《脉冲幅度分析》PPT课件.ppt

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、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,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, LANZHOU 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,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。,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？,SNST, 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,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：150MHz； 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 UNIVERSITY,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,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 :,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,一、用于幅度分析的模数变换器及基本性能,3 幅度-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，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:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,67,三、 线性放电型模数变换器ADC,特点： 早期采用分立元件构成； 电路简单； 道宽一致性好。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,68,Uimax Q T m 线性放电型ADC工作过程可分为以下步骤： (1) 输入信号通过峰展宽电路对电容器CH充电，电容上电荷量Q = CHUimax (2) 电容器再经过一个恒流放电电路线性放电，直至放完。放电所需要时间T正比于电荷量Q，检出放电开始与放电终了的时刻，形成一个宽度为T的脉冲。这一步称为幅度时间变换，即Q-T变换。它完成了输出信号宽度与输入信号幅度的线性变换。,(3) 用Q-T变换后的宽度为T的脉冲去控制周期为T0的时钟门，只有在T时间内时钟才能通过时钟门，因而输出的时钟个数m将正比于T，这一步称为时间脉冲数变换，即T-m变换。 (4) 将时钟门输出送入二进位计数器（称为地址定标器）实现串行 并行变换。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,69,右图为原理图中各点波形。其工作过程如下： 输入信号触发控制电路使电流开关S从初态时2位置转到1位置，断开恒流源与充电电容CH之间连接；同时输入信号通过峰展宽器对CH充电，当充到信号的峰值时，展宽器的输出端给时间检出电路一个信号，由时间检出电路经过一定时间延迟后，经控制电路开启S，使其打在2位置，将CH与恒流源接通，CH上电荷通过恒流源线性放电，同时控制器输出信号触发时间检出电路，产生宽度脉冲VT（图中），打开时钟门，使时钟信号输出。当CH上放电完毕，展宽器又送出放电终了信号，结束宽度脉冲VT，关闭时钟门，完成T-m变换。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,70,其中TO为时钟脉冲周期。因此道宽为：,电容器上电荷量为 :,Vi为输入信号幅度，放电所需时间，即展宽脉冲的宽度为：,时钟门Ym的输出脉冲个数为 :,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,71,在实际电路中还应解决下面几个具体问题。 (1)占用封锁。 在信号进入进行ADC变换和数据采集过程中，不允许再有信号输入进来干扰该脉冲变换与数据采集，但是信号在时间上分布是随机的，因而在变换和采集过程中对输入端需要进行封锁。为此，在变换之前输入信号需要通过一级线性门。 (2)幅度及其它条件选择 实际应用中往往是分析一定幅度范围之内的信号，因而需要设置一个微分甄别器作幅度选择，以减小噪声、干扰和不感兴趣的信号占用分析器工作时间。 (3)与数据获取系统之间联系 无论用硬件组成的还是计算机的数据获取和处理系统，ADC必须有一些控制信号与它们联系，通常包括：数据传送命令（存储令）、数据获取和处理系统发回的取数据命令（取地址），数据采集完成后发回的回答信号用来解除占用封锁等。 (4)起点同步电路（定相电路） 由于时钟脉冲与信号达峰时间之间在相位上是随机的，这就会产生一个时 钟周期的误差，相当于Ui测量上有VH的误差。为解决这个问题可用一个起点同步电路。放电开始时刻不仅仅由达峰时间来控制，而是由它与时钟信号同时控制，以保证固定的相位。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,72,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,73,右图为一个实际的线性放电型ADC简化原理图。 输入信号通过线性门进入展宽器A，对CH充电。利用展宽器可检测峰值的性能，在信号峰值之后（即在CH上已保持了信号峰值电位之后）,展宽器输出信号通过甄别器D给出充电完毕标志，即信号的正跳变沿（此时刻允许变换开始），控制器在此时刻给出关门信号(13)，关闭线性门（开关置于位置1），阻止随后的输入信号进入ADC。 信号同时加到控制器，控制器对输入信号进行幅度选择，满足设置的幅度范围内（上、下阈之间），就可以启动变换，否则予以剔除，不进行变换，同时对CH（已充上电荷）通过大电流源迅速放电。控制器还设有符合（反符合）对信号作时间上和逻辑条件上选择。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,75,线性放电型ADC实例,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,76,控制器只有满足以下三个条件时才能给出启动变换信号： (1)CH已充电到达峰值。 (2)幅度在给定的范围之内，即幅度选择器有输出。 (3)通过符合、反符合选择。 在满足上述条件后，控制器随后给出启动变换信号，使触发器T1置1，产生线性放电信号，将恒流源开关接通，使CH线性放电，在放电期间，线性门早已关闭，无信号进入，展宽器的输入电位为零。一旦CH上电位放电到零时，展宽器状态复原，其输出端电平回跳（见信号后沿），产生放电终了标志信号，它的后沿负跳变。故称信号为“充放标志”信号。放电完毕，充放标志将T1复位，信号的宽度应该就是放电时间T，信号打开时钟门M，通过时钟门的脉冲数为:,其中为T0时钟周期。地址脉冲（即经过时钟门输出信号）进入地址寄存器后转换成并行数据后输出到数据获取和处理系统中去。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,77,线性放电型ADC的优、缺点,变换精度高，微分非线性小； 线性放电型ADC有一个很大缺点，就是变换时间很大，尤其是大道数ADC。对应最大道址的输入信号，变换时间为 :,若时钟脉冲频率为f=100MHz，即T0=10ns。对4096道分析器的ADC，最大幅度的变换时间可达到41us，这是一个很可观的时间，对于高计数率输入的信号，会造成很大计数损失，在某些实验条件下，可能无法使用。道数越多，tc越大，死时间越长。 进一步提高时钟频率在技术上会遇到很大困难。为此，需要不同于线性放电原理的其它类型ADC来解决变换速度问题。 可能的办法 ：两次放电法，（会影响微分非线性）。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,78,2、道数选择与道宽调节,四、参数调节与辅助电路,1、输入电路及工作方式选择,输入方式： 交流耦合； 直流耦合； 基线恢复。,工作方式： 符合方式； 反符合方式； 采样方式。,探测器固有能量分辨率：,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,79,道数选择原则： 半高全宽的道数至少有8道。 能量范围和分辨率决定道数的多少。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,80,NaI(TI)探测器 RDE=8%，对137Cs，662keV，FWHM为52keV，能量范围12MeV。道数可选为5121024道； 金硅面垒探测器 RDE=0.24%，5.486MeV的粒子，FWHM为30keV，能量范围为48MeV，道数可选为5122048道； Si（Li）探测器 RDE=3%，5.9keV的X射线，FWHM为180eV，能量范围为3050keV，道数可选为5122048道； Ge（Li）探测器 RDE=0.2%， 662keV的射线，FWHM为2keV，能量范围为12MeV，道数可选为40968192道。,道数选择,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,81,3、上下阈调节和偏置调节,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,82,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,83,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,84,4、分析范围和溢出地址调节,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,85,5、死时间和活时间,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,86,6、滑移标尺道宽均匀器,线性放电型模数变换器中的奇偶效应,0000000000,0000000001,0000000010,0000000011,0111111110,0111111111,0000000001,0000000010,0000000011,0000000100,0111111111,1000000000,偶数奇数,奇数偶数,只有一位变化,至少两位变化，最多到全部位数变化,当最后为奇数道时，二进制位变化引起的干扰最小。,当最后为偶数道时，二进制位变化引起的干扰较大。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,87,滑尺测量原理,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,88,滑尺道宽均匀器原理,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,89,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,90,7、模数变换器的输入输出功能,数字信号输出； 死时间信号输出； 死时间信号输入； 堆积拒绝器输入信号； 稳定器信号输出； 单道分析器输出； 模数变换器对输入模拟信号的要求；,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,91,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,92,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,93,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,94,比较型是常用的一种快变换ADC, 尽管它的微分非线性不好，但具有很快的变换速度。 它也可分为二种： Flash ADC (一次比较） 逐次比较ADC,五、逐次比较型模数变换器ADC,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,95,一次直接比较法ADC犹如用一把已经刻度好了的尺子去度量一段线段，一次度量就可以给出结果，速度很快，但要达到刻度均匀是十分困难的。线性放电型ADC犹如用一把小尺子，一段一段地去度量线段，每量一次计下一个数，直到量尽为止，显然需要很长变换时间，但均匀性很好。逐次比较法ADC是介于二者之间，犹如用大小不同的尺子从大到小 逐次度量。这样花的时间虽然比一次比较法ADC要长，但比线性放电型ADC要小得多了。它同样存在着刻度均匀性问题，这些尺子之间按二进制关系定其长度，要严格保证它们之间精确关系是十分困难的事情，而稍有一点不精确会造成刻度严重不均匀。 我们以十二位逐次比较法ADC为例，来说明这类ADC的工作原理。十二位ADC相当于4096道。分别有十二把大小不同的“尺子”，最长的为211VH，次长为210VH，以此类推，最短的则为VH。先用最长的“尺子”去度量被测对象，若“尺子”短于对象，则在相应的输出线上A11置1，反之置0。把剩余部分用次长的“尺子”去度量，“尺子”短于对象（剩余部分），在相应输出线上A10置1，反之置0；依次度量下去，直到最小的“尺子”度量完毕，变换结束剩余下来的必然小于VH。其结果就反应在对应输出线A0到A11这十二条输出线上。待测对象为Ui，则,因此，Ai的状态就反应了Ui的大小，其误差小于VH。从上面分析可以看出，Ui不论多大，变换一次需十二次比较，因而变换时间是固定的。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,96,先需介绍一下数字模拟变换电路，即DAC，它是ADC的逆变换。最常用的电路如图所示，图(a)为DAC的功能表示，图(b)为原理图。图(b)中放大器A具有很大增益，故闭环负反馈之后输入阻抗极小，输入端呈虚地点。开关S0到SL-1分别由输入的数据线D0到DL-1控制。Di为1时，开关Si接通放大器的输入端，无论Si置于何端，图中B0到BL-1对地的电阻应均为R，即 :,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,97,流入放大器的电流则应为:,其中:,输出电压:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,98,下图为一个十二位逐次比较法简化原理图。输入信号加到峰展宽器之后，输入到比较器的A端等待变换。数码寄存器CS0到CS11的初始状态为0，此时:,Ui为输入信号幅度。启动控制器进行变换,变换分十二个节拍 ：,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,99,(1)控制器将CS11置1，其余为0，此时DAC 输出为：,若:,(2)将CS10置1（第2节拍）,D输出为0，将CS11复位为0 ，完成第1节拍操作。经过第1节拍之后，,比较器D输出为1，控制器将CS11保持为1,若 :,若:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,100,完成了第2节拍。第2节拍之后 :,CSi可以代表m值，m值又在误差为（小于VH）范围之内代表了Ui值。 CSi作为的Ui数码输出送到数据获取系统中，实现了模数变换。,第12节拍之后:,这样逐次比较下去，在第（12-i）节拍之后:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,101,输入端和比较器二个输入端在变换过程中波形图,随着M再增大，tCC与tCL相比，小得更为明显。,逐次比较法ADC若比较一次所需的时间为tm，最大道数为M，则变换时间应为：,线性放电型ADC的时钟周期若为t0，最大道数也为M，最大变换时间为,虽然通常tmt0，但在大多数情况下，tCCtCL，例如，设tm=0.5us，t0=0.01us，M=4096时 :,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,102,比正常道的道宽要小20%。其它某些道的道宽也有程度不同与正常道偏离。,逐次比较法ADC主要缺点是微分线性差。这主要是由DAC带来的误差。若DAC中电阻网络阻值有0.01%误差，会造成Ii有0.01%误差。如果 ：,则：,对于2048道，CS11=1，其余为0，其道边界：,对于2047道，CS10=0,其余为1，其道边界：,因而2047道的道宽:,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,103,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,104,3.道宽均匀器,实际测量中用一个有限大小V，即道宽V来代替dV，测量得到的总计数N0中在V到V+ V的计数n代表幅度为V时概率密度，若V不均匀，就会使nV的谱线与f(v)V的谱线产生畸变。 由此可知，道宽不均匀性很差的ADC用来作多道脉冲幅度分析器的模数变换电路必须加以性能上改善，其中最常用的办法是加入一个道宽均匀器。下面仅就道宽均匀器的基本思想作一简单介绍。,道宽不均匀会给谱分析带来很大问题。我们知道测幅度谱的实质是测量幅度概率密度函数：,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,105,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,106,设第m道的道宽为Vhm，道的下边界为Vm，输入信号幅度Ui在Vm到Vn+Vhm之间时，变换出来的数码为m，称它为“在第m道进行变换”，其变换道宽为Vhm ；我们假定Vhm与平均道宽VH之间存在一定差异。 如果我们在输入信号加入之前，人为地叠加VH大小的信号；此时输入ADC的信号幅度为Ui+VH，将进入到(m+1)道进行变换，输出的数码为m+1，此后我们再减去1个数码作为最后输出，因而数码最后的仍以m值输出。但是这是在第(m+1)道进行变换的，对应道宽为Vh(m+1)。 若变换之前加上2VH大小的信号，在变换后数码减去2作最后输出，得到的数码仍为m，但变换在第(m+2)道进行，对应的道宽为Vh(m+2)。 以次类推，在预先加上nVH之后变换，变换后数码减去n后输出仍为m，而变换在第(m+n)道进行，道宽为Vh(m+n)。,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,107,用以上方法我们循环地从不加VH开始逐一加上VH、2VH一直到nVH，相应在变换后对应地减去附加上的数码作为最后输出。在大量信号变换之后，信号幅度Ui落在Vm到Vm+Vhm的信号加入各种大小附加信号的概率是相等的，这就意味着：,的概率为不加附加信号，在m道变换，道宽为Vhm。,的概率为加上附加信号VH，在(m+1)道变换，道宽为Vh(m+1)。,的概率为加上附加信号nVH，在(m+n)道变换，道宽为Vh(m+n)。, ,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,108,如果=-20%; n=64，,一般n取100200就足够了。,经过这样平均之后，各相邻道的道宽将趋于一致。,因而，其平均道宽则为 :,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,109,SNST, LANZHOU UNIVERSITY,110,六、闪电型模数变换器,一次直接比较型ADC,右图为一次直接比较型ADC的原理图。实质上它是由m个甄别器组成，每个甄别器间阈值差为VH，每相邻二个甄别器组成一个微分甄