直到示波器的波形 与 TP1 的信号一致为止。 (6)调节锁相环模块的电位器,并用示波器测试锁相环输出信号 TP5,记录调节过程中的波形, 直到输出为低电平为止,此时锁相已经成功,用示波器双通道观察。 (7)用手或其它物体阻断光发射与光接收之间的警戒线时,就可发出报警声,按下报警保持模 块的轻触开关,声音停止。若实验不成功,检查各部分的连线情况重新实验。 (8)改变光源调制单元的驱动频率,将 J2 上的短路模块分别与 C15 和 C13 相连,重复上述实 验步骤,观察并记录实验现象。 (8)实验完成,拆除各导线,将 J2 短路块与 C9 相连。 四、实验报告 1、分析利用锁相环报警的原理 2、完成实验报告,分析锁相调节中信号变化 五、思考题 当拦截光束的目标运动较快或较慢,接收电路和电路参数应如何考虑能保证正常报警。

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实验 6 一、实验目的 1. 了解多点信号平均器的原理。

多点信号平均器

2. 观察与测量多点信号平均器的输出特性。 3. 观察与测量多点信号平均器的抑制噪声力 二、基本原理 1、周期信号的波形复现 多点信号平均器是一种信号处理装置,能从较强的干扰和噪声中提取信号,依据时域特性 的取样平均来改善信噪比,复现被噪声淹没的信号波形,它适用于重复信号的波形复现,在信 号出现之后依次取多个信号样品,并按固定频率重复取样,把每一个周期的许多取样信号,依 次一一对应相加求平均,从而有效地改善了信噪比。对于多点信号平均器可以由数字存储器或 模拟存储器来实现求和平均,但是原理相同。 模拟多点信号平均器的核心是门积分电路,门积分电路的单元电路如图 1 所示。

图 1 门积分电路 设控制开关的门脉冲的周期为 TR ,门宽为 T g ,引入单位幅度的门脉冲函数 f 0 (t ) ,波形如 图 2 所示
f 0 (t ) ? ? ?

? n sin ?? ?
n ?1

2

?

1

R

t

(1)

式中 ? ? Tg / TR 为相对门宽, ? R ? 2? / TR 为门脉冲的圆频率。

图 2 单位幅度的门脉冲波形 门积分电路的门接通时,积分电阻为 R,门断开时,积分电阻为∞。引入单位幅度的门脉冲
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函数后,积分电阻与开关能用等效积分电阻 Re 置换,这里
Re ? R / f 0 (t )

于是,门积分电路便可用图 3 表示,形式上与普通积分电路相同,只是电阻值是时间的函 数。

图 3 门积分电路的等效电路 积分电路的微分方程为:
dV0 V0 Vi ? ? dt CRe (t ) CRe (t )

(3)

式中, V i 为积分器的输入电压。在图 3 中, Vi ? V0 。任何波形都可用三角函数表述,为讨 论方便,设
Vi ? V? cos[? (t ? ? )]

(4)

式中, ? 为输入信号的圆频率, Vi 为其幅值, ? 为演出时间。把(4)代入(3)解微分方
V0 ? Vi [ cos(?t ? ?? ? ? ) 1 ? (?RC / ? ) 2 ]?e
?

?
RC

t

cos(?? ? ? ) 1 ? (?RC / ? ) 2

?

程得:

Vi

1 sin n?? cos[(? ? n? R )t ? ?? ? ? ? ] { ? n ?1 ? RC 1?[ (? ? n? R )] 2

?n
?
t

?

?

e

?

RC

cos( ? ? ?? ) ? 1?[ RC

?

cos[(? ? n? R )t ? ? ? ?? ] 1?[ RC

?e

?

?
RC

t

cos[(?? ? ? ? )] 1?[ RC

}

?

(? ? n? R )] 2

?

(? ? n? R )] 2

?

(? ? n? R )] 2

(5) 式中

? ? arctan
? ? ? arctan

?RC ?
?

(6) (7)

(? ? n? R ) RC

根据物理意义简化式(5) ,对于多点信号平均器,通常有

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(? ? n? R ) RC

?

?? 1

若被测信号中不含有直流项或不需要直流项,还有 ?RC ?? 1

?

因此有:
1 1?[ RC (? ? n? R ) ?? 1 ]
2

?
1

?RC 2 1? ( ) ?
于是, (5)式简化为
V0 ? Vi

?? 1

? t cos[( ? n? )t ? ? ? ?? ] ? 1 sin n?? cos[(? ? n? R )t ? ?? ? ? ? ] R ? ? e RC ?} ?n ? { ? n ?1 RC RC 2 2 1?[ (? ? n? R )] 1?[ (? ? n? R )] ?

?

(8)

?

?

式(8)为门积分电路的传输函数。若考虑输入信号频率接近于直流,则式(5)中只有前 两项比较大,其它项可以忽略,于是
V 0 ? Vi [ cos(?t ? ?? ? ? ) 1 ? (?RC / ? ) 2 ]?e
?

?
RC

t

cos(?? ? ? ) 1 ? (?RC / ? ) 2

]

(9)

这个电路相当于电阻为 R/ε ,电容为 C 的低通 RC 滤波器。 以下对式(9)进行讨论。 (1) ? ? ? R 时,输入信号频率等于门脉冲频率的基波。由式(8)略去小项得
V0 ? Vi sin n?? cos? R? [1 ? e
?

?
RC

t

?

?

]

(10)

由式(10)可知: (a)时间常数 TC ? 故 TC ? T0 / ? 。 (b)输出电压为输出信号在取样点处的电压,改变延迟时间 ? ,输出电压按 Vi cos? R? 变化。若
RC

?

。TC 称为等效时间常数或观察时间常数。令积分器的时间常数 T0 ? RC ,

? 从 0 变到 TR ,则输出便是一完整的正弦波。
(c)对取样门宽 ? 要求 要不失真的恢复波形,就要求在输入电压一定的情况下输出电压没有衰减,即在式(10)中, 应有

30

sin ??

??

?1

? 应取较小的值。设以输出幅度下降 3dB 为限。求得 ? ? 0.45
上式表明,取样门宽不能大于被恢复信号周期的 0.45 倍。不然会产生大于 3dB 的衰减。 (2) ? ? n? R ,把 ? ? n? R 代人(8)式,略去小项得
V0 ?
? t Vi sin n?? cos n? R? [1 ? e RC ] ? n??

?

由上式可知: (a)等效时间常数为 TC ?
RC

?



(b)改变延长时间 ? ,可以恢复谐波信号 Vi cosn? R? (c) 被恢复的信号衰减 3dB 的门宽为 ? ? 0.45 / n 。 这表明, 要使恢复的 n 次谐波电压减小于 3dB, 就要求取样门宽小于 n 次谐波周期的 0.45 倍。 (3) ? ? n? R ? ?? 时,输入信号频率对门脉冲的 n 次谐波的偏离量为 ?? ,代人(8)式得
? t cos( ?t ? n? ? ? ? ) ? sin n?? cos[(?? ? n? R )t ? ??? ? ? ? ] R ? V0 ? Vi { ? e RC } n?? RC?? 2 RC?? 2 1? ( ) 1? ( )

?

?

?

上式表明: (a)输出电压是以 ?? 为周期的交流信号。 (b)输出电压的幅值只等于 V i 的
1? ( 1 RC??

倍。
)
2

?

?? 愈大,输出电压就愈小。表明门积分电路能抑制不相干信号。
RC 一定时, ? 愈小,抑制不相干信号的能力就愈强。 加大门积分电路的时间常数 T0 ? RC ,能提高抑制不相干信号的能力。 三、实验内容 (1)按图 4 所示连接,接通电源,预热二分钟,多功能信号源置正弦波输出,调节输出幅 度和频率,使输出电压为 1V,频率为 1kHz 左右。输出电压分成两路,一路输出给多点信号平均 器,作为输入信号。另一路输出给宽带相移器,作输入信号,相移器的输出作为多点信号平均 器触发输入(由参考输入端输入) 。用相位计测量多点信号平均器的输入信号与触发信号之间的 延迟时间, 用示波器观察多点信号平均器的输入、 输出波形, 多点信号平均器的时间常数置 0.2S, 开关置“正常” 。 多点信号平均器参考输入的触发信号,相对于输入信号的延迟时间 ? ,由宽带相移器的的 相移量 ? 决定。 ? 与 ? 由下列关系决定:
31

??

? TR 360 o

式中 TR 为触发信号的周期。改变相移量就改变了延迟时间,测出频率 f R 、 ? ,就可以求出 延迟时间 ? 。 接通电源,预热两分钟,调节多功能信号源,用正弦波输出,使输出频率在 1kHz 左右,用

图 4 多点信号平均器输出特性观察与测量框图 频率计测量信号源频率。调节输出幅度旋钮,用交、直流、噪声电压表测量输出电压,调 节多功能信号源输出幅度,使输出 500mV。置多点信号平均器时间常数为 0.2S,由示波器观察 与对比多点信号平均器的输入与输出波形。
? TR ,求出参考输入信号相 360 o 对于被测信号的延迟时间,改变不同的延迟时间 ? ,观察输出波形。

改变宽带相移器的相移量,用相位计测出相移量,根据 ? ?

改变多功能信号源的输出波形(三角波或方波) ,观察对比多点信号平均器输入输出波形。 重复上述正弦波实验。 (2)在噪声背景中复现信号波形的观察与测量

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图 5 多点信号平均器抑制白噪声能力的观察与测量 实验连接原理框图如图 5。用高、低通滤波器给白噪声信号限制带宽,低通截止频率置 “25kHz” 、高通截止频率置“37.5Hz” 。接通电源,预热两分钟,调节多功能信号源,使正弦波 输出为 500mV,白噪声输出为 500mV。用示波器 Y1 观察多点信号平均器的加法输出器波形,为多 点信号平均器输入的噪声与信号相混的波形。 多点信号平均器的输出开关置正常, 用示波器 Y2 观 察经多点信号平均器后的复现波形。 (a) 改变时间常数为 0.02S、0.2S、2S 观察输出波形信噪比变化情况,并讨论。 (b) 改变噪声源输出电平的大小,时间常数置 0.2S,观察输出波形并讨论。 (c) 输出开关置比较,由 Y2 可直接观察复现前后的输出波形。改变信号波形,作同样实 验。 (3)由干扰信号背景中复现信号波形及过载电平的观察与测量 实验原理框图如图 6,测试方法与实验(2)相同,用多功能信号源Ⅱ作为干扰源,改 变多功能信号源Ⅱ的频率与输出电压大小,得到不同的干扰频率和干扰电压,作如下测量: (a) 改变时间常数为 0.02S、0.2S、2S 观察输出波形。 (b) 改变干扰源的频率。固定电平,观察多点信号平均器对不同干扰频率的抑制能力, 特别注意观察在基波与各次谐波频率附近的干扰情况, 改变时间常数观察抑制能力。 (c) 输出开关置“比较” ,观察“复现”前后的输出波形。 (d) 过载电平的测量:

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图 6 多点信号平均器抑制干扰能力的观察与测量 置信号源频率在 1kHz 左右,干扰信号频率任选,例如选 1.5kHz。首先调作为干扰信号源的 多功能信号源Ⅱ输出电压为 0V,观察与测量多点信号平均器的输入、输出波形及电压。多点信 号平均器的时间常数为 0.2S。然后,调节多功能信号源Ⅱ的输出电压达到适当值,观察多点信 号平均器的输入端(即加法器输出端)的信号与干扰的混合波形,再观察多点信号平均器的输 出波形,并测量输出波形的电压。干扰信号电压由小到大逐步增加,每增加一次测量一次,直 到测量到多点信号平均器过载。所谓过载,是指复现的输出波形过载或电压变小。这时的干扰 信号电压为不相干信号过载电平。改变干扰源频率,重复上述测量。测量结果表明,多点信号 平均器不相干信号过载电平是频率的函数,画出过载电平并讨论。 四、实验报告 1、完成各项实验测量,记录相关数据 2、写出实验报告 五、思考题 为什么说多点信号平均器过载电平是频率的函数。

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实验 7 一、实验目的

信号检波设计光电报警系统实验

1、了解红外砷化镓发光二极管与光电二极管的具体应用。 2、练习自拟简单的光电系统实验。 3、了解主动式光电报警系统设计原理。 二、实验原理 光电报警系统是一种重要的监视系统,目前其种类已经日益增多。有对飞机、导弹等军事 目标入侵进行的报警系统,也有对机场、重要设施或危禁区域防范进行报警的系统。一般说来, 被动报警系统的保密性好,但是设备比较复杂;而主动报警系统可以利用特定的调制编码规律, 达到一定的保密效果,设备比较简单。 本光电报警系统是采用砷化镓发光管组成的发射系统,在发射和接收系统之间有红外光束 警戒线。当警戒线被阻断时,接收系统发出报警信号。要求系统在给定器件的条件下作用距离 尽可能远。 本系统可由图 1 所示的五个部分组成。调制电源提供红外发射二极管确定规律变化的调制 电流,使发光管发出红外调制光,在一定距离以外用光电二极管接收调制光。转换后的信号经 放大,检波后控制报警器。
光 调 制 光 发 射 光 接 收 弱 信 号 放 大 比 较 器 报 警 电 路

检 波

图 1 光电报警原理方框图 (1)信号放大及报警用参考电路原理 电路如图 2 所示,先用 1 2 LF 353 构成一个放大电路,将光敏二极管所接收的电流信号放大。 再用 1 2 LF 353 构成一个比较器, 放大器的正端加 2V 左右偏压, 负端加信号电压。 当光线未阻断时, 从放大器来的交流信号经二极管检波电路,再经 R2C 低通滤波器后得到直流电压,使后面的放大 器负输入端电位大于或等于正输入端电位。则放大器输出电压近似为零,LED 管截止,当光线被 阻断时,信号消失。放大器只有正端加正电压,输出为正电压,LED 指示管导通发出红色光(或 发声)以示报警。电阻 R8 是 LED 限流电阻。 参考参数值: R1:1KΩ R3:120KΩ R5:1KΩ R2:1KΩ R4:10KΩ R6:5.6KΩ
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R7:2. 2KΩ C1:0.1uF

R8:1KΩ C2:220uF

图 2 报警用参考电路 (2)报警保持电路 阻断发射系统和接收系统的红外光束时,比较器的输出为高电平,而当发射系统和接收系统 的红外光恢复时,输出仍为低电平,如果有人影晃过时,阻断的时间非常短时,报警系统应该 持续报警,因此应当在比较器的输出加上报警保持电路。 三、实验内容 1、 安装好光发射装置和光接收装置, 并且使红外发光二极管与光电二极管在同一水平线上。 2、 将光源调制单元的 T1(LED+)和 T2(LED-)分别与光发射单元的 P 极和 N 极相连,光 接收单元的 P 极和 N 极分别与 T3(PD+)和 T4(PD-) 。光源调制单元 J2 上的短路块与 C9 电容 相连。 3、 按如下图 3 所示的电路图,在设计模块中取不同的电阻、电容值,使用连接导线连接出 电路(注:自己用万用表在设计模块中测量相应的电阻值,其中电容 C11(105)=1.06μ F, C(104)=0.106μ F。图中 C1 为隔直电容,通过 D1 整流,C2 滤波后得直流信号,R6 和 R7 组成比 较电平,当滤波所得到直流信号高于比较电平时,输出为高电平。 4、连接放大输出 T5 与判决输入 T6,输出端 T7 接入下图 3 中的接入端,输出端接入报警保 持的输入端 T10,输出端 T11 接入报警保持电路 T50。 5、 打开交流开关,再打开直流开关,发光二极管 D4、D5 亮。用示波器测试光源调制单元 的调制信号 TP1,调节相应的电位器使得调制波形为 1:1 的方波信号。 6、调试过程中使用直流电压表测试芯片 LF353 的 6 脚,此信号即为信号检波所得到的信号, 再用万用表测试芯片 LF353 的 5 脚,此信号即为判决电平,判决电平应低于检波信号。

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C2=1 或 0.1uF 图3

R9=100KΩ

R6=2.2KΩ

R7=4.7KΩ

光电报警电路简易设计图

7、用手或其他物体阻断光发射与光接收之间的警戒线时,报警电路模块的发光报警二极管 会亮,按下报警保持模块的轻触开关,发光二极管会熄灭。若实验不成功,检查各部分的连线 情况重新实验。 8、关闭直流电源,将 T50 与 T52 相连。打开直流开关,用手或其他物体阻断光发射与光接 收之间的警戒线时,报警电路模块会同时发光报警和声音报警,光电报警设计完成。用手改变 光源调制单元的驱动频率, 9、关闭直流电源,改变光源调制单元的驱动频率,将 J2 上的短路块分别与 C15 与 C13 相 连,重复上述实验步骤 5-8,观察并记录实验现象。 10、改变光源调制单元信号波形使之为 1:2 或 1:3 的方波信号,重复步骤 6-8. 11、实验完成,关闭直流电源和交流电源,拆除各导线,将 J2 上的短路块与 C9 相连,拆 除各导线。 四、实验报告 1、画出信号检波光电报警系统实验原理图。 2、画出光调制单元波形,记录相应实验数据。 3、回答思考题。 五、思考题 1、信号检波原理是什么? 2、当光源调制单元的驱动频率变化时,实验结果会发生哪些变化?

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实验 8 锁定放大器原理实验 一、实验目的 1. 了解锁定放大器的原理及典型框图。 2. 根据典型框图,连接成锁定放大器。 3. 熟悉锁定放大器的使用方法。 二、基本原理 微弱信号检测技术,最根本的目的是改善信噪比,当信号频率已知时,采用相干检测技术 能使信噪比改善最大,并是恢复信号幅度的最佳技术。微弱信号检测的著名仪器锁定放大器, 就是采用这一技术设计与制作的。 锁定放大器是以相干检测技术为基础,其核心部分是相关器,基本原理框图如图 1 所示。 图 1 所示典型方框图分三部分:信号通道(相关器前一部分) 、参考通道、相关器(包括直 流放大器) 。

图 1 锁定放大器原理框图 (1) 信号通道 信号通道包括低噪声前置放大器、各种功能的有源滤波器、主放大器等部分组成。作用是 把微扰信号放大到足以推动相关器工作的电平,并兼有抑制和滤掉部分干扰和噪声,扩大仪器 的动态范围。 信号通道要求低噪声和高增益的性能,前置放大器是锁定放大器的第一级,由于被测信号 很小,可能是 100nV 到 10nV 甚至更小,则要求前置放大器必须具备低噪声的特点。否则将由于 放大器本身的噪声将信号淹没的更深。 在测量中对于不同测量要采用不同的传感器,各种传感器的输出阻抗不一样,即对前置放 大器而言就呈现出不同的信号源内阻。为了得到最佳噪声性能,必须使前置放大器工作在最佳 信号源内阻的条件下。这样必须要设计不同最佳信号源内阻的前置放大器或采用输入变压器匹 配,使放大器满足在最佳信号源内阻的条件下工作,使噪声性能最佳。另外,还必须考虑前置
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放大器具备足够的放大倍数(100 或 1000 倍) ,强的共模抑制能力,较大的动态范围等。 信号通道中的有源滤波器,是为了便于和相关器中的低通滤波器不相混淆而取的名字。滤 波器根据干扰和噪声的不同类型可以采用带通、高通、低通、带阻等不同形式,或几种同时使 用。有源滤波器通常也有放大能力。如果滤波器放大倍数还不够,就要在相关器之前再加入交 流放大器。 (2) 参考通道 互相关接收除了被测信号外,需要有另一个信号(参考信号)送到乘法器中,因此,参考 通道是锁定放大器区别于一般仪器,不可缺少的一个组成部分。作用是产生与被测信号同步的 参考信号输出相关器。通常锁定放大器的参考通道输出是和信号同步的对称方波,用以驱动相 关器的场效应管开关。参考通道主要由触发电路、相移电路、方波形成电路和驱动级等部分组 成。和信号同步的参考触发信号,可以是仪器内部产生或外部输入。 (3) 相关器 是锁定放大器的核心部分,要求相关器具有动态范围大、飘移小,时间常数可调,线性良 好等性能。 三、实验内容 图 2 中虚线所框的部分,低噪声前置放大器、选频放大器、相关器、宽带相移器四个插件 盒构成一个完整的锁定放大器。其他的插件盒、示波器、衰减器为测试部分。

图 2 锁定放大器测试图 接通电源, 预热二分钟, 调节多功能信号源, 输出正弦波, 频率为 1kHz 左右, 电压为 100mV,
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调节 ND-601 型精密衰减器,使衰减 1000 倍,输出为 100 ?V ,输出给前置放大器,前置放大器 “增益”开关置 100,接地浮地开关置“浮地” ,测量短路开关置“测量” ,选频放大器的增益开 关置 ?10 ,Q 值置“3” ,选频频率置 1kHz。相关器交流放大倍数置 ?10 ,直流放大倍数置 ?10 , 时间常数置 1S。 首先用示波器由相关器的加法器输出观察信号通道放大的波形,调节选频放大器的选频频 率,细调 ? 0.1和 ? 0.01 档的波段开关和电位器,使输出信号电压最大,然后改 Q 为“30” ,重复 调节选频频率,使输出电压最大,表明选频放大的谐振频率为信号频率。然后,改用示波器观 察 PSD 输出,调节宽带相移器的相移,使相关器直流输出为 0,在相移 90 o ,由于示波器观察到 PSD 的输出波形为同相波形(与全波整流波形相似) 。这时相关器输出直流电压最大,即为锁定 放大器的输出电压,根据上述插件盒的放大倍数,输出电压应为 10V,但由于放大倍数不十分准 确,输出电压不一定正好是 10V。 同上述方法,测量更小信号,例如由精密衰减器给出 10 ?V ,1?V 等微弱信号进行测量,或 改变频率进行测量。测量时,主要观察输出信噪比及时间常数与输入灵敏度之间的关系,接地 对测量微弱信号的影响,并讨论这些现象。 四、实验报告 1、记录各实验数据,整理实验报告 2、回答思考题。 五、思考题 1、锁定放大器测量微弱信号的原理是什么? 2、输出信噪比及时间常数与输入灵敏度之间的关系是什么?

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以下部分还没有整理好,可以先不用看
实验 9 一、实验目的 1、了解用摄像机进行光电测量的原理 2、掌握频信号的构成 3、设计简单的叠加图形 二、实验原理 由于工业摄像机可以快速传递图像,因此可利用工业摄像机输出的信号配合信号处理电路, 或者配合微机进行处理,以达到、快速、实时地对被摄对象进行非接触测量、图形自动分析和 识别,或对高温物体自动获取所需数据等多方面的应用。目前,广泛使用的工业摄像机有电子 束管摄像机和 CCD 摄像机两种。CCD 摄像机结构精细,体积小,还可用于狭窄尺寸地方或摄像器 件配以光纤用以医学或内窥等方面。因此,了解摄像机信号及开发应用是很有意义的。 1、电视摄像原理 一幅图像,根据人眼对细节分辨力有限的视觉特性,总可以看成是由许多小单元组成。在 图像处理系统中,这些组成画面的的细小单元称为象素,象素越小,单位面积上的象素数目就 越多,由其构成的图像就越清晰。 电视系统中,把构成一幅图像的各象素传送一遍称为一个帧处理,图像的每帧由许多象素 转变成相应的电信号,再分别用各个相应信道把这些信号同时传送出去,接受端接收后又同时 进行转换,恢复出原发射的信号,采用这一种传送方法,根据现代电视技术水平,一帧图像约 由 44 万个象素组成,则要求由 44 万条通道才能传送一帧图像,这是不可能实现的!考虑到人 的生理特性,可把组成一帧图像的各个象素的亮度按一定的顺序一个个地转化成相 应地电信号 依次发送出去,接受端在按照同样的顺序将各个电信号在对应位置上转变成具有相应亮度的象 素,只要这种转换传送进行的足够快,人眼就会感到重现图像是同时出现的,而无闪烁感。 (1) 电视扫描 只有对一幅图象进行分解和同步扫描之后,才可能对这幅图象进行传递和再现。因此,一 个完整的电视信号不但应有反映象素亮度的视频信号还应有保证与摄象管内电子束进行同步扫 描的复合同步信号,以及在扫描逆程时关闭电子束的复合消隐信号! 根据人眼的生理特点,在不产生亮度闪烁感和保证有足够的清晰度的情况下,扫描频率应 该在 48Hz 以上,扫描行数须在 500 以上,为了使图象清晰度不下降,又要减小系统的带宽, 人们又提出了隔行扫描技术!隔行扫描方式是将一帧 (一幅)电视图象分成两场进行扫描。第 一场扫出光栅的第 1,3,5,7…等奇数行,称为奇数场;第二场扫第 2,4,6,8…等偶数行, 称为偶数场。每一帧图象经过两场扫描,所有象素即可扫完,电视电子束的扫描轨迹也称为扫 描光栅,如图 1 所示。 我国广播电视采用 2:1 隔行扫描制式,每帧图像由二场组成,每场为 321.5 行扫描线,
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摄像机原理试验

其场频与行频严格保持 N=fH/fV=N+1/2 的关系。 场频 行频 其中 : 50Hz 15625Hz 场逆程时间 行逆程时间 场周期为 行周期为 TH 1.6ms 11.8us 20ms 64us

图1

隔行扫描示意图

摄像管与显像管都套有行、场偏转线圈,行、场偏转线圈中分别通有周期性变化(大小和方 向)的行、场扫描电流,形成行、场偏转磁场,电子束受磁场力的作用在屏幕上做周期性的往复 运动。 图 2 所示为行扫描电流波形及水平(行)扫描示意图。

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(b)行锯齿电流 图 2 行扫描示意图 图 3 所示为场扫描锯齿电流及场偏转轨迹:

(c)只有行扫描时电子束轨迹

图 3 场扫描示意图 (2) 亮度视频信号 视频输出的电压大小,反映了一行中对应象素的明暗程度,视频信号具有正负极性之分, 对于正极性视频信号,象素越亮信号的幅度越大,而对于负极性视频信号则相反,象素越亮, 信号的幅度越小! (3)复合消隐信号 电视系统中。扫描正程期间传送图像信号,逆程期间不传送图像信号。电子束逆程扫描在 荧光屏上出现回扫线,将对正程的图像造成干扰,影响图像的清晰度。因此需使电视机在行、 场扫描逆程期间电子束截止,以消除行、场逆程回扫线,即实现消隐。方法是在电视台由同步 机发出消隐信号使接收机显像管在行、场逆程扫损期间关断电子束。由于电视扫描方式是水平 (行扫描) 和垂直扫描 (场扫描) 构成的, 所以对应分别有水平消隐 (行消隐) 和垂直消隐 (场 消隐),而两者形成复合消隐信号。行消隐脉冲的宽度一般为 12us,场消隐脉冲宽度一般为 25TH,如图 4:

图 4 行、场消隐脉冲 复合的消隐脉冲如图 5

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图 5 复合消隐脉冲 (4)复合同步信号 在电视系统中。为了使电视机重现的图像与摄像机拍摄的图像完全一致,要求接收端与发 送端的电子束扫描必须同步。 所谓同步是接收、 发端扫描的频率(快慢)和扫描的相位(起始位置) 完全相同。如果收、发端扫描不同步,则重现的图像变形或不稳定,严重时图像混乱不能正常 收看。复合同步信号包括行同步信号和场同步信号。 行同步信号是用来控制行扫描的一致性,其重复频率与行频一致,即是 f=15625Hz,脉冲 宽度是 4.7us~5.1us。场同步信号是用来控制场扫描的一致性, 其重复的频率等于场频,即是 f=50Hz,脉冲宽度为 2.5~3TH (160us~190us)。 完整的同步信号如图 6:

图6

视频同步信号

同步脉冲叠加在消隐脉冲之上,亮度视频信号则是插在相连的消隐脉冲之间。 2.视频信号同步分离 使用集成视频信号同步分离电路LM1881,下面简单说明LM1881 的功能。LM1881 视频信号 同步分离器能够从幅度为0.5V 到2V 的标准负同步NTSC、PAL 和SECA信号中提取定时信号,包 括混合和场的同步脉冲定时和奇偶场信息。LM1881 的工作原理如下图:

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图7 LM1881的时序图 LM1881 的使用十分方便,只需要直流5V 到12V 的单电源提供电压,在使用的过程中,除 了在8 脚用电容耦合电源和在6 脚用耦合电容设置电流外,只需要在2 脚耦合信号输入端耦合 一个电容和在6 脚设置一个电阻,他们是用来确定内部电流的;如果输入信号扫描频率不是 15.734kHz,那么通过调节6 脚可以保证LM1881 器件能够使用。从该芯片中我们可以得到四种 主要的同步信号: 混合同步信号(包括场行扫描时间信息),场同步脉冲,冲激或钳位脉冲和 奇偶输出。奇偶输出表示输入的混合视频信号中正在输入的那场. LM1881 的输出可以作为摄像 机或VTR 的图形信号输入,为存储提供视频场的标记,能恢复被压缩的或被损坏的同步信号, 并且它能为在具体的视频扫描行中提取编码或非编码信号提供定时参考信号。

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图8 LM1881完整的输出特性 3.单竖线产生电路 在视频信号中叠加一条竖线,其基本原理如下:首先提取视频信号中行同步信号,然后对 行同步信号进行计数,产生一个与行同步信号有稳定关系的控制信号,用这个控制信号控制模 拟开关,模拟开关的输出就在两路输入信号 (竖线与视频信号)间快速切换,由于人眼视觉的 暂留效应,在显示器屏幕上看起来就是一幅叠加了一条竖线的图像! 实验仪器电路板中使用集成芯片LM1881 分离出行场同步信号,视频信号经同步分离后, 得 到行同步信号(H) 和场同步信号(V ), 在每一个行同步信号上升沿适当延时, 在每行生成一窄脉 冲信号, 即可在每行上形成一“亮点”,“亮点”与行同步信号严格同步, 帧扫描结束便形成一 条竖线, 单竖线生成原理框图如图9 所示。

图9

单竖线生成框图
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通过合理地设计延时环节 1 的延时时间的可调范围, 即调节延时环节 1 的可变电阻, 可 使“亮点”在行内左右移动, 综合产生的竖线可在整个屏幕左右移动; 通过合理地设计延时 环节 2 的延时时间,调节延时环节 2 的可变电阻,可调节竖线的粗细, 满足使用要求; 通过 调节与+ 5V 电源相连的电位器的阻值大小, 可调节竖线的亮度 。采用电子模拟开关器件设计 迭加电路, 将延时 2 输出的竖线脉冲用作控制信号, 当竖线脉冲为低电平时, 控制迭加器输 出图像信号, 当竖线脉冲为高电平时, 控制迭加器输出一高电平, 从而达到图像与竖线的迭 加, 并且丝毫不影响图像的质量。在显示器上加一条竖线,不仅给人以直观的视觉效果,而且 能确定两点之间的距离。 LM1881,74LS123,4053 三种芯片可以完成简单的信号与全电视信号相叠加,LM1881 完 成对全电视信号的分离,可分离出行/场脉冲,74LS123 是对分离出来的行/场脉冲进行延迟, 使其在每行全电视信号的扫描中给其一个脉冲,4053 我们可以简单理解为一个单刀双掷开关, 让延迟后的信号与全电视信号相互交替出现,由于人眼的视觉暂留现象,我们就会感觉到在全 电视信号与延迟后的信号好像在一幅画面上,也就达到了叠加的目的,图 10 是单竖线生成实验 的完整电路。

图 10 实验完整电路

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图 11 实验原理图 三、实验设备 本实验用到摄像机实验原理仪,其功能是一为电路板提供 5V 电源,二在图像上产生一个方 框。摄像头,显示器,自制实验电路板,其功能是通过 LM1881 芯片从全视频信号中分离出行场 脉冲,再通过 74LS123 和 CD4053 对行脉冲进行延时,从而在图像上叠加一个竖线。 四、实验内容 视频信号及时间叠加是视频信号中混入一定形状的图形或时间信号,从而在屏幕的特定位 置上与图象信号同时进行显示的设备。这项技术是应用电视技术中的一个重要的领域,在应用 电视系统中发挥着极为重要的作用。在仓库,车间,办公室等场所的监视以及电视电影视频处 理技术中有很广泛的应用! 本实验内容共分三项: 1.观察全电视信号、行、场同步输出信号 观察全视频信号时,其电路原理连接如图 11 所示,把摄像头输出一路送给显示器,一路送 给电路板的视频输入端。然后用示波器观察视频输入端的全电视信号,包括行同步脉冲 ( 4.7 ? 5μs ) 行消隐脉冲 12μs 和行同步脉冲叠加在一起) 行脉冲 64μs ) 视频信号 52μs ) , ( , ( , ( , 场脉冲周期因为太长,不容易观察,一场中有 625/2 行脉冲,记录波形、周期及脉冲宽度;用 示波器观察行同步脉冲信号,记录波形、周期、脉宽;用示波器观察场同步脉冲信号,记录波 形、周期及脉冲宽度。 2. 在视频信号中叠加一个竖线 其具体步骤是,(1)电路板先接好由摄像机原理仪提供的 5V 电源。(2)摄像机输出 信号信号一路送给显示器,一路送给电路板上的视频输入端,另外把电路板上的混合输出也送 给显示器。(3)把电路板上的行同步输出和行入端连在一起(用一个两头带有小夹子的导线连
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接)。该实验中,LM1881 将视频信号中的行、场同步脉冲分离出来,及电路板上的行场同步输 出端。用示波器观察行同步脉冲,把它和全电视信号中的行同步脉冲对比看是否一致。行输出 信号送给 74LS123 的行输入端,该芯片的作用是对分离出来的行场脉冲进行延时,其延时脉冲 可通过示波器在延时 1 进行观察,调节与 74LS123 连在一起的 200K 的电位器可看到两条左右移 动。74LS123 输出信号再送给 CD4053,CD4053 的作用像个单刀双掷开关,其作用是使电视信号 和延迟后的信号交替出现,其输出可通过延时 2 用示波器观察。调节与其相连的 10K 电位器可 改变亮条宽窄。47K 电位器和电源相连,调节它可改变亮条亮度。 3. 观察视频信号中叠加一个标准框,通过改变行场计数脉冲来改变方框大小 摄像机输出信号一路接入 LM1881 的视频输入端(2 脚),一路送给摄像机应用实验仪的视 频输入端;把 LM1881 产生的的行场同步脉冲接入摄像机应用实验仪的行场同步输出头。实验仪 的标准框输出端接显示器和示波器,通过调节实验仪中水平竖直旋钮,用显示器观察标准框的 大小和位置,用示波器观察产生标准框的脉冲信号位置(只能看到产生竖线的脉冲位置,横线 由于图形太密无法观察)。 五、实验报告 1、记录实验内容,整理实验报告; 2、完成思考题。 六、思考题 如何在屏幕上产生一个十字线?

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