´ ´I SIGN ALU ´ E LEKTRONIKA PRO ZPRACOV AN ˇ ´ ´ Vaclav Michalek, Anton´ın Cernoch ˇ ´ AV CR Spoleˇcna´ laboratoˇr optiky UP a FZU ´ ı centrum pokroˇcil´ych technologi´ı a material ´ u˚ Regionaln´
CZ.1.07/2.2.00/07.0018 ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
1 / 22
Obsah
1
´ Uvod
2
Detektory
3
TAC/SCA
4
Osciloskop
5
´ ı analyzator ´ Spektraln´
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
2 / 22
´ Uvod
Obsah
1
´ Uvod
2
Detektory
3
TAC/SCA
4
Osciloskop
5
´ ı analyzator ´ Spektraln´
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
3 / 22
´ Uvod
´ Uvod
ˇ ´ Sveteln a´ energie dopada´ na detektor, kter´y vyˇsle elektrick´y signal obsahuj´ıc´ı informaci o: intenziteˇ (poˇctu fotonu) ˚ dobeˇ detekce ...?? ´ Rychlost sˇ ´ıˇren´ı signalu ˇ ve vakuu – 299 792 458 m/s, metr za 3.33 ns svetlo ˇ ve vlakn ´ eˇ – v = c/n, metr za 5 ns (n = 1.5) svetlo ´ ım kabelu – metr za 5 ns elektrick´y impulz v koaxialn´
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
4 / 22
Detektory
Obsah
1
´ Uvod
2
Detektory
3
TAC/SCA
4
Osciloskop
5
´ ı analyzator ´ Spektraln´
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
5 / 22
Detektory
Detektory Typy detektoru˚ Fotonove´ detektory oko fotografie fotoelektrick´y jev vnitˇrn´ı – fotoodpor, fotodioda, lavinova´ fotodioda (APD) ˇ s´ı – fotonka, fotonasobiˇ ´ ´ vnejˇ c, mikrokanalkov´ y zesilovaˇc
´ ı detektory Termaln´ Koherentn´ı detektory a)
- Volný elektron Nejbližší vyšší pás
Vakuum
b)
W
- Volný elektron
c)
Vakuum
Vodivostní pás -
W
h Fermiho h hladina Vodivostní pás kovu ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
h
Eg
+ + Valenční pás polovodiče
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
6 / 22
Detektory
Fotoefekt Vnitˇrn´ı fotoefekt ˇ ´ s intenzitou dopadaj´ıc´ıho zaˇ ´ ren´ı Fotoodpor zmena vodivosti materialu ˇ ych par ´ u˚ v ochuzene´ oblasti p-n Fotodioda excitace elektron-derov´ pˇrechodu ˇ ı → excitace dalˇs´ıch APD lavinova´ fotodioda, urychlovac´ı napet´ ´ ´ ı nosiˇcu˚ narazovou ionizac´ı, jednofotonova´ citlivost, binarn´ detektor ˇ s´ı fotoefekt Vnejˇ Fotonka fotokatoda a anoda ´ ´ ı emise, zes´ılen´ı aˇz 107 Fotonasobiˇ c sekundarn´ ´ MCP mikrokanalkov´ y zesilovaˇc, prostorove´ rozliˇsen´ı
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
7 / 22
Detektory
Ostatn´ı typy ´ ı detektory Termaln´ ˇ ˇ ´ absorbce fotonu˚ → zmena teploty → zmena vlastnost´ı materialu ˇ sinou elektrick´ych) (vetˇ pomala´ odezva (10−3 s) bolometry a spol. Koherentn´ı detektory ˇ velikosti elektrickeho ´ ´ moˇznost reakce na zmenu pole signalu, ´ dopadaj´ıc´ıch fotonu˚ urˇcen´ı faze ˇ po radio ´ IC homodynn´ı detekce
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
8 / 22
Detektory
Lavinova´ fotodioda – APD -4
10
-
10
Temný proud Fotoproud
-5
-6
+ h +
Oblast zisku
10
3 Urychlení elektronu
Proud [A]
p
-
1
Excitace
+
Urychlení díry
Excitace
-2 +
n
10
10 10 10
Ec
10
Ev
-8
-9
Průrazné napětí
-10
10
Eg
-7
-11
Destrukční napětí
-12
10
15
x
20
25
30
Závěrné napětí [V]
´ sen´ı laviny aktivneˇ nebo pasivneˇ zhaˇ mrtva´ doba omezuje afterpulzy ´ ıch excitac´ı a neˇcistot temne´ detekce v dusledku termaln´ ˚
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
9 / 22
TAC/SCA
Obsah
1
´ Uvod
2
Detektory
3
TAC/SCA
4
Osciloskop
5
´ ı analyzator ´ Spektraln´
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
10 / 22
TAC/SCA
´ ı jednofotonov´ych udalost´ ´ Zpracovan´ ı
´ ı jednofotonov´ych udalost´ ´ elektronicke´ moduly pro zpracovan´ ı– rozliˇsen´ı souˇcasn´ych detekc´ı (koincidenc´ı) ´ e´ cˇ asove´ intervaly (ns) mezi pˇr´ıchody pulzu˚ lze meˇ ˇ rit obt´ızˇ neˇ kratk ´ pokud je delka pulzu˚ delˇs´ı Elektricke´ impulzy TTL +5 V (z APD 5 V, 20 ns) NIM -1 V
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
11 / 22
TAC/SCA
´ Schema zpoždění
0V
PC
counter
10 V
TTL/NIM
stop
SCA
start
TTL/NIM
detektory
TAC
´ ı cˇ asove´ zpoˇzden´ ˇ ı na TAC Time to amplitude convertor, pˇrevad´ ˇ ’oveho ´ amplitudu napet pulzu SCA Single Channel analyzer, rozliˇsuje pulzy podle velikosti ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
12 / 22
Osciloskop
Obsah
1
´ Uvod
2
Detektory
3
TAC/SCA
4
Osciloskop
5
´ ı analyzator ´ Spektraln´
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
13 / 22
Osciloskop
´ muzeum) Osciloskopicka´ obrazovka (analogova,
Y
X
katoda
(zdroj e-)
Wehneltův válec 1. anoda 2. anoda (mřížka) (jas) (zaostřovací) (urychlovací)
3. anoda (urychlovací a sběrná)
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
14 / 22
Osciloskop
Osciloskopicka´ obrazovka - zobrazen´ı
měřený signál (Y)
zpětný běh paprsku zatemněn
pilovité napětí (X)
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
15 / 22
Osciloskop
Analogov´y osciloskop DC dělič/ předzesilovač
C1
zpožďovací linka/y
vertikální zesilovač/e
AC EXT
Y1 Y2
dva kanály: -dvoupaprskový -přepínání průběhů ●po periodách (pomalé přepínání) ●po velmi krátkých úsecích signálu (rychlé přepínání)
INT C1 synchronizace INT C2 časová základna
C2
t-Y
X-Y
dělič/ předzesilovač
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
(tohle schema umí X osu jen z C2, kdo chce, může si upravit)
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
horizontální zesilovač
X
16 / 22
Osciloskop
Osciloskop - vzorkovac´ı reˇzim
nízkofrekvenční signál nesplňující podvzorkovací podmínku bude zobrazen stejně
zobrazený průběh je složen z více period fvz>2*B B-šířka pásma
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
17 / 22
´ ı analyzator ´ Spektraln´
Obsah
1
´ Uvod
2
Detektory
3
TAC/SCA
4
Osciloskop
5
´ ı analyzator ´ Spektraln´
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
18 / 22
´ ı analyzator ´ Spektraln´
Spektrum
´ periodick´y signal
s(t) =
∞ X
Cn e
2πjnfo t
n=−∞
1 ; fo = ; j 2 = −1 ; Cn = T
T /2 Z
s(t)e−2πjnfo t dt
−T /2
´ nekoneˇcn´y signal Z∞ s(t) =
S(f )e −∞
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
2πjft
Z∞ df ; S(f ) =
s(t)e−2πjft dt.
−∞
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
19 / 22
´ ı analyzator ´ Spektraln´
´ ı analyzatory ´ Spektraln´
ˇ ı Rozdelen´ Analogove´ s pˇreladiteln´ym filtrem heterodynn´ı s v´ıce filtry - pˇrep´ınane´ nebo paraleln´ı
´ ı Digitaln´ s cˇ ´ıslicov´ymi filtry FFT
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
20 / 22
´ ı analyzator ´ Spektraln´
ˇ ren´ı sloˇzky spektra (analogove) ´ Meˇ
vstup
filtr [úzko]pásmová propust
demodulátor (Ustř)
jedna hodnota spektra
přeladitelný,přepínatelný nebo sada filtrů f1, f2, f3 ... f1
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
f2
f3
21 / 22
´ ı analyzator ´ Spektraln´
´ ı analyzator ´ Heterodynn´ı spektraln´
fm
s(t)
f0=fm-fg
X směšovač
předzesilovač
mezifrekvenční filtr f0
demodulátor
fg
výstupní zesilovač
|S(f)| Y-souřadnice obrazovky
(frekvence je dána okamžitým napětím pilového signálu)
napěťově řízený (rozmítaný) generátor harmonického signálu
generátor pilového napětí
ˇ (SLO/RCPTM) VM, AC
´ ı signalu ´ Elektronika pro zpracovan´
f X-souřadnice obrazovky
22 / 22
