微弱光实验仪V1.0.doc

微弱光测试实验仪实验指导书微弱光测试实验仪实验指导书 1 目目 录录 第一章第一章 微弱光测试实验仪说明微弱光测试实验仪说明 2 一 产品介绍 2 第二章第二章 实验指南实验指南 3 一 实验目的 3 二 实验内容 3 三 实验仪器 3 四 注意事项 3 五 实验操作 3 1 低噪声放大器应用实验 3 2 普通光电二极管测量微弱光原理实验 6 3 雪崩光电二极管测量微弱光原理实验 6 4 光电倍增管测量微弱光原理实验 7 微弱光测试实验仪实验指导书微弱光测试实验仪实验指导书 2 第一章第一章 微弱光测试实验仪说明微弱光测试实验仪说明 一 一 产品介绍 产品介绍 目前 随着生物医学 空间探测以及环境辐射检测技术的发展 对微弱光的检测要求越来越 高 微弱光的检测对探测器和相对应的处理电路都有特定的要求 本实验系统通过对使用不同光电探测器对微弱光信号进行检测对比 了解探测器对微弱光信 号探测的影响 同时通过对微弱光信号探测处理电路的深入研究 进一步掌握微弱光测试系统的 原理及应用方法 二 面板说明 二 面板说明 前面板如下图所示 直流 关 开 频率 4 1 2 4 单位 mV 报警指示阈值调节 光照度调节频率调节 频率输出调零 RP4RP3RP2RP1 补偿调节 增益调节 GCUL B微弱光信号发生与检测实验仪 PMT APD 面板上表头显示值为探测器 雪崩光电二极管 APD 光电二极管和光电倍增管 PMT 输出电流经过内部电 流电压变换后输出的电压值 RP1 RP2 RP3 RP4 和补偿调节旋钮用来补偿仪器内部电流电压变换芯片的失调电流而设置 有余 仪器本身已经使用低失调电流 高输入阻抗的高性能芯片 所以这些旋钮作用可以忽略不计 增益调节旋钮分 4 档 各档增益系数为X4 档 1K X3 档 10K X2 档 100K X1 档 1M 根据各 档系数电阻值可以计算出探测器输出电流 I 表头显示电压 增益系数 直流 频率切换开关为光源驱动模式切换开关 当开关拨到频率档时 光源输出为脉冲光 输 出脉冲宽度通过频率调节旋钮调节 当开关拨到直流档时 光源输出为静态 输出光强通过光照 度调节旋钮进行调节 频率输出切换开关用来切换机箱后面板波形输出和电压输出 当开关拨到开位置时 后面板 波形输出信号 此时直流 频率切换开关对应切换到频率位置 当开关拨到关位置时 后面板电 压输出信号 此时直流 频率切换开关对应切换到直流位置 电压输出设计供有电脑端数据采集 需要时使用 本仪器没有配置数据采集功能 需要另外配置 调零旋钮用于补偿探测器的暗电流使用 当无光照射探测器是 理想情况下探测器输出电流 为零 仪器表头输出也应该为零 实际上有余探测器暗电流的存在 导致无光情况下探测器仍有 电流输出 表头显示值不为零 铜过改旋钮可以对暗电流输出进行补偿 使无光是表头为显示为 零 阈值调节旋钮报警指示灯配合使用 可以用来实现当探测器探测到的光照度高于某一阈值照 度值时 报警指示输出报警信号 亮或者灭 PMT APD 切换开关用来切换光电倍增管和雪崩光电二极管的偏置电压 当开关拨到 PMT 时 微弱光测试实验仪实验指导书微弱光测试实验仪实验指导书 3 后面板 PMT 输出光电倍增管工作偏置电压 当开关拨到 APD 时 PD 接口输出雪崩光电二极管工作 偏置电压 使用对应的探测器时注意拨到对应的工作电压 后面板如下图所示 PMT 高压为倍增管提供工作偏置电压 用 BNC 线对应连接到倍增管组件后面的高压端 PMT 信 号为倍增管电流输入端 用 BNC 线对应连接到倍增管组件后面的电流端 PD 接口为光电二极管和雪崩二极管的接口 波形输出为探测器探测到的脉冲信号输出端口 电压输出为探测器探测到的直流静态光信号输出端口 开关 220V 50Hz PD接口 电压输出 波形输出 PMT信号 PMT高压 微弱光测试实验仪实验指导书微弱光测试实验仪实验指导书 4 第二章第二章 实验指南实验指南 一 一 实验目的实验目的 1 了解不同探测器对微弱光探测处理的原理及方法 2 了解低噪声放大器的内部原理及应用原则 二 实验内容二 实验内容 1 普通光电二极管测量微弱光原理实验 2 雪崩光电二极管测量微弱光原理实验 3 光电倍增管测量微弱光原理实验 4 低噪声放大器应用实验 三 实验仪器三 实验仪器 1 微弱光测试实验仪 1 台 2 光源组件 1 套 3 光电二极管组件 1 套 4 APD 光电二极管组件 1 套 5 光电倍增管组件 1 套 6 衰减片组件系统 1 套 7 连接线 若干 8 电源线 1 根 四 四 注意事项注意事项 1 连接电路时 保证电路未通电 2 光源极性不要接反 3 不要用强光持续照射光电倍增管 特别是在高压下 否则容易使倍增管老化 五 实验操作五 实验操作 1 低噪声放大器应用实验 低噪声放大器应用实验 一个光电探测系统是由光学变换 光电探测器和后续电路处理系统组成 一般光电探测 器需连结多级放大器 我们称第一级放大器为前置放大器 对于一个由 n 个放大器级连成的放大 系统 其噪声特性可由弗里斯 Friis 公式表达 5 1 1 112121 32 1 111 n n PPPPPP FFF NFF kkkkkk 微弱光测试实验仪实验指导书微弱光测试实验仪实验指导书 5 式中为系统的总噪声系数 为第一级放大器的噪声系数 为第 n 级放大器的噪声系 NF1 F n F 数 为第一级功率增益 为第 n 级功率增益 1 P k n P k 由上式可以看出 多级放大器噪声系数的大小 主要取决于第一级放大器的噪声系数 为了 使多级放大器的噪声系数减小应尽量减小第一级的噪声系数 同时提高第一级的功率增益 这 1 P k 是指导我们设计低噪声放大器的一个重要原则 此外 还需考虑放大器的频率特性 动态范围 信号源阻抗等要求 所以具体电路因系统不同而异 从低噪声要求出发应考虑如下几点 1 选择内部噪声低 信号源电阻合适的管子 前置放大器可由晶体管 结型场效应管 绝缘 栅场效应管和集成电路组成 晶体管适合于信号源电阻在几十欧姆至一兆欧姆范围内 结型场效 应管适合于较高的源电阻 绝缘栅场效应管可工作于更高的信号源电阻情况 但因其噪声较 1 f 大 所以用得较少 只有在高阻状态才用 2 应选择优质电阻 电容 低噪声放大器除了放大管自身噪声低以外 还需要电阻 电容的 噪声也很低 因电阻自身都存在固有的热噪声 热噪声电压的均方值为 5 1 2 2 4 nk VTR f 式中 为玻耳兹曼常数 1 38 10 23 J K 为电阻阻值 为电阻的绝对温度 为 kRT f 测量系统的通频带宽度 除此以外 电阻还产生与电阻品质有关的电流噪声 也称过剩噪声 电 流噪声的均方电压为 5 1 3 22 2 dc nf Ki R Vff f 式中 是与材料工艺有关的常数是流过电阻的直流电流 是频率 是电阻阻值 这 K dc if R 种噪声有与频率成反比 与所加直流电流的平方成正比的特性 这种噪声的大小与生产过程有 dc i 密切关系 通常合成碳质电阻噪声最大 金属膜电阻噪声比较小 精密金属膜电阻噪声更小 线 绕电阻噪声最小 但体积较大 所以 最常用的是金属膜电阻 3 有良好的电磁屏蔽措施 因为前置放大器输入信号很弱 外界干扰相对来说显得很强 它 们可通过分布电容或磁场耦合把干扰引入放大器 所以 用金属壳把放大器包围起来 并使金属 壳接地就能很好地屏蔽外界电场干扰 屏蔽壳除了屏蔽外界电场干扰外 同时也屏蔽外界磁场干扰 此外 放大器的信号输入线应 尽可能短且采用屏蔽线 采用晶体管或结型场效应管组成的低噪声集成运算放大器其体积小 使用方便 在噪声要求 不很高的情况下 用它组装的前置放大器是方便易得的 本实验就采用低噪声集成运算放大器组 装前置放大器进行实验 从课程学习中已经知道 放大器的噪声模型是由无噪声的理想放大器输入端等效噪声电压源 和等效噪声电流源值 而信号源是由信号源电阻 信号电压和噪声均方根电压组 n E n I s R s V 2 n V 成 一般低噪声集成运算放大器都给出和值 由此可得最佳源电阻 n E n I En 微弱光测试实验仪实验指导书微弱光测试实验仪实验指导书 6 5 1 4 n sop n E R I 也可得到等效输入噪声电压 5 1 5 22222 snnnni RIEVE 和最小噪声系数 5 1 6 222 min 1 4 nns sop EI R F kTRf 但是 一般和都给出 1H 带宽中的值 所以最小噪声系数也定义在 1Hz 带宽中 即 n E n I 5 1 7 sop snn kTR Rie F 4 1 222 min 取对数值 dB 得 5 1 8 FNFlog10 有的集成运算放大器给出 值 也有的给出值 n I n E NF 本实验仪器使用的探测器输出的都是微弱电流信号 故前级设计为低噪声微弱电流 电压变换 电路 如下图 2 3 74 6 8 1 5 U 1 L F35 6 C 2 22 4 C 1 22 4 5 V 5 V R p150 k 5V 5 V R 110 K D 1D 2 R 210 K C 3 22 4 1 2 J1 in R 310 0K R 41M R 610 0K R 510 M R 89K R 71K R 951 K R 10 51 0K R 11 9 1M R 12 9 1M 1 2 3 4 5 J2 rs R p250 k R p350 0k R p41M R p51M 1 2 3 4 5 J3 rn S1 SW S PD T 5 1 1 电流 电压变换电路 为降低由于输入偏置电流产生的漂移 应对不同量程的偏置电流进行转换 响应频率岁反馈 电阻 R3 R6 而变 电阻大小由输入的直流电流确定 电路中 在反向输入端输入电流 通过反馈 微弱光测试实验仪实验指导书微弱光测试实验仪实验指导书 7 光输入 探测器 偏压 微弱电流放大 增益调节 补偿调节 电压输出 BNC BNCC 衰减片 示 输出显示 调制 直流 奇幻 频率输出 BNC 报警电路 阈值调节 电阻把电流转换为电压 输出电压 Uo Ii Rf Ii 为探测器输出电流 Rf 为 R3 R6 中一个电阻 因此可确定响应的输入电流转换的电压 Uo 要使用驱动电流小的运放 驱动电流引起的漂移电压可采用同向输入抵消 电路中量程选择开关 J2 对应机箱面板上增益调节选择开关 漂移补偿选择开关 J3 对应机箱 面板上补偿调节选择开关 补偿调节电位器 Rp2 Rp5 对应机箱面板 RP1 RP4 打开主机箱电源 选择不同增益档位和对应补偿调节档位 调节补偿调节电位器 观察表头 显示 根据原理图分析显示结果 增益档位系数分别为 X4 档 1K X3 档 10K X2 档 100K X1 档 1M 2 普通光电二极管测量微弱光原理实验 普通光电二极管测量微弱光原理实验 图5 2 1 电路框图 本实验仪电路框图如图5 2 1 1 将光电二极管组件接入机箱后航空插座接口 机箱内已经为二极管提供直流偏压 2 光源和光电二极管组件对接 3 光源对应接入机箱后红 黑护套插座 4 打开电源开关 调节光强 观察主机箱显示值 单位为MV 5 观测不同光强对应不同的档位情况 6 观测调制光输出 7 实验完成后关闭电源 3 雪崩光电二极管测量微弱光原理实验 雪崩光电二极管测量微弱光原理实验 1 将雪崩光电二极管组件接入机箱后航空插座接口 机箱内已经为二极管提供直流偏压 2 光源和雪崩光电二极管组件对接 3 光源对应接入机箱后红 黑护套插座 4 打开电源开关 调节光强 观察主机箱显示值 单位为MV 5 观测不同光强对应不同的档位情况 6 观测调制光输出 微弱光测试实验仪实验指导书微弱光测试实验仪实验指导书 8 7 通过观测结