BOXCAR

BOXCAR取样积分器实验(凝聚态物理北京师范大学)[摘要]本实验利用Boxcar取样积分器探测微弱光电信号，对含有噪声的信号进行取样处理，根据相关原理，信号经过多次重复提取，从而使噪声的统计平均趋于零，提高了信噪比。本实验通过设计Boxcar参数，验证了原理中改善信噪比的公式，并设计电路，探测仪器中内置电路的exponentialcurves。一、实验原理1.取样积分器取样积分器又称Boxcar，是测量噪声中微弱的周期性重复信号的有力工具。取样积分器利用一个与信号重复频率一致的参考信号，对含有噪声的信号进行取样处理。根据相关原理，信号经过多次重复提取，从而使噪声的统计平均趋于零。1.1取样积分原理设输入信号f(t)由被测信号S(t)和大小由方均根给出的随机噪声N(t)组成，且以周期T重复，则：2,,1n,)()()()()(2nTtNnTtStNtStf对其进行m次取样积分后累加得：)()()2()()()()(22111tNmtmSTtNTtNnTtSnTtNnTtSmnmnmn输入输出的信噪改善比为：mtNtStNmtmSSNRSNRSNIRinout)()()()()()(即若取样100次，则改善10倍。而每一次取样积分相当一次互相关检测。1.2两种工作方式取样积分器一般有两种工作模式，其原理框图如下：图1.Boxcar工作模式框图当使用固定延时器时，仪器处于“静态门测量方式”，取样门在输入信号每个周期T的同一固定点进行取样积分，从而测量该点的瞬时值。此时，若被测信号S(t)不是周期信号，但相对周期T而言是缓变的，则可将其从噪声中提取并记录下来。此种情况相当于，门不动而波形动。但m次取样积分累积的结果抹去了mT间隔内波形的变化。当使用顺序延时器时，仪器处于“波形测量方式”。此时，信号周期T，或其一部分，即时基范围被分为若干相等的间隔，每次取样积分顺延一个间隔，从而可以对重复性好的信号进行波形扫描。此种情况相当于，波形不动而门动。在理想情况下，可以完全复原被测波形。主要参数取样门宽度Tg为了使信号波形得到恢复，要求：Tg≤0.5T，门宽越窄信号恢复越精细。时基Td是可取样积分的整个时间范围。为了能完整扫过整个整个信号波形，Td应大于等于信号周期T。当然，如果只想测量信号的一部分，Td也可小于T。积分常数Tc积分器本身的积分常数RC，故完全积分时间一般约为2RC，但是，取样门的开门时间为门宽Tg，称为有效积分时间。若开门时间与时基相等，即：Tg=Tb(=T)，也即排满完全积分时间，则取样积分器积分次数为：N=2RC/Tg，相应的信噪改善比为：gTRCN/2，仪器的积分常数为完全积分时间：Tc＝NTb＝NTg＝(2RC/Tg)Tg＝2RC。若开门时间不能排满完全积分时间，即存在无效积分时间，则：Tc＝NTb＝(2RC/Tg)Tb＝2RCTb/Tg。此时，仪器的积分常数为不完全积分时间。可见，提高RC和减少Tg有利于增加积分时间，从而提高信噪比。固定延时器顺序延时器门宽控制器门触发器取样门被测信号参考信号积分器输出信号1.3噪声来源及其特性与有用光电信号相伴随的噪声可按来自测量系统的内部和外部来划分。（1）外部噪声源包括：市电、无线电、电火花、脉冲放电等。（2）内部噪声源是由各种器件，部件产生的，包括：①热燥声，由有功元件中电子无规运动产生的电压起伏引起；②散粒噪声，电子发射的不规则离散性产生的电流起伏引起；③闪烁噪声，器件中局部位垒不均匀引起，正比于1/f，是低频段的主要噪声源，频率上限约500Hz。一般，外部噪声易于克服，抑制内部噪声是弱光电信号检测的主要任务。1.4氩离子激光器Ar+激光器是离子气体激光器中应用最广泛的，它具有良好的单色性、稳定性和高功率。Ar+激光器一般充纯Ar约0.2乇，弧光放电电流约数十安培。（1）工作原理Ar+的能级图如下，存在三种可能的激发过程。a)e+Ar(3p6)→Ar+(3p5)+2e，e+Ar+(3p5)→(Ar+)*+eb)e+Ar(3p6)→Ar+(3p5M)*+2e，e+Ar+(3p5M)*→(Ar+)*+ec)e+Ar(3p6)→(Ar+)*+2e，(Ar+)*→Ar+(4p)图2.与氩离子激光器有关的能级跃迁示意图激光上、下能级分别为Ar+(4p)和Ar+(4s)，波长在455nm~529nm范围内的激光共有10条，较强的有6条，最强的两条为514.536nm和478.995nm。（2）基本结构离子激光器的发光介质是离子，由于整个系统呈电中性，离子浓度NI与电子浓度Ne相当，故激光上能级粒子数N2的增加与放电电流密度的平方2J的关系为222JNNNdtdNeeI，即激光器的增益正比于2J。这就要求在细的放电管内通过大电流。大功率放电管为有效降低管壁温度，一般用高导热系数的石墨或BeO陶瓷制成，并加水冷装置。为了将离子约束在放电管轴心附近，需加轴向磁场，一般由环绕在管壁上的螺线管形成，强度一般为400～800Gs。二、实验内容Ⅰ、测He-Ne光源旁侧光谱(1)打开He-Ne光源；(2)开启单色仪，Boxcar等仪器的电源；(3)设定Boxcar参数：①设定扫描点数：1000点。参数选择1000是因为本次实验中我们所使用的单色仪中光栅精度为0.1，单色仪扫描波长范围是550nm至650nm。又由于Boxcar信号平均器的容量有限，故将其分两次进行扫描，即扫描波段abcAr(3p6)Ar+(3p5)Ar+(4s)Ar+(4p)Ar+(3p5M)*分为550nm-600nm与600nm-550nm两组；每点的扫描65次。再根据实验规则要求后面仪器的精度必须大于等于前面仪器已有的精度，所以我们最终决定选择设定Boxcar参数中的扫描点数为1000点；②触发选择：Normal；③输入条件设定：耦合方式，直流；（光致实验我们都选择直流）④输入阻抗选择高阻状态。因为我们的光电倍增管是属于电压源，所以选择高阻；⑤采用静态门测量方式，设定初始延迟为10ns，门宽为15μs，测量的固定延迟为100ns；(4)设定单色仪参数：光栅转动速度设为3档；(5)参数设定完毕，开始实验。首先将单色仪上的旋转方向调至“反”向，并“启动”单色仪使波长起始点回到549.5处，然后“停止”，接着使用“手动扫描”将波长起点调至550nm，关掉“手动扫描”，并将旋转方向调回“正”向；(6)按下Boxcar界面上的“start”键，当工作灯亮起时，立即“启动”单色仪；(7)扫描结束，立即关闭单色仪；(8)保存数据，将数据另存为txt文件；(9)重复(5)-(8)，测量第二段600nm-650nm。Ⅱ、微弱信号检测(1)打开激光，调整其功率至预设范围300mw左右，预热，并同时打开制冷装置（保持其水温在17℃左右）；(2)由于实验光路事先已布置好，所以开启单色仪，Boxcar等仪器的电源；(3)设定Boxcar参数：与上面的设定不同的是：扫描波长范围为550nm到650nm，分两段进行扫描，每段测量500个点，每个点测量65次共500个点，测32500次，共用400s，频率为81.25/s；先后将Average旋至1和100检测两组微弱信号，进行对比。(4)设定单色仪参数：光栅转动速度设为3档；(5)参数设定完毕，开始实验。首先将单色仪上的旋转方向调至“反”向，并“启动”单色仪使波长起始点回到549.5nm处，然后“停止”，接着使用“手动扫描”将波长起点调至550nm处，关掉“手动扫描”，并将旋转方向调回“正”向；(6)按下Boxcar界面上的“start”键，当工作灯亮起时，立即“启动”单色仪；(7)扫描结束，立即关闭单色仪；(8)保存数据，将数据另存为txt文件。(9)重复(5)-(8)，测量第二段600nm-650nm，实验完成并关闭所有的实验仪器。(10)将弱信号局部多次平均，如前保存扫描数据。Ⅲ仪器内部的exponentialcurve按照下面的步骤连接电路，并绘制exponentialcurve。ThefollowingexampleisdesignedtointroduceyoutotheSR272software.Inthisexample,youwillcollect2exponentialcurvesofftheSR245thatwillbegeneratedbytheSR250.Inordertoperformthisexercise,youwillneedthefollowing:1.SR280Mainframe2.SR250GatedIntegratorandBoxcarAverager3.SR245ComputerInterfacemodule4.TheinlineBNChigh-passfilterthatwasincludedwiththeboxcar5.5BNCcables6.1BNCTconnectorDeviceSetup:1)SettheSR245configurationswitchesforGPIBcommunication.Makenoteoftheaddress.2)ConnecttheBNCTconnectortotheSR245Syncinput.ConnectaBNCcablefromtheSR250BusyoutputtooneendofthisT.3)ConnectaBNCcabletothefreeendoftheTandattachtheotherendtothehigh-passfilter.Connectthehigh-passfiltertotheSR250SignalInput.LeavetheSignalOutputdisconnected.4)UsingaBNCcable,connecttheSR250AveragedOutputtoChannel1oftheSR245.UsingaBNCcableconnecttheSR250LastSampletoChannel2oftheSR245.5)UsingaBNCcable,connectChannel8oftheSR245totheExternalDelayControlonthebackoftheSR250.Thissetsupthehardwareportionofthetimescan.6)Adjusttheboxcartothefollowingsettings:Internaltrigger=100hzDelayMultiplier0-10=0(Itisagoodideatolockitatthisvaluebypushingdownontheblacktabonthesideofthemultiplierknob).WidthScale=30nsWidthMultiplier=3SignalSensitivity=0.5VSettheSignalInputFiltertoggletoDCAveragingSamples=10SR272Setup1)ClickonthespeedbuttonorselectScan/Connectionfromthemainmenu.SelecttheGPIBpage.a)Ifnecessary,selectwhichtypeofGPIBboardyouareusing(IfyouhaveaCECcardandnoNationalcard,theNationalOptionmayshowupanyway,USETHECECNOTTHENATIONAL).b)EntertheaddressoftheSR245.c)Entertheaddressofthecomputer(typically0).d)ClickonConnect.Thegraphshoulddisappearandthenreappear.Thenewgraphwillhavealightbulbinth