放大电路特性测定.doc

放大器特性测定乐永康 实验目的电学信号的处理在非常多的科学仪器中都是必须的环节。在“NaI(Tl)单晶g能谱”实验中，光电倍增管输出的信号经过放大器处理后输入到多道分析器得到能谱。此实验的教学中，一般都侧重于能谱的记录、分析，以及g射线和物质的相互作用，而对此实验系统中，电学信号的处理过程，以及由此对信号甚至能谱的特性可能产生的影响涉及较少。我们认为，如果此实验教学能让学生对电子学系统的工作原理、特性等有较多的了解，不仅有利于他们对能谱测量结果有更深的理解，如比较全面地讨论能谱展宽的因素，也必将有利于他们今后在科研、工作中更好地掌握相关仪器的操作，甚至具备一定的仪器维护知识和能力。由于上述内容在现有的实验教材1,2中涉及较少，在物理实验教学类的期刊中也鲜有专门的论述，本实验旨在通过一些比较直观的实验结果来介绍g能谱实验中使用的线性放大器（型号BH1218)的主要功能，如放大和微分两项，特别是在输入信号频率不同时放大器的时间响应特性，以期对学生更好地理解此实验能有所帮助。我们也会简单地介绍一下示波器输入耦合对观测信号的影响。实验原理和仪器图1是本实验的原理图。其中XJ1631是函数信号发生器，其输出信号有正弦、方波和三角波三种波形，信号的频率在0.1Hz到2MHz之间连续可调，信号幅度通过幅度旋钮和输出衰减按钮的调节可以控制在约5mV（可以得到幅度更小的信号，但因为仪器使用年限较长，更小幅度的信号稳定性不佳，噪声的影响不可忽略）到约20V（峰峰值）；XJ4453是双踪数字示波器，带宽100MHz，采样频率1G/sec，带有存储功能。BH1218是g能谱实验中使用的线性放大器，放大倍数在5到750倍连续可调（通过粗调和细调两个旋钮来实现），带有微分和积分等功能选项。实验中，函数信号发生器输出的信号一路直接输入到数字示波器(CH1)，另一路经线性放大器后输入到示波器(CH2)。我们在信号发射器上设定所要的信号，在示波器上观察两路信号形状和幅度的变化，就可以确定放大器的作用。图1：实验原理图。XJ1631是函数信号发生器，XJ4453是数字示波器，BH1218是线性放大器。实验结果和讨论1、 示波器的耦合方式对信号的影响示波器在各种实验中有非常广泛的应用，但不少学生（包括物理系三、四年级的学生）未能掌握示波器的合理操作，甚至无法观察到正确的信号。在这里，我们介绍一下不同耦合方式下观察到的不同频率信号的形状变化。 a) f=1.0Hzb) f=10.0Hz c) f=100.0Hzd) f=1.000kHz图2：不同频率的信号分别经AC、DC方式耦合示波器后的波形。棕色信号为AC耦合，蓝色信号为DC耦合。在此实验中，信号发生器输出的信号直接输入到示波器的两个输入端（与原理图所示的接线方式不同），CH1选择“交流耦合”，CH2选择“直流耦合”。图2给出了信号频率分别是1Hz，10Hz，100Hz，1.000kHz时观察到的信号。容易看出，对低频信号，示波器在交流耦合方式显示的信号有严重畸变，这种畸变反映的是采样电路中的隔直电容的充放电过程。因此，我们必须选择直流耦合方式来观察低频信号。当信号频率为1.000kHz时，两种耦合方式给出相同形状的信号（图形中信号幅度的差别是因为两个输入端选择的刻度单位不同）。需要注意的是：本实验中，输入信号中不包含直流成分。若信号中含有直流成分，那么，交流耦合方式将直接滤去直流成分而只显示交流成分。这种工作方式也有专门的应用，一个简单的例子是：以光电池为传感器测量日光灯的光强起伏。我们只需将光电池的输出信号以交流耦合方式输入到示波器，这时，我们得到的就只有光强的变化部分。由此可见，要正确使用示波器（实际上，对任何仪器都如此），我们必须对示波器的原理和各种操作键的功能有比较清楚的了解，并能根据当前的信号特点和具体的测量目的，合理选择示波器的功能和参数设置。2、放大器的微分功能及其时间响应特性由于厂家提供的BH1218放大器的产品使用说明书3不够详细，譬如缺少有关微积分功能的原理说明和具体操作指南，我们对实验仪器缺乏足够的了解，也就无法为学生做实验提供必要的支持，影响实验教学效果。为此，我们设计了针对性的实验来说明该放大器微分选项的具体功能，并尝试测定这部分电路的时间响应特性。我们采用图1所示的原理图来接线，放大器的放大倍数设定为10倍。实验中，信号发生器选择三角波输出，频率分别设为100Hz、1.000kHz、10.00kHz、20.00kHz和100.0kHz，观察微分功能旋钮分别设在max，0.5，1和2时，信号形状和幅度的变化。 a）微分设为max（不经微分） b） 微分设为0.5 c）微分设为1d）微分设为2图3：20.00kHz的三角波经过微分后的信号。这里放大倍数是10，棕色线为输入信号，蓝色线为放大器输出信号。读取信号幅度时需注意：a）图中纵坐标的刻度是1.00V/Div，而另三张图的刻度都是500mV/Div。由于g能谱实验中，光电倍增管输出的单个信号脉冲的宽度是几个微秒，所以，我们先频率为20.00kHz的三角波信号进行实验。图3给出了频率为20.00kHz三角波信号经过放大器微分后的信号。其中图3a）给出的是微分设置在“max”时的结果，也就是只放大不微分后的信号变化。由两路信号的幅度关系可以看出，实际放大倍数约为8，而不是设定的10倍。因此，为了得到可靠的结果，我们还需对放大器的放大倍率进行定标。由图3a）还可以看出，放大器输出的三角波有畸变（构成三角波的每一段斜线都变成了折线）。由微积分基础知识可以知道，三角波在微分之后是一个方波信号。的确，图4b）中CH2的信号是一个稍有畸变的方波。随着微分设置参数的变大（图4b）、c）、d），微分信号的幅度增大，而信号的畸变（上升沿和下降沿的尾部不陡，低电平和高电平不平）也随之增大。我们认为，这是由于微分电路中的电容4带来的影响。因此，为了减少信号的畸变，在信号幅度可满足要求的情况下，我们应设置尽量小的微分参数。 a）f=100Hzb) f=1.000kHz c）f=10.00kHzd) f=100.0kHz图4：不同频率的三角波信号经微分后的信号。微分设置都是2。随后，我们测量不同频率的三角波经放大器微分后的信号。从图4所示的结果可以看出：当信号频率为100Hz时，微分信号幅度很小（Vpp约为70mV），且信号仍是三角波的形状，说明微分电路没有正常工作；信号频率增大为1.000kHz时，我们看到的是畸变（高、低电平都是斜线）很严重的方波；当信号频率10.00kHz时，微分后的信号可近似为一个方波；而当信号频率继续增大到100.0kHz时，输出信号的畸变又非常明显：上升沿和下降沿都不陡，低电平和高电平都不平，得到的信号已经不是方波了。由此可知，此放大的微分电路只能用于处理频率在10kHz量级的信号。实验结论我们首先通过具体的实验结果介绍了示波器的输入耦合对测量信号的影响，然后，我们以三角波为输入信号，用具体实验结果说明了放大器的微分功能，随后，我们通过实验测定了微分电路的工作频段在10kHz量级。讨论1、 现在很多国内厂家提供的产品说明书不够详细，特别是现在基本上都不提供电路图了。如此，用户很难自己开展设备的维护，甚至想对设备的原理等有深入的了解都比较困难。对此，用户想要用好设备，实验教师想要对教学实验“完全掌控”，自己做一些针对仪器性能的测试实验是必须的。2、 我曾问过好几位做近代物理实验的同学（其中有几位是在实验课上表现很不错的同学）：怎么测量放大器的放大倍数？没有一位同学能给出一种测量的方法。因此，尽管经常有同学抱怨“实验讲义上对步骤等的描述太具体了，限制了我们的思考！”等等，但真让他们自己去设计实验时，他们独立思考的主动性不足。想要改变这样的状况，实验教师如何发挥积极的引导作用很重要，也是一个很值得探索的课题。3、 本实验涉及的内容还很多，由于时间限制，目前只完成了很少一部分内容。接下来，我们还会继续努力，将此实验做得更完整，如输入信号频率变化时，放大器的放大倍数的定标、积分功能的测定等等，以进一步提高自己对实验的认识，也希望以