《脉冲幅度分析》PPT课件.ppt

脉冲幅度分析,脉冲幅度甄别器 模数转换器（ADC）,甄别器接收模拟信号，输出逻辑信号。 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,甄别器的特点（重点）,甄别器的种类,脉冲幅度甄别器 定时甄别器,脉冲幅度甄别器的主要用途,将幅度落入在电路设定的电平范围内的输入脉冲转换成幅度和宽度符合一定标准的脉冲输出，剔除此电平范围之外的任何输入信号。,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）,按速度分类：普通甄别器；快甄别器。 普通甄别器多为集成电路作成，能够甄别宽度为100ns以上的脉冲，工作频率可达几兆Hz； 快甄别器可以甄别宽度为10ns的脉冲，工作频率达几十兆Hz，如果用分立元件作成，工作频率可达几百兆Hz，甄别脉冲宽度在ns以下。,脉冲幅度甄别器的分类,按甄别阈分类： 积分甄别器：只有一个甄别阈，凡是幅度超过甄别阈的脉冲均可对应一个逻辑脉冲输出。 微分甄别器：有两个甄别阈，只有幅度在两个甄别阈之间的脉冲才有逻辑脉冲输出。,脉冲幅度甄别器的分类,概念小结,甄别器：输入模拟信号输出逻辑信号 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（重点）,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输入脉冲幅度）：VT=VT+-VB,积分甄别器的主要特性,最小和最大甄别阈 最小甄别阈：甄别器能够甄别的最小脉冲幅度。它等于施密特电路的回差。 最大的甄别阈在原理上无限制，但在实际上决定于器件的容许电压。 甄别阈的稳定性 电路中电阻及电源的稳定性、信号源基线电平的稳定性等均会对甄别阈的稳定度有影响。因此，为了提高甄别阈的稳定性，要使上面各种因素的稳定性足够好。,阈值的涨落 对于理想甄别器来讲，当输入脉冲幅度超过阈值时输出一个脉冲，否则无输出。但实际上，由于噪声等随机因素的影响，在阈值附近有一个渐变区。如图所示。定义50%处为甄别阈值，而以10%-90%所对应的输入幅度之差表示涨落的大小。一般为零点几毫伏。,积分甄别器的主要特性,n/nMAX 100% 50%,VT 输入脉冲幅度,最小信号宽度 一般甄别器多采用集成电路的电压比较器，只能甄别100ns以上的脉冲。对于采用分立元件的快甄别器，可甄别宽度在ns以下的脉冲。 最高工作频率 最高工作频率的数值要比最小信号宽度的倒数小。普通甄别器的最高工作频率从几兆到几十兆Hz。如果采用分立元件，可达几百兆Hz。 甄别阈的线性 一般甄别器，甄别阈度盘刻度和甄别阈实际值之间线性可达0.1%左右。对于甄别窄脉冲的快甄别器，一般为千分之几到百分之几。,积分甄别器的主要特性,积分甄别器对输入脉冲的要求（重点）,除了脉冲幅度的要求外，输入脉冲必须达到一定的宽度才能使甄别器有输出。可以甄别的宽度决定于甄别器的速度。,由带正反馈的集成电压比较器构成,积分甄别器实例-集成电路脉冲幅度甄别器,如果采用BG307C可构成中速集成电路甄别器，可甄别宽度为100ns以上的脉冲，工作频率可达几兆赫。 属于普通甄别器。,重点,如采用快速电压比较器AM685，则可甄别宽度为10ns的脉冲，工作频率可达几十兆赫。 属于快甄别器。,积分甄别器实例-集成电路脉冲幅度甄别器,保护电路，输入负脉冲,反馈,匹配电阻,积分甄别器实例-分立元件脉冲幅度甄别器,隧道二极管是一种适用于高频范围内的面结合型高掺杂的二极管。它的频率响应很高，可达几千兆赫，开关速度可达2ns，因而很适宜于做产生或形成纳秒范围内的脉冲用。,积分甄别器实例- 隧道二极管甄别单元,隧道二极管甄别器最大计数率150MHz；双脉冲分辨时间小于7ns；输出脉冲上升时间和下降时间皆为2ns。,甄别阈：IT=IP+IB 回 差：IH=IP-IV,积分甄别器总结,只有一个甄别阈，凡是幅度超过甄别阈的脉冲均可对应一个逻辑脉冲输出。模拟脉冲逻辑脉冲 由一个滞回不大的施密特电路和一个单稳态触发器组成。 除了脉冲幅度的要求外，输入脉冲必须达到一定的宽度才能使甄别器有输出。 可以甄别的脉冲宽度决定于甄别器的速度： 由带正反馈的集成电压比较器可构成积分甄别器：甄别速度与集成比较器的速度有关； 分立元件构成的积分甄别器可达到最快，ns量级。,微分甄别器（重点）,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）,微分甄别器的原理方框图（重点）,微分甄别器的实例,阈值在0.1-10V范围内可调，线性好于0.1%，稳定性好于0.01%/C或0.2mV/C。 道宽在0.01-1V ，0.01-10V范围内可调，线性好于0.1%，稳定性好于0.01%/C或0.2mV/C。通用的单道分析器：既可以工作于微分甄别方式，又可以工作于积分甄别方式，可在前面板上位置开关选择。 分辨时间：一般小于几百ns，可以分辨几百ns内到来的两个脉冲。 输入信号宽度：对于脉冲宽度大于100ns的可正常工作。 输出信号为宽度为100ns量级的TTL逻辑电平信号。,单道脉冲幅度分析器技术指标,图中单道脉冲幅度分析器，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。因此这种单道脉冲幅度分析器的输出脉冲不能提供被测信号的时间信息。,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,微分甄别器总结（重点）,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） 模拟脉冲逻辑脉冲 普通SCA：由两个积分甄别器和必要的逻辑电路组成。输出的逻辑脉冲与输入脉冲没有固定的时间关系。 定时SCA：加入低阈甄别器，输出的逻辑脉冲与输入脉冲有固定的时间关系。,幅度甄别器总结（重点）,甄别器的特点 积分甄别器的特点及原理框图 微分甄别器的特点及原理框图,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,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。,多道脉冲幅度分析器的组成,包括模数转换和寻址存储两个主要部分,地址寄存器（道数）,L总道数,脉冲幅度谱,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,线性放电法的原理（重点）,转换时间 地址码 道宽,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。,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。,ADC的死时间,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。,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 电子学中的噪声、电源电压不稳 数字电路（最典型的是地址码分别为奇偶时的奇偶效应） 道宽均匀器,微分非线性=,难点,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 ）。,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+（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,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。,道宽均匀器,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x4时，由地址干扰引起的道宽不一致性就减小一个量级以上。,线性放电法的特点,优点：电路简单、道宽一致性好 缺点：转换时间较长mT0。需要几十微秒。,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。,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20-50MHz应用场合。 变换时间仅为几十纳秒。,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。,变换时间：,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偏离严格比例值仅万分之一时，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。,逐次二进制比较法的道宽一致性,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。,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。,难点,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。,十二位逐次比较型ADC集成片,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：转换时