ELEKTRONIKA PRO ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU Václav Michálek, Antonín Černoch Společná laboratoř optiky UP a FZÚ AV ČR Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů CZ.1.07/2.2.00/07.0018 VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 1 / 22
Obsah 1 Úvod 2 Detektory 3 TAC/SCA 4 Osciloskop 5 Spektrální analyzátor VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 2 / 22
Obsah Úvod 1 Úvod 2 Detektory 3 TAC/SCA 4 Osciloskop 5 Spektrální analyzátor VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 3 / 22
Úvod Úvod Světelná energie dopadá na detektor, který vyšle elektrický signál obsahující informaci o: intenzitě (počtu fotonů) době detekce...?? Rychlost šíření signálu světlo ve vakuu 299 792 458 m/s, metr za 3.33 ns světlo ve vlákně v = c/n, metr za 5 ns (n = 1.5) elektrický impulz v koaxiálním kabelu metr za 5 ns VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 4 / 22
Obsah Detektory 1 Úvod 2 Detektory 3 TAC/SCA 4 Osciloskop 5 Spektrální analyzátor VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 5 / 22
Detektory Detektory Typy detektorů Fotonové detektory oko fotografie fotoelektrický jev vnitřní fotoodpor, fotodioda, lavinová fotodioda (APD) vnější fotonka, fotonásobič, mikrokanálkový zesilovač Termální detektory Koherentní detektory a) - Volný elektron b) h Nejbližší vyšší pás Vakuum Vodivostní pás kovu W Fermiho hladina h - Volný elektron Vodivostní pás c) + + Valenční pás polovodiče h - Vakuum E g W VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 6 / 22
Detektory Fotoefekt Vnitřní fotoefekt Fotoodpor změna vodivosti materiálu s intenzitou dopadajícího záření Fotodioda excitace elektron-děrových párů v ochuzené oblasti p-n přechodu APD lavinová fotodioda, urychlovací napětí excitace dalších nosičů nárazovou ionizací, jednofotonová citlivost, binární detektor Vnější fotoefekt Fotonka fotokatoda a anoda Fotonásobič sekundární emise, zesílení až 10 7 MCP mikrokanálkový zesilovač, prostorové rozlišení VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 7 / 22
Detektory Ostatní typy Termální detektory absorbce fotonů změna teploty změna vlastností materiálu (většinou elektrických) pomalá odezva (10 3 s) bolometry a spol. Koherentní detektory reakce na změnu velikosti elektrického pole signálu, možnost určení fáze dopadajících fotonů IČ po rádio homodynní detekce VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 8 / 22
Detektory Lavinová fotodioda APD p Excitace - 3 h + - 1 + Urychlení díry Urychlení elektronu - Excitace 2 + E g n E c E v x Proud [A] 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 Temný proud Fotoproud Průrazné napětí Oblast zisku Destrukční napětí 10 15 20 25 30 Závěrné napětí [V] zhášení laviny aktivně nebo pasivně mrtvá doba omezuje afterpulzy temné detekce v důsledku termálních excitací a nečistot VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 9 / 22
Obsah TAC/SCA 1 Úvod 2 Detektory 3 TAC/SCA 4 Osciloskop 5 Spektrální analyzátor VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 10 / 22
TAC/SCA Zpracování jednofotonových událostí elektronické moduly pro zpracování jednofotonových událostí rozlišení současných detekcí (koincidencí) krátké časové intervaly (ns) mezi příchody pulzů lze měřit obtížně pokud je délka pulzů delší Elektrické impulzy TTL +5 V (z APD 5 V, 20 ns) NIM -1 V VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 11 / 22
TAC/SCA Schéma zpoždění TAC SCA detektory TTL/NIM start stop 10 V 0 V TTL/NIM PC counter TAC Time to amplitude convertor, převádí časové zpoždění na amplitudu napět ového pulzu SCA Single Channel analyzer, rozlišuje pulzy podle velikosti VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 12 / 22
Obsah Osciloskop 1 Úvod 2 Detektory 3 TAC/SCA 4 Osciloskop 5 Spektrální analyzátor VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 13 / 22
Osciloskop Osciloskopická obrazovka (analogová, muzeum) Y X katoda (zdroj e - ) Wehneltův válec (mřížka) (jas) 1. anoda (zaostřovací) 2. anoda (urychlovací) 3. anoda (urychlovací a sběrná) VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 14 / 22
pilovité napětí (X) Osciloskop Osciloskopická obrazovka - zobrazení měřený signál (Y) zpětný běh paprsku zatemněn VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 15 / 22
Analogový osciloskop Osciloskop C1 DC dělič/ předzesilovač zpožďovací linka/y vertikální zesilovač/e Y1 Y2 EXT AC INT C1 INT C2 synchronizace dva kanály: -dvoupaprskový -přepínání průběhů po periodách (pomalé přepínání) po velmi krátkých úsecích signálu (rychlé přepínání) C2 dělič/ předzesilovač časová základna t-y X-Y (tohle schema umí X osu jen z C2, kdo chce, může si upravit) horizontální zesilovač X VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 16 / 22
Osciloskop Osciloskop - vzorkovací režim nízkofrekvenční signál nesplňující podvzorkovací podmínku bude zobrazen stejně zobrazený průběh je složen z více period f vz >2*B B-šířka pásma VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 17 / 22
Obsah Spektrální analyzátor 1 Úvod 2 Detektory 3 TAC/SCA 4 Osciloskop 5 Spektrální analyzátor VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 18 / 22
Spektrum Spektrální analyzátor periodický signál s(t) = n= nekonečný signál s(t) = C n e 2πjnfot ; f o = 1 T ; j2 = 1 ; C n = S(f )e 2πjft df ; S(f ) = T /2 T /2 s(t)e 2πjft dt. s(t)e 2πjnfot dt VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 19 / 22
Spektrální analyzátor Spektrální analyzátory Rozdělení Analogové s přeladitelným filtrem heterodynní s více filtry - přepínané nebo paralelní Digitální s číslicovými filtry FFT VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 20 / 22
Spektrální analyzátor Měření složky spektra (analogové) vstup filtr [úzko]pásmová propust demodulátor (U stř ) jedna hodnota spektra přeladitelný,přepínatelný nebo sada filtrů f 1, f 2, f 3... f 1 f 2 f 3 VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 21 / 22
Spektrální analyzátor Heterodynní spektrální analyzátor s(t) předzesilovač f m X směšovač f 0 =f m -f g mezifrekvenční filtr f 0 f g (frekvence je dána okamžitým napětím pilového signálu) demodulátor výstupní zesilovač S(f) Y-souřadnice obrazovky napěťově řízený (rozmítaný) generátor harmonického signálu generátor pilového napětí f X-souřadnice obrazovky VM, AČ (SLO/RCPTM) Elektronika pro zpracování signálu 22 / 22