23086

Вимірювання форми імпульсу випромінювання

Лабораторная работа

Физика

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. Ілюстрація...

Украинкский

2013-08-04

196 KB

2 чел.

PAGE  6

7

Вимірювання форми імпульсу випромінювання

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 N1/2 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

to = 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 nN його періодами. Тому час виміру tmes при переході до одноканальної системи, без додаткового виграшу у величині відношення сигнал/шум, зростає в n разів і стає рівним

tmes = nNT.   (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 > NT), 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 tmes. 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 tmes/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/tmes [сек/сек], то час проходження того самого значення сигналу щілиною шириною t0 дорівнює величині t0tmes /T. За цей час укладається число періодів сигналу, рівне

N = (tmes/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 tmes при часі розділення t0 складе

 = (tmes  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 tmes/T разів, то для збереження часу розділення всієї установки у цілому час розділення накопичувального пристрою і наступної частини схеми повинне бути не більше t0TR/T. Тому, якщо, наприклад, як накопичувач використовується інтегруюча ланка, то її постійна часу повинна задовольняти нерівності

RC < t0 TR/T = NT,   (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 > NT,   (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).

Апаратурна реалізація

Блок-схема установки для спостереження форми повторюваного імпульсного сигналу при великому рівні шуму показана на мал.3.

Мал.3. Блок-схема пристрою для спостереження форми сигналу

при великому рівні шуму.

Реєструємий сигнал надходить від підсилювача 1 на електронний затвор (ключ) 2, керований імпульсами тривалістю t0 формувача 6. Блок синхронізації 5 виробляє імпульси запуску для формувача, строго пов'язані за часом (синхронні) з моментом початку кожного періоду вимірюваного сигналу. Генератор розгортки 7 керує затримкою імпульсу формувача відносно імпульсу синхронізації. Накопичувач 3 усереднює за N періодів амплітудні значення напруги сигналу, що пропускаються електронним затвором тільки під час дії відмикаючих імпульсів формувача. Вихідний сигнал накопичувача надходить на індикатор 4, формуючи на ньому вертикальний відлік (Y-канал осцилографа чи графобудівника). Напруга, пропорційна горизонтальній координаті (часу) надходить у X-канал індикатора з генератора розгортки 7.

Таким чином, для виділення повторюваного імпульсного сигналу із шуму експериментатору необхідно мати як вихідний сигнал, так і деякий опорний (reference signal), строго пов'язаний за часом з моментом появи реєструємого сигналу. В експериментальній фізиці в більшості випадків синхронізуючі сигнали можуть бути отримані без істотного ускладнення установки. Найбільше часто це сигнали генератора, що збуджує ті чи інші явища в об'єкті спостереження (наприклад, при дослідженні післясвітіння кристалофосфорів такими є імпульси генератора збудження фосфоресценції). Якщо рівень шуму невеликий, то іноді імпульси синхронізації формують безпосередньо із самого сигналу. Однак можливі при цьому флуктуації часу запізнювання відносно початку періоду вихідних сигналів ведуть до додаткового зростання рівня шуму на виході...

Для одержання максимального відношення сигнал/шум при мінімальних спотворюваннях форми корисного сигналу в установці описаного типу передбачається керування початковою затримкою синхронізуючого імпульсу (Initial Delay), тривалістю t0 імпульсів керування ключами (Pulse Width), швидкістю розгортки часу затримки (Time Base) цих імпульсів, постійної часу (Time Constant) накопичувача, а також деякі інші регулювання (рівень синхронізації, автоконтроль швидкості сканування, обмеження часу вимірювання та ін.), які забезпечують додаткові зручності при проведенні експерименту.

Ясно, що після оптимального вибору всіх параметрів вимірювальної установки, подальше поліпшення відношення сигнал/шум може бути досягнуто лише збільшенням часу вимірів. Однак можливому збільшенню часу вимірів tmes і, таким чином, підвищенню відношення сигнал/шум , крім практичної незручності тривалого чекання, кладе межу як стабільність реєструємих сигналів (стаціонарність досліджуваного явища), так і стабільність роботи всієї установки в цілому. Практично вдається поліпшити відношення сигнал/шум приблизно на 2 -2,5 порядки...

Експериментальна установка.

Експериментальна установка для спостереження форми імпульсного сигналу стробоскопічним методом змонтована на базі двоканального осцилографа С1-64, що має подвійну  розгортку, або режим "лупи часу" (див. Інструкцію з експлуатації осцилографа С1-64). Робота осцилографа в цьому режимі полягає в наступному.

У схемі осцилографа є два генератори розгортки - A і B. Перша розгортка A є основною і її функціонування нічим не відрізняється від роботи в звичайному осцилографі. Друга розгортка B працює синхронно з розгорткою A, однак, з тією різницею, що початок, кінець і швидкість розгортки B задаються власним генератором пилкоподібної напруги, що запускається імпульсом, затриманим відносно початку розгортки A. Тривалість розгортки B завжди менше тривалості розгортки A і складає визначену її частину, що задається окремим перемикачем.

Вибір параметрів розгортки B легко встановлюється в режимі, що називається "B підсвічує A". У цьому режимі на екрані спостерігається лінія основної розгортки A і більш яскравий слід розгортки B. Маніпулюючи регулюваннями тривалості і зсуву розгортки B, можна з повної розгортки на екрані виділити її ділянку, що становить інтерес для більш детального спостереження. Перевівши осцилограф у режим "розгортка B", виділену ділянку сигналу можна спостерігати розгорнутою на весь екран, як кажуть, за допомогою "лупи часу".

Таким чином, розгортка B є еквівалентом строб-імпульсу, що виділяє невелику ділянку досліджуваного сигналу. Якщо такий пристрій доповнити ключем, що відмикається на час дії розгортки B, а також накопичувальним пристроєм (фільтром нижніх частот) і генератором сканування затримки імпульсу відмикання ключа (розгортка B) відносно початку періоду реєструємого сигналу (розгортка A), то дістанемо пристрій відновлення форми повторюваного імпульсного сигналу стробоскопічним методом. Ці необхідні доповнення до осцилографу зібрані в окремому блоці (мал.4.), називаному стробоскопічною приставкою до осцилографу С1-64 ("СП до С1-64").

На передній панелі приставки, крім тумблера вмикання 1, є: регулювання 2 установки початкового положення строб-імпульсу і потенціометр 3 вибору швидкості сканування строб-імпульсу за віссю часу, перемикач 4 постійної часу фільтра нижніх частот накопичувача і, нарешті, потенціометр 5 установки нуля вихідного сигналу. Пуск і зупинка сканування строб-імпульсу здійснюються кнопками 6 "пуск" і 7 "стоп". На задній панелі стробоскопічної приставки зосереджені роз’єми підключення зовнішніх пристроїв і джерела живлення.

Імітатором досліджуваного оптичного сигналу є світловипромінюючий діод (СВД), розташований поблизу фотокатода фотоелектронного помножувача (ФЕП). Форма, амплітуда, тривалість і частота повторення імпульсів СВД задається генератором імпульсів Г5-54. Вихідний струм ФЕП перетвориться в напругу, зручну для реєстрації, підсилювачем, вихідний сигнал якого відображається осцилографом і обробляється стробоскопічною приставкою. Результат обробки фіксується цифровим вольтметром і паралельно подається в Y-канал графобудівника в X-каналі якого діє напруга, що керує зсувом строб-імпульсу.

Рис.4. Лабораторна  установка  для виміру форми повторюваних імпульсів випромінювання.


Завдання

1. Перевірити правильність складання установки. Замалювати в зошиті блок-схему і схему міжблочних з'єднань. Ознайомтеся з описом приладів, що входять до складу установки, а також з літературою, що рекомендується. Обговоріть незрозумілі питання з викладачем чи лаборантом.

2. Включити установку. Змінюючи тривалість імпульсу, подаваного на світлодіод, і його амплітуду, простежте за зміною сигналу, що спостерігається на осцилографі. Доможіться стійкого зображення на екрані осцилографа, використовуючи зовнішню синхронізацію затриманими імпульсами генератора. У режимі "B підсвічує A" виберіть співвідношення між тривалістю строб-імпульсу (розгортка B) і періодом вимірюваних імпульсів (розгортка A). Перевірте можливість керування зсувом строба з боку осцилографа і стробоскопічної приставки. Виберіть масштаб по координатах X і Y графобудівника.

Корисні поради:

* напругу на фотоелектронному помножувачі встановите рівною 1500 В;

* рекомендуємо вибрати початкові значення тривалості імпульсу - 100 мкс, частоти їхнього проходження - 1 кгц, амплітуди -2В;

* перемикач передачі керування зсувом строб-імпульсу знаходиться на правій бічній стінці осцилографа.

3. Зареєструвати за допомогою графобудівника форму повторюваного імпульсу в залежності від ширини строб-імпульсу, швидкості його переміщення, постійної часу накопичувальної ланки в умовах початкового відношення сигнал/шум, заданого викладачем. Оцінити залежність зміни відношення сигнал/шум від кожного з цих параметрів. Чи існує оптимальне їхнє співвідношення?

4. Записати форму імпульсної характеристики установки. Визначивши її напівширину, оцінити смугу пропускання попереднього підсилювача.

5. Установити таку амплітуду збудження світлодіода, щоб відношення сигнал/шум на екрані осцилографа було менше, або дорівнювало 1. Досягти максимального відношення сигнал/шум при записі сигналу, використовуючи всі можливості установки. Оцінити, чим обмежене подальше збільшення цього відношення.

Література

1. Бонч-Бруевич  A.M.  Радиоэлектроника в экспериментальной физике.-М.: Наука.-1966.-С.569-595.

2. Проспект оборудования фирмы Brookdeal Electronics.  Boxcar Detector 9415/9425.

3. Проспект оборудования фирмы NF Electronic Instruments. Digital Boxcar Integrator, Model BX-531.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72637. DATA 16.89 KB
  В тех случаях, когда переменные нужно присваивать в начале программы какие-либо значения , которые не должны меняться от одного прогона программы к другому, вместо операторов присваивания можно с большей эффективностью воспользоваться оператором DATA.
72638. Оператор PARAMETER 13.2 KB
  С помощью этого оператора можно любой константе дать символьное имя. Этот неисполняемыми оператор должен находиться перед исполняемыми операторами программы. Часто в разных местах программы употребляются длинные константы, такие как 3.14159265.
72640. ОПЕРАТОРЫ ЦИКЛА 20.64 KB
  Операторы цикла предназначены для многократного выполнения некоторых операторов. Эти операторы называются телом цикла. Различаются операторы цикла с предусловием и с постусловием. Блок-схемы операторов цикла показана на рисунке 1.2.
72641. Структурный IF 21.71 KB
  Сначала вычисляется условие e, а затем в зависимости от его истинности выполняется на выбор один из двух блоков, а после этого - следующий оператор. Один оператор if можно вкладывать в другой оператор IF. Один из таких случаев вложения, а именно if в блок НЕТ другого IF допускает...
72642. ЛОГИЧЕСКИЕ ВЫРАЖЕНИЯ 14.43 KB
  Логическими данными могут быть не только переменные и константы логического типа. Данные или выражения любого встроенного типа связанные операцией логического отношения образуют конструкцию логического типа. Такие конструкции могут входить в логические выражения наравне с логическими переменными и константами.
72643. Условные операторы 23.83 KB
  Условные операторы позволяют выбирать одно из нескольких возможных продолжений процесса программы. Имеется несколько форм условных операторов, из которых самым мощным и простым является структурный оператор IF.
72644. Последовательность выполнения операторов в программной единице 12 KB
  Главная программа является ведущей программной единицей, и обработка всей программы всегда начинается с первого исполняемого оператора главной программы. Обычно главную программу располагают в начале всей программы, т.к. этого требуют некоторые компиляторы; за главной программой следуют подпрограммы.
72645. Последовательность выполнения операторов в программной единице 12.99 KB
  Любая программная единица представляет собой последовательность операторов и комментариев. Комментарии могут располагаться в любом месте программной единицы. Они не влияют на ход выполнения программы. Порядок следования операторов в программе существен.