Filtr niestacjonarny z integratorem bramkowanym

Transkrypt

1 Filr niesacjonarny z inegraorem bramkowanym I. Zakres cwiczenia Badania efeku deficyu balisycznego. Prakyczne zapoznanie z zasada dzialania filru niesacjonarnego z inegraorem bramkowanym. Pomiary podsawowych paramerów znamionowych filru. Dobór opymalnych warunków pracy filru. II. Przedmio cwiczenia Przedmioem cwiczenia jes zesaw filru niesacjonarnego obejmujacy quasi- -gaussowski prefilr sacjonarny WZMACNIACZA LINIOWEGO WL-41 oraz MODUL DEMONSTRACYJNY inegraora bramkowanego. Tego rodzaju konfiguracja zalicza sie do kaegorii filrów niesacjonarnych z kluczowaniem, a ze wzgledu na charakerysyczny kszal jej funkcji wagi do klasy FILTRÓW TRAPEZOIDALNYCH. Wymienione bloki funkcjonalne filru umozliwiaja dokonywanie niezaleznej regulacji fragmenów funkcji wagi odpowiedzialnych za rozdzielczosc ampliudowa i czasowa. W szczególnosci sromosc krawedzi bocznych funkcji wagi, deerminowana przez charakerysyke przenoszenia prefilru (srukura, rzad i warosci salych czasowych) decyduje o warosci sosunku sygnalu do szumu, naomias rozciaglosc jej plaskiego grzbieu, uzalezniona od paramerów bramkowanego inegraora (sala czasowa, inerwal owarcia bramki), w isony sposób wplywa na czas rozdzielczy filru. Walory filru niesacjonarnego ujawniaja sie szczególnie w przypadku niesalosci czasu zbierania ladunku w deekorze, manifesujacej sie odpowiednim zróznicowaniem (rozmyciem) deficyu balisycznego. W echnice filracji sacjonarnej efek en powoduje wzros nieoznaczonosci ampliudy, czyli pogorszenie rozdzielczosci ampliudowej. Warunkiem uniezaleznienia dokladnosci pomiaru od wplywu czasu zbierania ladunku w deekorze jes urzymanie w ym inerwale salej warosci funkcji wagi filru. W przypadku filrów sacjonarnych warunek en udaje sie spelnic z niezby zadowalajacym przyblizeniem koszem znacznego zwiekszenia ich salej czasowej, co prowadzi w rezulacie do niepozadanego, silnego wzrosu czasu rozdzielczego i zwiazanych z ym szkodliwych efeków. Sanowiacy przedmio cwiczenia filr niesacjonarny pozwala uzyskac salosc funkcji wagi w obrebie dowolnie nasawianego inerwalu czasowego. Nado, po jego uplywie zosaje naychmias przywrócony san poczakowy, a poziom sygnalu wyjsciowego sprowadzony do zera. W en sposób usalony jes zarazem czas rozdzielczy filru. Na rysunku 1 przedsawiono schema ideowy MODULU CWICZENIOWEGO z za-znaczonym skróowo ukladem PREFILTRU STACJONARNEGO (WL-41). W srukurze modulu za-waro akywny inegraor wykonany na scalonym wzmacniaczu operacyjnym ULY7741, sysem bramkowania, obejmujacy wejsciowa bramke równolegla (T 1 ) oraz serowany za posrednicwem prosego sopnia OE (T ) klucz (T 3 ) zwierajacy galaz sprzezenia zwronego wzmacniacza operacyjnego, jak równiez monowibraor (MW) zadajacy czas bramkowania inegraora T BR.

2 WE PREFILTR SYGNAL τ f WE TRIG. +5V KONTR +5V 510 4k k 4k k _ Q T BR Q SN τ i -4V k k 4k1 8k +15V 10k T 1 BC179 k 100-4V 00k 10n BC179 4k LF 355 T 1k V xn4416 1k µ WY T 3 Rys. 1. Schema ideowy ukladu inegraora bramkowanego III. Program cwiczenia - insrukcja szczególowa 1) Usalenie opymalnych warosci paramerów prefilru sacjonarnego Zesawic uklad pomiarowy wedlug schemau podanego na rysunku. GEN.SZUMU BIALEGO GEN.SZUMU 1/f + MIXER PREFILTR /~/ ANAL.AMPL.IMP. INTEGRATOR WL-41 A-1 ILL-1 GEN.IMPULSÓW LICZNIKOWYCH Rys.. Schema zesawu do pomiaru paramerów prefilru sacjonarnego W zesawie ym korzysamy z zasepczych zródel sygnalu i szumu, symulujacych deekor promieniowania wraz ze sowarzyszonym ukladem elekroniki fron-end. Jako zródlo impulsów licznikowych nalezy uzyc generaor ypu RP1 i za pomoca jego organów nasawczych usalic nasepujace warosci paramerów sygnalu: czas narasania n = 0,1 µs, sala czasowa zaniku τ d = 10 µs, ampliuda impulsu V i max = V, czesoliwosc impulsów f = 1 khz.

3 /~/ Charakerysyczny dla nauralnych zródel szumu deekora i elekroniki wejsciowej kszal rozkladu gesosci widmowej mocy szumu W N α ( ) = β + w zesawie cwiczeniowym symulowany jes przez dwa generaory szumów: GENERATOR SZUMU BIALEGO i GENERATOR SZUMU ypu (1/f ). Mieszczacy sie w module GENE- RATORA SZUMU (1/f ) uklad MIESZACZA umozliwia sumowanie obu rodzajów szumu wraz z symulujacym sygnal deekora ciagiem impulsów licznikowych dosarczanych przez generaor RP-1. a) Dokonac pomiaru rozmycia szumowego sygnalu (FWHM) Vo na wyjsciu wzmacniacza dla rozporzadzalnych warosci salej czasowej filru τ f. Posluzyc sie meoda pomiaru rozkladu ampliudowego impulsów, wyznaczajac w pomiarach bezposrednich polozenie (ampliude) i wysokosc (szybkosc zliczen) piku oraz przynalezna mu szerokosc na polowie jego wysokosci. Pomiaru poziomu szybkosci zliczen (w piku i na polowie jego warosci na obu jego zboczach) dokonac za pomoca liniowego INTEGRATORA IMPULSÓW ILL-1, zas odpowiadajace im warosci ampliud impulsów odczyac wpros z obroowej skali helipou usalajacego próg dyskryminacji ANALIZATORA A-1. b) Przy zalozeniu gaussowskiego kszalu piku obliczyc warosci sredniego odchylenia sandardowego σ Vo oraz sosunku sygnalu do szumu SNR. Wyniki pomiarów i obliczen przedsawic w formie wykresu SNR = f(τ f ). Minimalna warosc SNR oraz warunkujaca ja warosc salej czasowej τ f uznac za opymalne i przyjac jako referencyjne w dalszych procedurach obliczeniowych. ) Badanie efeku deficyu balisycznego prefilru Zjawisko deficyu balisycznego zosalo szczególowo omówione w dodaku G. Przedsawiona am analiza doyczy najprosszego przypadku, gdy filr pasmowo-przepusowy worza dwa uklady formujace pierwszego rzedu: uklad rózniczkujacy C-R i uklad calkujacy R-C. W badanym ukladzie filru niesacjonarnego w charakerze prefilru wykorzysano wzmacniacz spekromeryczny WL-41. Jego czesoliwosci graniczne: górna i dolna wyznaczaja odpowiednio: prosy obwód rózniczkujacy pierwszego rzedu oraz dolnoprzepusowy filr akywny rzedu drugiego. Dla porównania uzyskanych wyników pomiarowych z obliczeniami eoreycznymi nalezy zaem skorzysac z zalecen lieraurowych. Zesawic uklad pomiarowy wedlug rysunku 3. GEN.IMPULSÓW LICZNIKOWYCH RP-1 PREFILTR WL-41 SYNCHROSKOP TDS 0 TRIG Rys. 3. Schema zesawu do badania efeku deficyu balisycznego

4 a) Dla wyznaczonych w poprzednim zadaniu opymalnych warosci paramerów prefilru wyznaczyc eksperymenalnie deficy balisyczny impulsów o dluzszych czasach narasania, a mianowicie: n = 0,5 µs, 1,0 µs i,0 µs. b) Dla ych impulsów dobrac eksperymenalnie warosci salej czasowej prefilru, przy kórych deficy balisyczny zosaje prakycznie zlikwidowany, a nasepnie dokonac pomiaru warosci przynaleznych czasów rozdzielczych wedlug kryerium spadku poziomu odpowiedzi (sygnalu wyjsciowego) do warosci 1% ampliudy. 3) Badanie wlasnosci pelnego ukladu filru niesacjonarnego a) Zesawic zlozony filr niesacjonarny (prefilr quasi-gaussowski + inegraor bramkowany), wlaczajac go do ukladu pomiarowego ukazanego schemaycznie na rysunku 4. (Do wyzwalania GENERATORA IMPULSÓW BRAMKUJACYCH wykorzysac impulsy TRIG-OUT generaora RP-1). b) Wyznaczyc eksperymenalnie opymalne warosci inerwalu bramkowania inegraora wedlug kryerium zerowego deficyu balisycznego oraz przebiegi odpowiedzi na wymuszenia impulsami o róznych czasach narasania przy róznych warosciach inerwalu owarcia bramki T BR. c) Wykonac pomiary konrolne rozmycia szumowego sygnalu dla calego ukladu filru, oraz wyznaczyc warosc bezwzglednego SNR N i wzglednego sosunku sygnalu do szumu η N (odniesionego do filru idealnego) w funkcji salej czasowej prefilru sacjonarnego. Paramery impulsu wejsciowego przyjac jak w zadaniu 1) programu cwiczenia. Wyznaczenie η N przeprowadzic w sposób posredni; najwpierw okreslic η R = SNR N /SNR (WL-41) przyjmujac za referencyjny, sacjonarny filr akywny WL-41 a nasepnie, uwzgledniajac warosc SNR (WL-41) /SNR Α filru sacjonarnego (0,84) obliczyc η N wedlug oczywisej relacji η N = η R [SNR (WL-41) /SNR Α] = 0,84 η R. Rezulay przeprowadzonych pomiarów oraz obliczen przedsawic w formie wykresu (SNR) N = f(τ f ). d) Za pomoca oscyloskopu pomierzyc szerokosc impulsu wyjsciowego i skopiowac jego przebieg z ekranu oscyloskopu. Porównac uzyskany rezula z analogicznym wynikiem uzyskanym w pomiarach wykonanych w ramach zadania 17.. Sformulowac wnioski. GEN.SZUMU BIALEGO SYNCHROSKOP GEN.SZUMU 1/f + MIESZACZ SYGN. GEN.IMPULSÓW LICZNIKOWYCH PREFILTR + int.br. /~/ DUT IMP TRYG TDS 0 ANAL.AMPL.IMP. A-1 INTEGRATOR ILL-1 Rys Schema zesawu do badania wlasnosci filru niesacjonarnego

5 IV. Wyposazenie sanowiska cwiczeniowego Modul cwiczeniowy: FILTR NIESTACJONARNY Z INTEGRATOREM BRAMKO- WANYM (wkladka STANDARD 70) Wzmacniacz liniowy ypu WL-41 Analizaor jednokanalowy ypu A-1 (wkladka STANDARD 70) Inegraor liniowo-logarymiczny ypu ILL-1 (wkladka STANDARD 70) Modul cwiczeniowy: GENERATOR SZUMU BIALEGO (wkladka STANDARD 70) Modul cwiczeniowy: GENERATOR SZUMU 1/f + MIESZACZ (wkladka STAN- DARD 70) Obudowa sysemu STANDARD 70 z zasilaczem niskiego napiecia ZNN-41 Generaor impulsów licznikowych ypu RP-1 Oscyloskop pomiarowy ypu TDS 0 Kable i przewody polaczeniowe V. Lieraura pomocnicza [1] Dodaek A do insrukcji cwiczeniowych [] Insrukcje obslugi pomocniczej elekronicznej aparaury pomiarowej [3] Korbel K., Dabrowski W.: Filracja sygnalu w spekromerycznym orze pomiarowym. Filry analogowe, Kraków, Wyd. AGH 199 [4] Masny S.: Laboraoryjna aparaura echniki jadrowej na obwodach scalonych STAN- DARD, Warszawa, OIEJ, Biblioeka PTJ, Seria: Aparaura i echnika pomiarowa, nr 80 (598), 1976 [5] Radeka V.: Trapezoidal filering of signals from large germanium deecors a high raes. Nuclear Insrumens and Mehods, vol. 99, 197, 55