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核电子学与核仪器覃国秀qinguoxiu198201@163.comTel:13807947408核技术教研室2009/04/16上次课关键点探测器等效电路核电子学的噪声噪声的衡量:等效噪声电压(ENV)等效噪声电荷(ENC)等效噪声能量(ENE)核电子学中的主要噪声有三类:散粒噪声热噪声低频噪声引入信号的时域分解0()(0)()()()()()kftfttfttttfktttkt0()()()ftftd引入为了求线性系统的零状态响应,常用的方法是将激励信号分解为冲激函数的组合,根据跌加原理,将冲激函数的响应取和即可得到原激励信号引起的响应。0()()()ketektttkt0()()()krtektthtkt0()()()trtehtd引入卷积的概念对于实际存在的线性系统,当信号在t=0时输入RC电路由科希霍夫定律得出的电路方程传输系数01mCViRidtC()()()oiVsHsVs112ZhZZ(1)RC电路积分电路当输入的是阶跃电压时tRmViRVe(1)tCmRmVVVVe01()tCiVVtdtRC当由电容端输出,且RC》t时,可以忽略式(1)的第二项,此时电容上的电压为:RC电路微分电路当从电阻两端输出,且RC很小时,(1)式中的第一项可忽略,此时电阻两端的输出电压为:()iRdVtVRCdt输入阶跃电压对RC电路充电,经过无限长时间,电容C上已经充上了电压。某一时刻输入端短路,结果将会怎样?RC电路对指数上升电压的响应(1)timVVe当RC网络输入的是矩形脉冲时,同一RC网络对不同宽度的脉冲,其影响不同。输入:输出:()1ttimoiVVee本堂课主要内容:三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.1时域和频域分析3.2核电子学中常见的基本电路分析3.3随机信号通过线性网络四、核电子学测量系统概述4.1系统的基本组成4.2核电子学常用的信号处理系统4.3核电子学信号处理单元插件标准化三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.1时域和频域分析核辐射探测器的输出信号要经过电子学系统进行处理,才能得到所需要的信息,给出相应的结果。包含一定数量的电子元器件,按照某种方式连接起来的集合体,称之为电路(网络、系统)。线性网络(由线性元件组成;线性微分方程描述)非线性网络(由非线性元件组成;数学分析方法处理)三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.1时域和频域分析在时域中,一个单位冲激信号δ(t)加到一个线性网络上,所得到的输出信号为h(t),称为该网络的冲激响应。在频域中,通常采用傅里叶变换将信号的时域分析转换为频域分析,而H(ω)表示网络对不同频率分量的响应特性,称为频率响应。时域频域三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.1时域和频域分析从复频域考虑,也可以采用拉普拉斯变换H(s)为线性网络的传输函数,一般相同的传输函数可由不同的网络来实现。()()htHs()()()()()()ftFshtHsgtGs()()()GsFsHs三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.1时域和频域分析对于多级串联网络,其总的网络响应为:123123()()()()()()()()hthththtHHHH富氏变换与拉氏变换过程:三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.1时域和频域分析常用脉冲信号的富氏变换和拉氏变换:单位阶跃脉冲冲激脉冲11单位矩形脉冲指数衰减脉冲1j1S()2Sa22SSeeS1j1S三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.2核电子学中常见的基本电路分析探测器的输出电路探测器输出电路等效电路:时域三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.2核电子学中常见的基本电路分析探测器的输出电路探测器输出电路等效电路:频域三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.2核电子学中常见的基本电路分析RC积分电路δ(t)h(t)三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.2核电子学中常见的基本电路分析RC积分电路1()()1()tRCithtetRC()1RHjRC冲击响应:频率响应:三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.2核电子学中常见的基本电路分析CR微分电路时域三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.2核电子学中常见的基本电路分析CR微分电路()1jRCHjRC频域三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.2核电子学中常见的基本电路分析短路延迟线输入输出短路延迟线延迟线又名传输线或仿真线,在核电子仪器中主要用于不失真地延迟信号。延迟线可以看成由很多数值较小的电感和电容组成。它的工作原理可以由两根真实的长导线来模仿。在电压的传输过程中,要考虑长线的固有分布参量,令L为单位长度电感,C为单位长度电容,并忽略长线本身的电阻。这样就可以认为两根长导线是由无穷多个电感L和电容C组成。当在长导线始端加上电压V,电压就要依次对电容和电感充电,因此电压由始端传到终端就需要一定的时间。短路延迟线令t为电压传播经过单位长度所需要的时间。在t内电压对电容充电,则电容得到的电荷为:Q=I×t=C×V当电流流经电感L时,产生感应电动势V,其绝对值为:V=L×I/t则最后解出当电压加到长线后,在长线中有一定的电流,由欧姆定律来看似乎电压是加到一定的阻抗Z(特性阻抗)上。tLC短路延迟线传播时间(也称延迟时间)和特性阻抗Z是长线特性的两个基本参量。特别是特性阻抗,不能简单的看做是一个阻抗,因为电压V和电流I是在长线上传播的,特性阻抗也随着入射电压而传播。12iZVVVRZ2iVIZLLLVIR如果RL不等于特性阻抗会怎样?短路延迟线反射电流当RL不等于特性阻抗的时候,如果RL大于Z,那么流过负载的电流就小于入射电流,于是就有多余的电流往始端反射。反射系数由下面的关系可得反射电压和入射电压的关系。rrVIZLriLRZVVRZLLRZKRZ三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.2核电子学中常见的基本电路分析短路延迟线11()()()22dhttt冲击响应:频率响应:1()(1)2djHe三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.3随机信号通过线性网络核电子学中的随机信号及其表现形式在核电子学中有两类随机信号,即核辐射信号与噪声信号,它与确定信号不同,对确定信号,它可用明确的数学关系式来描述。确定信号三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.3随机信号通过线性网络核电子学中的随机信号及其表现形式由探测器输出的核辐射信号或噪声,因为出现的时刻和幅度大小都是随机的,这种信号只能用统计法处理。随机信号三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.3随机信号通过线性网络核电子学中的随机信号及其表现形式核电子学中的噪声主要是散粒噪声和热噪声,其概率密度函数呈高斯正态分布:22()/21()2vvPve三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.3随机信号通过线性网络核电子学中的随机信号及其表现形式噪声电压的平均值和均方值分别为:221lim()TTTvvtdtT22221lim()TTTvvtdtT三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.3随机信号通过线性网络核电子学中的随机信号及其表现形式噪声的平均功率常可用自相关函数和功率谱密度来求得,自相关函数为:221(,)lim()()TTTRtvtvtdtT平均功率由各频率分量功率之和来求得()(2)PSdfSfdf三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.3随机信号通过线性网络核电子学中的随机信号及其表现形式由于自相关函数表示噪声在时域中的特性,而功率谱密度表示噪声在频域中的特性,这两者是等效的。可以证明自相关函数与功率谱密度函数是一对富氏变换对。白噪声的频域与时域变换三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.3随机信号通过线性网络核电子学中的随机信号及其表现形式在随机信号分析中,白噪声的自相关函数是一理想函数,其作用类似于跃阶函数与冲击函数,理论上只要分析白噪声输入一个网络后的变化,即可得到这个网络的响应特性。有限带宽的白噪声谱密度与自相关函数三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.3随机信号通过线性网络核电子学中的随机信号及其表现形式核辐射信号的特点:(1)在脉冲幅度上按高斯统计分布;(2)在时间间隔中的脉冲个数按泊松分布;(3)脉冲形状在理想情况下,可看成冲击函数,探测器输出电流脉冲信号,可简化表示为一个强度变化的随机冲击序列:()()iiiittt三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.3随机信号通过线性网络核电子学中的随机信号及其表现形式核辐射随机信号的自相关函数和功率谱密度函数为:222()()Rnn222()2()nSn三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.3随机信号通过线性网络随机信号通过线性网络周期信号通过线性网络随机信号通过线性网络三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.3随机信号通过线性网络随机信号通过常见线性电路的实例白噪声通过RC低通滤波器:功率谱密度及自相关函数为通过RC电路后的响应为(),()()iiSaRat||222();()12RCooaaSReRCRC三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.3随机信号通过线性网络随机信号通过常见线性电路的实例白噪声通过RC低通滤波后,滤去了高频部分,但低频和直流部分仍能通过,主要变成低频噪声。三、核电子学中的信号与噪声分析基础3.3随机信号通过线性网络随机信号通过常见线性电路的实例白噪声通过CR高通滤波器的响应||222222();()()12RCooRCaSaRaeRCRC四、核电子学测量系统概述4.1系统的基本组成核信息测量系统通常由核辐射探测器和核电子学测量系统两部分组成。而核电子学测量系统包括模拟信号获取和处理,模数转换以及数据的获取和处理三部分。四、核电子学测量系统概述4.2核电子学常用的信号处理系统四、核电子学测量系统概述4.2核电子学常用的信号处理系统前置放大器将探测器输出的电荷收集起来,并转换成适于电缆运传到后续电子设备的电压或电流信号。主放大器主放大器是相对于前置放大器的而言的,它将前置放大器输出的信号进一步放大,达到便于测量的程度,并使信号成形,有利于精确测量和分析。四、核电子学测量系统概述4.2核电子学常用的信号处理系统幅度或时间信息甄别经过处理后的信号,为了判别它们的幅度是否在预定的范围内,需要采用幅度甄别,而为了确定时间参数,需要进行时间甄别。模数转换核辐射探测器输出信号经过各种信号处理电路后,需变换成数字量才能用数字系统进行统计、分析和数据处理。四、核电子学测量系统概述4.2核电子学常用的信号处理系统数据获取的分析和处理在物理信号转换成数码后,则由数字系统进行数据获取和处理。多道分析器是数据获取和处理的有效设备,可实现幅度信息、时间信息等分类计数。此外,还常用计数器,计数率器等计数设备可直接记录某一类信号的计数率。四、核电子学测量系统概述4.3核电子学信号处理单元插件标准化核电子学测量系统,常因不同的物理测量要求,组成可以变化的测量系统,为适用各种不同用途的需要,目前都把具有一定功能的信号处理单元按一定规范要求,做成各种信号处理标准插件。在进行核物理实验的时候,需按整个实验系统的设计,合理选用单元插件,可以较好较快的组成满足一定物理要求的系统,这就要求对各类插件的性能、指标要求以及使用方法、特点,必须有较深入的了解。四、核电子学测量系统概述4.3核电子学信号处理单元插件标准化目前通用的几种核电子仪器标准化系统名称确定年代主要器件特点标准机箱1
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