通用谱仪放大器
实验2-谱仪放大器
图 3-2 频率处于 10kHz-30kHz 时的输出波形
继续升高频率，当频率大于 30kHz 时，畸变过大导致看起来像是正弦波形，如图 3-3：
图 3-3 频率大于 30kHz 时的输出波形
3． 过载测量 放大倍数 A=1.5*500，输入信号幅值为 26mV。 过载波形如图 4-1：
图 4-1 过载波形 小信号频率：150kHz； 小信号恢复时间：t1=53μs； 基线恢复时间：t2=80μs； 过载恢复时间t = ������ 2 = 1.51;
图 2-3 改变放大器极性
将积分常数改为4������������：输出信号峰峰值由 5.28V 降为 3.44V，信号衰减时间变长； 在此基础上再将微分常数改为4������������： 输出信号峰峰值升为 3.44V， 信号衰减时间变长。 d) 调节极零相消：上下沿的零线错移 2． 定量测量增益 c)
1
������
小信号幅值增加时，VO 顶部变窄。 4． 噪声测量 ������������ = ������������ = 4������������时，噪声峰峰值 40.8mV； ������������ = ������������ = 2������������时，噪声峰峰值 68.0mV； ������������ = ������������ = 1������������时，噪声峰峰值 88.8mV。
实验二谱仪放大器
宁笑楠 2012011709 同组：时盈晨
实验目的
了解谱仪放大器的主要特性，掌握其增益、成形、过载和噪声等特性的测试方法并付诸 实测。
实验预习
1.极性开关的作用
图 1-1 极性开关的作用
2．信号源方波的������������ 与������������������
能谱仪器使用方法说明书
能谱仪器使用方法说明书一、概述能谱仪器是一种重要的科学研究工具，用于测量和分析材料的能谱特性。
本说明书旨在详细介绍能谱仪器的使用方法，包括仪器的基本原理、仪器的组装与连接、仪器的操作步骤以及数据分析与结果解读等方面。
二、仪器的基本原理能谱仪器基于能谱分析技术，通过探测材料中各种能级的能谱分布，确定材料的组成和结构信息。
能谱仪器通常由以下几个主要部分组成：1. 放射源：用于产生射线或线源，激发样品中的原子或分子。
2. 能谱探测器：用于检测并测量样品中产生的能谱信号。
3. 信号放大器：用于放大能谱探测器检测到的微弱信号。
4. 数据采集与处理系统：用于记录、存储和分析能谱数据。
5. 控制系统：用于控制仪器的操作和参数设置。
三、仪器的组装与连接1. 确保各仪器部件完整并无损坏。
2. 按照仪器说明书正确组装仪器，注意连接的顺序和正确性。
3. 确保各部件之间的连接牢固，信号传输通畅。
四、仪器的操作步骤1. 打开仪器电源，待仪器自检完成后进行下一步操作。
2. 启动操作软件，设置仪器参数，如能谱范围、积分时间等。
3. 放置待测样品，并调整样品的位置和角度，确保射线可以有效照射样品。
4. 执行测量命令，记录数据，保持测量过程的稳定性和准确性。
5. 完成测量后，保存数据并进行备份，以便后续的数据分析和处理。
五、数据分析与结果解读1. 使用专业的数据分析软件对采集到的数据进行处理和分析。
2. 根据能谱图形的特征，确定样品的成分、结构以及化学性质。
3. 结合其他实验结果和文献资料，对数据进行解读和验证。
六、安全提示1. 在操作仪器时，应注意射线的辐射安全。
尽量采取适当的防护措施，减少辐射对操作人员的影响。
2. 仪器使用过程中注意保持仪器的清洁和整洁，防止灰尘和杂质对仪器性能的影响。
3. 定期对仪器进行维护和保养，确保其正常运行和工作效率。
七、故障排除当仪器出现异常情况或故障时，用户可以根据以下一般维修方法进行排除：1. 检查仪器电源是否正常供电。
谱仪放大器
6
谱仪放大器中的常用技术
谱仪放大器中的常用技术
滤波成形技术：采用一次微分和三次到四次积分滤波成形电 路，提高信号噪声比
基线恢复技术：在高计数率情况下，信号堆积和隔直电容充 放电会引起的基线漂移使谱线变宽、分辨率变坏、峰位移动， 因此需要引进基线恢复器
28
放大器的组成：基本放大节
为了避免这种情况发生，就要求谱仪放大器总的上升 时间tr较小，如果谱仪放大器由几节组成，则每节上升 时间tr0应远小于整体放大器总的上升时间
若要求tr小于100ns，当n=5时，tr0必须小于45ns，即单个放大 节的带宽需大于8MHz
为保持谱仪放大器的稳定，要求单个放大节的开环增益在100 倍以上，闭环增益在5~10倍，稳定性需优于0.1%
30
实际谱仪放大器简介
实际谱仪放大器
由差分-共基-共集组成的并联负反馈放大单元
31
实际谱仪放大器简介
第一级由T1、T2组成差分放大器，有利于抑制干扰， 并可由开关S来控制输入信号加入到同相端或反向端， 实现正负极性转换
第二级T3接成共基放大电路，以减小由于米勒效应引 起的输入电容增加，有利于提高频带
干扰信号是外部的，可以通过各种方法减到最小 噪声是由前置放大器输出噪声和放大器输入端自身的噪声所
决定的，一般放大器输入端的噪声只要比前置放大器输入端 的噪声小一个量级就可以满足要求
由于核辐射探测器输出信号较小，噪声叠加在有用信 号上，使能量分辨率变坏，因此需要采用合适的滤波 成形电路来限制频带，抑制噪声
放大器内部晶体管，场效应管和运算放大器等非线性元件的 参量在工作电压或电流在大范围变化时使放大器增益产生变 化，从而产生非线性
谱仪放大器
tz
1
ln
1
ln
1
达到负峰值时间为
负峰值与正峰值之比为 Vm
tm
2 1
ln
1
2
ln
1
Vm
下冲的后沿部分可以用 度过载问题。
V0tຫໍສະໝຸດ Q Cfet f来表示，尽管其值很小，但是尾部拖得很长。会带来幅
三 极零相消微分网络
为了避免这种大幅度过载效应，需设法不产生长尾部的下 冲，这就不能用简单的高通电路来对电荷灵敏放大器输出 信号进行微分，需要选择一个电路，保证微分之后输出为 单极性信号。
放大器基本参量
计数率过载特性：当计数率比较高时所引起的脉
冲幅度分布的畸变称为放大器的计数率过载。谱仪放 大器的计数率特性主要取决于它的滤波器的响应时间， 由滤波器成形的信号越宽，堆积的可能性越大。
上升时间：探测器输出的信号通常有快的前沿和缓
慢的下降后沿，上升时间主要对信号的前沿而言。放 大器的上升时间过大会使信号产生畸变，结果使信号 幅度变小了。如果放大器上升的时间非常小也带来了 一些不利因素，一则电路变得很复杂，二则增加了电 路本身的噪声，因此需要个合理的取舍。
四 堆积判弃电路原理图
结束
谢谢
参考文献： 《核电子学》 《核辐射探测器与核电子学》
！
放大器基本参量
噪声及信号噪声比:放大器输出的信息中，总是
由信号、噪声和干扰组成。噪声是由于前置放大器输 出噪声和放大器输入端自身的噪声所决定。通常考虑 放大器输入端的噪声比前置放大器输出端的噪声小一
个量级就能满足要求。
幅度过载特性：放大器工作有一个线性范围，当
超出线性范围很大时，放大器在一段时间内不能恢复 正常工作，在这段时间内低能的射线信号就不能被正 常放大，从而使测量差生误差，这种现象就称为放大 器的幅度过载也称为放大器的阻塞。
仪表放大器优势_仪表放大器典型应用及实例
仪表放大器优势_仪表放大器典型应用及实例随着电子技术的飞速发展，运算放大电路也得到广泛的应用。
仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它源于运算放大器，且优于运算放大器。
仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点，使其在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器和高档音响设备等方面倍受青睐。
本文首先介绍了仪表放大器的原理及特点，其次介绍了仪表放大器的优势，最后介绍了仪表放大器典型应用及实例。
仪表放大器的原理仪表放大器电路的典型结构如图1所示。
它主要由两级差分放大器电路构成。
其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减;差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得共模抑制比得到提高。
这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在共模抑制比要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。
在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：Au=（1+2R1/Rg）（Rf/R3）。
由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现，仪表放大器典型结构见图1。
仪表放大器的特点仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比、低噪声、低线性误差、低失调电压和失调电压漂移、低输入偏置电流和失调电流误差等特点。
仪表放大器的优势1、高共模抑制比仪表放大器具有能够消除任何共模信号（两输入端电位相同）而放大差模信号（两输入端电位不同）的特性。
为了使仪表放大器能正常工作，要求它既能放大微伏级差模信号，同时又能抑制几伏的共模信号，实现这种功能的仪表放大器必须具有很高的共模抑制能力。
共模抑制比的典型值为70- 100dB.通常，在高增益时，CMRR 的性能会得到改善，即。
谱仪放大器.
FH1002A谱仪放大器输入节
二 滤波成形电路
谱仪放大器基本上由放大节和滤波成形电路。 滤波成形电路主要任务是：抑制系统的噪声，使系统信
噪比最佳；使信号的形状满足后续分析测量设备的要求。
对滤波成形电路的要求可以简单归结如下：
•通过滤波成形后要求输入和输出严格保持线性关系； •尽可能提高放大器的信噪比； •减小输入脉冲宽度，减小堆积和基线的变化，提高电路的计 数率响应； •成形后的最后输出波形应适合后续电路的要求； •滤波成形电路应该尽可能简单，参数可以调节，以达到最佳 效果；
三 极零相消微分网络
为了避免这种大幅度过载效应，需设法不产生长尾部的下 冲，这就不能用简单的高通电路来对电荷灵敏放大器输出 信号进行微分，需要选择一个电路，保证微分之后输出为 单极性信号。
三 极零相消微分网络
其中
S 1
极零相消具体实现方法
H S 1
S 1
2
1 CR1
2
四 堆积判弃电路原理图
结束
谢谢
参考文献： 《核电子学》 《核辐射探测器与核电子学》
！
放大器基本参量
计数率过载特性：当计数率比较高时所引起的脉
冲幅度分布的畸变称为放大器的计数率过载。谱仪放 大器的计数率特性主要取决于它的滤波器的响应时间， 由滤波器成形的信号越宽，堆积的可能性越大。
上升时间：探测器输出的信号通常有快的前沿和缓
慢的下降后沿，上升时间主要对信号的前沿而言。放 大器的上升时间过大会使信号产生畸变，结果使信号 幅度变小了。如果放大器上升的时间非常小也带来了 一些不利因素，一则电路变得很复杂，二则增加了电 路本身的噪声，因此需要个合理的取舍。
线性：放大器的线性是指放大器的输入信号幅度和
利用MAX551实现程控谱仪放大器
控 电 路 部 分 的 时 间 常 数 小 ｆ前 级 电 路 的 时 间 常 数 ， 使 得 通 过 程 控 放 Ａ 器 后 的 信 号波 形 的 Ｊ 时 问 和 脉 升 冲 宽 度 原 来 相 当 ， 本 』保 持 ｒ原 电 路 的 信 号波 基
＝＝
。
１ｐ ５
形 和 平均 ｜ 率 。 改 变 Ｍ ＡＸ５ １的 数 字 输 ＾ ， 输 十数 ５ 其
ａ ｍｐ ｉｉｒ ａ ｄ ｔ ｉ ｍｅ ｈ ｄ ｈ ｓ ｂ ｅ ｐ ｌ ｄ ｉ ｍｐ ｉ ｅ ｆ Ｘ—ａ ｌ ｏ ｅ ｃ ｎ ｅ ｓ ｅ ｔｏ ｌ ｅ ｎ ｈｓ ｆ ｔ ｏ ａ ｅ ｎ ａ ｐ ｉ ｎ ａ ｌ ｉ ｒｏ ｒ ｙ ｆｕ ｒ ｓ ｅ ｃ ｐ ｃ ｒ ｍｅ ｅ ｅ ｆ ｔｒ ｓ ｃ ｅ ｓｕｌ ． ｕ ｃｓｆ ｌ ｙ
【 摘
要 】 介 绍 了一 种 利 用 Ｄ／ 转 换 器 Ｍ Ａ ５ Ａ Ｘ５ １实现 程 控 放 太 器 的 方 法 ． 法 已 成 功 谊
地 应 用 于 ｘ 射 线 荧 光 谱 仪 放 太器 中 。 关 键 词 ： Ｘ５ １ 程 控 放 大 器 ， Ａ 转 换 器 ＭＡ ５ ， Ｄ／ 【 ｂ ｔａ ｔ Ｔｈｓ ｐ ｐ ｒ ｒｓｎｓ ａ Ａ ｓｒ ｃ １ ｉ ａ ｅ ｐｅｅ ｔ ｍｅｈ ｄ ｆ ｉ ｌ ｎａｉｎ ｏ ｒｇ ａ ｔｏ ｏ ｍｐｅ ｍｅ ｔｔ ｆ ｐ ｏ ｒｍｍａ ｌ ｏ ｂｅ
ＭＡ ５ Ｘ５ ｌ的 等 效 输 出 电 阻 约 为 ７ Ｉ ． 效 输 出 电 容 ．ｋ等
约为 １ ２ ｐ ＭＡＸ４ １ 的 输 入 电 容 约 为 ｌ～ ４～ ０ Ｆ， １ Ｏ ２Ｆ 因此 ． ｒ ｐ 由 —Ｒ ・（ ． 论 上 程 控 放 大 电 路 时 间 ’理
收 稿 日搠 ：０ ２ ０ ０ ２ ０ ２ ８
北京谱仪BESⅢ飞行时间探测器中的前置放大器
收 稿日 期： 2006-11- 23， 修回 日期 ：2007- 03- 06
第8期
冼 泽等：北京谱仪(BES III)飞行时间探测器中的前置放大器
711
图 4 前放输入输出特性 Fig.4 A typical amplifier gain curve of the preamplifier
图 5 输出与理论值的线性误差分布
输入信号较小时，前放的上升时间在 1.7ns 左右， 其它情况下，前放的上升时间都在 1ns 左右。对于 实际使用中光电倍增管输出 4ns、5ns 前沿的脉冲来 说，前放 1ns 左右的上升时间几乎不会对输入脉冲 的前沿产生大的影响[4]。
F ig.5 Linear error of the output measurements to the data calculated by Equ.(1)
图 5 为其输出信号实测幅度与理论值的线性误
差随输出信号幅度的变化趋势。可以看出，在线性
动态范围内，线性误差的最大值不超过 10mV，据
此可用公式(2)计算出该前放的积分非线性。
号在长距离传输中的抗干扰能力，还增大了信号的 们的参数值，可使电路的带宽、增益得到优化。电
摆率，从而提高 FEE 中前沿定时的精度。
阻 R7 可减小 AD8099 输出的 Q 值，消除 Q 值过大
1 放大器原理
带来的电路振荡。全差分运算放大器 AD8131 构成 输出驱动电路，其正向输入端接收前级的输出信号，
flight，简称 TOF)探测器将扮演重要角色。TOF 读 出电子学系统是 BES III 电子学系统中难度较大的
驱动。 AD8099 是一种具有极低的噪声(0.95nV(Hz)-1/2)
一个子系统，要求所有 448 通道的读出电子学系统 的电压反馈型集成运算放大器。AD8099 的输入级
核电子学复习
1、名词解释：核电子学：物理学、核科学与技术、电子科学与技术、计算机科学与技术等相结合而形成的一门交叉学科。
核辐射探测器：利用辐射在气体、液体或固体中引起的电离、激发效应或其它物理、化学变化进行辐射探测的器件称为辐射探测器。
核仪器：是指用于核辐射产生或测量的一类仪器的统称。
能量-电荷转换系数：设辐射粒子在探测器中损失的能量为E，探测器产生的电子电荷数为N，则N/E称为探测器的能量-电荷转换系数θ。
θ=N/E能量线性：定义：是指探测器产生的离子对数平均值和所需消耗的粒子能量之间的线性程度。
探测器的稳定性：探测器中能量-电荷转换系数在环境温度T和电源电压V变化时的稳定性。
核电子学电路的稳定性：核电子学电路中能量-电荷转换系数在环境温度T和电源电压V变化时的稳定性。
信噪比：信号幅度与噪声均方根值之比冲击函数：系统函数：H(s)=Uo(s)/Ui(s)极点：系统函数中使分母为零的点零点：系统函数中使分子为零的点有源滤波器：将RC积分网络接在放大器的反馈回路里，就构成有源积分电路，或称为有源滤波器。
积分谱：改变阈电压U T，测量到相应的大于U T的脉冲数N(U T)，得到N(U T) - U T 分布曲线，得到的就是积分谱微分谱：从阈电压U Tn上的脉冲计数减去阈电压U Tn+1上的计数就可得到阈电压上间隔ΔU=U Tn-U Tn+1中的计数ΔN。
ΔN和U T的关系曲线，就是脉冲幅度分布曲线（微分谱）仪器谱：仪器实测得的能谱脉冲幅度分布谱：积分谱和微分谱道宽：Uw=Uu - U L > 0时间移动：输入脉冲的幅度和波形的变化引起定时电路输出脉冲定时时刻的移动时间晃动：系统的噪声和探测器信号的统计涨落引起的定时时刻的涨落时间漂移：元件老化、环境温度或电源电压变化（属于慢变化）引起的定时误差慢定时：μs量级的定时快定时：p s量级的定时（还有ns的说法）自然γ全谱：用仪器测得的，能量在及时keV-2.62MeV的自然γ仪器谱。
第3-4章 前置放大器、谱仪放大器
2、电荷灵敏前置放大器的实用电路 电荷灵敏前放的实用电路形式有多种，阻容反 馈型是最常用的一种。 1）、 原理电路
+H .V
RD
Rf Cf Vo
- H .V D Vi
Rf Cf Vo
ii =Qδ (t)
C D
T1 Vi
ii =Qδ (t)
(a)交流耦合电路
(b)直流耦合电路
Cf－Rf 构成反馈网络（Rf 为Cf 提供放电回 路），因此称这种型式的前置放大器为阻容反 馈电荷灵敏放大器。
30
c、 信号中包含有噪声。
从频域看：要求谱仪放大器要具有合适的频 率响应。以使得带有噪声的前放输出信号经主放 后，尽量滤去噪声的各频率成分，而保留有用信 号的各频率成分。最终提高信噪比。此功能可被 称之为“滤波”。
31
2、介绍几种常用的滤波成形电路原理
（1）CR-RC脉冲成形
①、成形原理
CD
vi
（a）
前置放大器输出
（b）
放大器输出（以单延迟线成形为例）
29
分析此信号：
a、 迅速上升的跳变前沿： 其跳变幅度代表被探测射线的能量。此信 息通过主放大器后必须完整的保留。 b、慢的指数衰减（可能有50μ S或更大）的后沿： 不利于信号的进一步放大，也不能满足后 续的模数转换电路对输入信号形状的要求。因 此主放必须对其形状进行改造。如上图（b）。 从时域看：主放接收前放的信号并将其成形以 满足后续电路的要求。此功能被称之为“成形” 。
如上述ORTEC Model 113就是性能价格比 较好的选择。
25
◇ 半导体探测器（包括Si(Li)探测器、锗探测器、 硅带电粒子探测器）、气体正比计数器通常要选 用低噪声及增益稳定性优良的电荷灵敏放大器。 因为这些探测器输出信号小（如mV、或0.几 mV），且本身具有很好的能量分辨率。因此要 求放大器输入等效噪声要小，增益稳定性要好。 如上述ORTEC Model 142系列的前放。
核电子学与核仪器课件4---谱仪放大器
放大节的结构
放大节是由一个高增益的运算放大器（由分立元件或者集成电路 组成）和一个反馈网络组成。实际上放大器很多指标在很大程度上取 决于单元放大节的指标的优劣。
放大节在频带上的要求：内部参数不会影响滤波器的时间参数。
理想运放的特性
理想运算放大 器的性能指标
①晶体管的非线性。
②静态工作点的选择。
iC
（1）合理选择工作点
可输出的 最大不失 真信号
ib
vCE vo
非线性产生原因与改善
非线性产生的原因分析：
iC
（2） 静态工作点选择过 低，信号进入截止区
放大电路产生 截止失真
输入波形 ib
vCE
vo 输出波形
非线性产生原因与改善
非线性产生的原因分析：
iC
放大器的放大倍数稳定性是放大器在连续使用的时 间内由于环境的变化，电源电压变化等因素导致 放大器倍数的不稳定程度。其结果是使测量到的 能谱产生畸变，实验误差增大。
放大器放大倍数（增益）
定义当输入阶跃电压或上升时间足够小，足够宽的矩形脉冲时，输 出信号与输入信号幅度之比为放大器的增益或放大倍数。
测量放大器增益实验装置
保持探测器输出的有用信息如射线的能量信息和时间信息，尽可 能减少它们的失真。
在测量系统中的具体位置：
辐射源
探测器
前放
高压
探头
放大器
分析测 量仪器
单道脉冲幅度分析 器； 多道脉冲幅度分析 器等
§1 概述
探头实例
§1 概述
通常在能谱测量中所用的放大器，主要看其在
能谱测量中对能量分辨率的影响大小，尽可能降低
能谱仪的原理
能谱仪的原理能谱仪是一种用于测量射线能谱的仪器，它能够分析射线的能量分布，从而得到样品的成分和结构信息。
能谱仪的原理主要基于射线与物质相互作用的过程，下面我们来详细介绍一下能谱仪的原理。
首先，能谱仪的基本构成包括探测器、放大器、多道分析器和数据采集系统。
当射线穿过样品时，会与样品内部原子相互作用，产生激发或电离，从而释放出能量。
这些能量会被探测器所探测到，并转化为电信号。
其次，探测器是能谱仪的核心部件，它能够将射线转化为电荷或光信号。
常见的探测器包括硅探测器、闪烁体探测器和闪烁闪烁体探测器。
不同类型的探测器对射线的响应方式不同，因此选用不同的探测器可以实现对不同能量范围的射线进行探测。
然后，放大器用于放大探测器输出的信号，以便后续的信号处理和分析。
多道分析器则用于对信号进行能谱分析，将不同能量的信号分离开来，并将其转化为数字信号。
最后，数据采集系统用于记录和分析多道分析器输出的数字信号，得到射线的能谱信息。
总的来说，能谱仪的原理主要是利用探测器对射线能量的探测和转化，通过放大器、多道分析器和数据采集系统对信号进行处理和分析，最终得到射线的能谱信息。
能谱仪在物质分析、核物理、地质勘探等领域有着广泛的应用，对于研究物质的成分和结构具有重要意义。
在实际应用中，需要根据具体的实验需求选择合适的能谱仪类型和参数，以及合适的探测器和分析方法。
同时，对于能谱仪的使用和维护也需要严格按照操作手册进行，以确保实验结果的准确性和可靠性。
综上所述，能谱仪的原理是基于射线与物质相互作用的过程，利用探测器、放大器、多道分析器和数据采集系统对射线能谱进行分析，从而得到样品的成分和结构信息。
能谱仪在科学研究和工程应用中具有重要的作用，对于推动相关领域的发展具有重要意义。
脉冲放大器(主放大器)
传递函数为
H(s) R R ( 1 sC )m sRC 1 sRC s ( )m sRC 1 sRC 1 (sRC 1)m 1 (s 1)m 1
1 1 R sC sC Q Vi(s) Cf s
Vo(s ) Vi(s )H(s )
Q s Q Cf s (s 1)m 1 Cf m
• 一般的集成运放是无法满足核电子学的要求的，必须对集 成运放提出一些要求： 上升速率：谱仪放大器的放大节要有快的上升速率； 相位补偿：负反馈电路，在频率变化时会产生附加的 相移，可能产生自激振荡。必须进行相位补偿。
相位补偿电路
集成运放放大节举例（一）
退耦电路
输出限幅
3160 348 Af ~ 10 348
Rf Cf
-
R1 vi(t)
C R2 (a)
Rf Cf vo(t) iD(t)
A +
R1 vo(t) vi(t)
iD(t)
A +
R2 C
Rf Cf
A +
(b) vi(t) C R3 R1 (c) R2 vo(t)
iD(t)
极零相消电路(一)
Rf Cf
-
R1 vi(t) C
vo(t)
VI ( s )
Q 1 Cf s 1
f
R2 1 2 Q R2 R1 R2 s 1 Cf R1 R2 s 1
(s
1 1
)m 1
由拉氏变换
L[t e u (t )]
n
t
n! ( s ) n1
那么CR-(RC)m滤波成形电路的输出信号为
Q t m Vo(t ) ( ) e u(t ) m! Cf
仪表放大器的正确使用方法[推荐]
![仪表放大器的正确使用方法[推荐]](https://img.taocdn.com/s3/m/48a39fc1c0c708a1284ac850ad02de80d4d8068d.png)
仪表放大器的正确使用方法[推荐]摘自：EDN作者：Charles Kitchin及Lew Counts，Analog Devices仪表放大器的正确使用方法将现实世界的讯号连到仪表放大器时所应避免的一些常见应用问题。
仪表放大器（instrumentation amplifier）被广泛地应用在现实世界中的数据截取。
然而，设计工程师在使用它们时，却经常会出现不当使用的情形。
具体来说，尽管现代仪表放大器具有优异的共模抑制（comm on-mode rejection，CMR），但设计工程师必须限制总共模电压及信号电压，以避免放大器内部输入缓冲的饱和。
不幸的是，设计工程师经常忽略此一要求。
其他常见的应用问题则是由以下因素所引起的，包括以高阻抗源驱动仪表放大器的基准端；在增益很高的情况下来操作低供应电压的仪表放大器电路；仪表放大器输入端与交流耦合，但却没有提供直流对地的返回路径；以及使用不匹配的 RC 输入耦合组件。
仪表放大器快速入门仪表放大器是具有差分输入和单端输出的死循环增益电路区块。
仪表放大器一般还有一个基准输入端，以便让用户可以对输出电压进行上或下的位准移位（level-shift）。
使用者还可以一个或多个的内部或外部电阻来设定增益。
图 1 是一个桥式前置放大器（bridge-preamplifier）电路，这是一种典型的仪表放大器应用电路。
当检测到讯号时，该桥式电阻（bridge-resistor）值即改变，使得桥的平衡被破坏，而引起它的差分电压改变。
此一信号输出即是差分电压，它可以直接连接到仪表放大器的输入端。
另外，在零信号（zero-signal）情况下，在两条线路上也都会出现恒定的直流电压。
在这两条输入线路上的直流电压是相同的，或是共模的。
正常情况下，仪表放大器会抑制共模直流电压，或同时出现在两根在线的任何电压，如噪声和嗡嗡声(hum），而放大两线间电压差距的差分讯号电压。
CMR：运算放大器与仪表放大器的对比对许多应用来说，要从噪声、嗡嗡声或直流偏移电压背景中提取出微弱的信号，CMR 特性非常重要。
仪表放大器电路设计
仪表放大器电路设计技术分类：模拟设计现代电子技术西安邮电学院崔利平0 引言智能仪表仪器通过传感器输入的信号，一般都具有“小”信号的特征：信号幅度很小(毫伏甚至微伏量级)，且常常伴随有较大的噪声。
对于这样的信号，电路处理的第一步通常是采用仪表放大器先将小信号放大。
放大的最主要目的不是增益，而是提高电路的信噪比；同时仪表放大器电路能够分辨的输入信号越小越好，动态范围越宽越好。
仪表放大器电路性能的优劣直接影响到智能仪表仪器能够检测的输入信号范围。
本文从仪表放大器电路的结构、原理出发，设计出四种仪表放大器电路实现方案，通过分析、比较，给出每一种电路方案的特点，为电路设计爱好者、学生进行电子电路实验提供一定的参考。
1 仪表放大器电路的构成及原理仪表放大器电路的典型结构如图1所示。
它主要由两级差分放大器电路构成。
其中，运放A1，A2为同相差分输入方式，同相输入可以大幅度提高电路的输入阻抗，减小电路对微弱输入信号的衰减；差分输入可以使电路只对差模信号放大，而对共模输入信号只起跟随作用，使得送到后级的差模信号与共模信号的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。
这样在以运放A3为核心部件组成的差分放大电路中，在CMRR要求不变情况下，可明显降低对电阻R3和R4，Rf和R5的精度匹配要求，从而使仪表放大器电路比简单的差分放大电路具有更好的共模抑制能力。
在R1=R2，R3=R4，Rf=R5的条件下，图1电路的增益为：G=(1+2R1／Rg)(Rf／R3)。
由公式可见，电路增益的调节可以通过改变Rg阻值实现。
2 仪表放大器电路设计2．1 仪表放大器电路实现方案目前，仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类：第一类由分立元件组合而成；另一类由单片集成芯片直接实现。
根据现有元器件，文中分别以单运放LM741和OP07，集成四运放LM324和单片集成芯片AD620为核心，设计出四种仪表放大器电路方案。
方案1 由3个通用型运放LM741组成三运放仪表放大器电路形式，辅以相关的电阻外围电路，加上A1，A2同相输入端的桥式信号输入电路，如图2所示。
第三章-谱仪放大器(3)
T>tW-tM: 两个信号幅度都无畸变； tM>T>0: 两个信号发生前沿堆积，幅度都畸变了； tW-tM>T>tM: 发生后沿堆积，后一个信号幅度畸变了。
二、单元功能电路
组成堆积拒绝电路的单元电路 1、线性门
线性门是传输信号的一个门电路，其作用在控制信号（门 控信号）作用下，可以有两个状态。在门控信号的开门电 平作用下，线性门开放，脉冲信号以最小畸变通过线性门， 传输系数为一常数，通常取1。在门控信号关门电平作用下， 线性门关闭，脉冲信号无法通过线性门，即它的传输系数 为0。
无源CDD恢复电路
下图为在基线电平缓慢变化①和快速变化②两种 情况下V1、Vc 和 V2 上波形示意图。
从此图中可以看出，基线电平缓慢变化时， 电容器C上电压基本上跟踪着基线电平变化，因 而输出端 V2(t) 基线保持在零电平，而信号平顶 有△Vc 的下降，信号结束后拖有宽度为Tw 的反 向尾部；
监察时间 T (死时间)
死时间校正和允许最高计数率
逻辑展宽电路对每一个信 号都要给出持续时间为一 个监察周期的信号输出，
当在监察周期T内又出现的
信号可以再维持一个监察 信号的宽度。输入信号的
计数率增高到1/T 时，监察
线性门可以用来对信号作时间上的筛选，其基本示意图如 下图所示：
线性门电路分为常闭式和常开式两种：
常闭式
V2tV01t
Vs 1 Vs 0
常开式
V2tV01t
Vs 1 Vs 0
常闭式为平时输入端信号不能传送到输出端。一旦有门 控信号加入时，输入信号线性地被传送到输出端；常开式为 平时可以将输入信号线性地传送到输出端，一旦信号传送之 后门控信号加入，关闭传送途径，待门控信号消失之后，门 又开放，恢复到常态。
傅里叶红外光谱仪各部件的作用
傅里叶红外光谱仪各部件的作用傅里叶红外光谱仪是一种分析物质分子的工具，它能够确定有机和无机物质的分子的化学成分，结构和反应特性。
红外光谱仪主要由以下几个部分组成：一、光源光源是傅里叶红外光谱仪的关键部分之一，用于产生足够的光子以激发化合物分子的振动，从而制造出红外光谱。
常见的光源有钨灯、氘灯、红外激光等。
每种光源都有其独特的优点和限制条件，根据样品的需要来选择不同的光源，以实现精确的分析过程。
二、样品架样品架位于光源与探测器之间，用于支撑和安装待测样品。
在样品架上装有红外透明的窗口，可以透过光线，从而允许光线和样品进行交互。
通常使用碳化硅窗口或氟化镁窗口，具有良好的光学性能，以保证样品分析的准确性。
三、波长选择装置波长选择装置用于选择合适的波长以测量样品的吸收谱。
其中，常用的选择装置是自旋转棱镜和波片。
自旋转棱镜能够根据样品需求旋转，调整波长。
波片则能够通过改变振动方向，达到选择波长的目的。
四、探测器探测器是整个傅里叶红外光谱仪中最核心的部分之一，用于转换红外光线的信号为电信号。
通常使用的探测器有热电偶，半导体探测器，以及MCT探测器。
这些探测器都有自己的优缺点，需要选择正确的探测器来获得可靠的分析结果。
五、放大器放大器主要是用于放大探测器输出的电信号，增加信号的强度来完成红外分析。
放大器也是仪器的关键部分之一，主要有差动放大器和分立放大器两种类型。
差动放大器模拟处理频带宽，适用于各种样品类型，而分立放大器则更加适用于精密的测量和小量样品的分析。
傅里叶红外光谱仪的各部分相互作用，共同完成对目标材料分析的过程。
通过了解各部分的作用和特性，我们可以选取最合适的仪器适应实际需要。
谱仪放大器
谱仪放大器【实验目的】了解谱仪放大器的主要特性，掌握其增益、成形、过载和噪声等特性的测试方法并付诸实测。
【实验内容】1．定性粗测为判断BH1218谱仪放大器工作是否正常，大致了解面板上的各部件的作用，先定性进行观察。
先关掉NIM 机箱中的电源，将BH1218谱仪放大器插入机箱内的适当位置，固定好上、下两个螺钉（因为螺钉除固定作用外，还起接地作用）。
然后打开电源开关。
接线如图：◆信号源：方波，幅度粗调置40dB 档，大小10mV 左右，频率合理选择。
注意：合理选择信号源方波的周期T i 、脉宽t wi 。
（想想看， Ti 、t wi 过大或过小各会有什么问题？）◆BH1218谱仪放大器：（1）初始状态如下：s i d μττ2==档放大倍数：粗调“200” 档；细调放中间任一位置极性选择：“+”观察输出波形是否为半高斯型（示波器的水平量程（秒/格）应做相应的变化，以利观察波形形状），若是，则再继续定性观察：幅度、极性（相位）、峰位（达峰时间）、脉宽等情况。
用改锥调极-零相消埋头电位器，看输出波形的变化。
（2）改变BH1218以下部份，观察输出波形相对初始态时的变化。
(a)变放大倍数粗、细调，看输出波形幅度变化方向对否。
(b)极性选择开关由“+”变“-”，看输出波形对应输入信号源跳变沿儿的极性变化。
(c)改变微分、积分二时间常数开关至4μs ，看输出半高斯波形的变化。
(d)调极零相消PZ 看波形变化。
2.定量测增益及成形电路特性（1）增益测量保持增益粗调为50，顺（或逆）时针连续缓慢调细调增益，定性观察增益是变大还是变小？再选出其中一点定量测出。
增益细调小红点对窗口的5或6，在增益粗调为50，200，500情况下定量测量增益。
（注意：测量过程中，示波器的水平量程（秒/格）应做相应的变化，以利观察波形形状）。
（2）成形电路特性测量① 保持微、积分时间常数1μs 和放大倍数不变，调mV i 100=υ，定量观测、并画出输出的半高斯（或叫准高斯）波波形，在画出的波中标清达峰时间W t ，脉冲宽度%)1(W t 、幅度等定量参数。
7 谱仪放大器a
²1²图7.1.1 放大器在测量系统中的位置 7 谱仪放大器7.1 概 述7.1.1 放大器在核测量系统中的作用前一章阐明了前置放大器的功能是解决和探测器的配合以及对探测器信号进行初步放大和处理。
但是前置放大器输出的脉冲幅度和波形并不适合后面分析测量设备（单道分析器、多道分析器等）的要求。
所以对信号还需要进一步放大和成形，在放大和成形的过程中必须严格保持探测器输出的有用信息(如射线的能量信息和时间信息)，尽可能减少它们的失真。
这样一个放大和成形任就由放大器来完成。
本章重点讨论用于核辐射能谱仪中的放大器，通常也称为谱仪放大器，或相对于前置放大器，称之为主放大器。
图7.1.1给出了放大器在测量系统中具体位置。
通常在能谱测量中所用的放大器，主要看其在能谱测量中对能量分辨率的影响大小，尽可能降低它的影响，以至可以忽略不计。
现在谱仪放大器的性能也日益完善，发展了滤波成形技术、基线恢复、堆积拒绝技术，建立了适用于高计数率高能量分辨率的谱仪放大器，较好地满足了核辐射能谱测量的需要。
放大器的输出信号要适应分析测量设备的要求，必须解决两个问题。
一个是把小信号放大到需要的幅度。
另一个是改造信号形状，通常称为滤波成形， 目的是放大有用的信号，降低噪声，提高信号噪声比，适合于后续电路的测量。
当然在这个过程中尽可能不损失有用的信息。
为了说明放大器的任务，这里举一个简单的例子。
图7.1.2（a ）所示的波形为前置放大器的输出信号，其尾部衰减时间常数通常在几十微秒以上，而上升时间通常为几十纳秒左右。
这样的堆积信号是很难进行放大的，因为信号很容易使放大器阻塞而失去放大功能，而且后面分析测量设备也无法进行正常的分析及处理。
如果让信号通过一个由电阻R ，电容C 组成的微分电路，其RC 时间常数远小于信号的衰减时间常数，就可以使堆积的信号分开，并从基线开始增长，如图7.1.2（b ）所示的波形。
这就是简单的滤波成形电路。
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通用谱仪放大器
一．组成
放大节、滤波成形电路、基线恢复电路。
二、工作原理
基线恢复(无源CD基线恢复电路、有源CD基线恢复电路、无源CDD基线恢复电路、有源CDD基线恢复电路)；通用谱仪放大器介绍(微分电路、极零相消电路、极性转换电路、放大电路、积分电路、基线恢复电路)
1.基线恢复器
CDD基线恢复器
为了使脉冲过后要以很快的速度恢复到原来的基线，可使有源CDD基线恢复器的I1从2I2改为KI2.这样，在K>>1时，可以在恢复时间内流过电容器C的电流。
2.微分电路、极-零相消电路、极性转换开关、一级放大电路。
作用：使输入脉冲宽度变窄，提高计数率，消除下冲，转换成形信号极性，进行初级放大。
3.限幅器与二级放大
作用：当输入信号幅度过大时，限制成形脉冲幅度，如果输入信号幅度还比较小，则再次进行放大。
4.积分电路
作用：使信号成形为准高斯波形，以利于后续电路分析。
5.后级放大与基线恢复器
作用：对成型后的信号再次进行放大，当计数率较高时，引入CDD基线恢复电路，使偏移的基线恢复。
三、仿真结果
四、关键点总结
1.放大器在核测量系统中的作用及其结构
作用：放大、成形结构：极性转换电路、极-零相消电路、积分滤波放大电路、基线恢复电路等
2.放大器的基本参量
放大倍数及其稳定性、线性(积分非线性与微分非线性)、噪声与信噪比、过载特性(幅度和计数率)、上升时间、输入输出阻抗
3.谱仪放大器的放大节
并联负反馈与串联负反馈；同相输入与反相输入信噪比的区别 4.谱仪放大器中的滤波成形
滤波成形的作用(抑制系统噪声、使信号形状满足后续分析设备的要求)；白化滤波器与匹配滤波器；滤波成形的信息畸变(弹道亏损、堆积畸变)；无源滤波成形电路(极-零相消、积分滤波成形、准高斯成形)；有源滤波成形电路；基线恢复器(CD恢复电路、CDD基线恢复电路)；通用谱仪放大器。