实验五 时间一数字变换电路(TDC).doc

实验五 时间数字变换电路（TDC）一、实验目的1、掌握时间数字变换电路的原理。2、学习时间数字变换电路的几个主要指标的测试方法。二、实验器材1、BJ1732A型直流稳压电源 1台2、MFS70A型双脉冲发生器 1台3、TDS1012示波器 1台4、自动定标器 BH1220 1台5、EDM-82B数字万用表 1个6、实验电路板。三、实验原理时间数字变换电路简称TDC，主要用于时间间隔的测量。如核物理实验中激发态的寿命测量、粒子识别、飞行时间测量等，都需要使用时间测量装置。时间数字变换电路，就是将两个相关事件间的时间间隔线性地变换成一定的数字脉冲，由快速计数器记录数字脉冲数的多少，确定所测事件间的时间间隔。 时间数字变换的电路原理框图如图51所示。起始脉冲双稳态 /Q触发器 Q时钟振荡器同步与控制脉冲计数器门同步与控制停止脉冲图51 TDC原理框图图5-1中，TDC主要由输入同步与控制电路、双稳态触发器、时钟振荡器、脉冲计数器五部分组成。1、 时钟振荡器 如图5-2，双输入4与非门74LS00的其中两个与非门A6A和A6B与电阻R3、电容C3和10MHz晶振构成时钟晶体振荡器，由A6B的6脚输出10MHz脉冲信号。图52 时钟振荡器、输入信号同步互锁与双稳态电路2、双稳态触发器A5A为D触发器，由它构成双稳态电路。当双稳态电路Q端输出为低电平时，/Q输出为高电平，10MHz脉冲信号不能进入计数器。此时，双稳态触发器的/Q送入起始信号输入同步与控制电路，允许起始信号经过同步电路而触发双稳态；双稳态触发器的Q端送入停止信号输入同步与控制电路，禁止停止信号经过同步电路。当双稳态电路Q端输出为高电平时，/Q输出为低电平，10MHz脉冲信号可以进入计数器。此时，双稳态触发器的/Q送入起始信号输入同步与控制电路，禁止起始信号经过同步电路；双稳态触发器的Q端送入停止信号输入同步与控制电路，允许停止信号经过同步电路而复位双稳态。3、输入同步与控制电路由两个双单稳态74LS123，两个双D触发器74LS74组成。单稳态电路对输入信号进行成形，输出固定宽度的正脉冲。同步与控制D触发器的主要作用是：（1）当TDC的双稳态电路Q端输出为高时，表示已经有起始信号输入，TDC正在变换，此时，双稳态电路只接受停止信号，不接受起始信号；当TDC的双稳态电路Q端输出为低时，表示无起始信号输入，TDC空闲，此时，双稳态电路只接受起始信号，不接受停止信号。以上功能通过将双稳态触发器的输出/Q端接至起始信号同步互锁电路A3A的D端（2脚），Q端接至停止信号同步互锁电路A4A的D端（2脚）来实现。（2）通过10MHz晶振信号同步，使输出至双稳态电路的脉冲宽度为100ns的正脉冲信号。4、计数电路计数电路前两位由74LS196十进制计数器和寄存、译码驱动、LED显示三合一集成块CL002组成，后两位由两个计数、锁存、译码驱动、显示四合一集成块CL102组成。电路原理如图5-3。图53 计数电路 由于CL102最大输入脉冲频率只有200kHz，因此计数器用74LS196。计数器复位信号由起始同步输出电路A3B的/Q（8脚）给出，在每次变换开始前对计数器进行复位。测量时间的精度主要由时钟振荡器频率决定。本电路采用10MHz晶振，测量精度为100ns。时间数字变换器的主要指标有：（1）时间变换的量程（2）线性（3）计数率效应（4）电子学分辨时间（5）温度稳定性（6）长期稳定性四、预习要求1、熟悉实验线路原理图，了解工作原理。2、复习“核电子学”教材第十章中时间信息变换部分。五、实验内容及步骤：1、开TDC实验板电源。2、观察工作波形将双脉冲发生器的前置脉冲作为起始脉冲，主脉冲作为停止脉冲，分别送至相应的输入端，双脉冲发生器频率f=10KHz，主脉冲宽度，幅度，输出极性+，双脉冲输出。按下面三种情况，用示波器观察TDC各级波形，并记录其形状，幅度和宽度。(1) 主脉冲相对于前置脉冲的延迟时间调为，观察并记录输入信号，单稳态A1A、A2A，D触发器A3B、A4B，双稳态A5A的输出波形。（2）延迟时间由逐渐增大至，观察触发器的输出波形宽度的变化情况。（3）延迟时间调至2s，频率f=1KHz，用示波器观察输出至计数器的波形，读出每次经过D触发器的10MHz计数脉冲个数和幅度值，并与TDC计数器读出的数据比较。将延迟时间调2.5、3、3.5、4s，分别读出示波器观察到的脉冲数、幅度值和TDC计数器读数。 3、TDC测量双脉冲时间间隔及误差双脉冲发生器调到4V、脉冲宽度0.5s、频率100Hz。将双脉冲发生器的主脉冲输出同时接到TDC的起始信号和停止信号输入端，用TDC测量2、5、10、50、100、500、1000延迟时间的输出读数，并与用示波器测量出的周期比较。4、TDC测量周期双脉冲发生器设为单脉冲输出，输出4V、脉冲宽度0.5s 、延迟0s 。用TDC测量1、5、10、20、40、60、80、100kHz对应的周期、并与示波器的测量结果比较。5、计数率效应测量 延迟时间调到5s，观察频率10、100、1k、10kHz下TDC的输出数据有无变化。六、思考题 1、怎样提高TDC的测量精度？更准确的时间间隔测量方法是什么？ 2、举例说明TDC的应用。附录：本实验主要器件功能图1、74LS74 双上升沿触发的D触发器(带预置端和清除端)2、 74LS00、74LS137，TTL 2输入端四与非门74LS221,双单稳态多谐振荡器（带清除端、互补输出）输出脉冲宽度：tw=kCextRextCext1000p，k=0.37。各种Ce