Борьба с помехами схемными решениями

Основные схемные решения, позволяющие устранить или уменьшить влияние ряда помех, рассмотрим на примере спектрофотометра – прибора, измеряющего пропускание как функцию длины волны.

Простейшей схемой реализации спектрофотометра является измерение на постоянном токе, подходящее для измерения постоянных сигналов большой мощности. Такая схема включает в себя источник излучения, монохроматор, образец, и детектор, подключенный к усилителю с компенсацией уровня нуля [14] (рис. 14).

Рис. 14 Схема регистрации на постоянном токе [14]

Схема имеет очень узкий спектр применений, т.к. годится только для сильного постоянного сигнала в отсутствие помех (хотя результаты гораздо точнее, чем при использовании фотодиода в связке с мультиметром). В такой схеме точно не установить уровень нуля из-за его дрейфа, и не отделить сигнал от постороннего светового потока, попадающего на фотоприемник.

Вследствие того, что интенсивность источника излучения изменяется не только по длинам волн, но и медленно во времени (равно как и уровень нуля приемника), широко применяют измерение т.н. «базовой линии», когда предварительно записывают сигнал в отсутствии образца и вычитают эти данные из эксперимента, воспринимая как нулевой уровень сигнала.

Более продвинутой является схема с модуляцией сигнала и демодуляцией на опорной частоте (рис. 15). Источником излучения являются импульсные лазер или лампа, а также же модулированные источники. Поскольку низкочастотные помехи, такие как фоновая засветка, а также часть внутрисхемных помех, таких как температурный дрейф, остаются в области НЧ, то они не проходят через фильтр и отсутствуют в выходном сигнале. Такая схема имеет существенно лучший уровень детектирования слабых оптических сигналов.

Рис. 15. Схема регистрации по схеме модулятора-демодулятора [14]

Основным ограничением такой схемы является точность настройки демодулятора, а также предел фильтрации, задаваемый добротностью выходного фильтра. Так, при добротности фильтра 10 и частоте модуляции 1кГц полоса пропускания составит 100 Гц, соответственно фильтр пропустит и весь шум в этой полосе. Величина добротности фильтра и частота модуляции сигнала довольно сильно ограничены и обычно не превышают десятков единиц для фильтра и десятков килогерц для модуляции в силу схемных причин.

Кроме того, демодулированный сигнал относительно зашумлен, что затрудняет его преобразование стандартными фильтрами, рассчитанными на низкошумный сигнал. [14]

Меньше подвержена влиянию флуктуации интенсивности источника излучения во времени двухлучевая схема, в которой луч разделяется на два одинаковых пучка и проходит через измерительную и компенсационную ветвь, при этом сравниваются интенсивности прошедших сигналов. В измерительной ветви пучок проходит через кювету с образцом, а в компенсационной – через пустую кювету. Затем пучки направляются на отдельные фотоприемники, сигналы с которых поступают на дифференциальный усилитель. Схема может быть организована и на одном приемнике излучения, тогда пучки модулируются прерывателем оптического сигнала в противофазе, а сигнал после регистрации приемником демодулируется.

Синхронное детектирование

Следующим шагом по улучшению чувствительности является схема синхронного детектирования, позволяющая измерять постоянный сигнал. В отличие от вышеприведенной схемы детектирования на частоте, СД позволяет получить гораздо более узкую полосу выходного фильтра. К схеме добавляется прерыватель, или чоппер (диск с прорезями, число которых, умноженное на частоту вращения диска, задаёт частоту детектирования), и блок, осуществляющий синхронное детектирование сигнала.

Само по себе синхронное детектирование не меняет соотношение сигнал/шум, но позволяет перенести сигнал в другую частотную область, где его можно отфильтровать от помех. Поэтому метод можно применять, даже когда уровень помех превышает измеряемый сигнал.

Синхронный усилитель использует метод фазо-чувствительного детектирования на частоте опорного сигнала. Шумовые компоненты сигнала на других частотах отфильтровываются выходным фильтром низких частот (НЧ).

В основе метода лежит перемножение гармонических сигналов.

Если опорный сигнал является синусоидальным: , а входной сигнал записать в виде , то в результате перемножения на выходе имеются два сигнала – на суммарной и разностных частотах. Если частоты совпадают, что будет если модулировать сигнал синхронно с опорным, то получается сигнал на двойной частоте и сигнал постоянного тока с амплитудой .

Если отфильтровать сигнал на двойной частоте, то останется сигнал постоянного тока. Как видно из выражения, амплитуда сигнала пропорциональна амплитуде входного сигнала и косинусу смещения по фазе относительно опорного сигнала. Т.е. в этом случае синхронный детектор работает подобно амплитудному детектору.

При наличии на входе шумов в широком частотном диапазоне фазовый детектор и фильтр НЧ погасят их вдали от опорной частоты. Но большое влияние могут оказать шумовые компоненты вблизи опорной частоты, т.к. они приведут к низкочастотным колебаниям выходного сигнала. Степень подавления этих колебаний зависит от постоянной времени фильтра НЧ и крутизны границы пропускания его передаточной характеристики. Чем больше постоянная времени, тем уже полоса пропускания фильтра НЧ и тем лучше подавляются шумовые компоненты. Только сигнал на частоте опорного генератора свободно проходит через синхронный детектор [15].

Частично простейшая схема использования СД напоминает измерение на частоте модуляции, поскольку вращающийся диск с прорезями (чоппер) преобразует сигнал к переменному (рис. 16). Но, дополнительно к этому, чоппер обеспечивает опорный сигнал, поступающий на опорный вход СД. В такой схеме объект может быть полностью засвечен посторонними источниками, и это не помешает провести измерение. Основное требование – посторонние сигналы не должны проходить через чоппер [14].

Рис. 16 Простейшая схема использования синхронного детектора и механического прерывателя (чоппера) [14]

Эта схема обеспечивает большой прогресс в сравнении с рассмотренными выше однолучевыми. Но помимо посторонних помех есть еще и другие. Во-первых, источник излучения меняет интенсивность во времени, во-вторых, спектральные элементы, такие как решетка, обладают разной отражательной эффективностью на разных длинах волн. Такие изменения данная схема учесть не может, и они оказываются на выходе вместе с полезным сигналом.

Влияние таких помех можно учесть введением двухлучевой схемы измерения и добавлением схемы, делящей детектированный сигнал на опорный и полезный (рис. 17). Заметим, что в этой схеме по-прежнему недопустимо попадание посторонней засветки через чоппер. Также схема не защищена от неидентичности двух фотоприемников.

Схемой, предусматривающей и это влияние, является двухлучевая схема с использованием двух СД и модуляцией обоих сигналов одним чоппером, но на разной частоте (с помощью прорезей, расположенных на разном уровне), приведенная на рис. 18. Такая схема существенно дороже из-за применения двух синхронных детекторов, которые вносят основной вклад в стоимость.

Рис. 17 Двухлучевая схема синхронного детектирования переменного сигнала с использованием одного модуля синхронного детектора, чоппера, и компенсацией изменений мощности источника [14].

Счет фотонов

При очень малой мощности падающего излучения часто выгодно использовать ФЭУ/ЛФД в режиме счета фотоэлектронов, а не измерять фототок, усредняющий сигнал за некоторый период. Образующиеся импульсы поступают на дискриминатор, не пропускающий импульсы недостаточной амплитуды, и далее могут регистрироваться в форме цифровых TTL импульсов цифровыми схемами.

Рис. 18 Двухлучевая схема измерения на основе двух синхронных детекторов, двухлучевого механического прерывателя, и компенсацией изменений мощности источника [14].

Исторически первыми приемниками для счета отдельных фотонов являются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Традиционно ФЭУ предназначались для работы в видимом диапазоне, где они имеют низкий темновой уровень счета. Спектральная чувствительность и рабочий спектральный диапазон ФЭУ зависит от материала катода. В ультрафиолетовом диапазоне – еще и от материала стекла. Квантовая эффективность в видимом диапазоне в среднем составляет несколько процентов, а у лучших экземпляров достигает десятков процентов. В последнее десятилетие диапазон применения ФЭУ расширился в ИК диапазон до 1,7 мкм. Из-за повышенных шумов там требуется дополнительное охлаждение, а квантовая эффективность примерно на порядок ниже. ФЭУ могут работать как в токовом, так и в импульсном (гейгеровском) режиме.

Вторым детектором являются лавинные фотодиоды. В них лавина образуется за счет того, что электронно-дырочная пара, рожденная при поглощении света, из-за соударений при разгоне полем напряжения смещения начинает образовывать новые пары. При работе в импульсном режиме напряжение на ЛФД поддерживается чуть выше пробойного, а для предотвращения разрушения ЛФД лавины, сразу после регистрации, гасятся специальными схемами (поэтому ЛФД характеризуются большой длительностью т.н. «dead time» – периода релаксации, в течение которого приемник не восприимчив к сигналу или отключен).

Техника счета фотонов имеет следующие преимущества:

1. Некоторые фотоприемники настолько чувствительны, что они позволяют обнаружить одиночные фотоны. Это позволяет анализировать корреляцию квантов между разными детекторами, например в квантовой оптике.

2. Флуктуации коэффициента усиления ФЭУ или ЛФД не так существенны, т.к. каждая лавина индуцирует одинаковый нормализованный импульс на выходе дискриминатора, пока анодный импульс превышает порог дискриминатора.

3. Темновой ток, генерированный тепловыми электронами из динодов ФЭУ, может быть подавлен корректной установкой дискриминатора.

4. Чрезмерно большие импульсы, образующиеся вследствие β-распада в материале или вызванные космическими лучами, также можно дискриминировать.

5. Цифровая форма сигнала упрощает анализ данных с помощью компьютера и отличается помехоустойчивостью (амплитуда TTL импульсов около 5В, что многократно превышает шумы).

Детекторы счета фотонов имеют характерные свойства, которые несколько отличаются от других фотодетекторов. Наиболее важными из них являются следующие:

• Минимальный уровень регистрируемого светового сигнала определяется «темновым» счетом. Из-за нагрева детектора происходит увеличение «темнового» счета, эта проблема устраняется охлаждением катода. В какой-то степени, этому также способствует уменьшение активной области.

• Максимальная скорость счета определяется скоростью детектора или соответствующей электроники. При превышении скорости счета импульсы, следующие сразу за зарегистрированным, могут не учитываться. Это ведет к искажению временного распределения импульсов.

• Квантовая эффективность – это доля поглощенных фотонов, которые могут быть зарегистрированы.

• Для ФЭУ есть также некоторое фиксированное время задержки между временем поглощением фотона и выходом электрического импульса.

• Для ЛФД более актуально т.н. «dead time», в течение которого ЛФД не способен принимать следующий сигнал. Оно требуется для перезапуска фотодиода и рассасывания заряда, образовавшегося при лавине, и составляет десятки нано или даже микросекунд.

Вопросы для самопроверки:

· С какой целью применяют цифровое кодирование сигнала в усилителях?

· Какая наиболее универсальная схема подключения частей схем или нескольких приборов к заземлению с точки зрения уменьшения наводок?

· Какими методами можно установить уровень нуля измерительной системы?

· С какой целью используют двухлучевую схему измерения?

· Какие преимущества обеспечивает синхронное детектирование?

· Что образуется при перемножении двух гармонических сигналов равной частоты?

· Какие логические уровни сигнала TTL?

· Какие экспериментальные способы уменьшения влияния шумов существуют?