基于PicoScope测试光电倍增管输出信号
1 关于光电倍增管
光电倍增管用于检测微弱的光信号。它是一个真空管，由一个输入窗口、一个光电阴极、聚焦电极、一个电子倍增器和一个通常密封在真空玻璃管中的阳极组成。
图1 光电倍增管及其工作原理
通过以下步骤光电倍增管检测到光并产生输出信号：
(1) 光通过输入窗口
(2) 光激发光电阴极中的电子，使光电子发射到真空中(外光电效应)
(3) 光电子被聚焦电极加速并聚焦到第一倍增极上，在那里它们通过二次电子发射而倍增。这种二次发射在每个连续的倍增极处重复。
(4) 最后一个倍增极发射的倍增二次电子最终被阳极收集
(5) 阳极产生一个输出电流信号
光电倍增管广泛用于探测粒子辐射、电离辐射以及测量发光物质的强度和光谱。例如，它可以作为分光光度计的探测器来测量光子，也可以作为监测仪器的一部分来测量大气中的各种辐射。
图2 光电倍增管可探测的辐射粒子
2 测量光电倍增管输出信号面临的挑战
准确测量光电倍增管输出脉冲信号并没有遗漏地捕获所有脉冲信号会面临如下一些挑战。
1). 弱信号幅度
通常光电倍增管输出脉冲幅度较弱，要求测试仪器不仅要有较高的带宽和采样率，还要有较高的分辨率。
2). 相邻脉冲之间的时间间隔小
有时两个输出脉冲之间的时间间隔相对较小，需要测试仪器足够快才能尽可能地捕获所有发生的脉冲信号。
3). 需要统计一段时间内捕获到的脉冲数量
为了分析粒子辐射等事件发生的概率，有时需要统计一段时间内捕获的脉冲个数，需要测试仪器的软件能够具备脉冲计数功能。
4). 需要分类筛选脉冲
由于输出脉冲可能来自不同的源或不同的光电倍增管，实际应用中通常需要对其进行分类。测试仪器中高级触发功能可以用来实现分类筛选的需求。所以测试仪器的配套软件需要能够提供各种高级触发功能。
5). 高压环境
光电倍增管通常采用几千伏的高压供电，高压环境下会产生较大的干扰，需要测试仪器在高压环境下也能够可靠地进行小幅度信号的测量。
3 基于PicoScope 6000E示波器测量光电倍增管信号
Pico Technology的 PicoScope 6000E 系列示波器能够很好地应对上述光电倍增管输出信号的测试挑战。
PicoScope 6000E 系列固定分辨率和 FlexRes (硬件可调分辨率)示波器提供 8 至 12 位垂直分辨率、高达 3 GHz 的带宽和 10 GS/s 的采样率。这些指标能够满足精确测试小幅度快脉冲信号。
在快速触发模式下，PicoScope 6000E 系列示波器可以捕获连续脉冲，两个脉冲之间的间隔可低至 300 ns。该模式有助于大幅减少因发生速度太快而捕获不到的脉冲数量。
PicoScope 6000E 系列具有基于硬件的触发时间戳功能。在 PicoScope 7 软件中， PicoScope 6000E 系列示波器采集的每个波形都提供有相对于第一个波形以及相对于前一个波形的时间间隔信息。此功能方便用户计算一段时间内的发生的脉冲数量。
PicoScope 6000E 系列提供了一系列高级触发类型，包括脉冲宽度、欠幅脉冲、窗口触发、上升/下降时间触发、逻辑触发和漏失触发等。这些触发类型可用于筛选不同类型的脉冲。
下图3所示为光电倍增管输出信号的测试连接示意图。光电倍增管输出电流信号通常会被转换为电压信号后由示波器或者高速数据采集卡对其进行采集。实际应用中信号被采集之前还可能会用到放大器对信号进行放大并使用滤波器对信号进行滤波处理。
图3 光电倍增管测试连接示意图
下图4显示的是在 PicoScope 7 软件中测试光电倍增管的输出脉冲。示波器型号为 PicoScope 6424E。由于是同时采集三个光电倍增管的输出，所以图中显示了三个脉冲波形。
从图4中可见，脉冲幅度低至几毫伏，示波器工作在2.5 GS/s的采样率和快速触发采集模式下并使用了逻辑“或”高级触发模式。当前总共采集了 10,000 个波形，每个波形都包含有时间戳信息，这样用户就可以知道每个脉冲的发生时刻以及一段时间内发生了多少个脉冲。
图4 在PicoScope 7软件中测量光电倍增管输出信号
下图5所示的波形为基于PicoSDK在Python中采集到的光电倍增管输出脉冲。
图5 基于PicoSDK采集到的光电倍增管输出脉冲
4 为什么选择PicoScopes?
图6 成功用于光电倍增管输出信号测试的PicoScope型号
PicoScope 5000D 系列和 6000E 系列被分别以独立使用模式或系统集成模式广泛用于测试各种场景下的光电倍增管输出信号。
当 PicoScope 作为测试系统的采集部件时，客户可以基于Pico提供的免费软件开发包 PicoSDK，以及 LabVIEW、Python、C# 、MATLAB等编程语言开发自己的应用软件。
用户喜欢将 PicoScope 示波器集成到他们的测试系统中是因为 PicoScope示波器所拥有的独特优势和强大功能：
1) 高可靠性
Pico Technology 成立于 1991 年，专注于基于 PC 的测试仪器和数据采集设备的研发和制造。数十年的产品迭代和严格的质量控制，使得 PicoScope 示波器拥有高可靠性。
2) 高性价比
与传统台式仪器不同，PicoScope 示波器没有内置 PC，故结构简单，从而可拥有更多独特的硬件优势，包括高带宽、高采样率、深存储、高ADC分辨率、灵活可调 ADC 分辨率、多个模拟和数字输入通道、高速数据传输等。基于外部PC 的强大性能，PicoScope示波器可拥有更丰富的软件功能和更强大的数据分析处理能力，如可提供40 多个串行解码器、高级数学函数（FFT、滤波函数、测量参数追踪图等）。此外，PicoScope 示波器拥有数十种型号，用户更容易选择到一款经济实惠且与其应用相匹配的产品。
3) 高ADC 分辨率和灵活可调ADC 分辨率
PicoScope 示波器提供从 8 位到16 位的各种垂直分辨率选项。分辨率越高，垂直精度和动态范围就越大，波形显示就越清晰，测量结果会更精确。PicoScope 示波器的ADC 分辨率灵活可调，这个独特特点得益于 Pico 突破性的ADC 管理技术，该技术允许用户在一个设备中通过协调多个 ADC 的工作从而实现从 8 位到16 位的灵活切换。
4) 强大的软件开发包PicoSDK
PicoScope示波器提供了很多传统台式示波器通常不具备的互联和定制功能。SDK（软件开发工具包）允许用户为特定项目创建自定义应用程序。这使得 PicoScope示波器不仅仅是一台通用的示波器。在 SDK下运行的 PicoScope示波器拥有更加出色的性能，比如它可以以高达 312 MS/s的速度连续采集数据并将其传输到 PC，可实现最高200万段的分段存储，可以设置高级触发功能，可以编程控制示波器内置的任意波形发生器或函数发生器输出波形等。基于SDK编程控制PicoScope示波器简单容易，您可以在github.com/picotech上找到大量的基于各种编程语言的示例代码，而且我们也有专门的支持团队为用户自定义开发提供技术支持。
所有 Pico产品（包括 PicoScope示波器）均附带免费的 SDK。SDK包含适用于Windows、macOS、Linux和 Raspberry Pi (ARM7)的驱动程序。它允许用户使用诸如C、C#、C++、Python、MATLAB、LabVIEW 和 Microsoft Excel等通用的编程语言编写自己的应用程序来控制仪器。
5) 紧凑轻便
与往往比较笨重的传统台式示波器不同，PicoScope示波器紧凑、轻便且便于携带。与笔记本电脑配合使用时，PicoScope示波器可让您将整套电子工具与电脑一起装入一个包中。小巧的尺寸也使 PicoScope示波器更易于集成到系统中，而几乎不会增加重量或体积。
图7 Pico 产品家族
关于Pico Technology
Pico Technology是高性能电子测试仪器的全球领先制造商。源于英国剑桥强大电子工程传统，自创立以来，通过创建和领导创新的基于PC的测试仪器，比克实现了连续33年的增长。其独特的解决方案和完整的产品线为电子工程师提供了高性能且经济高效的工具，涵盖了从物理层到协议层的整个设计验证周期：
具有内置AWG，FG，逻辑分析仪，频谱分析仪，串行协议分析仪的实时示波器，提供高达16位ADC分辨率，4G超深存储器，8个高分辨率通道和真正的差分探测。紧凑的30GHz采样示波器使工程师能够轻松实现TDR特征阻抗测试，眼图和时钟恢复等。PicoVNA（矢量网络分析仪），RFSynthesizer（射频信号合成器）和PicoConnect高带宽探头可扩展到RF应用。此外，还有最畅销的PicoLogger系列数据记录仪产品。
SDK允许用户与实现测试自动化的其他仪器一起开发自定义应用程序。终身免费软件和5年保修可保护客户的投资。
比克科技是未来。
