04第四章脉冲幅度分析.ppt
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1、SNST, LANZHOU UNIVERSITY,1,第四章 脉冲幅度分析,核数据及分析 脉冲计数 脉冲幅度分析 脉冲信号时间分析 脉冲波形甄别,1 脉冲幅度甄别器 2 单道脉冲幅度分析器 3 模数变换器 (ADC),SNST, LANZHOU UNIVERSITY,2,1 脉冲幅度甄别器,脉冲幅度甄别器(discriminator)的基本功能: 脉冲幅度甄别器是将幅度超过(或低于)某一设定电平的输入脉冲转换成幅度和宽度符合一定标准的脉冲输出,剔除此电平以下(或以上)的任何输入信号。 用途: 剔除噪声的干扰; 进行幅度选择; 脉冲幅度精密测量; 能谱测量(单道分析器); 定时(前沿定时)。,一
2、、概述,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,3,图4-1(a) 为甄别器符号表示,Vi为输入信号;Vo为输出信号。 图4-1(b)和图4-1(c)分别为输入和输出信号波形。脉冲信号 的幅度低于VT,甄别器没有输出; 脉冲信号信号 的幅度高于VT,二者均在电路设定的电平之上,则甄别器在输出端产生幅度为Eo,宽度为T的信号输出。 VT为甄别器的甄别阈。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,4,积分谱: N(VT),微分谱: N(Tm)=N(VTm+1)-N(VTm),SNST, LANZHOU UNIVERSITY,5,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,
3、6,快速响应性能; 固定的和短的死时间; 高的触发灵敏度; 甄别阈足够稳定;,二、核测量中对脉冲幅度甄别器的要求,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,7,脉冲幅度甄别器的技术指标:,(1)输入灵敏度: 几十毫伏左右; (2)甄别阈范围: 阈值动范围大(10mV-10V); (3)甄别阈阈值稳定性: 长时间(8h)内0.1-2mV/OC; (4)甄别阈阈值线性: 1%0.1%; (5)甄别阈阈值涨落: 范围小,零点几毫伏到几毫伏; (6)甄别阈响应速度要快: 可用于定时(ns量级),死时间小。可适应高计数率工作; (7)输出信号的幅度和宽度恒定: 与输入信号等因素无关,适合后续测量
4、设备如定标器,计数率计的需要。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,8,三、脉冲幅度甄别器电路实例,类 型 二极管甄别器; 射极耦合触发器; 交流射极耦合触发器; 集成电压比较器; 隧道二极管甄别器。,脉冲幅度甄别器就是电压比较器!,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,9,1. 单限电压比较器,特点:运放处于开环状态。,当ui UR时 , uo = +Uom 当ui UR时 , uo = -Uom,一、若ui从同相端输入,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,10,UR,当ui UR时 , uo = -Uom,二、 若ui从反相端输入,SNST, LAN
5、ZHOU UNIVERSITY,11,2. 过零电压比较器: (UR =0时),SNST, LANZHOU UNIVERSITY,12,例:利用电压比较器将正弦波变为方波。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,13,电路改进:用稳压管稳定输出电压。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,14,比较器的特点,1. 电路简单。,2. 当Ao不够大时, 输出边沿不陡。,3. 容易引入干扰。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,15,一、下行迟滞比较器,分析,1. 因为有正反馈,所以输出饱和。,2. 当uo正饱和时(uo =+UOM) :,U+,3. 当uo负饱
6、和时(uo =UOM) :,3. 迟滞电压比较器,特点:电路中使用正反馈, 运放处于非线性状态。,1. 没加参考电压的下行迟滞比较器,又名:施密特触发器,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,16,分别称UH和UL上下门限电压。称(UH - UL)为回差。,当ui 增加到UH时,输出由Uom跳变到-Uom;,当ui 减小到UL时,输出由-Uom跳变到Uom 。,传输特性:,小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时,正反馈加速跳转。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,17,例:下行迟滞比较器的输入为正弦波时,画出输出的波形。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY
7、,18,2. 加上参考电压后的下行迟滞比较器,加上参考电压后的上下限:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,19,下行迟滞比较器两种电路传输特性的比较:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,20,例:R1=10k,R2=20k ,UOM=12V, UR=9V当输入 ui 为如图所示的波形时,画出输出uo的波形。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,21,首先计算上下门限电压:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,22,根据传输特性画输出波形图。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,23,u+=0 时翻转,可以求出上下门限电压
8、。,二、上行迟滞比较器,当u+ u- =0 时, uo= +UOM 当u+ u- =0时, uo= -UOM,1. 没加参考电压的上行迟滞比较器,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,24,上下门限电压:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,25,上下门限电压:,当uo= +UOM时:,当uo= -UOM时:,2. 加上参考电压后的上行迟滞比较器,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,26,传输特性:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,27,迟滞比较器电路改进:为了稳定输出电压,可以在输出端加上双向稳压管。,思考题:如何计算上下限?,SNS
9、T, LANZHOU UNIVERSITY,28,积分甄别器电路实例 FH1003A单道分析器中甄别电路单元。其电路图见图。 J631C为一个电压比较器, R9,R10和C4构成交流反馈,形成构成交流耦合施密特电路。 2DW7提供7V稳定电压。 W2用来调节阈值。 W1调节保证电路工作在施密特触发器状态, 使VBVD2=V2-F(VOH-VOL) 。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,29,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,30,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,31,隧道二极管(tunneldiode)甄别器,基于重掺杂PN结隧道效应而制成的半
10、导体两端器件。 隧道效应是1958年日本江崎玲於奈在研究重掺杂锗PN结时发现的,故隧道二极管又称江崎二极管。 这一发现揭示了固体中电子隧道效应的物理原理,江崎为此而获得诺贝尔物理学奖。 隧道二极管通常是在重掺杂 N型(或 P型)的半导体片上用快速合金工艺形成高掺杂的PN结而制成的;其掺杂浓度必须使PN结能带图中费米能级进入N型区的导带和P型区的价带;PN结的厚度还必须足够薄(150埃左右),使电子能够直接从N型层穿透PN结势垒进入P型层。这样的结又称隧道结。,隧道二极管,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,32,隧道二极管的主要特点是它的正向电流电压特性具有负阻(见图)。这种负阻
11、是基于电子的量子力学隧道效应,所以隧道二极管开关速度达皮秒量级,工作频率高达100吉赫。隧道二极管还具有小功耗和低噪声等特点。隧道二极管可用于微波混频、检波(这时应适当减轻掺杂,制成反向二极管),低噪声放大、振荡等。由于功耗小,所以适用于卫星微波设备。还可用于超高速开关逻辑电路、触发器和存储电路等。,EC,EV,Eg,P型区,N型区,耗尽区,EFP,EFN,EC,EV,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,33,产生隧道电流的条件: (1)费米能级位于导带或价带的内部; (2)空间电荷层的宽度很窄,因而有高的隧道穿透几率; (3)在相同的能量水平上在一侧的能带中有电子而在另一侧的能
12、带中有空的状态。 当结的两边均为重掺杂,从而成为简并半导体时,(1)、(2)条件满足。外加偏压可使条件(3)满足。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,34,若掺杂密度稍予减少,使正向隧道电流可予忽略,电流电压曲线则将被改变成示于图2-13b中的情形。这称为反向二极管。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,35,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,36,负阻区特性:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,37,ITD=I1+I2,IH=IC-IB,IH=ID-IB,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,38,最大计数率:150M
13、Hz; 双脉冲分辨时间: 7ns; 甄别阈:-30mV-600mV; 输出脉冲边沿:2ns; 输出脉冲宽度:3800ns 稳定性:0.3%/C。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,39,三、脉冲幅度甄别器的使用半计数法,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,40,全计数点阈值,半计数点阈值,无计数点阈值,半计数法的依据:脉冲幅度分布符合高斯分布。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,41,上阈值 VTH ,VU,道中心VTC,VC,下阈值 VTL,VL,工作原理与基本结构,2 单道脉冲幅度甄别器,道宽VW,SNST, LANZHOU UNIVERSIT
14、Y,42,反符合电路逻辑真值表,反符合电路逻辑关系式:,反符合电路逻辑,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,43,1. 基本结构,(1)若输入信号Vi(t)的幅度ViVTH时,A=1,B=/B=0,Vo=0,也无信号输出。 由上分析可见,只有当输入幅度落在VTL和VTH之间的信号输入才产生输出信号。图(4-1-14)为各点波形图。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,44,图3-2,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,45,2.时间移动带来的问题,上面讨论的原理适合于输入信号为矩形脉冲的情况,而实际信号是具有一定上升和下降时间的非矩形脉冲,这时在Vi超
15、过VTH时会产生误输出。图为一个幅度大于VTH的三角形脉冲输出时图(4-1-13)电路的各点波形,从图中可以看到,上、下甄别器输出信号在时间上有移动,在t1至t2和t3到t4期间,上甄别器输出信号不能覆盖住下甄别器输出,因而造成误输出。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,46,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,47,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,48,当VUviVL时,上甄别器无输出,为高电平“1”;下甄别器有输出正脉冲。 当viVU时,上甄别器有输出负脉冲;下甄别器有输出正脉冲。 当viVL时,上甄别器无输出,为高电平“1” ;下甄别器无输
16、出,为低电平“0”。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,49,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,50,微分甄别器作为单道分析器应用时,在调节阈值时要求保持道宽不变,用来测量幅度谱(即幅度概率密度分布曲线)。用分别调节上、下甄别器的阈值方法不仅不方便,而且很容易使道宽不均匀,造成幅度谱畸变。阈值和道宽分别调节有二种方法: 对称调节和非对称调节。,阈值与道宽的调节方法:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,51,加法器,减法器,电压基准,VU,VL,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,52,当开关打在“非”位置时:,当开关放在位置“对”时
17、 :,道宽非对称调节,道宽对称调节,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,53,FH1007A定时单道分析器技术指标:,阈值范围: 0.1 10V 道宽: 0 5V 阈值线性 1M Hz 输入脉冲 正极性, tr 30nS, 0.1mS tW 100mS 输出信号 正极性,幅度6V, tW = 0.3mS, tr = 50nS,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,54,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,55,74LS123是常用的可重触发单稳态触发器,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,56,一、用于幅度分析的模数变换器及基本性能,3 幅
18、度-数字变换(ADC),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。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,57,幅度-数字变换变换实现方法:,单单道分析器法; 多单道分析器法; 模数变换器法。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,58,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。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,59,1. 模拟数字转换器(ADC):,模数转换器起到将输入信号按其幅度进行分类的作用,用二进制数码输出
19、代表其类别。输出线有L条,每条线有2个状态,用Ai表第i条线状态,它或为1态或为0态。它们之间按二进制关系相联系。,输出端的量化数码值为 :,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,60,用m值代表信号幅度的类别,ADC的作用是使:,为误差项, VH,E0为一个恒定值,称为零道阈; m的大小正比于输入信号幅度Ui; VH称为道宽,VH越小,ADC精度就越高。 ADC将模拟信号的幅度转换成数字量的过程称为“量化处理”。 E0+mVH称为第m道的下边界(下阈),因此E0就是第0道的量化电平。在一些简单的ADC中,E0=0。 一个ADC最多道数(量化电平数)应为2L,最小道为第0道,最大道
20、为第(2L-1)道。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,61,2.数据获取和处理系统:,它的主要功能是完成大量经过量化处理的信息进行按类统计,并将结果存储起来。,图中ADC把脉冲幅度分为8类,数据获取系统中有相应8个存储单元,分别与ADC输出的值相对应,从0号单元到7号单元。它是用来存储相对应的类别信号个数。 实现方法:ADC的输出数码作为地址,将该地址对应的存储单元加1。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,62,数据获取和处理系统除了上述主要功能之外,还具有实时显示,数据输出和谱数据处理等功能。 系统可以用专用硬件组成,也可以用计算机来完成其功能。(第六章专门
21、介绍这部分内容)。,H为道宽:,P为变换增益:,R为分辨率:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,63,二、多道脉冲幅度分析器的主要性能指标,M指数据获取和处理系统可提供的存储单元数目,mmax指ADC变换之后最多道址数。在专用硬件多道分析器中,一般M=mmax。 道宽 :,1. 道数M和量化电平数mmax:,m与Ui应为线性关系。但实际上mUi之间关系曲线与理想直线存在偏离。我们可以用积分非线性INL和微分非线性DNL来度量线性程度。,2. 线性。不计误差项 ,其中Uimax为ADC允许变换的最大幅度,一般在10伏量级。VH将随着mmax增大而变小,这表明幅度被量化处理得更细,
22、精度就更高。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,64,Ui为各道实际Ui与理想直线上对应道的Ui之间偏离量。理想直线是由各实验值用最小二乘法拟合得到的。 为Ui中最大值;Umax为输入最大幅度(即分析范围)。ADC在输入小幅度时,INL较大,因此积分非线性通常是指低道址某道开始到最大道址范围内的INL,例如规定为10%Umax到Umax之间范围之内的INL。INL可达到0.1%。 积分非线性将造成对刻度的非线性。,积分非线性定义为:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,65,微分非线性是反映各道道宽均匀性的一个参量。理想情况下,各道道宽VH应保持相同;而实际上各道
23、道宽存在着差异,表现在 : (1)在宏观上看,VKi在随道址m变化曲线中,在低道址偏大,逐渐趋于平坦。这与积分非线性变化情况相一致的。 (2)从微观上看,相邻道之间VKi上下涨落,出现“奇偶对”现象,即奇数道道宽普遍偏大(或偏小),而偶数道相反。右图为道宽VKim曲线。 为平均道宽。 应为一条水平线。微分非线性定义为:,DNL可以用精密滑移脉冲发生器测量,微分非线性将使幅度谱畸变,分辨率变坏。对一个多道脉冲幅度分析器,一般要求微分非线性为1%量级。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,66,3.死时间 分析一个信号通常需要时间 : (1) 其中tw为等待变换时间,tc 为变换时间
24、而 ts为数据获取系统的数据采集时间。在td时间内不允许再有信号输入到多道分析器中来,以免影响正在分析的信号,因此需要对输入端进行封锁,封锁时间 这样一来,每分析一个信号存在一段死时间td,将造成计数的损失。在(1)式中,tc往往是主要因素,提高变换速度是减小死时间的关键问题。,4.稳定性: 道宽VH和零道阈E0的稳定性会影响Vim关系的稳定性。在多道脉冲幅度分析器中,对道宽和零道阈的稳定性也有较高要求,要求它们随温度和工作时间增长产生的漂移小于1%VH。 5.道容量: 道容量是指可容最大计数值。在硬件多道脉冲幅度分析器中,一般可以做到道容量为每道105到106计数。 因为统计相对误差:,SN
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