（粒子物理与原子核物理专业论文）新型时间幅度变换器的研制.pdf

摘要 时间幅度变换器( t a c - - t i m e t o a m p l i t u d ec o n v e r t e r ) 广泛应用 于核物理实验和核电子技术等方面的时间信息分析，它是通过将所输 入的起始信号和停止信号的时间间隔变换成幅度大小与之成线性关 系的模拟脉冲，以实现对时间的测量。 本论文概述了时间信息的甄别和分析，以及时问数字变换和时间 幅度变换的基本原理和相关方法；详述了时间幅度变换器的组成框 图、工作原理、电路实现、电路调试、性能指标及其测定等。 本论文工作按照设计要求，研制完成了一种主要由高速集成电路 构成的单宽n i m 标准插件的时间幅度变换器，满足了核物理和核电 子学等方面的科研、教学实验的需要，具有较强的通用性和相当高的 性价比。 a b s t r a c t t a c ( t i m e t o a m p l i t u d ec o n v e r t e r ) i s w i d e l ya p p l i e d t ot i m e i n f o r m a t i o na n a l y s i si nt h ef i e l d so ft h ee x p e r i m e n t so fn u c l e a rp h y s i c s a n dn u c l e a re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , a n d i tm e a s u r e sn u c l e a rt i m eb y g e n e r a t i n g a na n a l o go u t p u tp u l s ew h o s ep e a ka m p l i t u d ei sl i n e a r l y p r o p o r t i o n a lt ot h et i m ei n t e r v a lb e t w e e n as t a r ta n ds t o pi n p u tp u l s e p a i r t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ed i s c r i m i n a n c ea n da n a l y s i so f t i m e i n f o r m a t i o n ，a n dt h eb a s i cp r i n c i p l ea n dm e t h o do f t d ca n dt a c a n di t e x p a t i a t e s t h ec i r c u i ts t r u c t u r e ，r u n n i n gp r i n c i p l e ，c i r c u i td e s c r i p t i o n ， p e r f o r m a n c ea n d t e s to ft h et a c an e wt y p eo ft a cs t a n d a r ds i n g l e w i d t hn i m m o d u l ei sd e s i g n e d a n dm a d e ，w h i c hi sm a i n l yc o m p o s e do fh i g hs p e e di n t e g r a t e d - c i r c u i t s ， a n dm e e t st h en e e d so ft h er e s e a r c h i n ga n dt e a c h i n ge x p e r i m e n t s o f n u c l e a rp h y s i c sa n de l e c t r o n i c s ，a n dt h e r e f o r ei th a st h ew i d ea p p l i c a t i o n a n dh i g hq u a l i t yw i t hl o wc o s t so f p r o d u c t i o n 致谢 诚挚感谢导师阴泽杰教授给予本论文课题工作的辛勤指导! 特别是在论文的 关键方面更是及时给予了不可或缺的教导，使本论文课题科研任务终得完成。阴 教授的知识渊博高深、治学严谨宽广，深得其益，不胜感激! 特别感谢张永明教授给予本论文的无私教导和帮助! 特别是在从论文课题的 安排直至实际研制的全过程多次废寝忘食地给予科研技术上的具体的得力指导。 张教授高风亮节、诲人不倦的高尚情操，深为景仰! 特别感谢朱大鸣教授给予本论文的热情教导和帮助! 特别是朱教授的求真务 实、孜孜不倦的科研作风和坦诚、博爱的个人风格，耳濡目染，受益良多。 特别感谢吴孝义、吴瑞生副教授给予本论文工作的全面指教! 特别是两位师 长富有长者对幼者的真切关怀，当为称道。 特别感谢吴嵬、方佳节、吴兵、王科、唐世彪、孔乐、图图英等本实验窀的 研究生们以及从本实验室已毕业的研究生们所给予的大力支持，以及与他们在一 起感受到的更为蓬勃、活跃的朝气。 一并感谢所有给予我关爱的师长和朋友们! 深情感谢给予养育之恩的父母和祖辈、给予无私和全面支持的妻儿和兄弟姐 妹，以及给予过及时资助的亲友，特别感念最为疼我但于去岁此月以九旬高寿乘 鹤仙去的老祖母。同时也深为碌较多而无大为，未能为亲人和亲友乃至社稷、社 会尽予更大之孝爱和效爱而颜愧心疚。焉得谖草，言树之背，育教之恩，无以回 报。谨以此文敬奉识之。 杜先彬 二二o o 五年 月谨致 中国科学技术入学硕士学位论文 第一章绪论 第一节时间信息的甄别和分析 核事件的许多信息是以时间信息方式存在于核辐射探测器的输出信号中。例 如，核的激发态寿命、正电子湮没寿命等就是一个核态与另一个核态之间的时间 关系，它表现为两个信号之间的时间间隔的分布；中子或其它粒子的能量可以表 现为它们飞跃一定距离所需的飞行时间；以及粒子的空间位置常由核探测器输出 信号的时问信息来表征。因此，为研究核事件的性质，须对核辐射探测器所携带 的时间信息进行甄别和分析，包括定时技术、符合技术和时间分析等方面的内容。 定时技术是时间甄别的一个方面，它研究如何取出准确的定时信号，其实现 电路是甄别时间信息的基本单元，称为定时电路或定时甄别器，又称时间检出电 路( 简称时检电路) 。要进行核事件的时问信息分析，首先需要准确检出时间， 这就须由定时电路接收来自探测器或快放大器的输出脉冲，产生能够以最高的精 度代表核事件发生时刻的定时逻辑脉冲，以甄别其所表征的时间模拟信息。因此， 时检电路在相当大的程度上决定了时间分析系统的定时精度。 符合技术是用来甄别时间上相关的两个或多个事件，它也属于时间甄别的范 畴。用予符合测量的电路称为符合电路。一个n 重符合电路具有n 个输入端。所 谓“符合”就是指所有输入端的信号都在同时或在某个时间间隔内出现时，电路 就输出。个脉冲送到计数器加以记录。通常把所有信号作为“同时”到达而加 入记录的信号出现的最大时间间隔称为“分辨时间t ”。在分辨时间之内，如果 有一道没有输入信号，那么即使其它所有通道都同时有信号，符合电路也不加以 记录。可见，符合技术通过确定两个或两个以上事件所产生的脉冲的时间关系， 以选取时间上符合的事件，舍弃无关事件。籍助于时间上的符合和不符合，可以 中国科学技术大学硕i ：学位论史 使时间信息归纳、简化，选取有用的信息。 时间分析就是把得到的时间间隔信息分类，确定时间谱，即测量成对核事件 的时问间隔概率密度分布。每一对事件分别以起始信号和停止信号作为事件标 志，要测量的是两者之间的时间阃隔。例如，测量激发态寿命时，其起始信号对 应激发态的产生( 起始事件) ，停止信号代表激发态的结束( 停止事件) 。 时间信息分析技术是核电子学的一种基本的和重要的技术，它可广泛用来实 现时间谱测量、能谱测量、波形甄别、粒子的空间定位、辐射电子的结构图像以 及核探测器的时间性能研究等领域。例如，可通过测量粒子通过一个固定距离的 飞行时间来确定粒子速度，此即所谓“飞行时问法”。 实现时问信息分析的常用方法有两类： 其一是对表征时问信息的起始和停止信号直接进行编码，通过将起始和停止 信号直接输入时间数码变换电路( t d c ) ，由此产生与起停信号时间间隔成j 下比 的数字信号，以送入后续的数据获取和处理系统进行分析处理，此即所谓时问 一数字变换，简称时数变换。 另类方法是将起始信号和停止信号的时间间隔长短的信息变换成一个幅 度大小与之成线性关系的模拟信号，即进行时间幅度变换( t i m e t o a m p l i t u d e c o n v e r s i o n ) ，简称时瞬变换( t a c ) ，进而可再将该幅度信号送到多道信号幅度分 析器中，由信号幅度谱得出时间谱，以进行时间信息分析。 第二节时间数字变换 时间间隔直接数字编码方法不仅在核电子学中，而且在数字仪表、自动控制 等方面都有着广泛的应用。其基本实现方案有计数式时间数字变换、游标尺计时 器、时间扩展内插时数变换等。 一、计数式时间数字变换 计数式时间数字变换是一种常用的时间间隔直接进行数字编码的方法，又称 2 中国科学技术人学硕_ j 二学位论文 直接计数法。其基本原理是在被测时间间隔t 内，控制一个频率稳定( 周期为 to ) 的时钟脉冲，使其通过时钟门，由此测量时钟脉冲数，从而得到与时间间 隔t 成正比的数字m ，其基本电路原理如图1 1 所示。 v 1v 2 起始信号停止信号 图1 1 计数式时数变换基本原理的组成框图 假设v 1 为起始信号，v 2 为停止信号，两者之间的时间间隔为at 。当起始 信号v l 输入时，一方面使时钟电路起振产生时钟脉冲v 4 ，同时又使r s 触发器 触发。r s 触发器经触发产生的输出信号v 3 控制时钟门打开，则时钟脉冲v 。经 由时钟门后的输出脉冲v 5 ，送到地址寄存器进行计数。随后若有停止信号v 2 到 来，则使r s 触发器复位后产生的输出信号v 3 控制时钟门关闭。由此，地址寄 存器中记录的脉冲数m 就表示了起始信号和停止信号之间的时间间隔t 。m 为地址码，它经过地址门输出。各点的工作波形如图1 2 所示。 起始信号v ， 停止信号v 2 开门信号v ， 时钟v 。 变换输出v 5 i11 一一一一一 11 1 jl 一一一一一i 数字输出 m 图12 计数式时数变换基本原理的工作波形 设时钟脉冲的周期为to ，则变换的地址码1 t 1 为： 肌：7 a t ( 1 - 1 ) 肌= 一 lj t 0 中国科学技术大学硕学位论文 数字m 表示时间f n j 隔的道址。t 。就是时间道宽，它表示能测量的最小时间 间隔。若由地址码m 选定存储器( 多道分析器中的或计算机中的) 第r f l 道的计数 器，使其计数加l ，这样就把起始一停止脉冲对的时间间隔按大小记在相应道的 计数器中。实际应用中，将时间数字变换器作为多道分析器或计算机系统的输入 部分，就可以构成多道时间分析器或时间分析计算机系统。 这种电路的道数可以由地址寄存器的位数决定。例如，若为1 2 位则地址寄 存器为4 0 9 6 ( = 2 旺) 道，若为1 3 位则地址寄存器为8 1 9 2 ( = 2 1 3 ) 道，时间道宽的大小 可由分频器改变，如t o ，2 t o ，4 t o 等等。 如果起始信号和停止信号之间的时间间隔太大( 超量程) ，或有起始信号而 无停止信号( 即所谓的“有超无停”) ，则地址寄存器将一点计数，直到计数满容 量，从而输出一个溢出脉冲( 即“超量程脉冲”) ，如图1 1 中的溢出( 禁止) 信 号v 6 ，使r s 触发器复位，关闭时钟门，并禁止地址码输出。 如果时钟是自激振荡器，则起始信号与时钟脉冲之间没有一定的相位( 时间) 关系，因此，同样的时间间隔，对应进入地址寄存器的时钟脉冲数可能相差一个， 如图1 - 3 所示。 起始信号v ， 停止信号v 2 时钟v 。 变换输出v ， 数字输出 t 。 t _ _ 厂1 r 丁 厂 叶衔耐 可m r 盯 扪订t f f m _ r _ 图1 3自激振荡时钟的地址码误差 从图1 _ 3 可见，在相同的t 中，时钟脉冲数m 可能是4 ，也可能是3 。因 此，用自激振荡时钟的地址码误差为1 。也即只有当地址码m 本身很大时，其相 对误差才可以忽略，从而要求所测时间间隔不能太小。例如，若要求相对误差为 0 1 ，t o 为i n s 时，则要求待测的最小时间间隔为1us 。 为解决上述问题，可采用它激式振荡时钟。它激式振荡时钟只有在起始信号 到来时才开始产生时钟脉冲，所以可消除上述相位误差。但是它激式振荡时钟的 性能不如自激式振荡时钟，它的稳定性较差，而且电路结构也要复杂一些。 4 中国科学技术大学顶士学位论文 计数式时数变换方法简单，测量范围原则上可以无限大，测时精度主要取决 于时钟频率及其稳定性( 对白激式振荡时钟存在一个时钟周期的误差) ，道宽调 节方便，稳定性和积分线性都很好。它不要附加的变换时间，因而死时间( 变换 器工作时间) 短，适合高计数率下的时间测量。它的缺点是道宽不能做得太小， 时间分辨不高。这是因为地址寄存器的工作频率不能太高。目前能达到的最高时 钟频率为1 g h z ，时间分辨为l n s 。为了提高时间分辨，通常还要配合使用内插 法，对小于一个时钟周期时间间隔进行精度测定。常用的内插方法有时问扩展内 插法、时幅变换内插法等。 二、时间扩展内插时数变换 为解决计数式时间数字变换的时间分辨不高的缺点，可采用时间扩展内 插方法来解决，其基本原理是利用电容的充电和放电电流不同来扩大时间间隔， 如图1 4 ( a ) 所示。 v 起始信号v l ，一 停止信号v ： v 0 v r t 0t 1t 2 ( a ) 基本原理 ( b ) 工作波形 幽1 4 时i 司扩展内插原理 其中1 2 是i l 的k 倍( k 1 ) ，即 世= ( 1 - 2 ) i ， 、7 静态时，开关s 处于断开状态，恒流源1 2 不通，而恒流源i l 电流输入到比 较器的输入端，则v c 为高电平，比较器的输出为低电平。 当起始脉冲在t o 时刻到来时，开关s 接通，电容c 通过恒定电流( 1 2 1 1 ) 放电， 电容c 上的电压v c 直线地迅速下降，则比较器输出电压就跳变为高电平；随后 轸k一厂l参i 工= y睾 中国科学技术犬学硕 学位论文 计数式时数变换方法简单，测量范围原则上可以无限大，测时精度主要取决 于时钟频率及其稳定性( 对自激式振荡时钟存在一个时钟周期的误差) ，道宽调 节方便，稳定性和积分线性都很好。它不要附加的变换时问，因而死时间( 变换 器工作时间) 短，适合高计数率下的时间测量。它的缺点是道宽不能做得太小， 时问分辨不高。这是因为地址寄存器的工作频率不能太高。目前能达到的最高时 钟频率为1 g h z ，时间分辨为l n s 。为了提高时间分辨，通常还要配合使用内插 法，对小于一个时钟周期时间间隔进行精度测定。常用的内插方法有时问扩展内 插法、时幅变换内插法等。 二、 时间扩展内插时数变换 为解决计数式时间数字变换的时间分辨不高的缺点，可采用时间扩展内 插方法来解决，其基本原理是利用电容的充电和放电电流不同来扩大时间间隔， 如幽1 4 ( a ) 所示。 v ( a ) 基本原理 v o 起始信号v 停止信号v ： v c v o t 0t 1t 2 ( b ) 工作波形 图1 4 时间扩展内插原理 其中1 2 是i l 的k 倍( k 1 ) ，即 足：1_2_2(1-2) 1 1 静态时，开关s 处于断开状态，恒流源1 2 不通，而恒流源1 1 电流输入到比 较器的输入端，则v c 为高电平， e 较器的输出为低电平。 当起始脉冲在t o 时刻到来时，丌关s 接通，电容c 通过恒定电流( 1 2 - 1 1 ) 放电， 电容c 上的电压v c 直线地迅速下降，则比较器输出电压就跳变为高电平；随后 电容c 上的电压v c 直线地迅速下降，则比较器输出电压就跳变为高电平；随后 中国科学技术大学硕。：学位论文 当停止脉冲在t j 时刻到来时，开关s 又断开，则恒流源i - 又给电容c 恒流充电。 由于i l i l ，即所设计的k 1 并且可以很大，贝j j ( t 。- t o ) 就可比( t ，- - to ) u p 待 测时间间隔t 大得多。这样一来，对于一定的时钟频率，扩展倍数k 越大，则 时间分辨就越小。用这种时间扩展法可以把时间分辨做到1 0 p s 以下。 由上述可知，这种时间扩展方法的精度取决于恒流源提供的恒定电流的稳定 性，因此扩展倍数k 也不能设计得太大，一般为1 0 0 0 左右：同时，当扩展倍数 k 很大时，相应的变换死时间也成比例地增加，故在实际设计和使用中要根据时 间分辨和死时间的要求适当地选用扩展倍数。 三、游标尺计时器 游标尺计时器是一种测量短时间间隔的方法，故也解决了计数式时间数 字变换的时间分辨不高的缺点。其工作原理类似于游标卡尺，工作原理如图1 5 所示。 中闰科学技术人学硕上学位论文 起始信号 停止信号 v ，掣i i 了 二h 时钟t 1 卜t 叫计数l 1 符合h r 叫一 兰一时钟t 2 卜上一计数 i 匕一 u l _ | 图1 5 游标尺计时器原理示意图 其中，时钟t 1 的周期比时钟t 2 的周期稍大。起始信号v l 和停止信号v 2 分 别启动时钟t l 和时钟t 2 后产生的输出送到符合电路中进行符合测量。当t 脉冲 和t 2 脉冲相符合时，则符合电路输出关门信号使时钟t l 和时钟t 2 停止振荡。其 工作波形如图1 6 所示。 t 起始信号v 1 停止信号v 2 时钟l 时钟t 2 符合信号 _ 七丽而一t ( m - 1 ) t l 一 图i 6 游标尺计时器= 作波形 设起始信号v 1 和停止信号v 2 之间的时间间隔为t ，则时钟t l 的第1 号脉 冲和时钟t 2 的第l 号脉冲之间的时间间隔为a t ，由于t l 和t 2 之间的时间差 t = t - - t 2 ，所以每经过一个时钟周期，时钟t 1 和t 2 脉冲之间的间距就缩短了一个 t 。时钟t l 和t 2 的第2 号脉冲之间的时间间隔为( a t a t ) 。同理，时钟t 1 和t 2 的第3 号脉冲之问的时间间隔为( a t 一2 t ) ，时钟t l 和时钟t 2 的第4 号 脉冲之间的时间间隔为( t 一3 t ) ，依此类推，直到时钟t l 和时钟t 2 的第m 号脉冲之间的时间问隔 t 一( m 一1 ) t 等于零为止。此时，时钟t 1 的 第m 号脉冲和时钟t 2 的第m 号脉冲完全重合，由此在符合电路中产生符合输出 信号，使时钟t 1 和时钟t 2 停止振荡，并且在计数器中记录下的脉冲数为m ，并 中国科学技术大学硕 二学位论文 且有： a t 一( m 1 ) a t = 0 则由上式可得到待测的时间间隔a t 为： 户( m 1 ) t( 1 4 ) 由此可见，只要计数1 1 3 减去l ，则待测的时间间隔t 与计数m 成诈比，从 而成功地实现了时间数字变换。 被测时间间隔t 是以时间道宽t 来测量的。两个时钟周期差t 可以比 时钟周期t ，、t 2 小两个数量级，所以数字m 即使很小时，同样也可以测量很小 的时削间隔。利用游标尺原理可以用较低的时钟频率和较慢的计数器得到比计数 式时间数字变换分辨能力高得多的时数变换器。当然，游标尺原理要求时钟 t l 和t 2 极为稳定，否则会产生很大的误差。 如上所述，被测时间间隔a t 需要经过( m 一1 ) t l 时间后才产生符合输出： 得到测量结果。因此，每一次测量所需的工作时间( 即所谓的“死时间”) t d 为： t d = ( m i ) t 1( 1 - 5 ) 可见，游标尺计时器是通过把较短的时间问隔a t 放大变换为较长的时间间 隔( m 一1 ) t l 来进行测量的，这类似于一个时间放大器，可以定义一个时间放大 倍数a t ，则有： 彳，一( m - 1 ) t t j 1 l ：王( 1 - 6 ) 。 a t 互一正a t 用游标尺法时数变换能将时间间隔放大a t 倍，且t 越小，则a t 越大，时 问分辨越高。 以上分析是在被测时间间隔a t t 1 ，则两个计数器记录的脉冲数分别 为m l 和m 2 ，且m l m 2 ，此时得到的时间间隔t 为： 产( m l m 2 ) t + ( m 2 1 ) ( t l 一1 2 ) ( 1 - 7 ) 可见当m l = m 2 = m 时，则式1 7 简化等效为式l - 4 。 游标尺计时器时数变换的线性好，稳定性好，道宽小时精度也很高。它的电 子学时间分辨可达到8 p s 。游标尺计时器的主要缺点是测量死时间很大，为了测 量时差a t ，需要a t 4 ，的测量时间，另外，其道宽调节不方便。 中国科学技术人学硕j + 学位论文 第三节时间憾度变换 时间幅度变换就是用电子学方法将起始信号和停止信号的时间间隔的长短 变换成脉冲幅度的高低，由此，可再将该表征时间问隔的幅度信号送到多道信号 幅度分析器中，由信号幅度谱得出时间谱，以进行时间信息分析。采用这种间接 实现时间数字变换的迂回方法，一方面是因为多道分析器已经成为核物理实验和 核信息处理中的常备或标配仪器：同时，时间幅度变换可为后续的信息处理提供 所需要的表征时间信息的脉冲信号，具有较强的通用性和扩展性。 时间幅度变换按其工作原理不同可分为两类，即脉冲重叠型时间幅度变换和 起始停止型时间幅度变换( 简称起停型时幅变换) 。 一、脉冲重叠型时幅变换 脉冲重叠型时问幅度变换方法是出符合电路演变而来的，它的输出幅度正比 于两个输入脉冲的重叠时间，即两者的时间间隔，其变换原理如图1 7 所示。 起始信号v ， v lr r 起始信号叫l u| v 。 停止信号v ： l 混合器l 刊积分器 ； 停止信号马口口 u 输出信号v 。 ( a ) 原理框图 ( b ) 工作波形 图1 7 脉冲重叠型时间幅度变换原理 起始信号v 1 和停止信号v 2 在混合器中混合成为信号v 3 ，且v 3 的宽度与 v 。和v 2 的重叠时间成正比，v 3 再通过在积分器中积分，输出一个幅度与重叠时 间成线性关系的v c 。 设起始信号v l 和停i e 信号v 2 宽度都是为t 并且幅度相等的矩形脉冲，在时 9 中国科学技术大学硕士学位论文 间上发生程度不同的重叠，如图1 7 ( b ) 所示。其中第一对脉冲时间上没有重叠， 所以v 3 和输出信号v c 为零伏。第二对脉冲有较小的时间重叠，时间间隔为t ， 则相互重叠时间为( _ r at ) ，所以v 3 的宽度为( t _ t ) 。如果把重叠部分( t 明i 分 输出，则其输出脉冲幅度v c 与时间间隔t 成线性关系，即有： v c 。c ( t - t )( i - 8 ) 当v c 为摄大值时，则完成时问幅度变换。 脉冲重叠型时间幅度变换器电路简单，而且单个信号( 如单个起始信号或单 个停止信号) 不会使时间幅度变换器输出信号。但是脉冲重叠型时间幅度变换器 的被测时间间隔必须小于脉冲的宽度t ，所以只是用于短时间间隔的测量。简单 的脉冲重叠型电路不能区分两个输入脉冲的先后次序，例如在图1 7 ( b ) 中的最后 一对脉冲，即使v 2 先于v l 到来，但测量结果与v 1 先于v 2 到来是一样的，因此 需要另外使用逻辑电路先把这种次序颠倒的脉冲( 即所谓的“先停后起”，意即 t 5 n s ；上升时问一 5 n s 。 b 停止输入：与起始输入相同。只有起始而无停止，属于超量程无变换输 出。没有起始输入，停止输入不起作用。 c 门输入：t t l 标准电平；直流耦合；输入阻抗1 k q ；输入幅度+ 3 v ； 极性正；保护5 0 v ； d 选通输入：丌l 标准电乎；直流耦合；输入阻抗1 k q ；保护+ 2 0 v ； 选通输入对起始输入延迟不应小于被选择的时间量程。 2 输出信号的要求为： a 真起始输出信号为t t l 标准电平。 b 变换输出：输出阻抗有低阻( 5 0 q 欧) 和高阻( 1 k q ) 两种；输出 信号均为正极性脉冲，上升时间为0 5 u s ，脉冲宽度为1 5 u s ；低阻( 5 0q 欧) 输 出脉冲幅度从1 5 v 一5 v 按o 5 v 增长共分八挡，高阻抗( i k n ) 输出脉冲幅 度从3 v 一1 0 v 按l v 增长亦共分八挡。 第二节时间幅度变换器的工作原理与波形时序 由图2 1 可知，起始输入门控方式有“符合”和“反符合”。若门控方式置于“符 合”，则起始信号须在外部的门信号输入后或与其同时输入才有效。 1 4 中国科学技术人学硕上学位论义 变换输出的选通方式有“内”和“外”。若选通方式置于“外选通”时，则赢接 从选通输入端输入一外部的选通信号来触发读出定时器产生“打开”线性门的开 门信号，且选通输入对起始输入延迟不应小于被选择的时间量程，籍此可为相关 时间分析系统所需的时间配合提供了方便。 具体工作过程以门控方式嚣于“反符合”，选通方式景于“内选通”时为例 详细介绍如下： 一、“有起有停” 所谓“有起有停”是指起始信号和停止信号均为有效输入的情形。 起始信号输入经限幅整形，通过起始门后，触发起始双稳电路翻转( 将维持 此态直至复位信号到来) 输出两路信号，其中一路信号去“开”停止门以允许接 收随后可能输入的停止信号，同时该路信号经缓冲放大后作为真起始输出。起始 双稳的另一路输出信号触发起始电流开关和变换箝位电路翻转，通过电平筘位 使恒流源得以对电容c 开始线性充电，并将持续到停止电流开关翻转时为止。 若随后在所选量程内有停止信号输入，则经限幅整形通过已被起始信号“打 开”的停。t k 3 后，触发停i e 双稳电路翻转输出两路信号，其中一路信号触发停止 电流开关翻转，切断恒流源对电容c 充电的通路，这样在电容c 上就获得一个幅 度正比于起始信号和停止信号脉冲前沿时间间隔的电压信号v c ，并将此变换脉 冲经缓冲放大送往线性门。停止双稳的另一路输出信号经延时后去“开”读出定 时器，读出定时器有两路输出：其一输出去“开”线性门，让已形成的时幅变换 幅度信号通过线性门，再经缓冲放大后即为变换器的变换输出；读出定时器的另 一输出去触发复位开关，使起始和停止双稳电路复位，并使受控的变换箝位电路 提供给电容c 放电通路，使电容c 迅速放电恢复到零。同时，复位后的起始双稳 中圈科学技术大学硕 学位论文 的一路输出信号去“关闭”停止门，使整个电路系统恢复为初始状态，由此完成 一次变换的全过程。此即能实现正常时幅变换的“有起有停”情况。 不。 一k 述在“反符合、内选通、a t 1 0 m s t y p 2 p w t ( m h at r i g g e rp u l s ew i d t h ) 2 0n s t y p m i nh i s p e e dp w h s 3 0 n s t y p t r i g g e r ts e t ( e n a b l es e t u pt i m e ) 1 0 n s t y p p u l s ew i d 血th o l d ( e n a b l eh o l dt i m e ) 1 0r l s t y p 1 c e x t = 0 ( p i n 4 0 p e n ) ，r e x t ；0 ( p i n 6 t o v e e ) ；2 c e x t = 1 0 l i f ，r e x t = 2 ，7k 。 m c l 0 1 9 8 的逻辑框图和管脚排列如图3 1 7 所示。 l o g i cd i a g r a m d i p v e e v c c h n a 豁i g n m e h t 3 - p i n l - r n l 6 丹8 2 屯c 1 一 o 0 e p o s 嘶 ( a ) 逻辑框图( b ) 管脚排列 图3 1 7m c l 0 1 9 8 的逻辑框图和管脚排列 m c l 0 1 9 8 的真值表见表3 - 9 表3 - 9m c l 0 1 9 8 的真值表 l n p u t o u t p u t e p o se n e q ll t r i g g e r so nb o t hp o s i t i v e n e g a t i v ei n p u ts l o p e s lh t r i g g e c so np o s l u v ei n p u ts l o p e hl t r i g g e r so nn e g a t i v ei r l p u ts l o p e hh t r i g g e ri sd i s a b l e d 屺一黼眦一雌忱一吣腑 中国科学技术大学硕l - 学位论文 二、读出定时电路 读出定时电路实际上同样也是一个单稳态电路，主要由u 6 即单稳态集成电 路芯片m c l 0 1 9 8 与外接电阻r 6 5 、电容c 5 以及电阻r 6 3 、r 6 4 、 r 6 6 、r 6 7 、 二极管d 1 6 等组成，其有q 和q 两路互补的“振荡”脉冲输出。 读出定时电路的q 端输出的正脉冲送往后续的输出电路中的线性门的控制 端，作为线性门的“开门”信号，并在此读出信号即门控信号的脉冲宽度内“读 出”变换电容上充电形成的脉冲幅度以供给后续部分的输出电路。 由图3 1 5 可见，读出定时电路的工作原理与延时电路完全类似。来自延时 电路的q 端输出的负脉冲输入到u 6 即芯片m c l 0 1 9 8 的第1 3 管脚“t r i g g e r ” 端，以此负脉冲的后沿即“上升沿”来触发u 6 单稳态电路“振荡”而产生脉冲 信号，其q 端输出为与触发脉冲后沿同步的正脉冲，q 端则输出为与触发脉冲 后沿同步的负脉冲，该互补输出的正负脉冲宽度由外接电阻r 6 5 、电容c 5 控制， 根据系统设计要求，将该单稳态输出的脉冲宽度即“读出”时间定为1 6 肛s 左右， 可调通过调节外接电阻r 6 5 来确定具体需要的“读出”时间。其工作波形时序 如图3 1 8 所示。 延对p 貅”1 狮叶一电瓣虿 ll l - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 一皤l 矗# h 鋈毒!| l 电路 图3 1 8 读出定时电路的工作波形时序 如前所述，读出定时电路的q 端输出的正脉冲即为“读出”信号并输入到 后续的线性门控制其“开门”以“读出”变换脉冲，而其q 端输出的负脉冲送 往后续的读出复位电路并用其后沿即“上升沿”来触发产生相应的复位信号，以 使系统在正常完成变换输出后立即复位。 读出定时电路与延时电路一样也选用摩托罗拉公司生产的超高速e c l 单稳 态集成电路芯片m c l 0 1 9 8 ，其主要参数典型值、逻辑框图和管脚排列、真值表 等同见上述的延时电路部分所列。 中国科学技术人学硕 j 学位论文 第五节输出电路 时间幅度变换器的输出电路模块主要由真起始输出和变换输出两部分组成， 其电路实现如图3 1 9 所示。 图3 1 9 输出电路的组成 真起始输出电路是对有效的起始信号到来时触发起始双稳的q 端产生的e c l 标准电平的输出信号，与系统复位电路产生的复位信号相“或”以将其脉冲宽 度“展宽”到复位信号结束为止，再通过电平转换和缓冲电路输出一个t t l 标 准电平的真起始信号。 变换输出电路是将变换电容上产生的表征时间信息的脉冲幅度信号，经过缓 冲后送往线性门，并在读出定时电路控制下“开门读出”后，再经缓冲放大 给出系统的两路变换输出，即低阻( 5 0 q ) 变换输出( 脉冲幅度从1 5 v 一5 v 按 o 5 v 增长共分八挡) 和高阻( 1 k q ) 变换输出( 脉冲幅度从3v _ 一1 0 v 按1 v 中国科学技术人学硕 ：学位论文 增长亦共分八挡) 。 一、真起始输出电路 如图3 1 9 所示，真起始输出电路主要由或( 非) 门u 1 d 、电平转换电路u 8 a 三极管q 1 4 以及电阻r 6 8 、r 6 9 、r 7 0 、r 7 1 、r 7 2 等组成。 或( 非) 门u 1 d 为集成电路芯片m c i o h l 0 2 内合的其中一个同时提供有或 和或非两种逻辑输出的逻辑门，在此处只用其或非逻辑，亦即其第9 脚的输出是 其第1 2 脚输入的起始双稳q 端信号和第1 3 脚输入的系统复位信号的“或”的 结果，其工作波形时序如图3 t 2 0 所示。 默司广一 轰答! 厂 嚣遮门l 承冲： l l 一 繁匙广糟n幽l一 图3 2 0 真起始输出的工作波形 电平转换电路u 8 a 的功能是将e c l 标准电平的信号转换为t t l 标准电平 的信号，在此就是将其第3 脚输入的e c l 标准的真起始信号转换为t t l 标准电 平的信号。 通过三极管q 1 4 构成的跟随器，将已转换为1 v r l 标准电平的真起始信号信 号缓冲隔离输出。 二、线性门 线性门的功能是在控制信号( 门控信号) 作用下，使其输入信号在指定时间 无畸变或线性地通过线性门输出，以实现对随机分布的一系列脉冲或单一脉冲的 某一时段信息进行筛选或取样。可见，线性门可用单刀单掷( s p s t _ 一s i n g l e - p o l e ， 中国科学技术大学硕士学位论文 s i n g l e t h r o w ) 集成模拟开关来实现。实际应用中须综合考虑线性门的工作速度、 传输信号的频率和幅度及电源等对模拟丌关相关参数及工作特性的要求，以选择 能满足线性门性能需要的模拟开关。 如图3 1 9 所示，线性门主要由u 1 0 即c m o s 模拟开关集成电路芯片 m a x 4 6 0 3 的第一路常开开关构成。其功能是变换电容上形成的变换脉冲经缓冲 输入来后，在“开门”信号控制下通过线性门输出，这既可满足相关的信号时序 上的要求，又可使“读出”的“平稳”的变换脉冲。 当开门信号即由前述的读出定时电路u 1 6 的第3 脚“q 端”产生的i i 三脉冲 尚未到来时，线性门u i o 的第2 脚的输入端与第3 脚的输出端之间处于“断开” 状态，亦即所谓的“常开”状态；一旦当有开门信号输入到线性门的门控端即 u 1 0 的第1 脚时，则此开关迅速“闭合”，即有u 1 0 的第2 脚的输入端与第3 脚 的输出端之间处于“连通”状态，从而让变换脉冲“顺利”通过，其工作时序如 图3 2 1 所示。 蠢嚣八厂 蓑尝闩懋埘 ll 锱1厂镰出j l 一 图3 2 1 线性门的工作波形时序 由于集成电路模拟开关在“开”和“关”过程中，存在从f e t 的栅极到负 载迁移的电荷q ( 称为注入电荷一c h a r g e i n j e c t i o n ) ，以及寄生电容c ( o f f ) ( n c _ o r n o _ c a p a c i t a n c e ) 和c ( c o m ) ( c o mo f fc a p c i t a n c e o nc a p a c i t a n c e ) 等分布参数，将 会导致在开门或关门的瞬问随着注入电荷的吸入或释出而引起传输信号幅度上 的过冲甚或多次过冲而形成振铃，从而破坏线性门的线性传输，特别是在对快信 号的传输时甚至使通过线性门的信号严重失真到无法使用的程度。为此，根据实 测计算得出的m a x 4 6 0 3 的导通电阻r o n 、注入电荷q 、寄生电容c f f l 和c ( c o m ) 等参数以及在线测得的其输出信号上的过冲幅度v ，结合模拟丌关相应的等效 电路，由公式q b c av 计算出在模拟开关输出端所加载的负载电阻r 7 4 和负 载电容c 6