番茄花园-实验一光电二极管光电三极管光照特的测试

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1、 1. 掌 握 光 电 二 极 管 的 工 作 原 理 和 使 用 方 法 。2. 进 一 步 了 解 光 电 二 极 管 的 光 照 特 性 和 伏 安 特性 ， 为 设 计 光 电 系 统 前 置 放 大 器 打 下 基 础 。 1. 光 电 二 极 管 是 结 型 半 导 体 光 伏 探 测 器 件 。 当 入 射 光 子能 量 大 于 材 料 禁 带 宽 度 时 ， 半 导 体 吸 收 光 子 能 量 将 产生 电 子 空 穴 对 。 产 生 在 PN结 内 的 电 子 空 穴 对 在 内 建 电场 （ 光 电 二 极 管 工 作 时 加 反 向 偏 压 Vb） 作 用 下 被 分 离

2、 ，形 成 光 生 电 势 ， 产 生 光 电 流 ， 如 图 1所 示 图 1 光 电 二 极 管 工 作 原 理 图 2. 光 电 三 极 管 的 原 理 性 结 构 如 图 2所 示 。 正 常 运 用 时 ， 集 电极 加 正 电 压 。 因 此 ， 集 电 结 为 反 偏 置 ， 发 射 结 为 正 偏 置 ，集 电 结 为 光 电 结 。 当 光 照 到 集 电 结 上 时 ， 集 电 结 即 产 生 光电 流 Ip向 基 区 注 入 ， 同 时 在 集 电 极 电 路 产 生 了 一 个 被 放 大的 电 流 ： 为 电 流 放 大 倍 数 。 图 2 光 电 三 极 管 工 作

3、 原 理 图(1 )C p pI I I E4E3E2E1E0 E4E3E2E1E0U I 0 E4E3E2E1E0 E4E3E2E1E0 U I 0 图 3（ a） 光 电 二 极 管 伏 安 特 性 曲 线 （ b） 光 电 三 极 管 伏 安 特 性 曲 线3. 光 电 二 极 管 和 光 电 三 极 管 的 伏 安 特 性 曲 线 1. 测 量 光 电 二 极 管 的 光 电 流 和 照 度 特 性 曲 线 。2. 测 量 光 电 二 极 管 不 同 照 度 下 的 伏 安 特 性 曲 线 。 图 4 光 电 二 极 管 光 照 特 性 测 试 装 置照 度 计 直 流 稳 压 电 源

4、A光 电 探 测 器调 压 变 压 器 1. 实 验 仪 器 ： 光 电 二 极 管 、 钨 丝 灯 、 调 压 变 压 器 、 照 度表 、 毫 安 表 、 直 流 稳 压 电 源 等 。2. 实 验 装 置 如 图 4。 1. 掌 握 硅 光 电 池 的 正 确 使 用 方 法 。2. 了 解 光 电 池 零 负 载 ， 以 及 不 同 负 载 时 光 电 流与 照 度 的 关 系 。 1. 光 电 池 具 有 半 导 体 结 型 器 件 无 源 直 接 负 载 下 的 工 作 特性 ， 工 作 原 理 如 图 1所 示 。 RL外 接 负 载 为 ， Ip为 光 电流 ， ID为 二 极

5、 管 结 电 流 。 光 IR L ID I A N P 图 1 光 电 池 工 作 原 理 图 2. I为 通 过 负 载 的 外 电 流 ： 其 中 ISC为 光 电 流 反 向 饱 和 电 流 。 当 为 温 度 电 压 当 量时 ， 负 载 RL上 的 电 压 V=IRL 给 光 电 池 正 向 偏 压 。 当 零 负 载 时 （ RL=0） ， （ 1） 式 外 电 流 为 短 路 电 流 ： S为 光 电 流 灵 敏 度 ， 短 路 电 流 ISC和 照 度 E成 正 比 。 当 开 路 时 ， （ R L= ） ， （ 1） 式 外 电 流 I=0则 开 路 电 压 为 ： 开

6、路 电 压 Voc与 照 度 E几 乎 无 关 ； 所 有 照 度 下 的 开 路 电 压 Voc趋于 光 电 池 正 向 开 启 电 压 V=0.6伏 ， 并 小 于 这 个 电 压 值 。/( 1)Tv vD scI I I I I e TT KV qsc pI I SE ln(1 )poc T SCIV V I 最 佳 负 载 ， 负 载 在 RL=0 之 间 变 化 按 经 验 公 式 求 出 最 佳负 载 ：u 当 RL Ropt时 ， 并 忽 略 光 电 池 结 电 流 ， 负 载 电 流 近 似 等 于 恒定 短 路 电 流 。u 当 R LRopt时 ， 光 电 池 结 电 流

7、 按 指 数 增 加 ,负 载 电 流 近 似 于 指数 形 式 减 小 。 m (0.60.8) (0.60.8)Im oc ocopt scV V VR I SE 1. 测 定 电 池 零 负 载 下 Ip和 E的 关 系 。2. 测 定 光 电 池 不 同 负 载 情 况 下 特 性 数 据 。 硅 光 电 池 、 照 度 计 、 钨 丝 灯 、 调 压 变 压 器 、 直 流稳 压 电 源 、 毫 伏 电 压 表 、 微 安 表 、 电 阻 和 电 位 计等 。 图 2 光 电 池 负 载 实 验 装 置照 度 计调 压 变 压 器 A R5 R6 RLC mv R3100B G1 R

8、4 VE I2 I1 A G 100 光 电 池 负 载 实 验 线 路 装 置 如 图 2所 示 。 u 光 电 池 受 光 照 后 ， 产 生 光 电 流 I2。 在 A、 B两 点 的 毫伏 电 压 会 产 生 偏 转 。 调 节 稳 压 电 源 VE后 ， 产 生 补 偿电 流 I1， I1和 光 电 流 I2方 向 相 反 。 调 节 电 位 计 R5（ 粗调 ） 和 R6（ 细 调 ） 使 补 偿 电 流 I1与 光 电 流 I2相 减 ， 并促 使 毫 伏 电 压 表 G1指 示 为 零 。 此 时 ， 表 示 A点 和 B点电 位 相 同 。 相 当 于 光 电 池 在 A、

9、B二 点 外 电 路 为 零 状态 下 工 作 ， 根 据 电 路 平 衡 条 件 ： 则 光 电 流 为 ： 2 3 1 2 4( ) 0I R I I R 42 1 1 14 3 100 1( ) ( )100 100 2RI I I IR R 1. 了 解 光 电 倍 增 管 的 基 本 特 性 。2. 学 习 光 电 倍 增 管 基 本 参 数 的 测 量 方 法 。3. 学 会 正 确 使 用 光 电 倍 增 管 。 1. 工 作 原 理 u 光 电 倍 增 管 是 由 半 透 明 的 光 电 发 射 阴 极 、 倍 增 极 和 阳极 所 组 成 的 ， 由 图 1所 示 。图 1

10、光 电 倍 增 管 外 形 与 结 果 原 理 示 意 图 a) 侧 窗 式 b) 端 窗 式 c) 原 理 示 意 图 u 当 入 射 光 子 照 射 到 半 透 明 的 光 电 阴 极 K上 时 ， 将 发 射 出 光电 子 ， 被 第 一 倍 增 极 D1与 阴 极 K之 间 的 电 场 所 聚 焦 并 加 速后 与 倍 增 极 D2碰 撞 ， 一 个 光 电 子 从 D1撞 击 出 3个 以 上 的 新 电子 ， 这 种 新 电 子 叫 做 二 次 电 子 。 这 些 二 次 电 子 又 被 D1 D2之 间 的 电 场 所 加 速 ， 打 到 第 二 个 倍 增 极 D2上 。 并

11、从 D2上 撞击 出 更 多 的 新 的 二 次 电 子 。 如 此 继 续 下 去 ， 使 电 子 流 迅 速倍 增 。 最 后 被 阳 极 A收 集 。 收 集 的 阳 极 电 子 流 比 阴 极 发 射的 电 子 流 一 般 大 105 104倍 。 这 就 是 真 空 光 电 倍 增 管 的 电子 内 倍 增 原 理 。 2. 供 电 分 压 器 和 输 出 电 路 u 光 电 倍 增 管 的 极 间 电 压 的 分 配 一 般 是 由 图 2所 示 的 串 联电 阻 分 压 器 执 行 。u 最 佳 的 极 间 电 压 分 配 取 决 于 三 个 因 素 ： 阳 极 峰 值 电 流

12、、允 许 的 电 压 波 动 以 及 允 许 的 非 线 性 偏 离 。 图 2 光 电 倍 增 管 供 电 电 路-HV D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 11IA10IK 1 2 3 4 5 6 7 8 9K A 3. 光 电 倍 增 管 的 特 性 和 参 数 阴 极 光 照 灵 敏 度 阴 极 光 照 灵 敏 度 定 义 为 光 电 阴 极 的 光 电 流 IK除 以 入射 光 通 量 所 得 的 商 ： 国 际 照 明 委 员 会 的 标 准 光 照 相 应 于 分 布 温 度 为2859K的 绝 对 黑 体 的 辐 射 。 阳 极 光 照 灵 敏 度 阳 极 光 照

13、灵 敏 度 定 义 为 阳 极 输 出 电 流 I A除 以 入 射 光通 量 所 得 的 商 ： ( )KK mIS A L ( )AA mIS A I 电 流 增 益 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 与 阴 极 电 流 的 比 值 ， 也 可 以 用 阳 极 光 照 灵 敏 度 与阴 极 光 照 灵 敏 度 的 比 值 来 确 定 ， 即 ： 或 暗 电 流 当 光 电 倍 增 管 在 完 全 黑 暗 的 情 况 下 工 作 时 ， 阳 极 电 路 里仍 然 会 出 现 输 出 电 流 ， 称 为 暗 电 流 。 引

14、 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 和 极 间 漏 电 等 。AKIG I AKSG S u 实 验 装 置 如 图 3。 图 3 测 试 原 理 图测 试 室 光 源 室白 炽 灯白 炽 灯 电 源倍 增 管 电 源倍 增 管检 流 计 u 本 实 验 选 用 GB787-74型 光 电 倍 增 管 ， 其 管脚 和 名 称 见 下 图 。 1. 了 解 光 电 三 极 管 和 红 外 发 光 管 的 性 能 、 参 数及 应 用 。2. 学 会 拟 定 、 分 析 光 电

15、系 统 。3. 掌 握 光 电 三 极 管 接 收 及 放 大 电 路 ， 红 外 发 光管 脉 冲 调 制 光 源 的 构 成 与 调 试 。 1. 实 验 原 理u 光 电 控 制 系 统 一 般 由 发 光 部 分 、 接 收 部 分 和 信 号 处理 部 分 组 成 。u 本 实 验 采 用 振 荡 电 路 产 生 的 方 波 信 号 对 红 外 发 光 管进 行 调 制 ， 使 之 输 出 光 脉 冲 信 号 ， 然 后 由 光 电 三 极管 接 收 ， 放 大 还 原 为 电 信 号 。u 方 波 脉 冲 发 生 器 使 用 555时 基 集 成 电 路 ； 光 电 接 收电 路

16、采 用 光 电 三 极 管 组 成 的 放 大 电 路 ， 本 实 验 采 用3DU11型 。 2. 参 考 实 验 电 路 发 光 电 路 由 震 荡 电 路 和 红 外 发 光 管 HG413组 成 ， 电路 图 如 图 1所 示 。 图 1 发 光 电 路14 82 376 51 R1 2.2K R2 51K C1 0.2 F C2 0.01 FR3 39 D VCC(+5V) HG413 u 时 基 集 成 块 NE555输 出 震 荡 频 率 由 外 接 电 阻 R1、 R2及 电 容 C1决 定 。u 3端 为 输 出 端 ， R3是 限 流 电 阻 ， 避 免 由 于 电 流 过

17、 大而 烧 坏 红 外 发 光 管 D， 其 输 出 信 号 为 方 波 ， 占 空 比为 。 1 2 11.43( )f R R C 11 2RR R 接 收 电 路 由 光 电 三 极 管 、 放 大 驱 动 电 路 和 负 载 组 成 。由 于 外 接 负 载 的 不 同 ， 所 采 用 的 放 大 电 路 的 形 式 也 很多 。u 如 果 负 载 电 流 较 小 ， 可 采 用 晶 体 管 作 放 大 器 ， 输 出 端直 接 带 负 载 （ 如 图 2） 。 图 2 晶 体 管 放 大 电 路T13DU11 D(BT201)T23DG6R151K R2 6.2K VCC （ +5V

18、） u 采 用 运 算 放 大 器 作 放 大 电 路 （ 如 图 3） 该 电 路 特 点 是 ：电 路 简 单 ， 调 试 方 便 ， 工 作 稳 定 可 靠 。 但 输 出 电 流 仍 受运 算 放 大 器 的 最 大 输 出 电 流 限 制 。 u 如 果 负 载 电 流 较 大 ， 或 者 负载 需 要 较 高 的 电 压 驱 动 ， 那么 可 以 采 用 继 电 器 进 行 弱 电 强 电 转 换 （ 如 图 4） 该 电路 经 继 电 器 后 输 出 电 流 可 较大 。 但 其 调 试 复 杂 ， 且 电 路的 可 靠 性 也 由 于 采 用 的 元 器件 增 多 而 有 所

19、下 降 。 1. 组 装 脉 冲 发 生 器 电 路 ， 并 进 行 调 试 ， 先 取 C1=10 F。此 时 此 频 率 可 由 接 收 部 分 发 光 二 极 管 直 观 地 显 示 出 来 ， 便于 调 试 。2. 组 装 光 接 收 电 路 ， 将 光 脉 冲 转 换 为 电 脉 冲 。 3. 联 调 3 61.43 2Hz2.2 51 10 10 10f 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 与 抑 制 白 噪 声 能 力 。4. 测 量 相 敏 检 波 特 性 。 1. 相 关

20、 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 。 sin( )A AV V t C0 V 0Vi R1 R0VA VB图 1 锁 定 放 大 器 中 通 常 采 用 的 相 关 器4 1(sin sin3 .)3B R RV t t 2. 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

21、的 单 位 幅 度 方 波 。 VA为 输 入 信 号 ，表 示 为 VA VAsin( t+ )。 当 R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 Vi和 Vo为 ：式 中 ：i A BV V V 0 00 2 120 1 2.1 0 02 1 20 02 cos (2 1) 1 2 1 1 (2 1) cos( ) 1 (2 1) A R no n RtR C n RRV n t QV R n n R CQe n R C 、 、 12 1 0 0 (2

22、1) n RQ tg n R C =0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 。 3. 对 （ 2） 式 讨 论 有 下 列 结 论 ： 时 间 常 数 ， T1 R0C0 当 = R时 ， 输 出 直 流 电 压 与 相 位 成 cos 关 系 。 奇 次 谐 波 能 通 过 并 抑 制 偶 次 谐 波 ， 传 输 函 数 和 方 波

23、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V o与 f/fR响 应 曲 线 如 图 3所 示 。0 12 cosAo RVV R 1/31/51/71/91/11 1 3 5 7 9 11 Vo ffR 图 3 Vo f/fR响 应 曲 线 曲 线 表 明 在 fR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

24、， 形成 Q值 很 高 的 带 通 滤 波 器 。 图 4 相 关 器 输 入 为 与 参 考 信 号 同 频 的 方 波 时 它 的 输 出 直 流 电 压 与 两 者 的 相 位 差 成 线 性 关 系 V0-1+1 90 180-90-180 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 和 信 号 与 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 。 等 效 噪 声 带 宽 基 波 噪 声 带 宽 ：

25、 总 等 效 噪 声 带 宽 ： 式 中 T为 低 通 滤 波 器 的 时 间 常 数 。1 0 01 12 2Nf R C T 2 2 1 18 16N Nf f T u 相 关 器 实 验 插 件 盒 的 相 关 器 电 原 理 框 图 如 图 5所 示 。 由 加 法器 、 交 流 放 大 器 、 开 关 式 乘 法 器 （ PSD） 、 低 通 滤 波 器 、 直流 放 大 器 、 参 考 通 道 方 波 形 成 与 驱 动 电 路 组 成 。 图 5 相 关 器 框 图加法器 信 号 输 入 噪 声 输 入 面 板 控 制信 号 输 入 1, 10, 100 乘 法 器PSDPSD输

26、 出 面 板 控 制 面 板 控 制低 通 滤 波 器T=0.1s,1s,10s 直 流 放 大 1, 10, 100直 流 输 出加 法 器 输 出 参 考 输 入 方 波 驱 动 电 路 1. 相 关 器 的 PSD波 形 观 察 及 输 出 电 压 测 量图 6 相 关 器 PSD波 形 观 察 及 输 出 电 压 测 量 框 图多 功 能 信 号 源正 弦 波 输 出 相 关 器信 号 输 入 PSD输 出参 考 输 入 输 出 交 流 、 直 流 噪 声 电 压 表 表交 流 输 入频 率 计 输 入 宽 带 相 移 器输 入 同 相 输 出 相 位 计信 号 输 入 参 考 输 入

27、 示 波 器 u 按 图 6所 示 用 电 缆 或 导 线 连 接 ； 接 通 电 源 ， 预 热 二分 钟 ， 调 节 多 功 能 信 号 源 ， 使 输 出 频 率 在 10KHz左右 。u 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 。u 把 实 测 结 果 与 理 论 公 式 对 比 。式 中 Vo为 相 关 器 输 出 的 直 流 电 压 ， KAC为 交 流 放 大 倍数 ， K DC为 直 流 放 大 倍 数

28、 ， 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 coso AC DC AV K K V 2. 相 关 器 谐 波 响 应 的 测 量 与 观 察 u 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 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 。

29、u 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

30、流 响 应 为 0， PSD的 输 出 波 形 如 图 7所 示 。 VA VO VR VPSD t ttt VA VO VR VPSD tttt VA VO VR VPSD tttt图 7 相 关 器 谐 波 响 应 的 各 点 波 形 3. 对 噪 声 的 抑 制 与 等 效 噪 声 带 宽 u 白 噪 声 电 压 与 带 宽 有 关 。 多 功 能 信 号 源 中 的 白 噪 声发 生 器 是 一 宽 带 白 噪 声 源 。 要 确 切 测 量 与 计 数 噪 声电 压 ， 必 须 要 已 知 噪 声 带 宽 ， 已 知 噪 声 带 宽 可 以 用高 通 ， 低 通 滤 波 器 组 成

31、一 个 已 知 通 带 宽 度 的 带 通 滤波 器 来 确 定 。 对 于 二 阶 有 源 滤 波 器 信 号 带 宽 fs与等 效 噪 声 带 宽 fn有 下 列 关 系 式 决 定 ： 2n sf f 图 8 对 噪 声 的 抑 制 与 等 效 噪 声 带 宽 测 量 框 图多 功 能 信 号 源正 弦 波 输 出 示 波 器频 率 计同 相 输 出 直 流输 出高 、 低 通 滤 波 器 输 入输 出 宽 带 相 移 器 输 入相 关 器信 号 输 入噪 声 输 入参 考 输 入 加 法 器 输 出PSD输 出 Y1 Y2交 流白 噪 声 交 流 、 直 流 、 噪 声 电 压 表输

32、入噪 声 输 出 X-Y记 录 仪输 入输 入 测 试 方 框 图 如 图 8所 示 u 白 噪 声 信 号 源 通 过 高 低 通 滤 波 器 组 成 的 带 通 滤 波器 的 限 制 ， 使 高 通 、 低 通 滤 波 器 的 输 出 为 已 知 等效 噪 声 带 宽 的 噪 声 源 ， 输 给 相 关 器 的 噪 声 ， 白 噪声 电 压 的 大 小 由 交 流 、 直 流 、 噪 声 电 压 表 测 量 ，在 测 量 白 噪 声 电 压 时 ， 给 出 的 白 噪 声 的 均 方 根 电压 。 4. 相 敏 检 波 特 性 u 实 验 连 线 及 原 理 框 图 同 图 6。 把 多

33、功 能 信 号 源 的输 出 改 成 方 波 输 出 。 工 作 频 率 选 为 250Hz（ 其 它频 率 都 可 以 ） 。 输 入 方 波 信 号 为 1000mV。 相 关 器的 参 数 选 择 ： KAC=1， KDC=1， T 1秒 。 u 改 变 宽 带 相 移 器 的 相 移 量 。 由 示 波 器 观 察 “ PSD输 出 ” 波 形 ， 并 测 量 “ 相 关 器 输 出 ” 的 直 流 电 压。 用 相 位 计 测 出 不 同 相 移 量 与 输 出 直 流 电 压 值 。用 坐 标 纸 画 出 V o 曲 线 为 直 线 。 表 明 输 出 直 流电 压 与 相 移 量

34、 成 线 性 关 系 的 相 敏 特 性 ， 测 360并说 明 周 期 性 。 1. 信 号 源 接 头 过 多 ， 频 率 计 接 线 可 不 同 时 接 ， 可 先 接 频率 计 后 记 下 频 率 ， 再 接 到 其 他 点 去 ；2. 宽 带 相 移 器 的 相 位 指 示 按 键 不 一 定 准 确 ， 以 输 出 直 流电 压 值 显 示 ， 并 结 合 观 察 PSD输 出 的 波 形 为 准 ；3. 倍 频 、 分 频 输 出 ， 单 点 （ 红 点 ） 按 下 为 板 面 指 示 数 ，多 点 按 下 为 多 点 指 示 数 的 相 加 之 和 。 倍 频 或 分 频 后

35、的相 位 可 能 发 生 改 变 ， 应 结 合 PSD波 形 和 直 流 输 出 进 行调 整 ；4. 本 实 验 中 信 号 源 输 出 频 率 置 1KHz， 相 关 器 交 流 放 大 倍数 置 X10档 ， 直 流 放 大 倍 数 置 X10档 ；5. 本 实 验 中 所 给 出 的 实 验 调 件 仅 供 参 考 ， 可 以 自 己 拟 定条 件 测 量 ； 1. 了 解 同 步 积 分 器 的 原 理 。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 与 抑 制 白噪 声 能 力 。4. 测 量 同 步 积 分

36、 器 的 过 载 电 平 。5. 测 量 同 步 积 分 器 的 等 效 噪 声 带 宽 。 u 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 。 iVI R u 设 输 入 信 号 为 ： Iisin(

37、 t+ )， 两 电 容 C分 别 由 电 子 开关 S以 参 考 频 率 fR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 ： 式 中 X为 单 位 开 关 函 数 ， 数 学 表 达 式 为 ： 略 去 小 项 ， 一 级 近 似 为 ： 式 中 ： o oV V X 4 1 1(sin sin3 sin5 )3 5R R RX t t t 2 1 2 1220,1,2 cos (2 1)2 cos( )12 1 1 2 (2 1)1 2 (2 1) tR ni nRCo n RRn t QRI QV

38、 en RC nRC n 2 1 2 (2 1)n RQ arctg RC n u 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 ：a) 时 间 常 数 ：b) 当 时 ， 对 图 2所 示 的 同 步 积 分 器 ，2IT RCR 2 coio RIV cos2 10 iVRRV c) 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

39、 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 。d) 如 果 输 入 信 号 为 一 幅 值 恒 定 和 参 考 方 波 频 率 相 同 的方 波 信 号 ， 则 同 步 积 分 器 输 出 方 波 的 振 幅 和 信 号 与参 考 信 号 两 者 的 相 位 差 成 线 性 相 敏 关 系 。e) 等 效 噪 声 带 宽 ： 基 波 等 效 噪 声 带 宽 ： 总 等 效 噪 声 带 宽 ： 1 14Nf RC 2 18N Nf f 1.

40、输 出 波 形 的 观 察 与 输 出 电 压 的 测 量 同 步 积 分 器 输 出 波 形 观 察 与 测 试 框 图 如 图 4。 2. 谐 波 响 应 的 观 察 与 测 量 实 验 连 接 原 理 框 图 见 图 5。 u 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

41、 观 察输 入 输 出 波 形 。 观 察 波 形 如 图 6所 示 。 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 7。 4. 对 白 噪 声 的 抑 制 测 量 白 噪 声 的 抑 制 与 等 效 噪 声 带 宽 的 测 量 框 图 如 图 8。 5. 相 敏 特 性 的 测 量 相 敏 特 性 的 测 试 框 图 如 图 9。 6. 同 步 积 分 器 的 相 敏 特 性 如 图 10， 同 步 积 分 器 输 入 为 恒 幅 方 波 时 ， 输出 幅 度 与 相 位 差 成 线 性 关 系 。 1. 了

42、解 多 点 信 号 平 均 器 的 原 理 。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 。 1. 周 期 信 号 的 波 形 复 现 u 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

43、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 。 u 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 。 u 设 控 制 开 关 的 门 脉 冲 的 周 期 为 TR， 门 宽 为 Tg， 引 入 单

44、位幅 度 的 门 脉 冲 函 数 fo（ t） ， 式 中 为 相 对 门 宽 ， 为 门 脉 冲 的 圆 频 率 。 波 形 如 图 2所 示 。 12 1sino nf t n RTn gRTT 2RR T u 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 函 数 后 ， 积 分 电 阻 与开 关 能 用 等 效 积 分 电 阻 Re置 换 。u 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

45、间 的 函 数 。 e oRR f t u 积 分 电 路 的 微 分 方 程 为 ： 设 把 式 （ 4） 代 入 式 （ 3） ， 解 微 分 方 程 得 ： cosi iV V t o o ie edV V Vdt CR t CR t 2 2cos( ) cos( ) 1 ( / ) 1 ( / )tRto i tV V eRC RC 1 2cos( ) 1sin( ) 1 ( )i nV n R tnn RC n R 2 2cos( ) cos( ) 1 ( ) 1 ( )tRC n R te RC RCn R n R 2cos( )1 ( )tRCe RC n R 式 中 根 据 物

46、 理 意 义 简 化 式 （ 5） ， 对 于 多 点 信 号 平 均 器 ， 通 常 有 若 被 测 信 号 中 不 含 有 直 流 项 或 不 需 要 直 流 项 ， 还 有 因 此 有 ： RCarctg ( )n R RCarctg ( ) 1n R RC 1RC 21 1( )1 RC n R 21 11 ( )RC 于 是 ， 式 （ 5） 简 化 为 ： 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 这 个 电

47、路 相 当 于 电 阻 为 R/ ， 电 容 为 C的 低 通 RC滤 波 器 。 1 2 2 cos( )1sin cos( ) 1 ( ) 1 ( )ti RCo nV n n R tV en RC RCn R n R 2 2cos( ) cos( ) 1 ( ) 1 ( )tRCo i tV V eRC RC 2. 等 效 噪 声 带 宽 门 积 分 电 路 对 不 相 干 信 号 的 抑 制 能 力 ， 可 以 由 传 输 函 数直 接 求 得 。 而 对 白 噪 声 的 抑 制 能 力 用 等 效 噪 声 带 宽 计 算更 简 单 。 根 据 定 义 等 效 噪 声 带 宽 可 表

48、示 为 ： 是 n次 谐 波 相 对 于 基 波 的 归 一 化 传 输 函 数 将 式 （ 11） 代 入 式 （ 10） ， 得 ： 由 此 可 知 ， fNn是 、 RC和 n的 函 数 。fNn 2nN nf K d f Kn 2sin 1sin 21 ( )n nK n RC f 22 2sin ( )2 sin ( )nN nf RC n 基 波 处 的 等 效 噪 声 带 宽 总 等 效 噪 声 带 宽 有 限 带 宽 噪 声 设 低 通 滤 波 器 的 带 宽 ， 此 滤 波 器 只 能 通 过 低 于 L次 谐 波 的 频 率 。 这 时 总 的 等 效 噪 声 带 宽 为

49、基 波 到 第 L次 谐 波处 的 等 效 噪 声 带 宽 之 和 。 直 流 附 近 的 等 效 噪 声 带 宽 若 门 积 分 电 路 的 前 级 是 直 接 耦 合 的 直 流 放 大 器 ， 就 要 考 虑直 流 （ 或 称 零 频 ） 附 近 的 等 效 噪 声 带 宽 在 数 值 上 与 基 波 处相 等 。 1 2Nf RC 1N Nnnf f f LfN Ri 22 21 sin2 sinLN n nf RC n 2NDf RC 3. 信 噪 比 的 改 善 对 不 相 干 信 号 的 抑 制 能 力 设 某 一 不 相 干 信 号 的 频 率 为 ， 并 在 第 P次 谐 波

50、 附 近 ，有 。 求 得 输 出 电 压 相 对 于 输 入 电 压 的 传 输 函 数 为 ： 通 常 有 故 式 （ 17） 化 简 为 fdf Pf fd R d sin 121 ( ) p dPK P RC f 1.2 / 1P RC fd 2Kp RC fd 对 窄 带 噪 声 的 抑 制 能 力 输 入 端 的 白 噪 声 带 宽 ， 对 于 白 噪 声 ， 输 出 端 相对 于 输 入 端 的 信 噪 比 改 善 为 ： 若 用 式 （ 15） 来 表 示 ， 并 以 代 入 式 （ 19）则 ： 当 时 ， 则 只 有 当 取 样 门 很 窄 而 输 入 白 噪 声 又 不

51、太 宽 ， 可 保 证 时 ， 才 能 用 式 （ 21） 表 述 信 噪 比 的 改 善 。 f LfN Ri ( / ) /( / ) /S N S N f fN Ni oo i fNo f LfN Ri ( / ) /( / ) 2sin ( )2 2sin ( )1 LS N S N mo i L nnn 1L 2sin ( )2 2sin ( )1L n Lnn ( / )( / )S N o mS N i 1fNifR 对 宽 带 白 噪 声 的 抑 制 能 力 一 个 实 际 电 路 的 输 入 级 总 有 一 定 的 带 宽 ， 等 效 噪 声 带 宽不 可 能 为 无 穷 大

52、 。 这 里 所 指 的 白 噪 声 是 相 对 的 。 当 被 恢复 的 信 号 频 率 较 低 或 取 样 门 较 宽 ， 并 且 输 入 电 路 带 宽 较宽 时 ， 可 以 把 噪 声 看 成 白 噪 声 。 在 数 学 上 若 ， 可 认 为 噪 声 是 白 噪 声 。 这 时 ， 输 出 相 对 于 输 入 信 噪 比 的 改 善 为 ： 1fN Ti g ( / ) 2 2( / ) (1 )24 sinfS N No iS N i RC 有 ， 代 入 式 （ 22） 得 ： 式 （ 23） 表 明 ： 在 白 噪 声 的 条 件 下 ， 门 积 分 电 路 输 出 相 对于

53、输 入 的 信 噪 比 的 改 善 ， 只 与 输 入 等 效 噪 声 带 宽 和 时 间 常数 RC有 关 ， 与 等 效 积 累 次 数 m无 关 。 这 时 ， 通 过 减 小 门 宽 来增 大 等 效 时 间 常 数 并 不 能 进 一 步 改 善 输 出 信 噪 比 。 式 （ 23） 似 乎 表 明 ： 除 了 增 大 RC之 外 ， 不 可 以 通 过 加 大 来 提 高 输 出 信 噪 比 相 对 于 输 入 信 噪 比 的 比 值 。 ( / ) /( / ) 4S N S N RC fNo i 2 2(1 ) 12 44 sin RCRC Te fNi 1. 多 点 信 号

54、 平 均 器 输 出 特 性 的 观 察 与 测 量u 多 点 信 号 平 均 器 实 验 插 件 盒 的 电 原 理 框 图 如 图 4所 示 。 u 多 点 信 号 平 均 器 输 出 特 性 的 观 察 与 测 量 框 图 如 图 5所 示 。 2. 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u 多 点 信 号 平 均 器 的 抑 制 白 噪 声 能 力 的 观 察 与 测 量 框 图 如图 6所 示 。 1. 掌 握 用 双 踪 示 波 器 观 测 二 相 线 阵 CCD驱 动 器 各 路 驱动 脉 冲 的 频 率 、 周 期 、

55、幅 度 和 相 位 关 系 的 方 法 。2. 通 过 测 量 CCD驱 动 脉 冲 之 间 的 相 位 关 系 ， 掌 握 二 相线 阵 CCD的 基 本 工 作 原 理 。3. 通 过 测 量 典 型 线 阵 CCD的 输 出 信 号 与 驱 动 脉 冲 的 相位 关 系 ， 掌 握 CCD的 基 本 特 征 。4. 掌 握 线 阵 CCD的 驱 动 脉 冲 波 形 ， 积 分 时 间 与 输 出 信号 波 形 的 关 系 。 1. TCD1206UD的 基 本 工 作 原 理 如 图 1所 示 。 2. TCD1206UD的 外 形 结 构 如 图 2所 示 ， 它 的 管 脚 定 义

56、说明 如 下 表 1所 示 。 3. TCD1206UD在 图 3所 示 的 驱 动 脉 冲 的 作 用 下 工 作 。 u 当 SH 脉 冲 高 电 平 到 来 时 ,正 值 1为 高 电 平 ， 移 位 寄 存器 中 的 所 有 1电 极 下 均 形 成 势 阱 ， 同 时 SH的 高 电 平 使 1电 极 下 的 深 势 阱 与 MOS电 容 存 储 势 阱 沟 通 ， MOS电 容中 的 信 号 电 荷 包 迅 速 向 上 下 两 列 模 拟 移 位 寄 存 器 的 1电 极 转 移 。u 当 SH由 高 变 低 时 ， SH低 电 平 形 成 浅 势 阱 ， 使 MOS电 极下 的

57、信 号 电 荷 包 顺 序 地 向 左 转 移 ， 并 经 输 出 电 路 由 输 出电 路 端 输 出 。 由 于 结 构 上 的 安 排 ， 输 出 电 路 首 先 输 出 13个 虚 设 单 元 的 暗 信 号 ， 再 输 出 51个 暗 信 号 之 后 ， 再 连 续输 出 2160个 有 效 信 号 。 输 出 2160个 信 号 US2160后 ， 输 出12个 暗 电 流 信 号 ， 接 下 去 输 出 两 个 奇 偶 检 测 信 号 ， 然 后可 输 出 多 余 的 n个 暗 电 流 信 号 。 1. 双 线 同 步 示 波 器 （ 20MHz以 上 ） 一 台2. TCD12

58、06UD芯 片 （ 已 嵌 入 CCD多 功 能 实 验 仪内 ） 一 片3. CCD多 功 能 实 验 仪 一 台4. 双 夹 头 信 号 线 两 根 1. 连 接 好 示 波 器 与 CCD实 验 仪 的 地 线 ， 打 开 CCD实 验 仪 和 示波 器 的 电 源 。2. 先 由 示 波 器 的 Y1、 Y2观 察 1和 2， 注 意 其 位 相 关 系 ，记 录 1及 2波 形 ， 测 量 其 频 率 。3. 观 察 记 录 1、 R的 波 形 。4. 观 察 记 录 R、 SP的 波 形 。5. 观 察 记 录 1、 UO的 波 形 （ UO饱 和 时 注 意 用 物 体 遮 光 ） 。6. 观 察 记 录 SH、 UO的 波 形 。7. 观 察 记 录 C、 UO的 波 形 。