核电子学与核仪器-课件12

核电子学与核仪器覃国秀[e-mail]:13807947408核技术教研室2009/05/14作业讲解3.1：P58-59(性能指标：计数率与分辨率)3.2：P63-64(区别)3.3：P68(方法)3.5：讲解3.6：P96、P1003.7：讲解3.8：P803.12：讲解上次课关键点脉冲幅度甄别器工作原理、微分谱、积分谱、一般要求、半计数法单道脉冲幅度甄别器工作原理、实验用单道脉冲幅度分析电路的结构、技术指标本堂课主要内容三、幅度-数字变换3.1用于幅度分析的模数转换器及其基本性能3.2线性门和模拟展宽器3.3线性放电型模数变换三、幅度-数字变换3.1用于幅度分析的模数转换器及其基本性能幅度分析是指测量信号幅度的分布。即按信号幅度大小进行分布计数。用于幅度分析的模数转换器是核电子学中的一个重要内容。叠加单道组成的多道分析器原理简单，但是当道数很多时，设备过于庞大，而且各个单道分析器的道宽也很难一致和稳定。三、幅度-数字变换3.1用于幅度分析的模数转换器及其基本性能到了50年代，人们开始采用模数变换方法和存储器技术，研制成多道脉冲幅度分析器。所谓的模数转换时将脉冲幅度变换成数字量，即按脉冲幅度大小分类编码，然后分别记入存贮器相应的各个地址单元中。幅度-数字变换示意图三、幅度-数字变换3.1用于幅度分析的模数转换器及其基本性能模数变换器按一定的幅度间隔将输入信号分类，每一类有一个与幅度大小成正比的数码(通常是二进制码)。每一个分类称为一道，分类号也就是道号m。相应于不同道号m，在存贮器中有相应的第m个存贮单元，或相应的地址单元。模数变换器的工作过程幅度谱直方图AmH三、幅度-数字变换3.1用于幅度分析的模数转换器及其基本性能模数转换是一种量化处理，即把连续的模拟量变换成离散的数字量，所以模数变换是用一系列等间隔的量化电压将幅度分成为多少类。一个量化级数相应于模数变换器的一个道。每个量化电压都是道边界。相邻的两个量化电压组成一个道。相邻两个量化电压间的差值称为模数变换器的单个道宽h，所有单个道宽的平均值称为模数变换器的道宽H。量化电压数用L表示，最大量化电压数为Lmax，最低量化电压称为0点。所以最大量化电压数Lmax就是模数变换器的道数。三、幅度-数字变换3.1用于幅度分析的模数转换器及其基本性能模数变换器的精度还常用变换系数来表示。变换系数的定义：每单位幅度可变换成多少道数。它与道宽是倒数关系。模数变换器的精度另一种表示方法是分辨率。它表示模数变换器相应于能分辨的最小模拟量变化值的数字值。310PH道毫伏伏道max1RL三、幅度-数字变换3.1用于幅度分析的模数转换器及其基本性能模数变换器可分析的最大信号幅度Amax：一般，模数变换器可分析的最大信号幅度不超过10V。所以如果道宽小则模数变换器的道数就大，即：maxAHLmaxmaxminALH三、幅度-数字变换3.1用于幅度分析的模数转换器及其基本性能模数变换器的输入信号幅度A与道数之间的关系称为模数变换器的幅度响应。模数变换器的积分非线性和微分非线性三、幅度-数字变换3.1用于幅度分析的模数转换器及其基本性能习惯上的模数变换通常是指幅度-数字变换，简称ADC(其它模拟量变换则指明模拟量，如时间-数字变换)。模数变换器已广泛用于电子学的各个领域，它是连接模拟信号处理系统和数字信号处理系统的关键环节。在核电子学中，核辐射探测器的输出信号在经过各种模拟处理后，也要通过模数变换将模拟量变成数字量，再由数字系统进行分析处理。需要注意的是，核电子学中测量随机脉冲幅度分布的模数变换器，不同于一般商品生产的模数变换器集成电路。其主要特点是对快速随机脉冲幅度进行模数变换，要求保持脉冲峰值而不是对慢变化进行采样保持。三、幅度-数字变换3.2线性门和模拟展宽器线性门线性门是传输脉冲模拟量的门电路，信号是否能够通过是由门控信号来决定的。但是它不同于逻辑门电路，因为开门时要求信号能无畸变的通过。线性门工作原理三、幅度-数字变换3.2线性门和模拟展宽器线性门线性门可分为常闭线性门和常开线性门。常闭和常开线性门的传输函数三、幅度-数字变换3.2线性门和模拟展宽器线性门线性门电路有串联线性门和并联线性门等。串联线性门结构并联线性门结构三、幅度-数字变换3.2线性门和模拟展宽器线性门在实际电路中可用二极管、三极管、场效应管等有源元件作为模拟开关。但是，这些元件都不是理想的开关，这就使得时间的线性门存在各种不足之处，因此就要了解其特性。（1）开门特性线性门开门时要使信号以最小畸变通过，所以要求其线性、稳定性和瞬态特性都要好。（2）关门特性台阶：无信号输入时线性门在开和关两种状态时输出端静态电压不一样。漏信号：在关门状态时，由于存在分布电容、极间电容以及器件的漏电流等因素，使得输入端到输出端之间的阻抗不是无限大，输入信号总会有一些要漏到输出端去。（3）开关的过度特性开关干扰：在无输入信号情况下，由于门控信号的作用，线性门在开和关的瞬间在输出端产生的瞬变干扰信号。开关速度：线性门在门控信号作用下，无论从开门到关门，或从关门到开门都有一过度过程。三、幅度-数字变换3.2线性门和模拟展宽器模拟展宽器模拟展宽器用于把脉冲信号的峰顶展宽，所以又称为峰值保持器。在能谱测量时，所测的是脉冲的峰顶幅度，但是探测器输出信号经放大成形后的脉冲信号其峰顶是比较窄的，不能满足多道脉冲幅度分析器和其它仪器的要求。模拟展宽器的基本工作原理是利用二极管的单向导电性和电容的存贮作用。三、幅度-数字变换3.2线性门和模拟展宽器模拟展宽器实际模拟展宽器电路只在脉冲峰顶被存储电容CH上展宽到一定宽度后，就开始放电。RC指数放电；恒流线性放电；延迟开关放电三、幅度-数字变换3.2线性门和模拟展宽器模拟展宽器二极管存在非线性，其正向电阻rD是通过该管电流的函数。在输入幅度不同条件下，rD是一个变量，在小幅度范围时变化更大。为了加快充电速度，减小rD的非线性，可以用运算放大器使减rD小为rD/(1+A)。有源二极管模拟展宽器三、幅度-数字变换3.2线性门和模拟展宽器模拟展宽器实际模拟展宽器原理图和工作波形三、幅度-数字变换3.3线性放电型模数变换线性放电型模数变换器原理线性放电型模数变换器（Wilkinson型模数变换器）的电路简单、道宽一致性好且便于生产，国内外产品大多数仍然是线性放电型模数变换器。它的工作原理是基于脉冲幅度与时间的线性变换。首先，把脉冲幅度V变换成时间间隔Δt，然后把时间间隔Δt变换成数字m。三、幅度-数字变换3.3线性放电型模数变换线性放电型模数变换器原理实现V-Δt变换的基本工作原理：实现Δt-m变换的基本工作原理：HCtVI00HCVtmTIT三、幅度-数字变换3.3线性放电型模数变换线性放电型模数变换器原理由此求得的道宽为：0HITVHmC线性放电模数变换器的道宽由周期时钟T0、恒流源电流I及保持电容CH决定。三、幅度-数字变换3.3线性放电型模数变换线性放电型模数变换器的结构三、幅度-数字变换3.3线性放电型模数变换线性放电型模数变换器的结构（1）线性门在模数变换器中，线性门用于控制输入信号是否要通过，即用线性门实现对输入信号的所谓“占用封锁”。在一个信号输入达到峰值后，线性门就关闭以便让模数变换器对输入信号进行变换并把变换结果在存贮器中存贮起来。在上述变换和存贮期间，线性门一直关门，以便阻止随后的信号输入，避免在变换或存贮过程中产生干扰而出错。三、幅度-数字变换3.3线性放电型模数变换线性放电型模数变换器的结构（2）控制逻辑幅度分析范围逻辑：由上、下甄别器组成，只有输入信号幅度在上、下甄别电压之间的信号才进行变换。符合、反符合选择逻辑：使用符合逻辑时，输入信号只有与符合端信号在时间上相符合时，才进行变换；使用反符合逻辑时，情况则相反。采样选择逻辑：用于测量直流信号或慢变信号的幅度分布曲线。三、幅度-数字变换3.3线性放电型模数变换线性放电型模数变换器的结构（2）控制逻辑初始化逻辑：模数变换器接通电源开关时，产生一个初始化逻辑信号，使其各个部分都处于初始化状态。延迟峰探测逻辑：当输入信号的宽度很宽时，线性门的关闭时间可能太早，从而使输入信号的峰探测出现误差。为此，使用延迟峰探测逻辑可以使输入脉冲宽度大至上百微秒。转贮逻辑：转贮逻辑可使模数变换结果在符合一定条件时允许存贮，否则禁止存贮。三、幅度-数字变换3.3线性放电型模数变换线性放电型模数变换器的结构（3）偏置电路又称零道阈调节电路，所谓零道阈是指模数变换器第零道所对应的输入信号幅度。这时第零道不是从零伏起始，而是从输入幅度某一数值算起，零道阈的值实际上是切除脉冲底部的电压幅度值。（4）地址寄存器和存贮控制电路地址寄存器用于暂时寄存模数变换器交换后的地址码。由存贮RS触发器发出存贮命令，若存贮器允许存贮，则发回取址信号。三、幅度-数字变换3.3线性放电型模数变换线性放电型模数变换器的结构（5）地址溢出装置地址寄存器的容量相应模数变换器的量程，当输入信号幅度超过模数变换器量程时，地址寄存器发出地址溢出信号。（6）同步逻辑（7）滑移标尺均道器为了减少数字干扰对道宽均匀性影响所采用的电路。（8）死时间指示给出模数变换器工作所占用的时间：即线性门关闭时间总结用于幅度分析的模数转换器模数变换方法的基本原理、变换系数与道宽二、线性门与展宽器线性门(常闭线性门与常开线性门)、模拟展宽器工作原理三、线性放电型模数变换器工作原理(幅度-时间变换；时间-计数变换)