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Gruppe: 1/8Versuch: 4PRAKTIKUMMESSTECHNIKVERSUCH 5OperationsverstärkerVersuchsdatum: 22.11.2005Teilnehmer:


1. Vorbereitung1.1. Geräte zum Versuchsaufbau1.1.1 LawinendiodeDiese Diode wird kurzzeitig in Sperrrichtung mit einer Gatespannungbeschaltet, die größer als die Durchbruchspannung ist. Es befinden sich keinefreien Ladungsträger in der Sperrschicht. Trifft nun ein Photon auf die Diode,reißt dieses ein Elektron aus seiner Bindung, welches durch das ElektrischeFeld beschleunigt wird, und selber wieder andere Elektronen aus derenBindung reißt. Mann spricht vom „Lawinen-Effekt“. Dieser Effekt kann aberauch durch einen Thermischen Durchbruch ausgelöst werden.1.1.2 PhotomultiplierSie sind im Sichtbaren Spektralbereich empfindlich, und erzeugen an ihremAusgang ein Signal, dessen Amplitude von der Anzahl der auf den Eingangauftreffenden Photonen abhängt.1.1.3 CCD – KameraDie Kamera besteht aus Photodioden, die je nach Lichteinstrahlung einunterschiedliches Signal erzeugen. Mit einer geeigneten Software, lassen sichdiese Signale in ein Bild zurückrechnen.1.1.4 MicrochannelplateDas Photon trifft auf einen der unzähligen „Channel“ und wird durch die außenangelegte Spannung beschleunigt. Auf dem Weg durch den „Channel“ reißtdas Photon Elektronen aus deren Bindung. Aus dem Channel treten in derRegel etwa 10³ Elektronen aus, man erhält also eine Verstärkung des Signalsvon 1000. Dieses Prinzip wird häufig für Nachtsichtgeräte bzw.Restlichtverstärker verwendet.1.1.5 DiskriminatorDer Constant Fraction Diskriminator erzeugt ein Standard Ausgangssignal,wenn am Eingang auch nur ein Bruchteil eines Eingangssignals anliegt.1.1.6 CounterDer Laufzeitzähler mist mit einer Genauigkeit von wenigen Pikosekunden dasZeitintervall zwischen Start- und Stopimpuls.


1.5 VersuchsaufbauImpulsgeneratorPs -pulserStopGateOutputCounterStartAvalancheDiodeCFDHSPhotodiodeVerstärkerReflektorDer Impulsgenerator sendet ein Signal an den PS-Pulser, dieser sendet einenOptischen Impuls auf den halbdurchlässigen Spiegel, und er gibt eine Gate-Spannungauf die Avalanche Diode. Der Impuls wird zu 96% auf den Reflektor gespiegelt und4% durch den Spiegel auf die Photodiode geschickt. Die Photodiode erkennt denoptischen Impuls und wandelt ihn in ein Elektrisches Signal um. Der Verstärkerverstärkt das Signal und sendet es an den Costant Fraction Discriminator weiter, dieserWandelt das Signal in ein Standard Ausgangssignal, das auf den Counter geschicktwird. Dieser beginnt nun zu zählen.Die 96% des Optischen Signal werden durch den Reflektor auf die Avalanche Diodereflektiert. Diese gibt einen Impuls aus, der den Stop am Counter auslöst.2. Versuch2.1 Justieren der PhotodiodeEs wurde die Photodiode direkt an das Oszilloskop angeschlossen, und einoptischer Impuls auf die Diode gebracht. Die Diode wurde so lange justiert bisein maximales Signal am Oszilloskop zu erkennen war.0V600ps-45mV-90mVDie Impulsbreite betrug 600ps und die Amplitude -90mV. Die maximaleDarstellung des Oszilloskops beträgt 1 Ghz, also eine Auflösung bis zu 1 ns.


Der Verstärker wurde nun zwischen der Diode und dem Oszilloskop geschaltet,dabei musst man aufpassen und nicht an das Kabel des Pulsers kommen, dasich sonst eine Abweichung einstellte.0V1ns213mV426mVDer Verstäker ändert die Amplitude, aber auch die Impulsbreite, das hängt mitder maximalen Bandbreite des Verstärkers zusammen.Die Verstärkung berechnet sich aus:V=− 426mV− 90mV= 4,73Zwischen den Verstärker und dem Oszi wird nun der CFD zwischengeschaltet,die Triggerschwelle auf die Hälfte von Ue eingestellt, und das Ausgangssignalam Oszilloskop betrachtet.0V2,1ns-390mV-780mVDas Signal wird also vom CFD komplett neu „aufgebaut“. Das Eingangssignalmit der Amplitude von -426mV und der Impulsbreie von 1ns wird in einAusgangssignal der Amplitude -780mV und der Impulsbreite 2,1 nsumgewandelt.2.2 Counter triggernLaserABGateCD


A= 100nsB= 1,1usC= 0D= 50nsDiese Einstellungen wurden am Counter übernommen. Zwischen C und D wirddie Gatespannung erzeugt um die Avalanche Diode „einzuschalten“, sie bleibtetwa 10 ms im Eingeschalteten Zustand (Thermischer Durchbruchausgenommen). In 50ns Abstand wird dann das optische Signal zwischen Aund B erzeugt.2.3 Referenz MessungDer Versuch wird komplett aufgebaut, der Reflektor wird direkt vor denHolzkasten gestellt, um eine Referenzmessung zu machen. Der Ausgang derAvalanche Diode und der Ausgang der Photodiode werden auf demOszilloskop dargestellt. Dabei wurde festgestellt, das die Avalanche Diodeeher auslöst als die Photodiode, somit würde das Stop-Signal für den Countereher kommen als das Start-Signal. Nach einiger Überlegung kam uns die Idee,die Laufzeit des Versuchsaufbaus mit Hilfe eines langen Kabels, das zwischenden Impulsgenerator und dem Pulser verlegt wurde, auszugleichen. Jetzt wardas Startsignal zuerst auf dem Oszilloskop zu erkennen und dann dasStopsignal. Auf dem Oszilloskop waren aber auch immer wieder ThermischeDurchbrüche der Avalanche Diode zu beobachten, welche zufällig und vordem eigentlichen Stopsignal auftraten. Deshalb wurden pro Messung 1000Messwerte von Matlab automatisiert aufgenommen, und in eine txt – Dateigespeichert. Diese Werte wurden in Matcad geladen, und dort mit einemArbeitsblatt, der Durchschnittswert und die Standardabweichung berechnet.Der Counter wurde nun angeschlossen, und für die Referenzmessung ergabsich ein Wert von 11,154 ns mit einer Standardabweichung von 0,098 bei 832erfolgreichen Messungen.2.4 Eigentliche MessungFür die eigentliche Messung ergaben sich die Werte, wie sie im Beiblatteingefügt sind.Es gab 3 Fehlmessungen, bei 51%, 83% und 92%, bei diesen Messreihen lagder Druchschnittswert bei 33ns und nicht wie bei den anderen Messreihen bei29ns. Hier muss sich ein Fehler im Versuchsaufbau eingeschlichen haben, dernicht gefunden werden konnte. (Wahrscheinlich der Counter)Die Abweichungen sind sehr unterschiedlich, sie sollte mit der Anzahl derdurchgelassenen Photonen steigen. In der Messung war dies nicht der Fall,sondern im Gegenteil, bei der größten Anzahl an druchgelassenen Photonen,war die kleinste Abweichung zu verzeichnen. Das lag wohl daran, dass es mehrMesswerte gab und somit die Abweichung in der Berechnung geringer ausfiel.m299792458 ⋅(28,23ns± ? −11,154ns± ?)l =s= 2, 56m2Der gemessene Wert mit einem Meterstab liegt bei 2,57m.

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