Elektronické signály Co si lze představit pod pojmem signál ? Definice signálu – časově proměnná veličina nesoucí informaci Cern-zpracování elektronického signálu ze scintilačních detektorů.Jednotlivé bloky vyhodnocovací elektroniky jsou přímo napojeny na Fast Ethernet pro další počítačové zpracování

Elektronické signály - terminologie Signály – periodické, jednorázové, harmonický a neharmonický průběh deterministický – známe-li průběh signálu v libovolném časovém okamžiku,lze jej matematicky popsat stochastický – signál s charakterem náhodné veličiny Převod obecných signálů na elektronické signály prostřednictvím převodníků (teplo,světlo,pohyb,tlak atd) Prostředí vedoucí elektrické signály – může výrazně ovlivnit přenesený signál vodiče,vedení….(elektrické,optické aj.) – ovlivnění přenosu signálu bezdrátový přenos …..elmg vlny – radio,TV,mobil,družice,radiolokace aj proces,kdy se původní signál upraví (modulace na nosnou)

Elektronický signál - terminologie Veličiny charakterizující elektronický signál : Je-li periodický - perioda T či kmitočet f Úroveň signálu – amplituda (maximální,okamžitá,střední,efektivní hodnota) Činitel zkreslení harmonického signálu

Elektronický signál - zobrazení Signál je zpravidla definován jako funkce času – časová doména (osciloskop) V kmitočtové doméně se signál nazývá spektrum (spektrální analyzátor) Oba popisy jsou jednoznačné a vzájemně ekvivalentní. Algoritmem pro vzájemný převod je tzv. Fourierova transformace

Elektronický signál - příklady

Elektronický signál O vhodnosti zobrazit signál v časové resp. kmitočtové doméně rozhoduje konkrétní měřící aplikace.Někdy je výhodné nejprve získat signál v časové doméně a následně jej pomocí FFT převést do kmitočtové domény.Moderní měřící přístroje (paměťové osciloskopy ) již mívají po digitalizaci signálu pomocí vestavěného modulu možnost tzv. signal processingu DSP) – např.FFT Nejčastěji používané jsou paměťové osciloskopy a spektrální analyzátory.

Elektronický signál - šum Šum – veličina provázející každý elektrický signál Dán interakcí fononů s elektrony v krystalové mřížce – časově nahodilý Šumový výkon na svorkách vodiče je projevem tepelné energie uvnitř vodiče Pš = 4 k T0 B k….Bolzmannova konstanta , T0 ….teplota , B …. šířka kmitočtového pásma To – měření v nízkých teplotách (He,N) – kryogenní chlazené zesilovače (detektory částic, NMR) B – kmitočtové filtry – zúžení kmitočtového pásma – velmi často používané , analogové i číslicové provedení (spolu s DSP)

Elektronický signál - šum šumové napětí na odporu R pro aktivní prvky ještě vstupuje tzv. činitel šumu F resp. šumové číslo FdB Druhy šumu: bílý šum – spektrální hustota (rozdělení pravděpodobnosti výkonu s kmitočtem) je konstantní Šum 1/f , růžový šum atd

Elektronický signál - zpracování Zpracování elektronických signálů (analogových) zesílení (nízkošumový zesilovač, malý vlastní šum) filtrace (dolno / horno propust, pásmová propust / zádrž ) detekce event. vzorkování pro převod na digitální signál – počet bitů <> rozsah dynamický rozsah zpracování – logaritmické zesilovače, širokopásmovost

Elektronický signál - detekce Metody detekce signálu – detektory asynchronní (amplitudové) 1) diodové (vhodné pro úzký rozsah amplitud signálu)- prahové napětí přechodu PN 2) s logaritmickými širokopásmovými integ.obvody (vhodné pro rozsah amplitud až 6 řádů – uV až V)

Elektronický signál - detekce Detektory synchronní – (zesilovače lock-in) u2 u3 u1 Použití řídícího (referenčního) signálu umožňuje zpracování (vybrání) žádaného signálu ze směsi nežádoucích doprovodných signálů (harmonické, šum, brum atd).

Lock-In zesilovače

Lock-In zesilovače

Lock-In zesilovače System Lock-in amplifier Mixer Signal Reference VCO Kromě základního použití detekce signálu lze lock-in zesilovač využít i v dalších modech měření. Tím, že je základní kmitočet signálu „lock-in“, lze jednoduše měřit další harmonické a jejich úroveň – vlastně děláme spektrální analýzu. Princip generování kmitočtů využitím tzv. fázového závěsu (lock-in). System Lock-in amplifier Mixer Signal Reference VCO PLL Integrate

Lock-In zesilovače

Lock-In zesilovače Lock-in zesilovač umožňuje měření signálů řádu nV, často „utopené“ mnohonásobně v šumu. Tím, že je použita technika synchronní detekce, dokážeme vybrat signál pouze na referenčním kmitočtu a fázi. Ostatní signály, jakž i šum, jsou potlačeny a neovlivňují vlastní měření. Pro porovnání – běžná hodnota jakosti Q analogové pásmové propusti na 10 kHz je asi 100, což odpovídá šířce pásma B=100Hz. Z předchozího příkladu by se tím šum snížil z 1,6mV na 50uV. Užitečný signál zesílený na 10uV by byl stále „utopený“ v šumu.