微弱光测试实验.docx

微弱光测试实验系统GCUL-B(V1.0)武汉光驰科技有限公司WUHAN GUANGCHI TECHNOLOGY CO.,LTD第一章微弱光测试实验仪说明 3一、 产品介绍： 3二、 面板说明： 3第二章 实验指南 -5 -一、 实验日的 -5 -二、 实验内容 -5 -三、 实验仪器 -5 -四、 注意事项 -5 -五、 实验操作 -5 -1、 低噪声放大器应用实验 -5-2、 普通光电二极管测量微弱光原理实验 -9 -3、 雪崩光电二极管测量微弱光原理实验 -9 -4、 光电倍增管测量微弱光原理实验 -9 -第一章微弱光测试实验仪说明一、产品介绍：目前，随着生物医学、空间探测以及环境辐射检测技术的发展，对微弱光 的检测要求越来越高微弱光的检测对探测器和相对应的处理电路都有特定的 要求本实验系统通过对使用不同光电探测器对微弱光信号进行检测对比，了解 探测器对微弱光信号探测的影响同时通过对微弱光信号探测处理电路的深入 研究，进一步掌握微弱光测试系统的原理及应用方法二、面板说明：前面板如下图所示:面板上表头显示值为探测器（雪崩光电二极管APD、光电二极管和光电倍增管PMT） 输出电流经过内部电流电压变换后输出的电压值。

RP1、RP2、RP3、RP4和补偿调节旋钮用来补偿仪器内部电流电压变换芯片的失 调电流而设置，有余仪器本身已经使用低失调电流、高输入阻抗的高性能芯片，所以这些 旋钮作用可以忽略不计增益调节旋钮分4档，各档增益系数为X4档：1K； X3档：10K； X2档：100K； X1档：1M根据各档系数电阻值可以计算出探测器输出电流I二表头显示电压/ 增益系数直流/频率切换开关为光源驱动模式切换开关，当开关拨到频率档时，光源 输出为脉冲光，输出脉冲宽度通过频率调节旋钮调节当开关拨到直流档时， 光源输出为静态，输出光强通过光照度调节旋钮进行调节频率输出切换开关用来切换机箱后面板波形输出和电压输出，当开关拨到 开位置时，后面板波形输出信号（此时直流/频率切换开关对应切换到频率位 置）；当开关拨到关位置时，后面板电压输出信号（此时直流/频率切换开关对 应切换到直流位置），电压输出设计供有电脑端数据采集需要时使用本仪器没 有配置数据采集功能，需要另外配置调零旋钮用于补偿探测器的暗电流使用，当无光照射探测器是，理想情况武汉光驰阻技育眼公司〜 '、c J” g如项、"八…s 微弱光测试实验仪实验指导书下探测器输出电流为零，仪器表头输出也应该为零，实际上有余探测器暗电流 的存在，导致无光情况下探测器仍有电流输出，表头显示值不为零，铜过改旋 钮可以对暗电流输出进行补偿，使无光是表头为显示为零。

阈值调节旋钮报警指示灯配合使用，可以用来实现当探测器探测到的光照 度高于某一阈值照度值时，报警指示输出报警信号（亮或者灭）PMT/APD切换开关用来切换光电倍增管和雪崩光电二极管的偏置电压，当 开关拨到PMT时，后面板PMT输出光电倍增管工作偏置电压当开关拨到APD 时，PD接口输出雪崩光电二极管工作偏置电压使用对应的探测器时注意拨到 对应的工作电压后面板如下图所示：PMT高压为倍增管提供工作偏置电压，用BNC线对应连接到倍增管组件后 面的高压端，PMT信号为倍增管电流输入端，用BNC线对应连接到倍增管组件 后面的电流端PD接口为光电二极管和雪崩二极管的接口波形输出为探测器探测到的脉冲信号输出端口电压输出为探测器探测到的直流静态光信号输出端口承'武汉片驰料技盲眼公司Wuhan Guangchi Technology Co.,ltd.第二章实验指南、实验目的1、 了解不同探测器对微弱光探测处理的原理及方法2、 了解低噪声放大器的内部原理及应用原则二、实验内容1、 普通光电二极管测量微弱光原理实验2、 雪崩光电二极管测量微弱光原理实验3、 光电倍增管测量微弱光原理实验4、 低噪声放大器应用实验三、实验仪器1、微弱光测试实验仪1台2、光源组件1套3、光电二极管组件1套4、APD光电二极管组件1套5、光电倍增管组件1套6、衰减片组件系统1套7、连接线若干8、电源线1根四、注意事项1、 连接电路时，保证电路未通电。

2、 光源极性不要接反3、 不要用强光持续照射光电倍增管，特别是在高压下，否则容易使倍增管 老化五、实验操作1、低噪声放大器应用实验一个光电探测系统是由光学变换、光电探测器和后续电路处理系统组 成，一般光电探测器需连结多级放大器，我们称第一级放大器为前置放大器， 对于一个由n个放大器级连成的放大系统，其噪声特性可由弗里斯（Friis）公 式表达：F -1 F -1 F -1NF — F + + ―3 + n 1 k k - k k - k kP1 P1 弓 £ 弓 Pn-1式中NF为系统的总噪声系数；F1为第一级放大器的噪声系数；Fn为第n 级放大器的噪声系数；七为第一级功率增益，kPn为第n级功率增益由上式可以看出，多级放大器噪声系数的大小，主要取决于第一级放大器 的噪声系数为了使多级放大器的噪声系数减小应尽量减小第一级的噪声系数， 同时提高第一级的功率增益七，这是指导我们设计低噪声放大器的一个重要原 则此外，还需考虑放大器的频率特性，动态范围，信号源阻抗等要求所以 具体电路因系统不同而异从低噪声要求出发应考虑如下几点：1) 选择内部噪声低，信号源电阻合适的管子 前置放大器可由晶体管、结 型场效应管、绝缘栅场效应管和集成电路组成。

品体管适合于信号源电阻在几 十欧姆至一兆欧姆范围内；结型场效应管适合于较高的源电阻；绝缘栅场效应 管可工作于更高的信号源电阻情况，但因其1/f噪声较大，所以用得较少，只 有在高阻状态才用2) 应选择优质电阻、电容 低噪声放大器除了放大管自身噪声低以外，还 需要电阻、电容的噪声也很低，因电阻自身都存在固有的热噪声，热噪声电压 的均方值为V = 4JW (5.1.2)式中，k为玻耳兹曼常数(1.38X10-23/J/K)； R为电阻阻值；T为电阻的绝对温度；§为测量系统的通频带宽度除此以外，电阻还产生与电阻品质 有关的电流噪声(也称过剩噪声)电流噪声的均方电压为V 2 (f )= KilcR2 项nf f (5.1.3)式中，K是与材料工艺有关的常数idc是流过电阻的直流电流，f是频率；R是电阻阻值这种噪声有与频率成反比、与所加直流电流七的平方成正比的 特性这种噪声的大小与生产过程有密切关系通常合成碳质电阻噪声最大； 金属膜电阻噪声比较小；精密金属膜电阻噪声更小；线绕电阻噪声最小(但体 积较大)所以，最常用的是金属膜电阻3) 有良好的电磁屏蔽措施 因为前置放大器输入信号很弱，外界干扰相对 来说显得很强，它们可通过分布电容或磁场耦合把干扰引入放大器，所以，用 金属壳把放大器包围起来，并使金属壳接地就能很好地屏蔽外界电场干扰。

屏蔽壳除了屏蔽外界电场干扰外，同时也屏蔽外界磁场干扰此外，放大 器的信号输入线应尽可能短且采用屏蔽线小咛武5又光驰祖技育B艮公司J '、如项、，”』E 微弱光测试实验仪实验指导书采用品体管或结型场效应管组成的低噪声集成运算放大器其体积小、使用 方便，在噪声要求不很高的情况下，用它组装的前置放大器是方便易得的本 实验就采用低噪声集成运算放大器组装前置放大器进行实验从课程学习中已经知道：放大器的噪声模型是由无噪声的理想放大器输入 端等效噪声电压源气和等效噪声电流源0值而信号源是由信号源电阻Rs、信号电压匕和噪声均方根电压' 'I组成一般低噪声集成运算放大器都给出En和4值由此可得最佳源电阻Rsop也可得到等效输入噪声电压E2 = V2 + E 2 + I 2 R2和最小噪声系数F 1+ E 2 + 12 R 2min - 4kTR ；I Af（5.1.4）（5.1.5）（5.1.6）但是，一般En和In都给出1H带宽中的值，所以最小噪声系数也定义在1Hz带宽中，即F i + e 2 +12 R 2 min - \kTRn Ssop取对数值（dB）得（5.1.7）NF = 10log F（5.1.8）有的集成运算放大器给出In、En值，也有的给出NF值。

本实验仪器使用的探测器输出的都是微弱电流信号，故前级设计为低噪声 微弱电流/电压变换电路，如下图5.1.1电流/电压变换电路为降低由于输入偏置电流产生的漂移，应对不同量程的偏置电流进行转换， 响应频率岁反馈电阻R3-R6而变，电阻大小由输入的直流电流确定电路中， 在反向输入端输入电流，通过反馈电阻把电流转换为电压，输出电压Uo=-Ii*Rf （Ii为探测器输出电流，Rf为R3-R6中一个电阻）因此可确定响应的输入电 流转换的电压Uo要使用驱动电流小的运放，驱动电流引起的漂移电压可采用同向输入抵消电路中量程选择开关J2对应机箱面板上增益调节选择开关，漂移补偿选择 开关J3对应机箱面板上补偿调节选择开关，补偿调节电位器Rp2-Rp5对应机箱 面板 RP1-RP4打开主机箱电源，选择不同增益档位和对应补偿调节档位，调节补偿调节 电位器，观察表头显示，根据原理图分析显示结果增益档位系数分别为X4 档：1K； X3 档：10K； X2 档：100K； X1 档：1M2、普通光电二极管测量微弱光原理实验偏压调制/直流-奇幻探测器 一t图5.2.1电路框图本实验仪电路框图如图5.2.11、 将光电二极管组件接入机箱后航空插座接口，机箱内已经为二极管提供 直流偏压。

2、 光源和光电二极管组件对接3、 光源对应接入机箱后红、黑护套插座4、 打开电源开关调节光强，观察主机箱显示值，单位为MV5、 观测不同光强对应不同的档位情况6、 观测调制光输出7、 实验完成后关闭电源3、雪崩光电二极管测量微弱光原理实验1、 将雪崩光电二极管组件接入机箱后航空插座接口，机箱内已经为二极管 提供直流偏压2、 光源和雪崩光电二极管组件对接3、 光源对应接入机箱后红、黑护套插座4、 打开电源开关调节光强，观察主机箱显示值，单位为MV5、 观测不同光强对应不同的档位情况6、 观测调制光输出7、 通过观测结果分析与光电二极管的测试性能的异同点8、 实验完成后关闭电源4、光电倍增管测量微弱光原理实验1、 将光电倍增管组件接入机箱后对应BNC接口2、 光源和衰减片及光电倍增管管组件对接＞武汉卅驰KU技育B艮公司'、微弱光测试实验仪实验指导书3、 光源对应接入机箱后红、黑护套插座4、 打开电源开关调节光强，观察主机箱显示值，单位为MV5、 观测不同光强对应不同的档位情况6、 通过不同衰减片进行组合的到不同强度的微弱光对结果进行观测7、 观测调制光输出7、 通过观测结果分析与光电二极管、雪崩光电二极管的测试性能的异同点。

8、 实验完成后关闭电源。