《脉冲幅度分析》PPT课件

SNST,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,4,积分谱:N(VT),微分谱:N(Tm)=N(VTm+1)-N(VTm),SNST,LANZHOUUNIVERSITY,5,SNST,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,9,1.单限电压比较器,特点：运放处于开环状态。,当uiUR时,uo=+Uom当uiu-=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,LANZHOUUNIVERSITY,24,上下门限电压：,SNST,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,26,传输特性：,SNST,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,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VBVL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vi30nS,0.1mStW100mS输出信号正极性，幅度6V,tW=0.3mS,tr=50nS,SNST,LANZHOUUNIVERSITY,54,SNST,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,60,用m值代表信号幅度的类别，ADC的作用是使：,为误差项，t0，但在大多数情况下，tCCtCL，例如，设tm=0.5us，t0=0.01us，M=4096时:,SNST,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,103,SNST,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,105,SNST,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,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,LANZHOUUNIVERSITY,109,SNST,LANZHOUUNIVERSITY,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别器串联相接。输入信号落在某一个阈值间隔范围之内，相应的微分甄别器就产生输出，经过编码电路后，以二进制关系并行输出。这种ADC对任何幅度信号只作一次与阈值电平进行比较，就可产生数码输出，速度极快。目前已有单片集成的一次直接比较ADC商品供应，其变换时间可以快到5ns以上，通常称它为闪电式ADC(FADC)。,FLASHADCFASTADCFADC,例如：采样速率为1.25GS/SECADC的变换速度至少快于0.8ns。,SNST,LANZHOUUNIVERSITY,111,这类ADC有二个主要缺点：量化电平数不能做得很多，即道数不能很大；各甄别器之间阈值差不能保证很一致，即微分非线性很差。精度每增加一位，所需比较器翻一番。8位变换器需要256个比较器，9位为512个，10位为1024个。,SNST,LANZHOUUNIVERSITY,112,8位AD只需要32个比较器而不是256个，但是需要进行两次比较才能完成AD转换过程。,SNST,LANZHOUUNIVERSITY,114,AD943012-Bit,170MSPS,3.3V,A/DConverter变换一次的时间至少为5.88ns,FEATURESSNR=65dBFinupto65MHzat170MspsENOBof10.3Finupto65MHzat170Msps(-1dBFs)SFDR=-80dBcFinupto65MHzat170Msps(-1dBFs)ExcellentLinearity:-DNL=+/-1lsb(typ)-INL=+/-1.5lsb(typ)TwoOutputDataoptions-Demultiplexed3.3VCMOSoutputseachat85Msps-LVDSat170Msps700MHzFullPowerAnalogBandwidthOnchipreferenceandtrack/holdPowerdissipation=1.25Wtypicalat170Msps1.5VInputvoltagerange+3.3VSupplyOperationOutputdataformatoptionDataSyncinputandDataClockoutputprovidedInterleavedorparalleldataoutputoption(CMOS)ClockDutyCycleStabilizer.APPLICATIONSWirelessandWiredBroadbandCommunications-Widebandcarrierfrequencysystems-CableReversePathCommu