BG A

GH

2

1643 pozycja wydawnictw dydaktycznych (Preprint) Akademii Grniczo-Hurnicej im. Stanisawa Staszica w Krakowie C Wydawnictwa AGH, Krakw 2002 ISSN 0239-6114

BG A

GH

3

SPIS TRECI

WICZENIE LABORATORYJNE 1 Ukady odczytu detektorw promieniowania jonizujcego............................................ 5 WICZENIE LABORATORYJNE 2 Transformator impulsowy .............................................................................................. 14 WICZENIE LABORATORYJNE 3 Filtr quasi-gaussowski (CR)m - (RC)n .......................................................................... 20 WICZENIE LABORATORYJNE 4 Filtr aktywny wzmacniacza 1101 .................................................................................. 26 WICZENIE LABORATORYJNE 5 Ukad wykrywania i odrzucania spitrze (PUI/R)....................................................... 31 WICZENIE LABORATORYJNE 6 Pasywne ukady przywracania poziomu zerowego (BLR)............................................. 38 WICZENIE LABORATORYJNE 7 Przedwzmacniacz adunkowy ........................................................................................ 42 WICZENIE LABORATORYJNE 8 Ukady koincydencyjne ................................................................................................. 47 WICZENIE LABORATORYJNE 9 Integratory liniowe ......................................................................................................... 53

WICZENIE LABORATORYJNE 10 Integrator logarytmiczny A ............................................................................................ 60

WICZENIE LABORATORYJNE 11 Integrator logarytmiczny B ............................................................................................ 64

WICZENIE LABORATORYJNE 12 Ukady odbioru informacji czasowej ............................................................................. 68

WICZENIE LABORATORYJNE 13 Szeregowo-rwnolega bramka liniowa......................................................................... 72

WICZENIE LABORATORYJNE 14 Mostkowa bramka diodowa............................................................................................ 78

BG A

GH

4

WICZENIE LABORATORYJNE 15 Liniowa bramka transmisyjna 1105 ............................................................................... 83

WICZENIE LABORATORYJNE 16 Stabilizator spektrometru................................................................................................ 87

WICZENIE LABORATORYJNE 17 Filtr niestacjonarny z integratorem bramkowanym ....................................................... 93

DODATEK A Generatory szumw ....................................................................................................... 98 DODATEK B Generator impulsw przypadkowych ........................................................................... 106

DODATEK C Wyznaczanie czasu rozdzielczego ukadw koincydencyjnych metod koincydencji przypadkowych.......................................................................................... 110 DODATEK D Symulacje komputerowe bramki mostkowej ................................................................. 114 DODATEK E Sonda scyntylacyjna SSU-70 ......................................................................................... 117 DODATEK F Subukady systemu autoregulacji stabilizatora spektrometru ........................................ 119 DODATEK G Deficyt balistyczny ........................................................................................................ 122 DODATEK H Pomiar impedancji wejciowej wzmacniacza ................................................................ 126

DODATEK I

Ilustracje pogldowe moduu oraz zestaww wiczeniowych...................................... 130

BG A

GH

5

WICZENIE LABORATORYJNE 1 Ukady odczytu detektorw promieniowania jonizujcego

Zakres wiczenia Weryfikacja dowiadczalna dopenienia warunkw kryterialnych nakadanych na przedwzmacniacze przeznaczone do pracy w systemie prdowym i napiciowym. Porwnanie odpowiedzi uzyskiwanych w trzech systemach pracy ukadw odczytu licznika scyntylacyjnego (prdowym, napiciowym i napiciowo-prdowym). Badanie wasnoci ukadu pomiaru redniego poziomu. Przedmiot wiczenia

Przedmiotem wiczenia jest zestaw dowiadczalno-demonstracyjny obejmujcy licz-nik scyntylacyjny z krysztaem NaJ(Tl) oraz dwa przedwzmacniacze, przeznaczone do pracy, odpowiednio, w systemie napiciowym oraz w systemach prdowym i napiciowo- -prdowym.

Na rysunku 1.1 przedstawiono schemat wzmacniacza rekomendowanego do pracy w systemie prdowym wzgldnie napiciowo-prdowym.

Wzmacniacz pracujcy w tym systemie musi charakteryzowa si bardzo nisk rezys-tancj wejciow i odznacza szerokim pasmem przenoszenia. Istniej rne sposoby spe-nienia takich warunkw. W wiczeniu zastosowano stosunkowo prosty ukad ze stopniem wejciowym o wsplnej bazie i kompensacj dwjnikow charakterystyki przenoszenia.

Do pracy w systemie napiciowym wymagany jest natomiast wzmacniacz o wysokiej rezystancji wejciowej i relatywnie wszym pamie przenoszenia. Tego rodzaju wy-magania spenia ukad, ktrego schemat ideowy przedstawiono na rysunku 1.2. Jest to kon-wencjonalny ukad super-alfa z bootstrapowaniem rezystora w obwodzie bazy pierwsze-go stopnia.

Rys. 1.1. Schemat ideowy wzmacniacza przeznaczonego do pracy w systemie prdowym

-6V

BF200

51

51

0.1

470

51

330

0.1 200

1.5H

WE

10 TEST

2N 3503

WY

+6V

GND

BG A

GH

6

Dla wygody opisu w dalszej czci instrukcji obydwa przedzwzmacniacze bd okrelane odpowiednio mianem wzmacniacza prdowego (CA current amplifier) oraz wzmacniacza napiciowego (VA voltage amplifier).

Obydwa przedwzmacniacze zmontowano w identycznych obudowach. Rysunek 1.3 pokazuje schematycznie rozmieszczenie cz (gniazd i wtykw) na obudowach obu wzmac-niaczy. Symbole uyte na schemacie oznaczaj odpowiednio: WE gniazdo wejciowe czce wzmacniacz z detektorem (za porednic- twem skrzynki rozdzielczej), WY gniazdo wyjciowe sygnau, TEST gniazdo wejciowe dla pomiarw testujcych wzmacniacza, NN zesp gniazd doprowadzajcych napicie zasilajce wzmacniacz, POM gniazdo pomocnicze do pracy z pominiciem puszki rozdzielczej. Program wiczenia instrukcja szczegowa

Zadanie 1.1. Pomiary testujce przedwzmacniaczy

Celem tych pomiarw jest stwierdzenie, czy speniaj one zaoenia kryterialne kwali-fikujce je do kategorii ukadw prdowych lub napiciowych. Zaoenia kryterialne do-tycz w szczeglnoci rezystancji wejciowej Ri przedwzmacniaczy oraz ich szerokoci pasma przenoszenia BW (Bandwidth).

Rys. 1.2. Schemat ideowy wzmacniacza do pracy w systemie napiciowym

510 100k 33k

68k

68k BC179

BC179

1

WE

10 TEST

50

-12V

WY

10

1

MASA

100

10n

Rys. 1.3. Rozmieszczenie gniazd i kontrwtykw na obudowie przedwzmacniaczy

WE WY CA lub VA

POM TEST NN

BG A

GH

7

Pomiar rezystancji wejciowej wzmacniacza prdowego

Pomiary rezystancji wejciowej wzmacniacza prdowego naley dokona uproszczo-n wersj metody standardowej, ktrej zasad ilustruje przedstawiony na rysunku 1.4 szczegowy schemat ukadu pomiarowego.

Metoda ta polega na wyznaczeniu napi wejciowych ViR i Vio podawanych na wejcie wzmacniacza odpowiednio za porednictwem wtrconej rezystancji szeregowej R oraz w sposb bezporedni (tj przy zwartym kluczu K), dajcych na wyjciu tak sam warto napicia Vo. Przy podanych w dodatku H zaoeniach upraszczajcych rezystancj wejciow Ri opisuje zaleno

.0

0

iiR

ii VV

VRR =

Dla zminimalizowania wpywu pojemnoci wejciowej wzmacniacza i pojemnoci

sprzgajcej ze rdem sygnau pomiarowego (10 F) pomiar naley przeprowadzi sygnaem sinusoidalnie zmiennym o czstotliwoci f = 50 kHz i zastosowa rezystor zew-ntrzny o wartoci okoo dwukrotnie wikszej od spodziewanej wartoci rezystancji wej-ciowej wzmacniacza. Przypomnijmy, e rezystancja wejciowa stopnia ze wspln baz pracujcego z relatywnie nisk opornoci obcienia w przyblieniu jest rwna wartoci parametru h11b. Wedug danych katalogowych tranzystorw maej mocy, pracujcych w ukadzie wsplnej bazy, ich pojemno wejciowa ksztatuje si na poziomie od kilku do kilkunastu pikofaradw. Dla obliczenia staej czasowej obwodu wejciowego wzmacniacza przyj szacunkowo Ci = 10 pF, a uzyskany wynik skonfrontowa z wymogami kryterial-nymi. Staa czasowa wywietlania scyntylatora NaJ(Tl) wynosi 0,25 s.

Pomiar impedancji wejciowej wzmacniacza napiciowego

Impedancj wejciow wzmacniacza napiciowego naley wyznaczy metod po-

redni, przez pomiar staej czasowej obwodu rniczkujcego utworzonego przez ukad rezystancji wejciowej wzmacniacza i wprowadzonej pojemnoci zewntrznej. W tym celu naley zestawi ukad pomiarowy wedug rysunku 1.5.

Sygnaem pomiarowym jest w tym przypadku fala prostoktna o okresie wielokrotnie przewyszajcym sta czasow obwodu wejciowego badanego wzmacniacza. Sygna pomiarowy pobierany jest z generatora HP 33120A przeczonego w ten tryb generacji.

Rys. 1.4. Ukad do pomiaru rezystancji wejciowej wzmacniacza prdowego

TDS 224

HP 33120 A

CA R

K

ViR,0

BG A

GH

8

Warto amplitudy fali prostoktnej naley nastawi na poziomie 500 mV. Organami regulacji oscyloskopu TDS 224 wyselekcjonowa do obserwacji i pomiaru przebieg zwi-zany z narastajcym zboczem fali prostoktnej, dobierajc wzmocnienie kanau pomia-rowego oscyloskopu, oraz parametry ukadu podstawy czasu w taki sposb, aby uzyska rozcignicie mierzonego sygnau (impulsu) na cay ekran. Korzystajc z moliwoci pomiarowych oscyloskopu, dokona pomiaru szerokoci impulsu wyjciowego na pozio-mie 1/e jego amplitudy. Szczegy tej techniki pomiarowej zawarte s w instrukcji obsugi oscyloskopu TDS 224. Zapozna si z odnonym jej fragmentem.

Dla wyznaczenia obu skadowych impedancji wejciowej wzmacniacza naley wyko-na dwa pomiary staych czasowych 1 i 2 przy dwch rnych wartociach pojemnoci zewntrznych C1 i C2 (stanowisko wiczeniowe wyposaono w przystawk zawierajc w zamknitej obudowie zesp wymaganych pojemnoci przeczanych wbudowanym do niej przecznikiem P). Wyznaczone eksperymentalnie wartoci staych czasowych zwi-zane s z parametrami obwodu pomiarowego prostymi relacjami (patrz dodatek H) ( ) iikik RCC += , gdzie: k numer kondensatora, Ri rezystancja wejciowa wzmacniacza, Ci pojemno wejciowa wzmacniacza.

Ukad uzyskanych w ten sposb rwna pozwala obliczy wartoci obu szukanych wielkoci.

Pomiar szerokoci pasma przenoszenia wzmacniaczy

Pomiar szerokoci pasma przenoszenia wzmacniaczy wyznaczy w ukadzie pomia-rowym pokazanym na rysunku 1.6.

Rys. 1.5. Schemat ukadu do pomiaru impedancji wejciowej wzmacniacza napiciowego

HP 33120 A TDS 224

VA

C1

C2

P

PRZYSTAWKA

Rys. 1.6. Schemat ukadu do pomiaru charakterystyki amplitudowej wzmacniacza

HP 32120 A

TDS 224

BG A

GH

9

Pomiar naley przeprowadzi metod punkt po punkcie w przedziale czstotliwoci od 1 kHz do 15 MHz przy zaoonej staej amplitudzie napicia wejciowego miesz-czcego si w zakresie liniowej pracy przedwzmacniacza. Zestawi tabelarycznie wyniki pomiarw bezporednich, uzupeniajc tabel wartociami obliczonych wspczynnikw wzmocnienia wzmacniaczy: napiciowego (kV = Vo/Vi) i prdowego (k=Vo/Ii), oraz prdu wejciowego wzmacniacza prdowego (Ii=Vi/RS)

Wykreli w ukadzie podwjnie logarytmicznym przebiegi charakterystyk amplitudo-wych wzmacniaczy: prdowego - k(f) i napiciowego kV(j). Oceni czy rozporzdzalna szeroko pasma jest wystarczajca dla przeniesienia bez znieksztace sygnau formo-wanego na wejciu przedwzmacniacza w danym systemie jego pracy.

Zadanie 1.2. Testowanie zespou detektor elektronika odczytu Testowanie systemu prdowego

Dokona pocze podzespow systemu prdowego (licznik scyntylacyjny, wzmac-niacz prdowy, zasilacz WN fotopowielacza licznika scyntylacyjnego, zasilacz NN wzmac-00niacza oraz linia transmisyjna) wedug uproszczonego schematu z rysunku 1.7.

Umieci kontrolne rdo promieniotwrcze w uchwycie na stanowisku pomiarowym. Dokona obserwacji sygnau detektora za pomoc oscyloskopu pomia-rowego TDS-224, nastawiajc odpowiednio wzmocnienie wzmacniacza odchylania piono-wego i zakres podstawy czasu. Przeprowadzi obserwacje sygnaw dla rnych poziomw wyzwalania podstawy czasu oscyloskopu. Sformuowa wnioski std wypywajce.

Rys. 1.7. Schemat zestawu do badania pracy licznika scyntylacyjnego w systemie prdowym

G-2

G-1 G-6P

G-4 G-5

ZWORA

ZAS.NN

ZAS.WN

LICZNIK SCYNT.

CA

OSCYLOSKOP

UWAGA

Warto napicia zasilania licznika scyntylacyjnego nastawi wedug wskazwek prowadzcego zajcia laboratoryjne!

Przed wczeniem zasilaczy starannie sprawdzi poprawno pocze!

BG A

GH

10

Wyznaczy sta czasow opadania impulsu wyjciowego i ewentualnie oszacowa czas jego narastania tn. Testowanie systemu napiciowego

Zamiast wzmacniacza prdowego wstawi (zgodnie ze schematem z rys. 1.8) wzmac-

niacz napiciowy i powtrzy poprzednio wskazane procedury pomiarowe.

Testowanie systemu napiciowo-prdowego

Przeczy podzespoy ukadu odczytu w napiciowo-prdowy tryb pracy zgodnie ze schematem podanym na rysunku 1.9 wczajc w tor sygnau (midzy gniazda G-4 i G-5) koncentryczny kabel transmisyjny.

Wykona seri obserwacji i pomiarw szacunkowych, analogicznych jak w pomia-rach testujcych systemu prdowego i napiciowego. Opisa zwile wyniki poczynionych obserwacji i zestawi w tabeli rezultaty pomiarw.

Rys. 1.9. Ukad do badania pracy licznika scyntylacyjnego w systemie napiciowo-prdowym

ZAS.NN

LICZNIK SCYNT.

ZAS.WN

OSCYLOSKOP

CAG-1

G-2

G-6

G-4 G-5

PLINIA TRANSM.

Rys. 1.8. Schemat zestawu do badania pracy licznika scyntylacyjnego w systemie napiciowym

LICZNIK SCYNT.

ZAS.WN ZAS.NN

G-4 G-5 G-2

G-1

G-3

VA

OSCYLOSKOP

ZWORA

BG A

GH

11

Zadanie 1.3. Badanie wasnoci ukadu pomiaru redniego poziomu

Ukad pomiaru redniego poziomu zestawi wg rysunku 1.10 z zastpczym rdem sygnau napiciowego (Generator PGP-6 + pasywny STRETCHER), wykorzystujc jako wzmacniacz napiciowy, wejciowy wzmacniacz toru odchylania pionowego oscyloskopu przeczony w (niezbdny w zaoonym reymie pracy) tryb sprze staoprdowych.

Dla podanych wartoci elementw stretchera (ukadu wyduajcego) dokona obser-wacji sygnau wyjciowego przedwzmacniacza i pomiaru jego poziomu redniego oraz napicia midzyszczytowego fluktuacji dla rnych czstotliwoci cigu liczniko-wych impulsw wejciowych. Odczytu wartoci mierzonych wielkoci dokona za po-moc organw pomiarowych oscyloskopu korzystajc z procedury MEASURE oraz wskaza poziomu trygera (TRIGGER LEVEL). Uzyskane wyniki skonfrontowa z przeliczeniami teoretycznymi wedug pierwszego i drugiego twierdzenia CampbellaFrancisa.

Opis ukadu licznika scyntylacyjnego

Wykorzystywany w wiczeniu licznik scyntylacyjny skada si z dwch podstawo-wych podzespow: scyntylatora NaJ(Tl) o wymiarach 20 x 20 mm oraz fotopowie-lacza typu EMI 9524 B.

Na rysunku 1.11 przedstawiono schemat pocze elektrycznych ukadu foto-

powielacza.

Rys. 1.10. Schemat stanowiska do badania ukadu pomiaru redniego poziomu

STRETCHER

Rekomendowane nastawy gener.: Vi max < 5 V ti = 500 ns f = kHz Polarno dod.

TDS 224 PGP-6

2k 1n 200 Ri=1 M Ci=20 pF

Rys. 1.11. Schemat ukadu zasilania elektrod (dynod i anody) fotopowielacza

11 x 2M2 3 x 1 n

EMI 9524 B

MASA +WN

ANODA

5

1

2

BG A

GH

12

Wczenia licznika scyntylacyjnego do pracy w wybranym trybie dokonuje si za po-rednictwem puszki rozdzielczej, ktrej schemat podano na rysunku 1.12. W zestawie wiczeniowym jest ona zamontowana na specjalnych prowadnicach wsplnie z pozos-taymi blokami (wzmacniaczami i licznikiem scyntylacyjnym).

Wzmacniacze wczane s w tor sygnau alternatywnie. Na rysunku 1.13 pokazano

umiejscowienie na prowadnicach wzmacniacza prdowego (CA).

Rysunek 1.14 przedstawia umiejscowienie w torze pomiarowym wzmacniacza w na-piciowym systemie pracy.

WY

6V

Puszka rozdzielcza

KABEL PRZE.

WN

WE

CA Licznik scyntylacyjny

Rys. 1.13. Poczenie zespou blokw toru pomiarowego w systemie prdowym

WY

Puszka rozdzielcza

KABEL PRZE.

WN

WE

-12V

VA

Licznik scyntylacyjny

Rys. 1.14. Poczenie zespou blokw toru pomiarowego w systemie napiciowym

Rys. 1.12. Schemat pocze w poredniczcej puszce rozdzielczej

PRZE.

ZWORA lub LINIA TRANSMIS.

PUSZKA ROZDZIELCZA

LICZNIK SCYNTYLACYJNY

G -1

G-2 G-3

G-6

4700

100 k

100 k

0.1 1

2

K

G-5G-4

0.1

BG A

GH

13

Wyposaenie stanowiska pomiarowego Demonstracyjny zestaw wiczeniowy (obejmujcy licznik scyntylacyjny i wzmac- niacze: prdowy i napiciowy) Generator sygnaw okresowo zmiennych typu HP 33120 A Generator impulsw typu PGP-6 Oscyloskop pomiarowy typu TDS 224 Minimodu przelotowy ukadu wyduajcego (STRETCHER) Przystawka z pojemnociami C1 i C2 Zasilacz wysokiego napicia CAMAC-POLON 1904 lub STANDARD ZWN-21 Zasilacz niskiego napicia typu HP E36304 Wzorcowe (kontrolne) rdo promieniowania gamma 127Cs

Kable, przewody, elementy montaowe Literatura pomocnicza [1] Instrukcje obsugi aparatury pomiarowej uywanej w wiczeniu [2] Korbel K.: Elektronika jdrowa. Cz. II. Ukady elektroniki jdrowej. Krakw, Wyd. AGH 1985 [3] Korbel K.: Ukady elektroniki Front-End. Krakw, UWND AGH 2000 [4] Miwa H., Tohyama T.: Radiation-pulse transmission via a long cable without a pre- amplifier and/or a pulse transformer. Nuclear Electronics II, Conf. Proc., Belgrade 1961, 421

BG A

GH

14

WICZENIE LABORATORYJNE 2 Transformator impulsowy Zakres wiczenia

Identyfikacja parametrw elektrycznych transformatora impulsowego za pomoc konwencjonalnych metod pomiarowych. Wyznaczenie przebiegw charakterystyki amplitudowej oraz odpowiedzi skokowej w oparciu o schematy zastpcze i rezultaty pomiarw identyfikacyjnych. Pomiary charakterystyk amplitudowej i skokowej. Przedmiot wiczenia

Przedmiotem wiczenia jest zesp rdzeniowych transformatorw impulsowych, wy-konanych na ferromagnetycznych rdzeniach kubkowych, ze szczelin powietrzn (nr 1), bez szczeliny (nr 2).

Obydwa transformatory uzwojono technik bifilarn; ich przekadnie zwojowe wyno-sz w konsekwencji

n = 1. Program wiczenia instrukcja szczegowa Zadanie 2.1. Identyfikacja parametrw elektrycznych transformatora

Procedura identyfikacji parametrw elektrycznych transformatora zmierza do wyzna-czenia wartoci nastpujcych wielkoci:

rezystancji uzwojenia pierwotnego ,1r rezystancji uzwojenia wtrnego ,2r indukcyjnoci gwnej ,L cznej indukcyjnoci rozproszenia ,SL cznej pojemnoci wasnej .C

Pomiaru opornoci uzwoje naley dokona albo metod mostkow, posugujc si w tym celu mostkiem technicznym RLC (E 317A), wzgldnie miernikiem automatycznym (CHY41 lub CHY 29). Te same przyrzdy naley uy do pomiaru indukcyjnoci gwnej transformatora, zapinajc przyrzd pomiarowy na zaciski uzwojenia pierwotnego przy rozwartym uzwojeniu wtrnym.

Wyznaczenia wartoci SL oraz C mona dokona metod poredni przez pomiar czstotliwoci drga wasnych generowanych w warunkach sabego (podkrytycznego) tu-mienia przy pobudzeniu skokowym.

BG A

GH

15

Okres drga wasnych okrela formua

,2 CaLT S= gdzie:

,21

2

RRR

a += ( )gRrR += 11 sumaryczna oporno po stronie pierwotnej,

22

2n

RrR o

+= sumaryczna oporno strony wtrnej przeniesiona na pierwotn, gR oporno rda sygnau (generatora),

oR oporno obcienia transformatora. Na rysunku 2.1 podano schemat ukadu pomiarowego okresu drga (oscylacji) was- nych.

rdem pobudzenia skokowego jest tu generator typu HP 33120A przeczony w tryb generacji fali prostoktnej (okres przebiegu prostoktnego powinien by nieco du-szy od dugotrwaoci przebiegu oscylacyjnego) do obserwacji odpowiedzi i pomiaru okre-su oscylacji suy natomiast oscyloskop pomiarowy typu TAS 465 (w ikonce na rys. 2.1 ukazano przybliony ksztat odpowiedzi transformatora na wymuszenie impulsem pro-stoktnym).

Zadanie 2.2. Wyznaczenie charakterystyki amplitudowej w oparciu o modele teoretyczne

Korzystajc z danych pomiarowych otrzymanych w pomiarach identyfikacyjnych wyznaczy przebiegi charakterystyki amplitudowej w obszarze niskiej i wysokiej czsto-tliwoci, zgodnie z uproszczonymi schematami zastpczymi transformatora dla tych za-kresw.

Rys. 2.1. Schemat ukadu do pomiaru okresu drga wasnych transformatora

TR

Cd

HP 33120A

TAS 465

BG A

GH

16

Schematy te przedstawiono na rysunku 2.2

Poniej podano, w notacji uytej na rysunkach, formuy teoretyczne opisujce trans-mitancje obu ukadw zastpczych.

Dla zakresu niskich czstotliwoci (a) przyjmuje ona form

( )LRRRR

p

pRR

RpF NCz

21

2121

2)(

+++= ,

natomiast w obszarze czstotliwoci wysokich (b) opisuje j wyraenie

( ) ( ) ( )2121222

RRRCRLpCRLpR

pFSS

WCz ++++= .

Transmitancje stanowi podstaw do opisu wasnoci transformatora w domenie czs-totliwoci w formie charakterystyk amplitudowej F() i fazowej () oraz w dziedzinie czasu jako charakterystyka impulsowa h(t) lub skokowa R(t). Zgodnie z zaoonym pro-gramem wiczenia przedmiotem zada szczegowych s dwie charakterystyki: ampli-tudowa i skokowa.

Proste procedury obliczeniowe prowadz do nastpujcych postaci charakterystyk amplitudowych:

dla zakresu niskich czstotliwoci (a)

( ) ,21

22

21

212

21

++

+= LRRRR

RRR

F o

dla zakresu wysokich czstotliwoci (b)

( ) ( )[ ] [ ] .21221222221 +++= RCRLCRLRRRF SSo

Obliczenia przeprowadzi korzystajc z dostpnego w laboratorium komputera PC; sporzdzi wykresy czstkowych funkcji F() oraz cznej charakterystyki w penym zakresie czstotliwoci i dokona ich wydruku.

Rys. 2.2. Schematy zastpcze transformatora w zakresie niskich (a) i wysokich (b) czstotliwoci

b)

R1 C R2

LS a) R1

R2 L

BG A

GH

17

Nieco bardziej zoone obliczenia pozwalaj wyznaczy charakterystyki skokowe R(t). Wedug definicji stanowi one odpowied ukadu na wymuszenie skokowe 1H(t). Dostar-czaj one, stosownie do przyjtego schematu zastpczego, informacji o przenoszeniu czoa wymuszenia (stromoci i ksztatu) wzgldnie jego grzbietu. Na podstawie ukadu (rys. 2.2a) stosunkowo prosto wyznaczy mona tzw. zwis (Z) przenoszonego impulsu prostoktnego. Stanowi go spadek poziomu odpowiedzi skokowej ( )NCztR w interwale rozcigoci cza-sowej ti takiego impulsu, przy czym

( )

+

= ...1exp

tatatR NCz ,

gdzie ( )

21

21

RRRRL += , a wynikajca std warto zwisu wynosi

itaZ .

Odpowied skokowa ukadu wedug schematu zastpczego (rys. 2.2b) uwarunkowana jest wartociami biegunw funkcji operatorowej ( )WCzpF S one opisane ogln zale-noci

= 22,1 12 kjkTp ,

w ktrej parametr k reprezentuje wspczynnik tumienia uzaleniony od wartoci parame-trw transformatora relacj

+= SS CRL

RTk2

1 14

.

atwo zauway, e dla dodatniej wartoci wyraenia podpierwiastkowego bieguny

stanowi par rzeczywist, za dla wartoci ujemnych sprzon par zespolon. Przy jej wartoci zerowej istnieje natomiast tylko jeden, rzeczywisty biegun podwjny. Odpo-wiadajce powyszym przypadkom tumienia przyjto odpowiednio zwa tumieniem podkrytycznym (k < 1), krytycznym (k = 1) i nadkrytycznym (k > 1). W konsekwencji dla wyznaczonych w ten sposb wartoci k odpowiedzi skokowe przyjmuj istotnie odmienne postaci.

W szczeglnoci:

dla k < 1 ( )

+

= T

ktTtk

Ttk

kkatR

2exp12cos12sin

11 22 ,

dla k = 1 ( )

+=

Tt

TtatR 2exp211 ,

dla k > 1 ( )

+

= T

ktkkT

tk

katR4

exp14

1exp14

4122

2.

BG A

GH

18

Przebiegi odpowiedzi skokowej dla wyrnionych warunkw tumienia przedstawiono pogldowo na rysunku 2.3.

Na podstawie wynikw pomiarw identyfikacyjnych obliczy warto wspczynnika

tumienia jednego z transformatorw i stosownie do uzyskanego wyniku korzystajc z grafiki komputerowej zobrazowa przebieg odpowiedzi skokowej. Zadanie 2.3. Eksperymentalne wyznaczenie charakterystyki amplitudowej transformatora Zestawi ukad pomiarowy wedug rysunku 2.4. Stanowi on modyfikacj ukadu z ry-sunku 2.1, w ktrym w miejsce pojemnoci C wczono rezystor obciajcy Ro natomiast generator przeczono w tryb generacji sygnau sinusoidalnego.

Pomiar charakterystyki naley przeprowadzi metod punkt po punkcie, ze szcze-glnym zagszczeniem punktw pomiarowych w pocztkowym i kocowym obszarze pasma przenoszenia. Dla okrelenia tych obszarw skorzysta z wynikw poprzednich pomiarw i oblicze numerycznych. Przyj amplitud sygnau wejciowego na poziomie kilku woltw.

k1

V o

t

Rys. 2.3. Przykadowe przebiegi odpowiedzi skokowej transformatora przy rnych tumieniach

Rys. 2.4. Schemat ukadu do pomiaru charakterystyki amplitudowej transformatora

TR

Ro

HP 33120A

TAS 465

BG A

GH

19

Przedmiotem bezporedniego pomiaru s w tym przypadku amplitudy sinusoidalnie zmiennego sygnau wejciowego ~iV oraz wyjciowego

~oV . Pomiary te naley wyko-

na za pomoc dwukanaowego oscyloskopu pomiarowego dla dwch skrajnie rnych obcie transformatora (1 M i 100 ). Rezultaty pomiarw punktowych przedstawi w ujciu tabelarycznym oraz wykrelnie, odwzorowujc wspczynnik transformacji (wzmocnienie) w dB oraz czstotliwo w skali logarytmicznej. Zadanie 2.4. Pomiar charakterystyki przenoszenia transformatora

Celem tego pomiaru jest wyznaczenie przekadni napiciowej transformatora oraz zakresu jego liniowej pracy. Naley go przeprowadzi w ukadzie z rysunku 2.3 dla czsto-tliwoci f = 10 kHz, stosujc w tym przypadku generator sinusoidalny o szerszym zakresie napi, a mianowicie generator RC typu PO-18. Wyznaczy charakterystyki VoVi obu transformatorw oraz sprawdzi czy ich przekadnie s rwne jednoci. Okreli dopusz-czalny poziom sygnau wejciowego, powyej ktrego pojawiaj si znieksztacenia.

Zadanie 2.5. Pomiar odpowiedzi transformatora na impuls prostoktny

Pomiar ten przeprowadzi w ukadzie zestawionym uprzednio do pomiaru okresu drga wasnych, uwidocznionym na rysunku 2.1.

Zmierzy czas narastania zbocza wiodcego i opadajcego odpowiedzi na wymuszenie impulsem prostoktnym o czasie trwania timp = 1s oraz zwis odpowiedzi przy dugoci impulsu wymuszajcego rwnej timp = 1ms. Pomiary te przeprowadzi dla dwch zna-czco rnych wartoci opornoci obcienia transformatora, a mianowicie dla R2 =100 k, oraz R2 = 100 . Przerysowa odpowiedzi z ekranu oscyloskopu. Wyposaenie stanowiska wiczeniowego

Modu wiczeniowy zawierajcy dwa transformatory impulsowe Multimetr cyfrowy LCR-Meter: Mod. CHY41 Generator wielofunkcyjny typu HP 33120A Oscyloskop pomiarowy typu TAS 465 wzgldnie TDS220 Generator sygnau sinusoidalnego: typ PO-18 Kable, przewody i elementy bierne Oglnie dostpny komputer klasy PC

Literatura pomocnicza [1] Korbel K.: Ukady elektroniki Front-End. Krakw, UWND AGH 2000 [2] Loveless E.C., Grossart J.: The use of pulse transformers with radiation detectors. Conf. Proc. Nuclear Electronics II IAEA, Vienna 1962, 317 [3] Millman J., Taub H.: Pulse and digital circuits. N.Y., Toronto, London, McGraw-Hill Book Company, Inc. 1956

BG A

GH

20

WICZENIE LABORATORYJNE 3 Filtr quasi-gaussowski (CR)m - (RC)n Zakres wiczenia Badanie wasnoci filtracyjnych stacjonarnego, pojemnociowo-rezystywnego filtru quasi-gaussowskiego. Pomiary i obliczenia analityczne przepustowoci widmowej filtru. Obserwacja modyfikacji widm szumowych oraz przebiegw czasowych impulsw licznikowych przez proste i zoone struktury filtrw RC dla rnych wartoci ich staych czasowych. Pomiary wartoci redniej kwadratowej napicia szumw oraz amplitudy odpowiedzi na wymuszenie impulsem licznikowym [typu ( )tbA exp ] w zadanych konfigura- cjach filtru RC. Wyznaczenie zalenoci poziomu szumw wyjciowych od staej czasowej filtru dla rnych konfiguracji filtru RC i dla rnych rodzajw szumu wejciowego (szum biay, szum typu 1/f 2 , oraz ich suma). Wyznaczenie zalenoci stosunku sygnau do szumu od wartoci staej czasowej za- danej konfiguracji filtru oraz zadanych przebiegw czasowych impulsu liczni- kowego i widma szumw.

Przedmiot wiczenia Przedmiotem wiczenia jest zesp filtrw grno- i dolnoprzepustowych zmonto-wanych we wsplnym module wiczeniowym umoliwiajcym realizacje zadanych tematem wiczenia ukadw. Na rysunku 3.1 przedstawiono uproszczony schemat tego moduu oznaczanego skrtowo na schematach ukadw pomiarowych, wg terminologii anglosaskiej, symbolem DUT 1 (Device Under Test).

Rys. 3.1. Schemat ukadu moduu wiczeniowego

220

WY P2 2 3

WE

1

P1/1

P1/2

I DIFF I INT

C

1

54 6

C P1/3 P1/4

P1/5

C

II INT III INT II DIFF

1

C

1

C

1

1

1

RA RB RC RD RE

BG A

GH

21

Modu wiczeniowy (DUT 1) zawiera dwa obwody rniczkujce i trzy obwody ca-kujce o identycznych, przeczanych wsplnie za pomoc przecznika P-1, wartociach staych czasowych. Obwody te separowane s aktywnymi wtrnikami w konfiguracji super alfa. Przecznik kciukowy P-2 pozwala wybra wyjciowy punkt pomiarowy, stosownie do ktrego dokonuje si zarazem wyboru konkretnej konfiguracji filtru.

W szczeglnoci w pooeniu 1 WYJCIE moduu czone jest bezporednio z je-go WEJCIEM, pozwalajc na obserwacj i pomiar sygnaowych i szumowych wymusze wejciowych. W pooeniu 2 na WYJCIE moduu przekazywane s sygnay wyjciowe pierwszego obwodu rniczkujcego (I DIFF), podlegajc w nim odpowiedniej mody-fikacji. W kaskadzie z tym obwodem wczony jest trwale obwd pierwszego cakowania (I INT), tworzc z nim filtr pasmowo-przepustowy CR-RC. T opcj ustala pooenie prze-cznika P-2 w pozycji 3. Kolejne ustawienia tego przecznika w pozycjach 4, 5 i 6 cz poszczeglne obwody odpowiednio w konfiguracje: CR-(RC)2, CR-(RC)3 oraz (CR)2-RC. Program wiczenia instrukcja szczegowa

Zadanie 3.1. Pomiar przepustowoci widmowej filtru

Przedmiotem pomiaru s charakterystyki amplitudowe rnych konfiguracji filtrw wyznaczane w konwencjonalnym ukadzie wobulatora. W tym celu wykorzystano mo-liwoci pomiarowe ANALIZATORA WIDMA [Tektronix - (7L5 + OPT25)].

Zestawi ukad pomiarowy wedug rysunku 3.2, czc wejcie filtru z wyjciem gene-ratora sygnau o liniowo narastajcej w czasie czstotliwoci (OPT. 25), a wyjcie wybranej konfiguracji filtru z wejciem analizatora (7L5).

Ustawi przeczniki i pokrta regulacyjne ANALIZATORA WIDMA (7L5 + OPT.25) w wymienionych poniej pooeniach: rozdzielczo (resolution) 300 Hz, zakres (frequency span) 20 kHz/dz., poziom (reference level) 10 mV/dz., pocztek zakresu (dot frequency) 100 kHz, szybko przemiatania (sweep rate) max, poziom sygnau wobulatora (tracking level) max.

Rys. 3.2. Schemat ukadu do pomiaru charakterystyki amplitudowej filtrw

ANALIZATOR WIDMA

FILTR RC

DUT 1

OPT 25 7L5

BG A

GH

22

Przeprowadzi seri pomiarw charakterystyk amplitudowych rozporzdzalnych konfiguracji filtrw dla dostpnych wartoci staych czasowych. Obserwowane na ekranie ANALIZATORA 7L5 przebiegi charakterystyk skonfrontowa z przykadowymi oblicze-niami teoretycznymi.

Obliczenia takie przeprowadzi dla doranie wskazanego przypadku, wykorzystujc w tym celu wyposaenie komputerowe LABORATORIUM.

Zadanie 3.2. Obserwacja rozkadw widmowych szumw

Zestawi ukad pomiarowy wedug schematu podanego na rysunku 3.3. W ukadzie tym szumy z obu generatorw przekazywane s na ukad badany (DUT 1) za po-rednictwem sumatora (MIESZACZA) mieszczcego si w module konstrukcyjnym GENERATORA SZUMU CZERWONEGO (mianem szumu czerwonego przyjto nazywa szum o gstoci widmowej mocy odwrotnie proporcjonalnej do kwadratu czstotliwoci i oznacza go symbolem 1/f 2).

Podczenia obu rde szumu do sumatora naley dokona, stosownie do potrzeb, przy pomocy zewntrznych pocze kabelkami koncentrycznymi. Do wizualizacji i po-miaru rozkadw widmowych badanych szumw suy analizator widma Tektronix 7L5 .

Dokona obserwacji widm szumw w punktach wzowych badanego ukadu FILTRU (w pozycjach 1, 2, 3, 4, 5, 6 przecznika P-2) dla rnych (wybieranych przecznikiem P-1) wartoci staych czasowych w warunkach transmisji wycznie szumu biaego, samego szumu czerwonego, oraz sumy obu tych rodzajw szumu. W szcze-glnoci w pozycji 1 przecznika P-2 oceni warto naronej czstotliwoci szumw (noise-corner frequency), tj. czstotliwoci, dla ktrej poziomy obu skadowych szumw s takie same.

Blisze informacje dotyczce generatorw szumu zamieszczono w dodatku A.

Zadanie 3.3. Badanie efektu wybielania szumu kolorowego

Zestawi ukad pomiarowy wedug schematu podanego na rysunku 3.4. Podstawowy modu wiczeniowy (DUT 1) zastpiono w nim prostym czwrnikiem rniczkujcym

Rys. 3.3. Schemat ukadu do obserwacji rozkadw widmowych szumw

GEN.SZUMU 1/f2 + MIESZACZ

GEN.SZUMU BIAEGO

ANALIZATOR WIDMA

FILTR C-R - RC

DUT 1

7L5

BG A

GH

23

(DUT 2) o regulowanej w sposb cigy staej czasowej. Przy ustalonej wartoci pojemno-ci tego obwodu (C = 200 pF) zmian wartoci jego staej czasowej umoliwia potencjometr wieloobrotowy (helipot) o rezystancji regulowanej pynnie (w zakresie 0 4,7 k). Celem tego zadania jest obserwacja widma szumw na wyjciu czwrnika C-R, na wejcie ktrego podano rwnoczenie szum biay i szum typu 1/f 2 (czerwony). Zmieniajc stopniowo warto staej czasowej obwodu rniczkujcego uchwyci moment wybielania zoonego szumu kolorowego.

Odnotowa warto rezystancji helipotu i obliczy przynalen jej warto naronej szumowej staej czasowej (noise-corner time-constant). Skonfrontowa uzyskany rezultat z wynikiem pomiaru naronej czstotliwoci szumw. Zadanie 3.4. Pomiary poziomu sygnau i szumu

Zestawi ukad pomiarowy zgodnie ze schematem podanym na rysunku 3.5.

W ukadzie tym zesp generatorw szumu uzupeniono GENERATOREM

IMPULSW LICZNIKOWYCH o regulowanych parametrach sygnau: amplitudzie, czasie narastania i czasie opadania. Sygnay wyjciowe filtru przekazywane s do dwch rw-

Rys. 3.4. Schemat ukadu do obserwacji efektu wybielania szumw

GEN.SZUMU 1/f2 + MIESZACZ

GEN.SZUMU BIAEGO

ANALIZATOR WIDMA

CZWRNIK C-R

DUT 2

7L5

Rys. 3.5. Schemat ukadu do pomiaru stosunku sygnau do szumu

GEN.SZUMU 1/f2 + MIESZACZ

GEN.SZUMU BIAEGO

FILTR RC

DUT 1

GEN.IMPULSW LICZNIKOWYCH

t WOLTOMIERZ RMS

SYNCHROSKOP

TAS 465

BG A

GH

24

nolegych gazi pomiarowych: gazi pomiaru amplitudy przenoszonych impulsw liczni-kowych i wartoci midzyszczytowej szumw (OSCYLOSKOP) oraz gazi pomiaru war-toci redniokwadratowej szumw (WOLTOMIERZ RMS).

Podczy na wejcie MIESZACZA (w module GENERATORA SZUMU CZERWO-NEGO) tylko GENERATOR SZUMU BIAEGO i dokona nastpujcych pomiarw:

wartoci redniej kwadratowej napicia szumw na wyjciach wszystkich mo- liwych do zrealizowania konfiguracji filtrw, wartoci midzyszczytowej napicia szumw na wyjciu konfiguracji RC-CR.

Podczy na wejcie MIESZACZA (jak uprzednio) wycznie generator szumu typu 1/f 2 (CZERWONEGO) i dokona analogicznych pomiarw jak w przypadku pomiarw szumu biaego.

Podczy na wejcie MIESZACZA tylko GENERATOR IMPULSW LICZNIKOWYCH i dokona pomiaru amplitudy impulsu licznikowego na wyjciach wszystkich moliwych konfiguracji filtrw dla amplitudy impulsu wejciowego Vi max = 500 mV i czasu opa- dania to = 100 s, oraz czterech wartoci czasu narastania tn = 0,05 s, 0,1 s, 0,2 s i 0,5 s.

Rezultaty wszystkich pomiarw przedstawi tabelarycznie. Na ich podstawie obliczy wartoci stosunku sygnau do szumu (cakowitego) SNR dla konfiguracji filtrw: CR-RC, CR-(RC)2 oraz (CR)2-RC i wykreli odnone przebiegi zalenoci SNR = F().

Przeprowadzi pomiar sprawdzajcy poziomu szumu sumarycznego, podajc na wejcie sumatora sygna szumowy z obu generatorw szumu.

Obliczenia wartoci SNR dla konfiguracji (CR)2-RC wykona wzgldem podstawowej czci impulsu bipolarnego.

Podczy na wejcie MIESZACZA obydwa generatory szumw i generator impulsw licznikowych. Dokona obserwacji skaenia szumowego przenoszonych impulsw.

Przeszkicowa obraz z ekranu oscyloskopu.

Wyposaenie stanowiska wiczeniowego

Modu wiczeniowy: DUT 1 FILTR (CR)m-(RC)n. (wkadka STANDARD 70) Modu wiczeniowy: DUT 2 CZWRNIK CR. (wkadka STANDARD 70) Modu GENERATORA SZUMU BIAEGO (wkadka STANDARD 70) Modu GENERATORA SZUMU 1/f 2 i MIESZACZA (wkadka systemu STANDARD) Generator impulsw licznikowych typu RP1 (Berkeley Nucleonics Corporation) ANALIZATOR WIDMA 7L5 + OPT.25 (Tektronix) Woltomierz wartoci redniej kwadratowej typu HP 3400 (Hewlett-Packard) Oscyloskop pomiarowy typu TAS 465 lub TDS 220 Obudowa ZNN-41 systemu STANDARD (z zasilaczem niskiego napicia) Kable i przewody poczeniowe Generator funkcji HP 33120A

BG A

GH

25

Literatura pomocnicza

[1] Instrukcje obsugi aparatury pomiarowej uywanej w wiczeniu [2] Korbel K.: Profilaktyka i terapia antyszumowa ukadw elektroniki Front-End. Krakw, Wyd. AGH 1997 [3] Korbel K., Dbrowski W.: Filtracja sygnau w spektrometrycznym torze pomiarowym. Filtry analogowe. Krakw, Wyd. AGH 1992 [4] Masny S.: Laboratoryjna aparatura techniki jdrowej na obwodach scalonych STANDARD. Warszawa, OIEJ, Bibl. PTJ, Seria Aparatura i technika pomiarowa, nr 80 (598), 1976

BG A

GH

26

WICZENIE LABORATORYJNE 4 Filtr aktywny wzmacniacza 1101 Zakres wiczenia Badanie wasnoci transmisyjnych dolnoprzepustowego filtru aktywnego (FA) w konfi-guracji SallenaKeya: pomiar charakterystyki amplitudowej filtru, pomiar odpowiedzi filtru na wymuszenie impulsem o zaniku eksponencjalnym, porwnanie wynikw pomiaru z przebiegami wyznaczonymi teoretycznie, pomiary charakterystyk filtru zoonego CRFA.

Przedmiot wiczenia

Przedmiotem wiczenia jest ukad filtru SallenaKeya w wersji zastosowanej we wzmacniaczu ksztatujcym typu 1101 systemu CAMAC-POLON. Uproszczony schemat tego ukadu przedstawiono na rysunku 4.1

Charakterystyki czstotliwociowe i impulsowe takiej konfiguracji ksztatowane s przez celowy dobr wartoci parametrw elementw skadowych.

W przypadku filtru wzmacniacza 1101 zaoono:

R = R1 = R2 = 1 k, C = CB = 4CA (dobierane stosownie do zakresu), kV = + 1,

przy czym iloczyn RC = i okrela dominujc sta czasow filtru.

W module wiczeniowym podstawow struktur filtru uzupeniono wejciowym wzmacniaczem szerokopasmowym (replikujc w ten sposb wybrany fragment wzmac-niacza 1101) oraz wejciowym obwodem rniczkujcym CR umoliwiajcym syntez filtru pasmowo-przepustowego.

Rys. 4.1. Schemat strukturalny filtru aktywnego SallenaKeya

WY

CB

WE +1

R1 R2

CA kV

BG A

GH

27

Elementy te uwidoczniono na rysunku 4.2 przedstawiajcym schemat moduu wiczeniowego. W takiej te postaci zamieszczono go na pycie czoowej moduu.

Warto tu przypomnie, e w spektrometrycznym torze pomiarowym pierwotnym rd-em sygnau jest detektor promieniowania, stanowicy impulsowe rdo prdowe. Gene-rowane w nim impulsy prdowe s wstpnie cakowane w stowarzyszonych inercyjnych obwodach wejciowych toru pomiarowego, ulegajc przeksztaceniu w proporcjonalne im-pulsy napiciowe. Traktujc z kolei pierwotne impulsy prdowe jako impulsy dirakowskie {ID(t) = Q(t)},sygna na wejciu systemu filtracyjnego (na miar poczynionego uproszcze-nia) przybiera posta cigu impulsw heavisideowskich {Vi(t) = Q/C H(t)}. Ta forma syg-nau podlega procesowi filtracji. Wasnoci transmisyjne toru pomiarowego odnosi mona zarwno do pierwotnego (rzeczywistego) prdowego rda sygnau, jak i do wtrnego (zastpczego) rda napi-ciowego. Std te wedug pierwszego podejcia okrelana jest tzw. globalna charakterys-tyka impulsowa h(t), opisujca odpowied caego toru (od detektora do wyjcia) na jednost-kowy impuls prdowy. W przypadku alternatywnym, wobec wyczenia z toru pomiaro-wego ukadu wstpnego cakowania i wprowadzenia w jego miejsce zastpczego (wtrne-go) rda napiciowego, korzystamy z charakterystyki skokowej {R(t)} pozostaej czci toru. Dodajmy, e w konfiguracji {CR/FA} (obwd rniczkujcy C-R i filtr aktywny) jest ona rwnowana odpowiedzi dolnoprzepustowego filtru aktywnego na wymuszenie impul-sem o zaniku eksponencjalnym {Vi FA = 1 exp(t/RC)}. W szczeglnoci dla badanego ukadu filtru SallenaKeya opisuje j funkcja

( ) ,3cos1exp34

= tRCRC

ttR FACR

za jego charakterystyka amplitudowa dana jest rwnaniem

( ) ( ) ( ) ( ) .1125,00625,01

224 RC

RC

RCRCF FACR +

+

=

Rys. 4.2. Schemat moduu wiczeniowego z filtrem SallenaKeya

WE-1

WE-2

1k 1k

CB

CA

100 100 10n

BC179

22 BC179

680 10010n

+20V +12V

-12V

WY 1k

d Cd

1k

+12V

Rd

10k

-12V

HA2540 +

_

BG A

GH

28

Program wiczenia instrukcja szczegowa Zadanie 4.1. Pomiar charakterystyki amplitudowej filtru aktywnego FA

Zestawi ukad pomiarowy wedug rysunku 4.3. Dokona orientacyjnych pomiarw

charakterystyk przejciowej (na czstotliwoci 10 kHz)i amplitudowej (w rozporzdzalnym zakresie czstotliwoci) wzmacniacza buforowego (przy wyczonych CA i CB). Dobra wartoci doczanych pojemnoci CA i CB z warunku zaoonej wartoci dominujcej staej czasowej i = 1 s. Pomiary charakterystyk filtru przeprowadzi przy poziomie sygnau wejciowego rwnym w przyblieniu poowie zakresu dynamicznego ukadu.

Waciwe pomiary charakterystyki amplitudowej filtru przeprowadzi przy racjonal-nym pokryciu punktami pomiarowymi zakresu przenoszenia filtru; rzadszym w obszarze paskim, natomiast zagszczonym przy kocu pasma przenoszenia.

W procedurze pomiarowej obejmujcej wycznie dolnoprzepustowy filtr aktywny FA, sygna pomiarowy z generatora sygnau sinusoidalnie zmiennego (HP 33120A) poda na wejcie bezporednie badanego ukadu, oznaczone symbolem WE-1. Powtrzy taki cykl pomiarowy dla wartoci i = 2 s i 4 s.

Wykreli przebiegi pomierzonych charakterystyk w oglnie przyjtym sposobie prezentacji (poziom w dB oraz czstotliwo w Hz). Zadanie 4.2. Pomiar odpowiedzi FA na wymuszenie typu A exp( t/)

W poprzednio zestawionym ukadzie pomiarowym w miejsce generatora sygnau sinu-soidalnie zmiennego wczy generator impulsw o zaniku eksponencjalnym (typu RP-1 lub RP-2).

Nastawi nastpujce wartoci parametrw sygnau:

amplituda Vi = 100 mV, czas narastania tr = 50 ns, czas opadania td = 1 s, czstotliwo f = 1 kHz.

Rys. 4.3. Schemat ukadu do pomiaru charakterystyki amplitudowej

TDS 220

DUT WE-1

WE-2

HP 33120A

BG A

GH

29

Za pomoc oscyloskopu pomiarowego dokona pomiaru nastpujcych parametrw odpowiedzi (impulsu wyjciowego): amplitudy Vo max, czasu osignicia maksimum tmax, czasu osignicia 1% Vmax tre.

Pomiary przeprowadzi dla wartoci i rwnych 1 s, 2 s i 4 s. Przerysowa prze-biegi odpowiedzi z ekranu oscyloskopu.

Zadanie 4.3. Pomiary charakterystyk filtru zoonego (CR)-(FA)

Przedmiotem pomiaru tego zadania wiczeniowego jest:

charakterystyka amplitudowa, charakterystyka skokowa filtru.

Pomiary naley przeprowadzi w warunkach wczonego w tor sygnau (na wejciu) dodatkowego obwodu grnoprzepustowego (CR). Obwd taki jest trwale wmontowany do ukadu moduu wiczeniowego, a jego praktyczne wczenie w tor sygnau dokonywane jest przez podanie sygnau pomiarowego na drugie wejcie moduu oznaczone symbolem WE-2.

Uzyskany w ten sposb filtr zoony jest filtrem pasmowo-przepustowym. Ze wzgldu na ustalon a priori warto staej czasowej obwodu rniczkujcego, rwn z zaoenia d = 1 s, warto dominujcej staej czasowej filtru aktywnego (FA) naley nastawi take rwn i = 1 s.

Pomiar charakterystyki amplitudowej filtru zoonego naley przeprowadzi dokad-nie wedug procedury zadania 4.1.

W pomiarze charakterystyki skokowej filtru zoonego przeczy generator wielo-funkcyjny HP 33120A w tryb generacji fali prostoktnej przy nastpujcych wartociach parametrw sygnau: amplituda Vi = 100 mV, czstotliwo f = 1 kHz.

Przerysowa z ekranu oscyloskopu przebieg odpowiedzi filtru i porwna go z prze-biegiem odpowiedzi samego filtru aktywnego (FA) na wymuszenie impulsem o zaniku eksponencjalnym ze sta czasow rwn dominujcej staej czasowej filtru (uzyskanym w pomiarze zadania 4.2).

Zadanie 4.4. Porwnanie wynikw dowiadczalnych z obliczeniowymi

Poda ogln posta transmitancji filtru SallenaKeya oraz wywodzce si z niej funkcje charakterystyki impulsowej i amplitudowej.

BG A

GH

30

Wyznaczy funkcje odpowiedzi skokowej i charakterystyki amplitudowej filtru zoonego. W oparciu o powysze zalenoci teoretyczne, dla zadanych wartoci elemen-tw ukadu, zobrazowa te przebiegi, korzystajc z grafiki komputerowej. Sporzdzi wydruki charakterystyki i porwna je z odpowiednimi przebiegami wyznaczonymi ekspe-rymentalnie.

Na gruncie znajomoci topologii badanego ukadu oraz wartoci elementw skado-wych wyznaczy przebiegi tyche charakterystyk metod analizy komputerowej (wg pro-gramu SPICE), sporzdzi wydruki tych przebiegw i porwna je z charakterystykami wyznaczonymi w poprzednich procedurach. Wyposaenie stanowiska wiczeniowego Modu wiczeniowy: FILTR AKTYWNY WZMACNIACZA 1101 Generator sygnaw okresowo zmiennych: typ HP 33120A Generator impulsw typu TAIL PULSE Mod. RP-1 Oscyloskop pomiarowy: typ TDS 220 Zasilacz niskiego napicia: typ KB-60-01 Profesjonalny miernik automatyczny typu CHY 29 lub LCR-METER typu CHY 41 Komplet kondensatorw Kable i przewody poczeniowe Komputery z odpowiednim oprogramowaniem (w ramach oglnego wyposaenia La- boratorium Elektroniki Jdrowej oraz Katedry Elektroniki Jdrowej) Literatura pomocnicza [1] Biako M. (red.): Filtry aktywne RC. Warszawa, WNT 1979 [2] Instrukcje obsugi aparatury pomiarowo-kontrolnej [3] Korbel K., Dbrowski W.: Filtracja sygnau w spektrometrycznym torze pomiaro- wym. Filtry analogowe. Krakw, Wyd. AGH 1992 [4] Sallen R.P., Key E.L.: A Practical Method of Designing RC-Active Filters. IRE Trans. on Circuit Theory, CT-2, 74, 1955

BG A

GH

31

WICZENIE LABORATORYJNE 5 Ukad wykrywania i odrzucania spitrze (PUI/R) Zakres wiczenia Badanie wasnoci ukadu wykrywania spitrze w stochastycznym cigu impulsw oraz odrzucania impulsw skaonych tym efektem. Pomiar parametrw znamionowych ukadu: pomiar czasu rozdzielczego dla dwch impulsw ,rest pomiar interwau wykrywania (detekcji) spitrze TD. Ocena efektywnoci wykrywania i odrzucania spitrze.

Przedmiot wiczenia Przedmiotem wiczenia jest modu dowiadczalny ukadu PUI/R (Pile-Up Inspector/ Rejector). Rysunek 5.1 podaje oglny schemat ideowy tego moduu, wyrniajcy trzy (oznaczone odpowiednio symbolami A, B i C) bloki funkcjonalne.

Podstawow jednostk funkcjonaln moduu (blok A ) stanowi ukad wykrywania spitrze w konfiguracji zaproponowanej przez C.J. Danielsa. Tworzy j zesp cyfrowych

Rys. 5.1. Schemat ideowy moduu wiczeniowego

2 3

A6

5

4+15 V

-15 V

2

1

13 3 8

10

5

12

6

7

2

300pF

100k 1n

15 14 3

8 16

Cl

KJ R Q

11

1n 100k

BF200

BF200

BF200

120k

10k 10n 1k

200k 200k

10n WY-A

WY-B

+ 24 V

WE

3,5V

50 ns

100 pF

+5 V +5 V

CX 1k

50k RX

SN7470 SN74123

+5 V

KONTR. 1 (TD) KONTR. 2

1

C BT1

T2

T3

BG A

GH

32

ukadw scalonych TTL skadajcy si z monowibratora z impulsowym przeduaniem czasu regeneracji (SN 74123) oraz synchronicznego przerzutnika jednozboczowego JK (SN 7470). Ukad generuje sygna identyfikujcy i ewentualnie przedua go w przypad-kach, gdy odlegoci kolejnych impulsw mieszcz si w tzw. interwale detekcji spitrze-nia. Dugotrwao tego interwau podyktowana jest szybkoci zaniku impulsw licznikowych i dopuszczaln dystorsj amplitud wywoan ich wzajemnym nakadaniem. W ukadzie ustalaj j wartoci elementw biernych Rx i Cx, w obwodzie zewntrznym monowibratora. W tym sensie monowibrator peni funkcj GENERATORA INTERWAU DETEKCJI, przy czym rozcigo czasowa generowanego impulsu identyfikujcego odpowiada cile interwaowi detekcji. Monowibrator wyzwalany jest krtkimi impul- sami startowymi przywizanymi do czoa kadego impulsu licznikowego, a jego odpo- wied o czasie trwania TD przenoszona jest na wejcie informacyjne J przerzutnika bi- stabilnego, przygotowujc go z okrelonym opnieniem transmisyjnym do zmiany stanu przewodzenia. Opnienie reakcji monowibratora zapobiega przeczaniu przerzutnika rwnoczenie w momencie pobudzenia monowibratora. Moe ono natomiast nastpi dopiero pod dziaaniem kolejnego impulsu startowego, mieszczcego si w obrbie czasowym wygenerowanego w monowibratorze impulsu wyjciowego (tj. w interwale de- tekcji), ktry powoduje zarazem przeduenie odpowiedzi monowibratorao warto TD, a w konsekwencji podtrzymanie w tym okresie zmienionego stanu przerzutnika

Dla zilustrowania podanego opisu fenomenologicznego na rysunku 5.2 przedstawiono schematycznie przebiegi sygnaw w wyrnionych punktach wzowych ukadu.

Ukad wykrywania spitrze (pile-up inspector) skojarzony z bramk liniow w-czon w tor sygnau spektrometru tworzy struktur zwan ukadem odrzucania spitrze (pile-up rejector). W module wiczeniowym zastosowano prost bramk rwnoleg na tranzystorze T3 (blok B ). Z chwil zmiany stanu przerzutnika podwyszony poziom na je-go wyjciu Q wprowadza w stan nasycenia tranzystor T3 zwierajc tym samym do masy tor transmisji sygnau spektrometrycznego.

Rys. 5.2. Diagramy przebiegw sygnaw w wybranych punktach ukadu

T T

t

t

t

t

t

5 4

3

2

6

1

BG A

GH

33

W celu uproszczenia zestawu pomiarowego modu wiczeniowy wyposaono w ukad symulacji impulsw licznikowych (blok C ). W odpowiedzi na wejciowy stochastyczny cig krtkotrwaych impulsw prostoktnych (ti = 60 ns, Vin 3,5 V) generuje on analo-giczny cig celowo wyduonych impulsw o zaniku eksponencjalnym, symulujcych impulsy napiciowe sygnau spektrometrycznego. Przemiana ksztatu i rozcigoci cza-sowej impulsw dokonywana jest w konwencjonalnym ukadzie pompy diodowej wsppracujcej z integratorem aktywnym (UC7741). Uformowany w powyszym uka-dzie sygna przekazywany jest za porednictwem kaskady wtrnikw (T1 i T2) na wyjcie bezporednie WY-A oraz wyjcie bramkowane WY-B. Umoliwiaj one obserwacj i po-miar odpowiednich cigw impulsw wyjciowych. Dodatkowe gniazdo wyjciowe (KONTR. 1) przewidziano dla pomiaru INTERWAU DETEKCJI. Na pycie czoowej MODUU WICZENIOWEGO dostpne jest rwnie pokrto potencjometru nastawczego Rx obwodu ustalajcego warto czasu TD.

Program wiczenia instrukcja szczegowa

Zadanie 5.1. Przygotowanie stanowiska pomiarowego

Dla wykonania zada przewidzianych programem wiczenia niezbdne jest zesta-wienie zastpczego rda stochastycznego cigu impulsw na bazie rozporzdzalnej, konwencjonalnej aparatury pomiarowej.

Stosunkowo prostym w praktycznej realizacji ukadem generacji cigu impulsw o przypadkowym rozkadzie czasowym z moliwoci pynnej regulacji ich redniej czstotliwoci repetycji jest tandem zoony z generatora szumu biaego i dyskryminatora progowego. Zasada pracy takiego ukadu oparta jest na charakterystycznym dla szumu biaego gaussowskim rozkadzie wartoci chwilowych amplitud. rednia czstotliwo < f > przekroczenia przez szum zadanego poziomu Vprog opisana jest (patrz dodatek B) zalenoci

,21exp

2

0

=

rmsN

prog

VV

ff

gdzie: < f0 > tzw. pozorna czstotliwo procesu stochastycznego, tj. rednia warto czs-

totliwoci przejcia sygnau przez zero w kierunku jego narastania; VNrms warto rednia kwadratowa napicia szumw.

Jeli z generatorem szumu biaego (GSB) skojarzy dyskryminator progowy (DP), na wyjciu takiego ukadu uzyskuje si podany stochastyczny cig impulsw standardowych o redniej czstotliwoci < f > uwarunkowanej poziomem dyskryminacji Vprog.

Wedug przedstawionej wyej koncepcji zestawi tego rodzaju generator korzystajc z dostpnych MODUW FUNKCJONALNYCH, z rodziny wkadek systemu aparatury jdrowej STANDARD-70.

BG A

GH

34

Przeprowadzi obserwacje i pomiary testujce w ukadzie pomiarowym przedstawio-nym schematycznie na rysunku 5.3.

W szczeglnoci:

Dokona oceny charakteru cigu impulsw na podstawie obserwacji oscylograficznej na oscyloskopie z pamici (Tektronix TDS-220 lub 314), powtarzajc kilkakrotnie (w trybie pojedynczego wyzwalania podstawy czasu) obserwacje fragmentw genero- wanego cigu.

Przeprowadzi seri pomiarw redniej czstotliwoci impulsw generowanego cigu dla kilku wartoci progu dyskryminacji. W pomiarach posuy si technik zliczania impulsw w zaoonym przedziale cza- su, Wyniki pomiarw zestawi w tabelce oraz wykreli w postaci charakterystyki Vprog vs. ln < f >.

W ramach czynnoci przygotowawczych przetestowa subukad symulacji impulsw licznikowych (blok C) oraz ich tor transmisji do wyjcia WY-A (blok B). W tym celu zestawi ukad pomiarowy wedug schematu z rysunku 5.4

Oscylograf zapi na wyjcie WY-A ukadu wykrywania spitrze. Generator impulsw przeczy w tryb normalny (cig impulsw pojedynczych), a za pomoc jego organw regulacyjnych nastawi nastpujce parametry generowanego cigu impulsw:

szeroko impulsw ti = 60 ns, amplituda impulsw Vi = 3,5 V, polarno impulsw dodatnia, czstotliwo cigu f = 1 kHz.

Rys. 5.3. Schemat ukadu do formowania i pomiarw cigu impulsw przypadkowych

P-41

GSB

GEN.SZUMU BIAEGO

DP-21

SYNCHROSKOP

TDS 220

Rys. 5.4. Schemat zestawu do formowania i pomiarw cigu impulsw licznikowych

PUI&R

DUT

PGP-6

SYNCHROSKOP

TDS 220

BG A

GH

35

Ustali tryb pracy oscylografu i dobra jego zakresy pomiarowe. Oceni wierno aproksymacji impulsu licznikowego. Dokona pomiaru amplitudy obserwowanego im-pulsu, czasu jego narastania oraz staej czasowej jego zaniku. Wyznaczy warto szerokoci t(1%) impulsu na poziomie 0,01 jego amplitudy.

Zadanie 5.2. Pomiar interwau detekcji spitrze

W ukadzie pomiarowym z rysunku 5.4 przeczy wejcie oscylografu na gniazdo wyjciowe KONTR 1 (TD) ukadu PUI&R. Dokona pomiaru rozcigoci czasowej i pozio-mu odpowiedzi monowibratora SN 74123 na wymuszenie impulsem startowym pobiera-nym z generatora PGP-6. Przyj identyczne jak w poprzednim zadaniu pomiarowym wartoci parametrw sygnau generatora impulsw.

Dobra zakresy pomiarowe i tryb pracy oscylografu. Za pomoc potencjometru na-stawczego skorygowa szeroko impulsu determinujcego interwa detekcji spitrze do wartoci TD = t (1%).

Zadanie 5.3. Sprawdzanie dziaania ukadu generacji sygnau wzbronienia

Do pomiaru wykorzysta ten sam zestaw pomiarowy jak w zadaniu poprzednim.

Stosownie do wymaga tego zadania podczy kana I i II oscylografu odpowiednio do gniazda WY-B oraz KONTR 1 badanego ukadu PUI&R oraz zmieni odpowiednio warun-ki pracy generatora PGP-6 i oscylografu TDS-220. Wyzwalanie podstawy czasu zwiza z czoem impulsu ustalajcego interwa detekcji spitrze. W szczeglnoci: przeczy generator impulsw PGP-6 w tryb generacji impulsw podwjnych, przy zachowaniu poprzednich wartoci ti oraz Vi zada warto odstpu impulsw w parze (opnienie) rwn ti = 0,5 ms oraz okres repetycji Ti = 5 ms.

Pomiar oscylograficzny odpowiedzi ukadu na wymuszenie par impulsw prze- prowadzi w trybie wyczekujcej podstawy czasu synchroskopu.

Obserwujc na ekranie oscylografu sygnay z wyj WY-B i KONTR 1 ukadu PUI&R stopniowo redukowa warto opnienia midzy impulsami ti a do mo- mentu zetknicia impulsw interwau detekcji spitrze. Stwierdzi czy momentowi temu towarzyszy spowodowany wygenerowaniem impulsu wzbronienia zanik na wyjciu WY-B drugiego impulsu pary. Dodatkowe wyjcie kontrolne KONTR 2 umoliwia obser-wacj tego impulsu.

Zadanie 5.4. Obserwacje skutkw spitrzania impulsw

Obserwacji skutkw spitrzania impulsw dokona w tym samym co uprzednio uka- dzie pomiarowym. Manifestuj si one na sygnaach, zarwno wejciowym, jak i wyj- ciowym ukadu PUI&R, odbieranych odpowiednio z jego gniazd WY-A oraz WY-B.

Dla przeprowadzenia obserwacji efektu spitrzania na pierwotnym cigu impulsw licznikowych naley dokona odpowiedniego przeczenia na wejciu kanau I oscylo- skopu. Nastpnie, kontynuujc zmniejszanie dystansu ti dzielcego par impulsw gene-

BG A

GH

36

ratora PGP-6 zaobserwowa spitrzanie impulsw na krawdzi opadajcej poprzednika (na ogonie) a do nasunicia drugiego impulsu pary na krawd czoow impulsu pierwszego. Opnienie ti jest wwczas rwne czasowi narastania impulsw liczniko-wych tn.

Skutek dalszego zmniejszania odlegoci midzy impulsami pary mona obser-wowa na sygnale wyjciowym ukadu. Naley zatem na wejcie kanau I synchroskopu doprowadzi sygna z gniazda WY-B badanego ukadu. W miar skracania interwau ti nastpi pogbiajca si degradacja amplitudy wiodcego impulsu pary na skutek obcinania go przez sygna wzbronienia przed osigniciem wartoci maksymalnej. Przeszkicowa obserwowane przebiegi ilustrujce ewolucj dystorsji przenoszonego im-pulsu. Sformuowa i uzasadni wnioski odnonie ogranicze dziaania ukadu.

Powysze obserwacje mona przeprowadzi rwnie w warunkach rwnoczesnej obserwacji obu sygnaw (z WY-A i WY-B), uzaleniajc wyzwalanie podstawy czasu synchroskopu od sygnau z toru A.

Zadanie 5.5. Pomiar (inherentnego) czasu rozdzielczego dla pary impulsw wejciowych

Do wykonania tego zadania posuy si rwnie zestawem pomiarowym podanym na

rysunku 5.4. Obserwujc na ekranie oscylografu sygna wyjciowy ukadu PUI&R, stop-niowo redukowa warto opnienia midzy impulsami pary wymuszajcej, osigajc kolejno stan wygaszenia drugiego impulsu pary, stopniowej degradacji i zaniku impulsu pierwszego a do momentu ponownego pojawienia si odpowiedzi na czne wymuszenie pokrywajcej si niemal cakowicie pary wejciowej. Wyznaczona w ten sposb granicz-na warto opnienia tigr okrela rozdzielczo czasow ukadu dla impulsw o skrajnie niskim (zerowym) czasie narastania tn. W warunkach gdy tn > ti czas rozdzielczy podyk-towany jest przez czas narastania impulsu licznikowego. Zadanie 5.6. Ocena efektywnoci wykrywania/odrzucania spitrze

Szkodliwym rezultatem wzajemnego nakadania si impulsw licznikowych jest dystorsja widma amplitudowego cigu tych impulsw. Jej wielko i zasig zaley zarwno od stopnia przecienia czstotliwociowego (tj. od redniej czstotliwoci impulsw), jak te od charakteru impulsu (bez przerzutu lub z przerzutem).

Prostym sposobem jakociowej oceny dziaania ukadu odrzucania spitrze jest po-rwnanie spektrogramu cigu obarczonego spitrzeniami, uzyskanego w warunkach elimi-nacji spitrze, z analogicznym spektrogramem zdjtym w warunkach braku odrzucania spitrze. Dla oceny skutecznoci dziaania badanego ukadu PUI&R posuy si po-danym wyej sposobem. W tym celu naley dokona pomiaru rozkadw amplitudowych cigu impulsw przypadkowych w podanych wyej warunkach alternatywnych, dla dwch wartoci redniej czstotliwoci impulsw: < f1 > = 1 kHz i < f2 > = 100 Hz, korzystajc z (zestawionego uprzednio) ukadu pomiarowego podanego na rysunku 5.5

BG A

GH

37

Pomiary takie naley wykona rutynow metod punkt po punkcie, wykorzystujc w tym celu uwidoczniony na schemacie ukadu pomiarowego zestaw ANALIZATORA AMPLITUDY. Dobra czas akumulacji zlicze w przeliczniku kierujc si wymogiem uzys-kania dokadnoci pomiaru na poziomie 1%. Szeroko okna analizatora przyj na pozio-mie 200 mV. Przy nastawianiu wartoci czstotliwoci cigu impulsw przypadkowych skorzysta z krzywej kalibracyjnej (Vprog ln < f >) wyznaczonej w ramach zadania 5.1.

Skomentowa uzyskane rezultaty oraz przedstawi je tabelarycznie i graficznie. Wyposaenie stanowiska wiczeniowego Modu wiczeniowy: UKAD WYKRYWANIA I ODRZUCANIA SPITRZE PUI&R Modu wiczeniowy: GENERATOR SZUMU BIAEGO GSB Dyskryminator progowy DP-21 wkadka STANDARD 70 Obudowa systemu STANDARD 70 z zasilaczem niskiego napicia Przelicznik impulsw P-41 samodzielna jednostka systemu STANDARD 70 Generator impulsw PGP-6 Oscyloskop cyfrowy TDS-220 (Tektronix) Analizator jednokanaowy A-22 wkadka systemu STANDARD 70 Kable i przewody poczeniowe

Literatura pomocnicza

[1] Daniels C.J.: An integrated circuit pile-up rejector. The Review of Scientific Ins- truments, vol. 46, No.1, 1975, 102 [2] Gillespie A.B.: Signal, Noise and Resolution in Nuclear Counter Amplifiers. Oxford, London, New York, Paris, Pergamon Press 1953 [3] Gray T.S., Walker R.M.: Design of a retriggerable IC one-shot. IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. SC-5, No. 4, 1970, 141 [4] Instrukcje fabryczne pomocniczej aparatury elektronicznej. [5] Korbel K.: Elektronika jdrowa. Cz. II. Ukady elektroniki jdrowej. Krakw, Wyd. AGH 1985 [6] Korbel K.: Monowibrator s impulsnym udlinienijem gienierirujemych impulsow. Pri- bory i Tiechnika Ekspierimienta, Nr 6, 113, 1968

Rys. 5.5. Schemat zestawu pomiarowego do oceny efektywnoci dziaania ukadu PUI/R

GEN.SZUMU

SYM.IMP.LICZN.

BR PUI

P-41 A-22 GSB DP-21

GEN.IMP.PRZYPADKOWYCH ANALIZATOR AMPLITUDY DUT

BG A

GH

38

WICZENIE LABORATORYJNE 6 Pasywne ukady przywracania poziomu zerowego (BLR) Zakres wiczenia

Badanie efektu przesuwania poziomu podstawy impulsu przez czwrnik rniczku- jcy CR. Badanie wasnoci pasywnych ukadw przywracania poziomu zerowego (BLR Ba- se Line Restorer). Pomiar zalenoci przesunicia linii podstawy impulsu Vo od czstotliwoci repety- cji f przy zaoonej szerokoci impulsu ti.

Przedmiot wiczenia

Przedmiotem wiczenia s dwie wersje ukadw pasywnych przeznaczonych odpo-wiednio do minimalizacji efektu przesunicia podstawy impulsw monopolarnych i bipo-larnych. Pierwsz stanowi ukad z diod obcinajc, drug natomiast ukad dwudiodowy wedug koncepcji Robinsona. Schematy obu tych konfiguracji, zmontowanych we wspl-nym module wiczeniowym, przedstawiono odpowiednio na rysunku 6.1.

Rys. 6.1. Schemat ukadw moduu wiczeniowego: a) prostego obcinacza diodowego; b) dwudio- dowego restorera pasywnego w konfiguracji Robinsona.

D

W WE WY

100k

1n

C

R

a)

D2

1k

WE

30

28 k

I1

BC159

1n

C6V2 56k

BC109

WY

+12 V

C6V2

- 12 V

100k

10

D1

30

10

1k

Uod

I2

b)

BG A

GH

39

Pierwszy z nich wyposaono w wycznik (W) umoliwiajcy odczenie diody obcinajcej (D), drugi natomiast w zesp gniazd dla ewentualnego pomiaru kontrolnego prdw I1 i I2 obu tranzystorw.

Program wiczenia instrukcja szczegowa Zadanie 6.1. Badanie efektu przesunicia linii zerowej w obwodzie C-R

Zestawi ukad pomiarowy wedug schematu podanego na rysunku 6.2, wstawiajc jako blok oznaczony symbolem DUT ukad z diod obcinajc Wycznik W w gazi diody przeczy w pozycj WY.

Generator impulsw PGP-6 przeczy w tryb generacji cigu impulsw polarnoci dodatniej o amplitudzie Vmax = 5 V i szerokoci ti = 5 s. Obserwacje i pomiary przepro-wadzi dla czstotliwoci repetycji impulsw f = {1, 5, 10, 50 i 100} kHz.

Przedmiotem pomiarw oscyloskopowych jest ksztat odpowiedzi czwrnika C-R oraz przesunicie linii zerowej VO cigu impulsw (pomiar w kanale B oscyloskopu TDS 220). Obydwa wejcia (A i B) oscyloskopu winny by przeczone w pozycj sprzenia bezpo- redniego (staoprdowego).

Wyniki pomiarw zestawi w tabelce [ f VO ] oraz przedstawi w formie wykresu zalenoci VO od log f .

Zadanie 6.2. Badania wasnoci ukadu z diod obcinajc (C-R-D)

Zakres tego zadania obejmuje badania odpowiedzi ukadu skracajcego z diod obci-

najc (C-R-D) na trzy rodzaje impulsw wejciowych: monopolarnego impulsu o polar-noci dodatniej, monopolarnego impulsu o polarnoci ujemnej oraz impulsu bipolarnego. W przypadkach impulsw monopolarnych badania naley przeprowadzi w ukadzie po-miarowym stosowanym w zadaniu 6.1 w warunkach wczonej diody obcinajcej (z zamk-nitym wycznikiem W).

Rys. 6.2 Schemat zestawu do badania przesunicia linii zerowej w czwrniku C-R

PGP-6

A B

TDS 220

RP-1

DUT

BG A

GH

40

Zadanie 6.2a. Badanie odpowiedzi ukadu C-R-D na impulsy dodatnie

Wykona serie pomiarw wedug programu zadania 6.1 dla cigu monopolarnych im- pulsw, dodatnich. Przerysowa przebieg odpowiedzi ukadu. Rezultaty pomiarw przesunicia linii zerowej przedstawi w takiej samej formie jak w zadaniu 6.1.

Zadanie 6.2b. Badanie odpowiedzi ukadu C-R-D na impulsy ujemne

Poda na wejcie badanego ukadu cig impulsw o polarnoci ujemnej i maej czsto- tliwoci repetycji (np. f = 1 kHz). Zaobserwowa przebiegi odpowiedzi ukadu dla rnych szerokoci impulsw wej- ciowych. Przerysowa i skomentowa ksztat odpowiedzi.

Zadanie 6.2c. Badanie odpowiedzi ukadu C-R-D na impulsy bipolarne Uzupeni zestaw pomiarowy dodatkowym podzespoem funkcjonalnym sucym do formowania impulsw bipolarnych. Stanowi go ukad ze zwart lini opniajc o czasie opnienia TD = 2,5 s i impedancji charakterystycznej Z0 = 1 k. Schemat zmodyfikowanego w ten sposb zestawu pomiarowego przedstawiono na rysunku 6.3.

Dokona obserwacji przebiegw wejciowych i wyjciowych cigu impulsw o am- plitudzie Vmax = 5 V (dowolnej polarnoci), szerokoci ti = 5 s i czstotliwoci re- petycji f = 1 kHz. Przerysowa obserwowane przebiegi i skomentowa ich charakter. Zadanie 6.3. Badanie wasnoci ukadu Robinsona Zewrze do masy gniazdo oznaczone symbolem Uod ustalajc warto spoczynko- w napicia wyjciowego na poziomie potencjau masy.

Rys. 6.3. Schemat zestawu do obserwacji odpowiedzi obcinacza na impulsy bipolarne

PGP-6A B

DL TD, Zo

TDS 224

DUT

SONDA

1k

BG A

GH

41

Sprawdzi rozpyw prdw w gaziach zasilajcych rde prdowych wczajc do ich obwodw (w punktach oznaczonych symbolicznie I1 i I2) mikroamperomie- rze o zakresie pomiarowym ok. 200 A. W razie potrzeby skorygowa wartoci pr- dw za pomoc potencjometru nastawczego w obwodzie emitera grnego rda prdowego (I1). Wykona serie pomiarw poziomu przesunicia linii zerowej dla cigu impulsw monopolarnych i bipolarnych, odpowiednio w ukadzie z rysunku 6.2 lub 6.3, przyj- mujc nastpujce wartoci parametrw sygnau wejciowego: Vm = 5 V, ti = 5 s oraz f = {1, 5, 10, 50, 100} kHz. Wyniki pomiarw przedstawi w formie tabelarycznej i wykrelnej. Wyznaczy dowiadczalnie maksymaln czstotliwo impulsw, przy ktrej przesu- nicie poziomu zerowego nie przekracza zaoonej wartoci (przykadowo 25 mV). Rezultat pomiaru skonfrontowa z wartoci obliczeniow.

Wyposaenie stanowiska wiczeniowego Modu wiczeniowy: UKADY PRZYWRACANIA POZIOMU ZEROWEGO Generator impulsw typu PGP-6 Oscyloskop typu TDS 224 z sond pomiarow Modu wiczeniowy: LINIA OPNIAJCA Zasilacz niskiego napicia typu KB-60-01 Woltamperomierze uniwersalne Kable i przewody poczeniowe Przystawka formujca impulsy licznikowe (unipolarne i bipolarne) Literatura pomocnicza [1] Instrukcje pomocniczej aparatury pomiarowej [2] Korbel K.: Elektronika jdrowa. Cz. II. Ukady elektroniki jdrowej. Krakw, Wyd. AGH 1985 [3] Kowalski E.: Elektronika Jdrowa. Warszawa, OIEJ, Dodatki do Postpw Techniki Jdrowej, nr 76 (559), 1973 [4] Nicholson P.W.: Nuclear Electronics. London, New York, Sydney, Toronto John Wi- ley & Sons 1974 [5] Robinson L B.: Reduction of Baseline Shift in Pulse-Amplitude Measurements. Rev. Sci. Instr., vol. 32, 1961, 1057

BG A

GH

42

WICZENIE LABORATORYJNE 7 Przedwzmacniacz adunkowy Zakres wiczenia

Pomiar podstawowych parametrw znamionowych przedwzmacniaczy adunkowych; zapoznanie si z odnonymi przepisami normalizacyjnymi.

W zakres wiczenia wchodz nastpujce procedury pomiarowe:

pomiar czuoci adunkowej (energetycznej) kq, pomiar rozmycia szumowego 1/2 i rozdzielczoci energetycznej (FWHMSi) przed- wzmacniacza, pomiar pojemnociowego przyrostu rozdzielczoci energetycznej (FWHM). pomiar pojemnoci dynamicznej Cdyn, pomiar czasu narastania tn i opadania to odpowiedzi wzmacniacza. Przedmiot wiczenia

Przedmiotem wiczenia jest laboratoryjny model przedwzmacniacza adunkowego w wersji z rezystywn ptl adunkowego sprzenia zwrotnego. Jego schemat ideowy przedstawiono na rysunku 7.1.

Sekcj wejciow wykonano w ukadzie konwencjonalnym. Obejmuje ona w pierw-szym stopniu tranzystor polowy JFET-T1 z obcieniem dawikowym (D) oraz w stopniu drugim, tranzystor bipolarny T2 pracujcy w ukadzie OB (ze wspln baz). Sekcj

Rys. 7.1. Schemat ideowy badanego przedwzmacniacza adunkowego

T5T4

T3T2

WY WE

50

0.1

0.1

0.1

2k7

330

2.2 108

100

2 0.1 18k

50 18k

5k6

C*

100 1

2k2

470 2k7

18k

2N3964

2N2484

2N3964 2N3823

50 0.1

D 1H

5k

18k

50

100

2N3505

1n

50 +14V

-14V

T1

100

2p KONTR

BG A

GH

43

wyjciow tworzy kaskada tranzystorw T3, T4 oraz T5 stanowica wzmacniacz o wzmoc-nieniu jednostkowym (kv = 0,9999), bootstrapujcy rezystor obcienia tranzystora T2. Ukad ten jest wzorowany na oryginalnym projekcie E. Coiantego.

Program wiczenia instrukcja szczegowa Zadanie 7.1. Pomiar czuoci adunkowej i energetycznej Zestawi ukad pomiarowy wedug schematu podanego na rysunku 7.2.

Dla zaoonej wartoci amplitudy sygnau wejciowego Vp pobieranego z generatora impulsw wzorcowych ORTEC 419 dokona pomiaru amplitudy odpowiedzi Vo max przedwzmacniacza za pomoc synchroskopu pomiarowego TAS 465. Pomiar ten wy-kona dla kilku rnych poziomw sygnau wejciowego mieszczcych si w zakresie liniowej pracy przedwzmacniacza (20 100 mV).

Wzmocnienie (czuo) adunkowe wyznaczy na podstawie definicji tej wielkoci,

przy czym adunek wejciowy iniekowany poprzez adaptor adunkowy Qi okrela prosty zwizek ,0CVQ ii = gdzie: C0 pojemno przelotowa adaptora adunkowego, Vp amplituda impulsu napiciowego generatora wzorcowego.

Na podstawie uzyskanych danych pomiarowych wyznaczy warto czuoci ener-

getycznej odniesionej do detektora krzemowego (WSi = 3,6 eV/ par e-h), zgodnie z relacj

0

maxSi 44,4 CV

VA

p

o= [mV/MeV] przy czym amplituda impulsu generatora wzorcowego Vp oraz impulsu wyjciowego Vo max wyraone s w mV, za pojemno adaptora adunkowego C0 w pF.

Rys. 7.2. Schemat zestawu do pomiaru czuoci adunkowej przedwzmacniacza

ORTEC 419

DUT

PRZEDWZMACNIACZ ADUNKOWY z wbudowanym ADAPTOREM ADUNKOWYM

KONTR

Co

TAS 465

BG A

GH

44

Zadanie 7.2. Pomiar energetycznej zdolnoci rozdzielczej

Pomiar ten jest rwnoznaczny z pomiarem rozmycia szumowego przedwzmacniacza. Midzynarodowe zalecenia normalizacyjne przewiduj dwie metody pomiarowe: metod wielokanaowego analizatora amplitudy oraz metod woltomierza wartoci redniej kwadratowej i oscyloskopu. Stanowisko wiczeniowe wyposaone jest w aparatur do pomiaru drug z wymie-nionych metod. Schemat ukadu pomiarowego wedug tej metody podano na rysunku 7.3

Procedura pomiarowa obejmuje dwa etapy. W pierwszym dokonuje si pomiaru wartoci redniokwadratowej napicia szumw VN rms na wyjciu toru pomiarowego (tj. na wyjciu wzmacniacza ksztatujcego) przy odczonym generatorze impulsw wzor-cowych. W drugim etapie, przy zachowaniu takich samych warunkw pracy wzmacniacza gwnego, przeprowadzany jest pomiar amplitudy impulsu wyjciowego wzmacniacza gwnego Vo max stanowicego odpowied na wejciowy impuls wzorcowy Vp. Pomiar ten wykonywany jest za pomoc oscyloskopu pomiarowego.

Przeprowadzi kilka penych cykli pomiarowych dla rnych wartoci staych cza-sowych wzmacniacza gwnego (ksztatujcego) w warunkach identycznoci staych czasowych rniczkowania i cakowania.

Obliczy wartoci FWHMSi dla wybranych wartoci staych czasowych = d = i korzystajc z formuy

max

0Si 053,0

o

Nrmsp

VVVC

FWHM = [keV],. gdzie: Vp, VN rms w mV, C0 w pF, Vo max w V.

Rezultaty pomiarw przedstawi w formie wykresu zalenoci FWHMSi od wartoci staej czasowej . Zadanie 7.3. Pomiar przyrostu pojemnociowego rozmycia szumowego

Pomiary przeprowadzi w tym samym ukadzie pomiarowym (rys. 7.3) dla szeregu doczanych na wejcie (WE) przedwzmacniacza dodatkowych pojemnoci. Wykona je

Rys. 7.3. Schemat zestawu do pomiaru energetycznej zdolnoci rozdzielczej przedwzmacniacza

ORTEC 419

TDS 220 DUT Co

KONTR

ORTEC 450

BG A

GH

45

przy staych czasowych wzmacniacza gwnego rwnych d = i = 2 s. (Uwzgldni wpyw pojemnoci szeregowej 1 nF w tej gazi przedwzmacniacza!).

Wyniki pomiarw zestawi tabelarycznie i przedstawi w formie wykresu zalenoci rozmycia szumowego (FWHM) od pojemnoci wejciowej. Zadanie 7.4. Wyznaczenie pojemnoci dynamicznej przedwzmacniacza Podstaw do wyznaczenia wejciowej pojemnoci dynamicznej przedwzmacniacza stanowi podstawowe formuy wynikajce z analizy sygnaowej ukadu, a mianowicie: Cdyn = (1+Kv) CF, ( ) ,1 i

o

TVB

Vq Q

VCKC

KK =++=

gdzie: Cdyn wyznaczana pojemno dynamiczna, CB ukadowa pojemno rwnolega, CF pojemno w ptli sprzenia zwrotnego, Kv wzmocnienie sekcji adunkowej w otwartej ptli, Vo napicie wyjciowe przedwzmacniacza, Qi adunek wejciowy iniekowany do wzmacniacza.

Cykl pomiarowy obejmuje dwie identyczne procedury pomiarowe w warunkach ta-kiego samego wymuszenia (Qi = const); pierwsz bez doczanej pojemnoci zewntrznej i drug przy doczonej dodatkowej pojemnoci wejciowej.

Oznaczajc symbolem Vo1 napicie wyjciowe otrzymywane w pierwszym przy-padku tj. dla CB = 0 , za symbolem Vo2 napicie wyjciowe w przypadku drugim, na podstawie podanych wyej zalenoci mona wyznaczy nastpujc formu

.21

2

oo

oBdyn VV

VCC =

Pomiary powysze przeprowadzi w ukadzie podanym na rysunku 7.2

Przy dostatecznie duej wartoci wspczynnika wzmocnienia napiciowego KV czuo adunkowa (wzmocnienie adunkowe) z dobrym przyblieniem mona wyrazi jako odwrotno pojemnoci CF. Na miar tego przyblienia mona zatem wyznaczy warto wspczynnika KV , korzystajc z formuy opisujcej zaleno pojemnoci dynamicznej od KV i CF.

Wyznaczone w powyszych procedurach wartoci KV i CF przy zadanej wartoci CB pozwalaj oceni zapas wzmocnienia przedwzmacniacza Kres.

Rezultaty pomiarw i odnonych oblicze zestawi w tabelce.

BG A

GH

46

Zadanie 7.5. Pomiar czasu narastania i zaniku impulsu wyjciowego

Pomiarw dokona w ukadzie zestawionym do pomiaru czuoci adunkowej (we-dug rys. 7.2), odczytujc z ekranu oscyloskopu wsprzdne czasowe impulsu wyjciowe-go niezbdne dla obliczenia wartoci wyznaczanych parametrw.

Czas narastania tn wyznaczy wedug kryterium 10 i 90% amplitudy impulsu, nato-miast czas zaniku to wedug kryterium spadku poziomu sygnau do 1% amplitudy.

Ze wzgldu na subiektywno odczytw powtrzy powysze pomiary wielokrotnie i wyznaczy wartoci oczekiwane zgodnie z zasadami opracowywania wynikw pomiaru. Wyposaenie stanowiska wiczeniowego Przedwzmacniacz adunkoczuy (DUT) Wzmacniacz ksztatujcy: typ ORTEC 450 (Research Amplifier) Oscyloskop pomiarowy: typ TDS 220 Woltomierz wartoci redniokwadratowej: typ HP 3400 (RMS Voltmeter) Generator impulsw wzorcowych typu ORTEC 419 Zasilacz niskiego napicia: typ HP E3630A Komplet pojemnoci zakapsuowanych w obudowie wtyku BNC

Literatura pomocnicza [1] Dbek T., Korbel K.: Parametry przedwzmacniaczy adunkowych i metody ich pomia- rw. Raport INT 141/E, Krakw 1979 [2] Electrical Measuring Instruments Used in Connection with Ionizing Radiation. Draft - Standard test procedures. Amplifiers and preamplifiers for semiconductor radiation detectors. Genewa, International Technical Commission. Technical Committee No. 45 [3] Korbel K.: Elektronika jdrowa. Cz. II. Ukady elektroniki jdrowej. Krakw, Wyd. AGH 1985 [4] Korbel K.: Ukady elektroniki Front-End. Krakw, UWND AGH 2000

BG A

GH

47

WICZENIE LABORATORYJNE 8 Ukady koincydencyjne Zakres wiczenia

Pomiary podstawowych parametrw znamionowych ukadw koincydencyjnych.

Pomiar wspczynnika wyboru ukadu koincydencyjnego. Pomiar czuoci koincydencji. Wyznaczenie krzywej koincydencji opnionych; pomiar czasu rozdzielczego. Pomiar czasu martwego.

Przedmiot wiczenia Przedmiotem wiczenia s dwa rodzaje ukadw koincydencyjnych:

1) trjkanaowy, rwnolegy ukad Rossiego z kanaem koincydencyjno-antykoincy- dencyjnym; 2) ukad mostkowy Schradera.

Schematy obu tych konfiguracji przedstawiono odpowiednio na rysunkach 8.1 i 8.2.

Ukad Rossiego umoliwia trzy tryby pracy:

1) praca w systemie koincydencji dwusygnaowej (2-kanaowej), 2) praca w systemie koincydencji trjsygnaowej (3-kanaowej), 3) praca w systemie koincydencyjno-antykoincydencyjnym.

W przypadku 1) i 3) przecznik [K-AK] jest utrzymywany w pozycji [KA], nato-miast w przypadku 2) w pooeniu [K]. Zasadniczy ukad koincydencyjny, wykona-ny na tranzystorach T1 , T2 i T3 , jest uzupeniony stopniem wtrnikowym na tranzys-torze T4.

Rys. 8.1. Schemat ukadu koincydencyjnego/antykoincydencyjnego wg Rossiego

AK K

0.3

+7 V

T1 T2 T3

T4

WY

WE1K

WE2K

WE3 K/AK

0.3

0.3

0.3

10k

10k 10k

1k 390 k

47k 100

BG A

GH

48

Ukad Schradera wykonano w formie zmodyfikowanej z odbiorem sygnau z mostka za porednictwem rnicowego wzmacniacza operacyjnego.

Program wiczenia instrukcja szczegowa

Zadanie 8.1. Pomiar wspczynnika wyboru

Zestawi ukad pomiarowy wedug rysunku 8.3

Za pomoc organw regulacyjnych generatora impulsw PGP-6 przeczy tryb jego pracy w pozycj IMPULSY POJEDYNCZE oraz nastawi nastpujce wartoci para-metrw generowanego sygnau:

Rys. 8.3 Schemat zestawu do badania wasnoci ukadw koincydencyjnych

PGP-6

1 2 3

DP-21

x

P-44

TDS 220

UW

WE-1

500

500

1k

0.3

0.3 D1

D3

D2

R WE-2

R

WY

R1

R2

R3

Rys. 8.2. Schemat ukadu koincydencyjnego wg Schradera

UWAGA

Przedstawione na rysunkach 8.1 i 8.2 konfiguracje stanowi podstawowe czonyfunkcjonalne ukadw koincydencyjnych okrelane mianem UKADW WYBIE-RAJCYCH (UW). Peny ukad koincydencyjny zawiera nadto regeneracyjny stopieformujcy, z reguy wykonany w formie monowibratora z progiem wyzwalania(dyskryminatora progowego).

BG A

GH

49

dla ukadu Rossiego: Vg = 2,0 V, ti = 5,0 s, f = 10 kHz;

dla ukadu Schradera: Vg = + 2,0 V, ti = 5,0 s, f = 10 kHz.

Dokona pomiaru amplitudy odpowiedzi UKADU WYBIERAJCEGO Vn dla wa-

runku penej koincydencji, tj. przy podaniu impulsw generatora na oba wejcia ukadu, oraz odpowiedzi Vn-1 dla przypadku krotnoci koincydencji k = (n Q1). Obliczy wedug definicji warto wspczynnika wyboru . W przypadku ukadu mostkowego Schradera poziom odpowiedzi Vn-1 mona spro-wadzi do zera poprzez staranne zrwnowaenie mostka. Dokonuje si tego za pomoc regulowanego rezystora R3. Ze wzgldu na brak cisego pokrywania si charakterystyk V-I diod warto R3 zapewniajca zbalansowanie mostka zaley od amplitudy sygnau wejciowego. Pomiar wspczynnika wyboru przeprowadzi w warunkach niezupenego zrwnowaenia. Zadanie 8.2. Pomiar czuoci koincydencji

Pomiar przeprowadzi w identycznym jak poprzednio ukadzie pomiarowym, przyj-mujc za pocztkowe wartoci parametrw sygnau ustalone procedur pomiaru wsp-czynnika wyboru.

Poczynajc od zadanego, pocztkowego poziomu sygnau wejciowego zmniejsza stopniowo amplitud impulsw generatora a do momentu zaniku odpowiedzi ukadu wybierajcego. Ta graniczna warto poziomu sygnau wyznacza czuo koincydencji badanego ukadu. Podana procedura dotyczy bez adnych uwarunkowa ukadu koincydencyjnego Rossiego.

W ukadzie Schradera nie wystpuje efekt zaniku odpowiedzi czonu wybierajcego. Czuo koincydencji mona w tym przypadku wyznaczy w penym ukadzie koin-cydencyjnym obejmujcym prcz czonu wybierajcego UW rwnie dyskryminator pro-gowy. Dla wykonania pomiaru naley przenie punkt obserwacji odpowiedzi z wyjcia czonu wybierajcego na wyjcie dyskryminatora DP-21 (punkt x na rys. 8.3)

Zadanie 8.3. Wyznaczanie krzywej koincydencji opnionych

Rozbudowa ukad pomiarowy do postaci podanej na rysunku 8.4. W ukadzie tym zastosowano dwa identyczne generatory impulsw typu PGP-6, stanowice rozdzielne rda sygnau obu kanaw ukadu koincydencyjnego. Pierwszy generator pracuje w sys-temie autogeneracji, dajc na swym wyjciu impulsy pomiarowe i dostarczajc nadto

BG A

GH

50

impulsowego sygnau odniesienia dla wyzwalania drugiego generatora. Drugi generator pracuje w trybie sterowania zewntrznego, replikuje wic z regulowanym opnieniem identyczny cig impulsw wejciowych dla drugiego kanau ukadu koincydencyjnego.

Zesp generatorw PGP-6 dostarcza w rezultacie dwa czasowo powizane cigi im-

pulsw umoliwiajce wyznaczenie krzywej koincydencji opnionych. Dwukanaowy synchroskop TDS 220 suy do pomiaru parametrw impulsw (amplitudy, czasu trwania i wzajemnego opnienia) obu tych cigw. Po ustaleniu rekomendowanych wartoci wymienionych parametrw wejcie B oscyloskopu naley przeczy na wyjcie ukadu wybierajcego UW. Odpowied ukadu wybierajcego pod-lega wwczas rwnoczesnej wizualizacji oscyloskopowej oraz rejestracji cyfrowej w prze-liczniku P-44.

Pomiary przeprowadzi przy nastpujcych wartociach parametrw sygnau:

dla ukadu Rossiego: Vg = 2,0 V, ti = 5,0 s, f = 10 kHz;

dla ukadu Schradera: Vg = + 2,0 V, ti = 5,0 s, f = 10 kHz.

Pr