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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exponential curves。 实验原理 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： 对其进行m次取样积分后累加得： 输入输出的信噪改善比为： 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： 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 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：，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＝2RC Tb /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。 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+)* + e b) e + Ar(3p6) → Ar+(3p5M)* + 2e， e + Ar+(3p5M)* → (Ar+)* + e c) e + Ar(3p6) →(Ar+)* + 2e， (Ar+)* → Ar+(4p) a b c Ar(3p6) Ar+(3p5) Ar+(4s) Ar+(4p) Ar+(3p5M)* 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的关系为 ，即激光器的增益正比于。这就要求在细的放