第五章时间分析(1)ppt课件

1、第五章 时间分析1 概 述 2 定时方法3 符合4 时间量变换方法5 脉冲波形甄别核激发态寿命丈量；正电子湮没寿命丈量；正电子发射断层扫描；高能粒子径迹探测；粒子鉴别；符合技术与反符合技术；中子飞行时间望远镜丈量法；1. 概 述一、时间信息分析所要处理的根本问题 二、时间信号的检出 一、时间信息分析所要处理的根本问题1、时间间隔甄别 时间间隔甄别运用实例 时间间隔甄别器的根本功能 2、时间间隔丈量 时间间隔丈量运用实例 时间分析器的根本功能时间间隔甄别运用实例电子正电子对撞实验中，产生+和-的事例探测器D1和探测器D2相距有几十米以上，对称排布，用来测定子。由于+和-的动量相等，且对面碰撞，根

2、据动量守恒定律，和飞行方向相反，飞行速度近似一样，从对撞点飞出，应几乎同时分别击中D1和D2 。随着击中D1和D2 位置不同信号S1和S2产生时辰发生差别，假设最大时差值为5ns，那么S1和S2时间间隔小于5ns的事例应该是+和-事例的的一个“候选条件，这样可以排斥掉很多本底事件。例如宇宙射线穿过探测器系统 ， D1和D2是先后被击中， S1和S2的时间间隔将会大于 5ns，不满足此“候选条件，应该被排斥掉 。需求用一个时间间隔甄别器来作为事例的选择 。时间间隔甄别器的根本功能N个信号参与它的输入端为 u1,u2.ui. uN-1,uN，它们分别在 tii=1,2N时辰到达甄别器的输入端，其中

3、恣意一对信号间的时间差都满足： -1 titj 0 在输出端产生逻辑信号输出 ，只需有恣意一对信号不满足上述条件，将不产生输出。经常遇到的情况是处置二个输入信号的符合电路，称为二重符合电路。二个输入信号到达的时间分别为t1和t2 ，假设满足 -1 t1t2 0 在输出端产生逻辑信号输出，否那么将不产生输出 。 1 2为其分辨时间。 选择 1 = 2 = ，那么分辨时间为2 或称为符合时间窗宽。具有这种功能的电路通常称为符合电路 ， 1 2为其分辨时间。也就是时间间隔阈值。时间间隔丈量运用实例飞行时间计数器是在高能物理实验中经常用到的探测器系统，用来丈量带电粒子的飞行时间，其主要功能是经过所丈量

4、粒子的飞行时间信息，结合其它探测器测得粒子的动量和径迹，从而区分粒子的种类。丈量探测器的信号和e+ e-的作用发生时辰之间的时间间隔，就可以丈量到粒子的飞行时间信息。时间分析器的根本功能由时间间隔编码器与数据获取系统组成的时间分析器，用来完成时间间隔丈量。时间间隔编码电路是时间间隔丈量中关键部件，通常称它为时间数字转换器TDC ,Time to Digit Conversion 。输出端的数码值为 其中T0为LSB所对应的时间间隔。TDC的输出再送到数据获取系统进展数据采集与存储，它的功能与多道幅度分析器中数据获取系一致样。 探测器定时电路时间-数字变换启动停顿输出时间信息参考时间信号放大器定

5、时道的组成无论是送到符合电路还是送到TDC的信号，要求它的出现时辰与粒子击中探测器的时辰能准确地相对应。事件的产生到信号进入时间信息分析电路之间，大体上如以下过程所示： 核事件产生粒子t1时辰) 探测器被击中t2时辰探测器信号输出t3时辰出现信号电子学电路信号处置前放t4时辰放大、成形t5时辰时检电路检出信号t6时辰送到时间信号分析电路或符合电路输入端t6时辰出现信号。 时间信号的检出ttttttt1t2t6t5t4t3t1 ：核事件发生 t2 ：粒子进入探测器t3 ：产生的电流脉冲 t4 ：前置放大器输出的电压脉冲t5 ：主放大器输出的电压脉冲t6 ：定时甄别器输出的脉冲在讨论时间信号检出时

6、，从探测器输出的电流信号有以下几点需求思索：延迟。t3在t2之后一定时间之后出现展宽。实践的电流信号不是一个信号涨落。( t3- t2)是一个随机量，而且信号外形也会随机变化。 定时电路的功能是使的涨落尽能够小，或者说的晃动很小。 时间信号的检出2 定时方法一、产生时间晃动的几个主要要素 二、时间晃动大小的度量 三、前沿定时甄别器-固定阈值甄别器四、恒比定时甄别器CFD五、幅度和上升时间补偿定时ARC 一 产生时间晃动的几个主要要素输入到时间信息分析系统的信号出现时间晃动主要有以下几个要素：1、探测器的固有晃动。2、噪声引起时检电路输出的时间晃动。3、幅度时间游动效应。4、上升时间游动效应。5

7、、超阈延迟以上几种要素在不同条件下对晃动所起的影响是不一样的，因此要详细加以分析，分清主次。着重分析幅度和上升时间游动效应产生的时间晃动及其处理方法。 探测器的固有晃动 不同的探测元件电流信号输出的时间晃动不一样，它的产生缘由也不一样，大致由于载流子在探测器内运动途径不同呵斥的 。 例：闪烁体和光电倍加管PMT组成的闪烁计数器，由于粒子击中的位置不同使光传输到PMT的时间不同，使得其输出信号的时间发生差别，而击中的位置往往是随机的，因此信号输出的时间产生时间晃动。噪声引起时检电路输出的时间晃动噪声叠加在信号之上将引起时检电路输出的时间晃动。2vnoVT2T1tTt2vnovVT2T2tTt噪声

8、叠加于信号的影响噪声叠加于阈值的影响幅度时间游动效应不同幅度经过时检电路之后在输出时间上产生差别 ，探测器输出信号幅度的随机变化呵斥了时间上晃动，称为幅度时间游动效应。上升时间游动效应不同上升时间的信号经过时检电路之后会产生在输出信号时间上差别 ，而有些探测元件输出信号上升时间也存在随机变化，这也就带来了时检电路的输出信号在时间上晃动。这称为上升时间游动效应。 超阈延迟任何触发器都存在超阈延迟。VTVTtL1tL2Vvi(t)tD二 时间晃动大小的度量时检电路信号输出与粒子击中探测器之间的时间差 td=t0-t0是随机量，它服从一定的分布规律， td的概率密度函数为 Pdtd，可以得到各级矩：

9、由此推知td的随机变化情况，来度量的晃动大小 。普通可以假设td服从高斯分布， 和 是关键参量作为时间晃动的度量 二个信号时间间隔及其晃动量 时间晃动大小的度量时间晃动大小的度量时间晃动实验丈量 在实验上可以用同一瞬间产生两个粒子的放射源60Co 源 ，几乎是同时发射 两个粒子1和2 ； 丈量计数随即时间间隔值变化曲线 ，图中求得 和半高全宽时间FWHMtd ,时间晃动为三 前沿定时甄别器-固定阈值甄别器1、前沿定时特性分析2、根本电路构造触发电路VT输入信号输出信号vivovitVTvottL前沿定时特性分析一将输入信号前沿近似看成线性上升，可用下述关系表示： 输出信号对输入信号的时间延迟可

10、以表示为： 其中ti为输入信号从出现到上升为VT所需时间，t为渡越时间，也就是超阈延迟时间，假定在快甄别器情况下，t很小，暂不加以思索 。在Vi由Vi1变为Vi2时，那么输出信号对输入信号的时间延迟差 td=(t2-t1)应为：Votd随Vi变化而发生变化称为幅度时间游动效应。显而可见 VT和tm越小， td变化量就越小，幅度时间游动效应就越小。当VimaxVimin,VT=Vimin时：Vo假设输入信号最大幅度为Vimax ，最小幅度为Vimin 那么因幅度变化引起的前沿定时误差为： 假设达峰时间 tm发生变化也就是上升时间发生变化，延迟时间的变化为 ：这称为上升时间游动效应。 前沿定时特性

11、分析二同时思索输入信号的幅度变化和上升时间变化，那么前沿定时的时间挪动为：前沿定时特性分析三VTVTtL1tL2Vvi(t)tD超阈延迟：超阈延迟：触发器输入阻抗：Zi附加电荷：QVMtMVTt2vnoVT2T1tTt2vnov2T2tT噪声叠加于信号的影响噪声叠加于阈值的影响噪声引起的总定时规范偏向为：触发比和噪声斜率比普通地，兼顾噪声斜率及噪声的误触发，选用：噪声斜率比定时甄别器实例慢前沿定时甄别器：由集成电压比较器组成交流耦合施密特甄别电路。性能：当输入信号的幅度从1.0V变化到10V时，输出信号vo(t) 的时移小于输入信号上升时间的20%当输入信号上升时间为1us ，输出信号vo(t

12、) 的时移小于0.2us快前沿定时甄别器：由三个快速差分放大级，加正反响组成甄别器。性能：当输入信号的幅度从0.1V变化到5V时，输入信号上升时间为2ns,输出信号的时移小于0.5ns根本电路构造高速运算放大器例如THS3201、OPA847等构成的施密特甄别器； 高速比较器例如AD96687构成的截止式放大器型甄别器； 双阈甄别电路。高速比较器AD96687构成的甄别器双阈甄别电路由于幅度效应，前沿定时会有较大的定时误差。降低甄别阈，是减少这一误差的重要措施。但甄别阈的减少将会明显引起噪声误触发，为此，设计了双阈甄别电路，采用低阈定时，高阈选通的方案，既可减少噪声影响，又由于甄别阈的降低，还

13、可减少由于幅度效应引起的时间游动甄别器需求有稳定的阈电压。 阈电压的产生程控设置的 DAC 提供。为了减少噪声和外部干扰的影响，得到稳定的阈电压，对DAC提供的输出电压采取了衰减和有源滤波等有效措施。过零定时为了抑制前沿定时在输入信号幅度变化时引起时间挪动太大的缺陷。提出过零定时的根本思绪：VoA：信号的幅度f(t) 信号的外形函数过阈时间 tT:假设要求过阈时间 tT为常数：f(t) 为阶跃函数f(t) 为恣意函数过零定时(CR)2 (RC)m 成形过零点：(DL)2 成形过零点：过零定时电路预置甄别器VT过零甄别器Vi(t)V1(t)V2(t)V3(t)Vo(t)ttttttZtZtZ过零

14、定时电路优点：能消除输入信号幅度变化的时间挪动。缺陷：不能消除输入信号上升时间变化的时间挪动。四 恒比定时甄别器CFD恒比定时的根本思绪恒比定时甄别原理恒比定时甄别器实现提出恒比定时的根本思绪前沿定时除了由幅度游动效应引起较大晃动之外，触发比不恒定也是一个缺陷。 探测器的固有时间晃动往往与外电路搜集到的电荷量与总电荷量比值有关，在某一比值时，固有时间晃动可到达最小。这一比值就是触发比 P P=VT/Vi 假设能对每一个信号作到恒定的触发比，就可以选择适宜的比值，使探测器的固有时间晃动最小。同时能抑制幅度游动效应。 恒比定时甄别原理用经延迟后的输入信号与经过衰减倒相后信号相加之后产生一个双极性信

15、号，该信号从负极性变到正极性的过零时辰与信号幅度无关，在此时辰的信号值与总幅度之比为一恒值。过零甄别器起到在双极性信号的过零时辰检出信号的作用。用 ui(t)来近似描画输入信号: 经过衰减倒相后信号其中P为衰减因子： 经延迟后的信号 恒比定时甄别原理经过相加电路之后是一个双极性信号： 从负极性变到正极性的过零时辰 ：由此可知 (1)过零点与信号幅度无关 (2)在tz时辰，对于任何幅度都一样。因此tz是一个理想的时辰，既抑制了游动效应，又在此时辰的信号值与总幅度之比为一恒值。在这一时辰检出信号可以到达恒比定时的目的。图中过零甄别器ZCD起到在时辰检出信号的作用 恒比定时甄别原理恒比定时甄别器实现

16、门控型恒比定时甄别器双阈甄别门控型恒比定时甄别器双极性信号成形方法门控型恒比定时甄别器双阈甄别门控型恒比定时甄别器 成形电路采用恒比成形时，经常取其延迟电路的延迟时间略大于tm，但对于小幅度输入信号，特别是刚过阈值的信号，触发时间已接近而超阈幅度很小，因此甄别器的渡越时间比较长，有能够使前沿甄别器输出信号落在过零时辰之后，这样一来就成为前沿定时了。因此，上述电路对小信号即刚过触发阈的信号就起不到恒比定时作用了。为此，提出一种改良方案，即双阈甄别门控型恒比定时甄别器，它是在门控型恒比定时甄别器电路根底上再加上一个固定阈值甄别器DT，其阈值比的DP阈值要大 。在小信号时即输入信号幅度略大于 VTP

17、不能触发 DT，因此最后不产生输出。只需输入信号幅度大于 VTT才干触发 DT，产生最后输出，这时DP的输出信号不会落在过零时辰之后，保证了恒比定时。 但是这样也会带来一个问题，输出信号前沿时辰在略超越情况下亦会落在之后，又将呵斥输出信号对应的前沿定时时辰。为此在门Y1输出处加上一延迟线作适当延迟，以保证输出信号前沿在DT输出信号之后。 双极性信号成形方法短路延迟线成形tdtztttoootm2、RC成形 输入信号Vi直接连到比较器的同相输入端，比较器的反相输入端的信号Vc是Vi的低通滤波输出，它在时间上比输入信号滞后。比较器的同相、反相输入端之间的电压差为： Vr(t)=Vi(t)-Vc(t

18、)=R i(t)=RC dVc(t)/dt 在电容器上电压到达峰值之后，积分电阻上的电流方向改动，引起比较器输出的翻转。由于电阻电容组成的是一个线性网络，Vr(t)的过零点与输入信号的幅度无关，从而实现了恒比定时功能。 恒比定时甄别器实例五、幅度和上升时间补偿定时ARC提出的根本思绪：恒比定时：VT=PVi=PA 消除幅度A变化对定时的影响，但没有消除上升时间变化对定时的影响。 为了消除上升时间变化对定时的影响，阈值VT不仅要随幅度A变化，而且要随 上升时间而变化。阈值VT可以取 定时时间tA恒比成形过零甄别预置甄别与门衰减 P输入vi延迟 tdv1v2v3v4输出vo+-VTVT恒比定时vi

19、v1v2v12v4v3vottttttttMtdtZtZVTviv1v2v12v4v3vottttttttM1tdtAtZARC定时tM2恒比定时ARC定时六、最正确定时滤波器与定时滤波放大器最正确定时滤波器：斜率噪声比到达最大值的定时滤波器。斜率噪声比：最大噪声引起的定时规范偏向为：最小 定时电路定时滤波器定时电路定时滤波器定时电路噪声引起的定时规范偏向为：斜率噪声比：最正确定时滤波成形电路的频率呼应为：最正确定时滤波成形电路的频率呼应为：输入为白噪声，输入噪声功率谱密度为常数最正确定时滤波成形电路的冲击呼应为定时单道脉冲幅度分析器：具有定时和单道双重功能3、符合电路 一、符合方法二、符合电

20、路根本构造 三、符合曲线 四、快-慢符合五、符合电路实例 一、符合方法符合是指两个或两个以上的物理事件在时间上相互重合；理想符合：指的是两个时间同时发生，时间间隔为零；实践符合：在一个时间段内发生，有一定的时间间隔；符合方法方框图探测器1前置放大器定时滤波放大器定时电路固定延迟符合单元计数器探测器2前置放大器定时滤波放大器定时电路固定延迟两重符合：多重符合：符合程度：ABOUT000010100111ABOUT真值表：反符合ABOUT000010101110真值表：ABOUT符合电路分辨时间：=2tw2323VT理想电子学符合实践电子学符合tWtW二 符合电路根本构造二个输入信号分别经过定时成

21、形电路之后，使其输出信号前沿晃动很小，以宽度分别为 Tw1 和 Tw2 信号参与符合门电路，只需当二个信号发生重叠时符合门才有信号输出，此信号再经过甄别成形之后输出。 设二个输入信号到达时间 分别为t1和t2，只需满足 符合门才有输出，其分辨时间应为： 符合电路根本构造 以上讨论是在理想条件下得到的，即(1) 输到符合门的信号是理想矩形脉冲。(2) 符合门和甄别成形电路的渡越时间为零。 三 符合曲线为了测定符合系统包括探测器在内的时间分辨才干，常利用同一瞬间产生两个粒子的放射源、或用激发态寿命远小于系统定时误差的放射源来测定系统的瞬时符合曲线。在两路信号通道中，用可变延迟线引入它们之间时间上相

22、对延迟，测定符合系统的输出信号计数率和相对延迟量的关系曲线，此曲线就是瞬间符合曲线。从瞬时符合曲线，可以求得符合系统的分辨时间和效率。电子学瞬时符合曲线 物理瞬时符合曲线 电子学瞬时符合曲线用一个信号源替代放射源和探测器作为二路符合的输入，测得瞬时符合曲线仅反映电路本身的特性，称为电子学瞬时符合曲线。调理相对延迟量，符合电路输出信号送入到一个计数器去，测得计数率，可以求得相对计数率与延迟量的关系曲线，此曲线即为电子学瞬时符合曲线，也就是符合电路产生输出的概率函数。 电子学瞬时符合曲线在理想条件下为曲线 1假设思索到：(1)输入信号有一定上升和下降时间，而符合门有一定门槛电平，因此对符合门输入来

23、说，有效宽度变小了。(2)二个信号重合时间减小到一定宽度时，由于符合门和其后继甄别电路有一定渡越时间，当重合时间太窄时，不能呼应，这相当于减小了有效宽度。(3)思索到噪声叠加在信号、符合门的门槛电平和后继电路阈值偏置电路上，使有效宽度发生涨落。 由于以上缘由，瞬时符合曲线不仅宽度减小，而且外形上偏离了矩形，为曲线2。这就是实践电子学瞬时符合曲线。符合分辨时间定义为瞬时符合曲线的半高全宽 FWHM，从图中曲线 2可以求得电子学分辨时间：物理瞬时符合曲线用瞬时符合放射源和探测器系统替代信号源作为符合电路信号输入，测得的相对计数率与延迟量的关系曲线为物理瞬时符合曲线，此曲线包括了探测器和定时系统的时

24、间晃动及偶尔符合等要素。 物理瞬时符合曲线真符合事件测得的物理瞬时符合曲线应为输入到符合电路二信号时差的概率密度函数与电子学瞬时符合函数的卷积 E与值相近时真符合事件最大输入计数率 偶尔符合计数率 真符合事件计数率 E为电子学分辨时间 物理曲线外形与电子学曲线类似 曲线高度下降，外形变窄，平顶部分消逝，这是由于真符合计数被丧失了 为时差涨落的方差 在实践丈量中，除了真符合事例外，还有大量不属于同一核事件互不相关的粒子进入二个探测器，它们有能够在分辨时间之内随机地进入符合电路各输入端而产生输出，称这种符合为偶尔符合。显而易见，偶尔符合应与二个电路相对延迟时间无关。偶尔符合计数为 ：随着E添加，W

25、(td)曲线高度平移地升高。这正是偶尔符合所呵斥的。 WE(td)把看成宽度为E，高度为1的矩形函数 由于时间涨落的影响，一对真符合信号到达符合电路的时差出现统计涨落，当E选得较小时真符合事件能够漏记，呵斥真符合计数损失。 E越小，损失越多。 E获得较大时符合曲线出现平顶，其符合事件可被全部记录下来。时差的涨落对计数率的影响可以忽略。 E增大，偶尔符合计数也正比地增大，偶尔符合与真符合计数之比随之增大。从符合曲线中求得偶尔符合计数虽然可以再从实践曲线中扣除偶尔符合计数而得到真符合计数，但这样会使统计误差增大。 分辨时间E的选择要综合加以思索。从时间分辨和减小偶尔符合角度来看， E取小些为好；从

26、真符合计数损失来看， E不能获得太小。 符合系统所能到达的最小分辨时间，根本上取决于探测器和定时系统的时间涨落大小。 511 keV511 keVe+e-正电子发射断层显像Positron Emission Tomography 发射型断层成像。所谓发射型成像就是把放射源放在病人身体的内部，放射线从病人身体内部射出，最后被探测器接纳。 具有短半衰期的放射性的原子可以由盘旋加速器或核反响堆消费出来。这些放射性元素再用来制造放射性药物。 通常放射性药物是经过手臂静脉血管注射而进入体内的。放射性药物进入人体后会跟踪病理过程。放射性药物也可以经过病人的呼吸道或消化道进入人体。放射性药物实践上是个分子载

27、体，它依靠于特定的生理组织或病理过程。放射性物质在药物的带着下在人体内做有目的的分布。发射型断层成像的目的就是要得到一个放射性物质在人体内部的分布图。有一些放射性元素，如 O-15，C-11，N-13，和 F-18，在放射性衰退时会释放出正电子 (即带一个正电荷的电子)。正电子在自然界中生存的时间非常短暂，由于在自然界中正电子很快就会遇到一个 (带负电的) 电子。当正电子与电子发生作用时，它们的质量会湮灭 (即完全消逝)，它们的质量完全转换为能量而产生出两个能量为 511 keV 的伽玛光子。这两个光子沿着相隔180 角的方向传播。ScintillationCrystalPMTPre-Ampl

28、ifier+ ElectronicsGamma photon converts to optical photons (proportional to gamma energy)photons are collected at the end of the crystallight is converted to an electrical signal & amplifiedFront-end electronics condition the signal for further processingGamma RayOptical reflectorPET是先进的核医学三维成像技术,围绕

29、着被测体周围的圆柱形位置灵敏探测器探测被测体发出的光子,运用时间符合、电子准直和能量甄别等技术从复杂噪声背景中挑选出有用事例,运用大量的有用事例数据可以重建放射性物质分布的三维图像。SET-3000G/X schematic design四 快-慢符合时间上相关的事件本身还存在一些特点 ，例如粒子的能量有一定范围，也就是说信号的幅度落在一定范围之内。在时间符协作为根本条件之下用幅度选择作为辅助措施来减小偶尔符合。事例的候选条件除了时间甄别之外，再加上幅度甄别。 但是，经过幅度甄别之后的信号往往时间晃动都很大，因此在幅度甄别之后再进展符合，其分辨时间不能获得很小，否那么会降低效率真符合计数损失添

30、加，但增大分辨时间又会使偶尔符合添加。为理处理这个矛盾，常采用快慢符合技术。 快-慢符合 探测器信号经过时检电路后进入快符合电路，因此时间晃动很小，可选取很小的分辨时间。同时，这一对探测器信号又分别经过单道分析器进展幅度选择。只需在时间和幅度上都满足给定条件时，三重慢符合电路才产生输出。其中延迟线td是为了补偿单道分析器产生的时延。 符合电路实例四路输入信号先经MC10E1651比较器甄别输出，然后用MC10EL01D进展“与或者“或逻辑，再经过单稳态芯片MC10198调理输出脉冲宽度，最后分别转换成快NIM和TTL输出 。最小时间窗可到达2ns。NIM在核仪器领域中NIM规范是一个公认的规范

31、，由EIA电子工业结合会提出。NIM逻辑信号定义：快NIM逻辑信号规范为负载为50阻抗，负逻辑。适用于上升时间在ns量级，信号宽度小于1us的快信号。TTL电平 规定：输出高电平2.4V ,输出低电平=2.0V，输入低电=0.8V，噪声容限是0.4V。 实践运用中，由于外界干扰、电源动摇等缘由，能够使输入电平UI偏离规定值。为了保证电路可靠任务，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。 输入噪声容限 高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)，用UNH表示： 低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向

32、干扰)，用UNL表示： UNL = UIL,maxUILUNH = UIHUIH,min1输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL11uIuO输入低电平噪声容限：UNL=UIL,maxUOL,max输入高电平噪声容限：UNH=UOH,minUIH,min74LS系列门电路前后级联时的输入噪声容限为：UNL=0.8V0.5V=0.3VUNH=2.7V2.0V=0.7V5V2.7V0.5V0V5V2V0.8V0V射极耦合逻辑门电路(ECL) ECL门的根本构造 由于TTL门中BJT任务在饱和形状，BJT存储电荷，电荷的存储和散失需求一定的时间, 开

33、关速度遭到了限制。只需改动电路的任务方式，从饱和型变为非饱和型，才干从根本上提高速度。ECL门就是一种非饱和型高速数字集成电路，它的平均传输延迟时间可在2ns以下，是目前双极型电路中速度最快的。T1、T2、T3组成发射极耦合电路。T3的基极接一个固定的参考电压VREF，输入信号接到T1、T2的基极。输出信号由T1、T2或T3的集电极获得。RC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIEIE=VE-(-VEE)/Re=(0.3V+12V)/1.2K10mA1.当输入端A、B都接低电平0设VA=VB=0.5V时由于VREF=1V，因此T3优先导通，这就使发射极e的电位VE=VREF-VBE

34、3=0.3V对于T1、T2来说，由于 VE=0.3V,而VA=VB=0.5VRC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIE虽然基极电位比发射极电位高0.2V，但由于是硅管，仍可保证截止。这时流过Re的电流将全部由T3提供，且有VC3=VCC-IERc3=6V-10mA0.1K=5V VC1=VCC=6V 由此可见，当输入为0时，T1、T2截止，输出端c1为高电平16V；T3导通，输出端c3为低电平0(5V。而且由于VB3=VREF=1V，而VC3=5V，所以T3处于放大形状而未到达饱和。RC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIE2.当输入端A、B中有一个接高电平1设A接

35、高电平，VA=1.5V时由于VAVREF，所以T1优先导通，这就使VE=1.5V-0.7V=0.8V，对T3来说，这时基极电位比发射极电位仅高0.2V，可以保证T3截止。流过Re的电流由T1提供，且有IE=(0.8V+12V)/1.2 K=10.6mAVC1=VCC-IERc1=6V-10.6mA0.1K5VVC3=VCC=6V此时T1处于放大形状。由于T1和T2的发射极和集电极是分别连在一同的，所以只需A、B中有一个接高电平，都会使c1为低电平05V，而c3为高电平16V。 c1=A+B 或非输出c3=A+B 或输出由于集成电路特点，电路只用一种负电源-VEE=-5.2V，而VCC=0V。图

36、中T1T4组成多端输入，并与T5组成射极耦合电路。T6组成一个简单的电压跟随器，它为T5提供一个参考电压VREF。为了补偿温度漂移，在T6的基极回路接入了两个二极管。 图中T7和T8组成电压跟随器，起电平挪动作用，VC4和VC5经过电压跟随器后，使输出变为规范的ECL电平。其典型值是：高低电平的电压分别为-0.9V和-1.75V。同时由于有了这两个电压跟随器作为输出级，也有效地提高了ECL门的带负载才干。ECL门的电路实例输出快符合电路1、隧道二极管符合电路输入1输入2R1R2E输出WRR4T.D.适中选择隧道二极管单稳态的阈值，使它在两路输入电流信号相加时翻转，从而产生符合输出。当只需一路信

37、号输入时，输入信号不够大，不能使隧道二极管翻转，电路没有输出。优点：电路动作速度快，分辨时间可达几纳秒。缺陷：温度稳定性差。快符合电路1、相加型共基极符合电路静态时：输入1、输入2为零电平D1、D3导通， D2、D4截止。输入1输入2D2D1-10V输出甄别器VTD4D3-10V-10V+5VieVCT00三极管T 导通ie= 5mA当输入1有信号，电位降为- 0.7V时：D1截止， D2导通。ie= 10mA当输入1和2都有信号，电位分别降为- 0.7V时：ie= 15mAD1、D3截止， D2、D4导通。VT输入1输入2输出VCie00快信号的传输与纳秒延时器信号传输电缆的参数：特性阻抗：

38、50欧姆，75欧姆，100欧姆等单位长度电容：几十pF每米衰减系数：0.336dB/m耐压大小：0.55kV延迟电缆绝缘套管层网状屏蔽线绝缘介质中心导线单屏蔽电缆双屏蔽电缆信号传输传输时间：传输速度：快脉冲：trt ;信号反射0RtZL 时，产生负反射; ZLRt，产生正反射。聚乙烯绝缘介质传输速度：阻抗匹配串联匹配；并联匹配；单端匹配；双端匹配;始端匹配；终端匹配.始端匹配终端匹配始端匹配终端匹配匹配电缆阻抗ZL纳秒延时器采用电缆延时构成的延时器特性：延时范围:2.5ns到66ns可变延时精度:0.5ns到4ns：小于60ps; 8 ns至32 ns:小于 100ps.时间挪动：1.4ns输

39、入输出延迟：89ns信号衰减：小于10%特性阻抗：504. 时间量变换方法 时间分析时间幅度变换 TAC 时间-数字变换器TDC基于幅度-时间修正的时间间隔丈量分析一个核态与另一个核态之间的时间关系，也就是丈量核事件的时间间隔概率密度分布。符合方法丈量时间间隔分布，类似于用单道丈量能谱。多重符合电路型多道时间分析器。一 时间分析 常用的有两类时间分析器 二个信号参与到时间间隔编码电路即 TDC， TDC输出的数码正比于信号间的时间间隔，再将其送入数据获取和处置系统；二个信号输入到时间间隔幅度变换电路即 TAC， TAC的输出幅度正比于信号间的时间间隔，然后送到 ADC，进展幅度-数字变换，再送

40、入数据获取与处置系统。 时间分析器的构成时间分析器用来丈量时间谱，即计数随时间间隔分布曲线。它的作用与幅度分析中多道脉冲幅度分析器相当。关键部分是 TDC和TAC。二、 时间幅度变换器TACTAC根本原理TAC实例TAC根本原理时间-幅度变换是把两个信号之间的时间间隔长短转换成一个幅度与其间隔成正比的输出信号最方便的方法是在此间隔内对电容器进展恒流充电,静态时S1 和S 2闭合，C上电压为零，起始信号将S1断开，恒流源对C充电，C上电压线性上升，停顿信号将S 2断开，C上的电压正比于两个信号之间的时间间隔。电容器上坚持住的电压为Vc=Itx/C，tx为二个输入信号的时间间隔 。限幅放大双稳态电

41、流开关起始电流开关真起始输出变换钳位缓冲放大线性门跟随器放大器变换输出起始信号限幅放大起始门门控输入限幅放大双稳态电流开关停顿电流开关停顿信号复位开关停顿门超量程触发器读出时间开门选通输入电流源延时内外内外起停型时幅变换器电路方框图C脉冲重叠型时幅变换混合器积分器V1(t)V2(t)V3(t)VC(t)T起始信号V1(t)停顿信号V1(t)V3(t)VC(t)三、 时间数字变换 TDC起始停顿计数器型TDC 基于时间内插技术Time Interpolating的TDC基于时间邮戳Time Stamp技术的TDC基于时间放大技术的TDC 起始停顿计数器型TDC待测的起始start和停顿stop二

42、个信号分别输入到触发器FFS和R二端，FF输出信号T的宽度应为二个输入信号的时间间隔,用来控制时钟门And，时钟振荡器的时钟脉冲加到时钟门输入端，因此经过时钟门的脉冲个数m将正比于信号T的宽度，即正比于二个输入信号的时间间隔tm=tstop-tstart m= (tstop-tstart)/T0取整数 T0为时钟脉冲的周期。再将此系列脉冲输入到计数器，进展串行-并行变换，经过译码后以二进制数码并行输出。计数器目前多采用Gray码计数器。计数器十进制计数器同步十进制加法计数器 分析：驱动方程和输出方程形状方程形状表0 0 0 0 0 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 0 0 1

43、0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 0 1 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 0 1 1 0 11 1 1 01 1 1 10001111000011110000000011010101010101010101010100110011000100010000000001010101074160同步十进制加法计数器3Q2QETCP0D1D2D3DC1Q0Q74160EPRDDL直接计数器型TDC的优点是电路简单，大尺度时间丈量范围，且全数字化，易于集成。 时间精度一个LSB代表的时间间隔量遭到时钟频率以及它的稳定性限制 ，由于高时钟频率1GHz以上在工艺和电路构造上要付

44、出很高代价。这种TDC的时间精度在ns量级。采用自激时钟振荡器会呵斥2 T0的误差，采用它激时钟振荡器误差可以减小到1 T0，但是在普通情况下，振荡器起振阶段，频率和幅度不稳定，也会带来误差。自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但在某些情况，例如从十进制的7转换为8时二进制码的每一位都要变，能使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码那么没有这一缺陷，它在相邻位间转换时，只需一位产生变化。它大大地减少了由一个形状到下一个形状时逻辑的混淆。格雷码仅改动一位，这样与其它编码同时改动两位或多位的情况相比更为可靠，即可减少出错的能够性。 基于时间内插技术Time Interpolatin

45、g的TDC要满足高时间精度和大尺度丈量范围的TDC 目前采用所谓的“粗计数Coarse Counting和“细时间丈量Fine Measurement相结合的方法。这种方法中，“粗计数普通由高性能的直接计数器型TDC。运用的参考时钟频率普通在数百MHz，到达几个ns的时间精度；而“细时间丈量的实现那么依托时间内插技术Time Interpolation，在一个时钟周期内进展时间内插，到达亚纳秒100 ps 10ps的时间分辨。时间内插技术的根本思想是采用适当的方法将“粗计数运用的参考时钟的周期细分为M个等分，并利用其将被测时间间隔与“粗计数器记录的时间(nT0)之差记录下来，等效于将时钟信号的

46、频率提高了M倍。一个直接的方法就是利用假设干个等分的时间延迟单元，如M个抽头“延迟线来实现时间内插。基于时间内插技术Time Interpolating的TDC受Start和Stop控制的250MHz频率的时钟信号对n位计数器计数，产生4ns时间分辨的“粗计数。同时在时钟通道中插入一个8抽头“延迟线，各抽头组成0.5ns的延迟单元，其输出被送入各符合电路的相应输入端，Stop信号那么作为一个公共信号送入各符合电路的另一输入端，与延迟线上传输的信号做符合，记录下当Stop信号到来时，时钟信号在“延迟线上传输的位置，即延迟的时间量。该信息经译码电路给出时间数据的最低的3位数据，相当于将“粗时间计数

47、的时钟周期细分了8个等分，实现了0.5ns的时间分辨。 几种“延迟线技术 门电路组成的延迟电路 锁相环Phase Locked Loop，简称为：PLL技术 延迟锁定环Delay Locked Loop，简称为：DLL技术 无源RC延迟线 门电路组成的延迟电路通常是由两个CMOS反向器门电路构成一个延迟单元。时间分辨那么由一个延迟单元的延迟时间所决议。这种方法电路简单，占用较少的资源，易于与其它电路部分集成为单片的TDC集成芯片。缺陷是门电路的延迟时间容易遭到供电电压动摇和温度变化的影响而产生变化，需求经常进展刻度。CMOS门电路MOS管的开关特性输入低电平，NMOS管截止；输入高电平，NMO

48、S管导通。输入低电平，PMOS管导通；输入高电平，PMOS管截止。CMOS门电路CMOS非门CMOS门电路CMOS非门电压传输特性CMOS非门电流传输特性 CMOS反相器的传输特性接近理想开关特性， 因此其噪声容限大，抗干扰才干强。锁相环技术在时间内插电路运用中，门电路延迟线是作为VCOVoltage Controlled Oscillator的一部分放在环中，构成一个环形振荡器，振荡周期由门电路的延迟时间所决议。当供电电压变化或者是温度变化时，利用负反响机制，改动各门电路单元的供电电流，调整和稳定各门电路单元的延迟时间，稳定VCO的输出频率。因此消除了由于供电电压变化和温度变化带来的延迟时间

49、变化。另外，这种电路还具有易于集成，功耗小的优点。 延迟锁定环技术 DLL技术与PLL技术很类似，也是将门电路延迟线放在反响环中，经过相位检测，调整各门电路单元的供电电压，调整和稳定各门电路单元的延迟时间。在DLL电路中，输入参考时钟直接与其经过门电路延迟线后的信号进展相位检测。门电路延迟线并不构成闭环构造， 所以不存在VCO电路，而是构成一个所谓的VCDLVoltage Controlled Delay Line电路。无源RC延迟线DLL电路的每个延迟单元输出都同时送入各Hit存放器的相应D输入端，当一个物理事例信号产生时，Hit信号经一个RC延迟线，产生M个不同相位延迟的信号将当前DLL的

50、时钟沿形状记录下来。设RC延迟线的单元延迟时间等于tN/M，那么所得到时间精度为：Tbin = TRef / N.M，其中，N为DLL的延迟单元个数，M为RC延迟线的延迟单元个数。 基于时间邮戳Time Stamp技术的TDC传统的TDC丈量时间间隔采用所谓的“Start-Stop技术，即用Start信号启动TDC计数，用Stop信号停顿计数。 把Start和Stop都作为一个击中HIT，时间邮戳Time Stamp，或称为时间标志技术是经过记录每个HIT发生的时辰，再由数据处置电路如DSP计算得到 HIT 之间的时间间隔，这已成为比较通用的方法。HIT发生的时辰的记录是采用“粗计数和“细时间

51、丈量相结合方法， “细时间丈量采用“延迟线时间内插和符合方法。基于时间邮戳Time Stamp技术的TDC欧洲粒子物理实验室推出的通用性极强的高集成度TDC芯片HPTDC基于时间邮戳技术的TDC，时间精度为25ps 。德国ACAM公司的GPX和GP2是基于时间邮戳技术的TDC商业产品。时间精度也在几十ps。时间数字转换芯片 TDC-GPX 提供最高10ps精度时间间隔丈量，在德国acam公司引入了TDC-GPX芯片之后将时间数字转换芯器TDC带入了一个新的纪元。德国acam公司为高精度时间数字转换集成芯片制造专家，引入了革命性的丈量新技术。TDC-GPX这个芯片以最低10ps(10 10-12

52、 秒)的精度和40微秒的丈量范围，成为医学上呈像扫描，导航系统，导弹防御系统，测距仪，速度丈量，频率相位丈量仪器等等运用中一个强有力的丈量工具。当芯片任务在M-方式下，GPX的10ps精度将1500m的间隔丈量量化到了1 mm间隔精度, 峰峰值为70 ps (5 mm). GPX的最高脉冲频率182Mhz是这款芯片成为需求高采样频率和高时间分辨率的3维激光扫描的理想选择。四种不同的可选方式使TDC-GPX有非常广泛的丈量运用。在I-方式下，GPX芯片提供了8个LVTTL输入通道，丈量精度可达81ps,无限的丈量范围，5.5ns的输入脉冲最小间隔。G-, R- 和 M-方式全部提供了 两个LVTTL 或者两个LVPECL 输入通道. 在G-方式下, 精度为 40 ps, 丈量范围为65 us, 可测脉冲间的最低时间间隔为1.5ns. 在R 方式下, 丈量精度到达27 ps, 丈量范围为40 us 脉冲对精度为5.5 ns. 在 M-方式下, 精度可到达10 ps rms 峰峰值精度为70 ps 丈量范围为10us。GPX的典型功耗从39 到45mA, 使其非常适宜电池驱动仪器。为了协助产品开发和开场高精度时间间隔的丈量，ATMD-GPX丈量评价系统可以使设计工程师们经过电脑对GPX芯片的