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脉冲幅度分析

脉冲幅度分析. 脉冲幅度甄别器 模数转换器（ ADC ）. 甄别器的特点. 能够将来自探测器或前面电路的随机模拟信号与 甄别阈 相比较，如果信号在所要求的范围内，则甄别器输出一逻辑脉冲，否则无输出。  模拟信号  逻辑信号. 分类. 种类：脉冲幅度甄别器、定时甄别器 脉冲幅度甄别器的分类： 普通甄别器、快甄别器 积分甄别器、微分甄别器. 积分甄别器. 积分甄别器： 由一个滞回不大的 施密特电路 和一个 单稳态 触发器组成。. 甄别阈（刚能使甄别器触发的幅度）： V T =V T1 -V B. 微分甄别器.

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Presentation Transcript

  1. 脉冲幅度分析

  2. 脉冲幅度甄别器 • 模数转换器（ADC）

  3. 甄别器的特点 能够将来自探测器或前面电路的随机模拟信号与甄别阈相比较，如果信号在所要求的范围内，则甄别器输出一逻辑脉冲，否则无输出。  模拟信号逻辑信号

  4. 分类 • 种类：脉冲幅度甄别器、定时甄别器 • 脉冲幅度甄别器的分类： • 普通甄别器、快甄别器 • 积分甄别器、微分甄别器

  5. 积分甄别器 积分甄别器：由一个滞回不大的施密特电路和一个单稳态 触发器组成。 甄别阈（刚能使甄别器触发的幅度）：VT=VT1-VB

  6. 微分甄别器 • 微分甄别器：有两个阈值，只有在两个阈值之间的输入脉冲才有输出。又称单道脉冲幅度分析器（SCA-SingleChannel Analyser） 由两个积分甄别器和必要的逻辑电路组成。一般输出逻辑脉冲与输入脉冲没有固定的时间关系。

  7. 微分甄别器的实例 输出信号发生于下甄别阈输出脉冲的后沿；当被测脉冲的幅度或下阈变化时，输出脉冲在时间轴上的位置也发生变化。

  8. 定时单道脉冲幅度分析器（Timing SCA） vo前沿和信号通过VT的时刻有固定的延迟（td），且td可调

  9. 多道脉冲幅度分析器 用单道脉冲幅度分析器测量能谱需要逐道改变阈值，每次只能获取一个道宽内的脉冲数目。费时而且误差大，因此能谱测量通常采用多道脉冲幅度分析器。 将输入信号按其幅度大小进行分类，然后按其类别作统计而获得计数按幅度大小分布的关系。我们把这种分布图称为直方图，从分布关系中可以得到脉冲幅度谱。 多道脉冲幅度分析器在结构上分成两部分： 模数转换器(ADC)和数据获取和处理系统。

  10. 模数转换器（Analog Digital Converter）

  11. 模数转换器 模数转换器(ADC) -------连接模拟处理系统与数字处理系统的关键环节。 核电子学中的ADC与一般商品生产的ADC之间是有区别的： • 输入信号为随机脉冲 • 对微秒量级或更快的脉冲幅度进行转换（与对慢变化的信号进行采样、保持和转换相比较而言），具有峰值检测和保持功能 • 精度要求较高

  12. 模数转换器的组成 包括模数转换和寻址存贮两个主要部分

  13. 模数转换原理 • 线性放电法 • 比较法 • 一次直接比较法 • 逐次二进制比较法

  14. 重点 • 三种模数转换方法的原理和特点 • 线性放电法和逐次二进制比较法的相关计算

  15. 线性放电法的原理 + A - ① ② Vc ③ T S I ⑤ ④ T0 ① ② ③ ④ ⑤ 转换时间 地址码 道宽

  16. 线性放电法的技术指标 变换因子P： 稳定性与展宽器中保持电容的电容量的稳定性、恒流源电流的稳定性及时钟周期的稳定性有关。这就要求这些因素随温度、时间的稳定度要好。

  17. 线性放电法的技术指标 变换速度 TD=TL+T+TM 放电时间T=mT0随道数按比例增加，这种方法用于高道数模数转换中就是一个缺点。进一步提高时钟频率T0可以提高变换速度，但时钟频率的提高对线性电路的速度有很高要求。 变换时间为ADC的死时间

  18. m mMAX m V VMAX V 线性放电法的技术指标 积分非线性 定义为：道数与输入脉冲幅度的换算曲线与理想线性曲线之间的最大偏差。 积分非线性= 或 与线性门、展宽器等的线性有关，也与恒流源的恒流程度有关。即积分非线性与电路的模 拟部分有关。

  19. 线性放电法的技术指标 微分非线性：道宽与平均道宽之间的最大偏差。 • 积分非线性 • 数字电路（最典型的是地址码分别为奇偶时的奇偶效应，可参看参考书相关章节） 道宽均匀器 • 电子学中的噪声、电源电压不稳 微分非线性=

  20. 道宽均匀器 • 对于线性放电法模数转换器，地址干扰是引起道宽不均匀的主要因素，这是制造高精度模数转换器的一个主要技术问题。为了解决数字（逻辑）干扰问题，通常采用滑移标尺道宽均匀器（又称数字道宽均匀器， sliding scale linearization ）。

  21. 道宽均匀器 • 在变换前，先在地址寄存器的前x位预置一数码m0，此数最小为零，最大为（2x-1）。它可以是循环连续变数，也可以是随机数。 • 当变换后得到的地址脉冲数为m时，地址寄存器上得到的数码将变为m+m0。 • 模数变换器在发送地址码之前先从中减去m0，使发送的地址码仍为m。 当m0变化于0到（2x-1）范围内时，第m道受到的地址干扰是第m道到 第m+1+（2x-1）道原始地址干扰的平均值。 则第m道和m+1道受到的地址干扰平均值的差别为 加了道宽均匀器后，两道地址干扰差别只为原来地址干扰差别的2-x倍。当x4时，由地址干扰引起的道宽不一致性就减小一个量级以上。

  22. 线性放电法的特点 • 优点：电路简单、道宽一致性好 • 缺点：由于要经过幅度-时间-数字的转换，花费的时间较长。需要几十微秒。

  23. DL L-1 1 0 0 0 DL-1 D2 H 1 D1 0 D0 比较法 一次直接比较法 优点：变换速度快，转换时间短 缺点：1)道数增加时，需要用成百上千个甄别器和数字电路， 设备过于庞大； 2)道宽很小时，很难保证甄别阈具有恒定间隔，微分非 线性较差。 只适用于速度要求很快，但道数较少的ADC中。

  24. 多比较器快速（Flash）ADC • 闪烁型(FLASH)ADC又叫做全并行ADC，它将信号幅度一步转换成二进制数。闪烁型ADC转换速率最高，通常用于低分辨率(8-10位)，高速20-50M应用场合。 变换时间仅为几十纳秒。

  25. 比较法 • 逐次二进制比较法 与一次直接比较法相比：节省了电路，又称串行变换器。 与线性法相比较：变换时间要短得多。仅需几个微秒左右。 发展并串联比较法，即高位采用并行变换，低位串行变换的方法。

  26. 逐次二进制比较法的道宽一致性 由于标准电平很难维持精确的比例，比线性放电法要差得多。 对于上面例子，第2047道的上边界2048mV决定于最高位参考电压VR11，而下边界2047mV决定于除最高位外所有各位参考电压之和VR0+ VR1+…+ VR10。第2047道的道宽 在VR11的精度达到万分之一时，即使其他电压均为理想值，也将使h2047有0.2mV左右的偏差。对于1mV的道宽来说，这就是20%的不一致性！这种情况在奇数道普遍存在，在1/2总道数处不一致性最严重。 逐次比较法只有加上道宽均匀电路（类似于前面所提到的滑尺道宽均匀器）才能使道宽一致性达到1%左右。

  27. 十二位逐次比较型ADC集成片 输入信号经过展宽器，由ADC变换成十二位地址码，加入滑尺计数器、DAC和减法器等以实现道宽均匀化。加入道宽均匀器后的逐次比较型模数变换器微分非线性可达1%左右。

  28. 模数转换方法的比较 • 线性放电法： • 优点：电路简单、道宽一致性好 • 缺点：由于要经过幅度-时间-数字的转换，花费的时间较长。 • 需要几十微秒。 • 一次性直接比较法： • 优点：变换速度快，转换时间短 • 缺点：设备过于庞大，道宽一致性差。 • 变换时间仅为几十纳秒。 • 逐次二进制比较法： • 与一次直接比较法相比：节省了电路，又称串行变换器。 • 与线性法相比较：变换时间要短得多，但道宽一致性差，一定要加道宽均匀器。 • 仅需几个微秒左右。

  29. 脉冲幅度分析（重点） • 脉冲幅度甄别器 • 甄别器的特点 • 积分、微分甄别器的特点和原理框图 • 模数转换器 • 三种转换方法的原理和特点 • 线性放电法和逐次二进制比较法的相关计算

  30. 作业 • 甄别器的输入和输出信号有何特点？积分幅度甄别器和微分甄别器的区别是什么？ • 结合电路，阐述线性放电法、一次直接比较法和逐次比较法的模数转换原理及各自的优缺点。 • 设线性放电模数变换器的时钟频率为100MHz，CH为400pF，I为40A，求道宽和变换系数。若输出为m=2457，求输入脉冲幅度。变换时间为多少？ • 一个8192道逐次比较法ADC，其中DAC给出各位参考电压的精度为0.01%，求道宽不一致性最大偏离为多少？在实际应用上通常采用什么技术来减小道宽不一致性？设每比较一次需要1 s，变换时间为多少？

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