核电子学与核仪器课件

1、核电子学与核仪器覃国秀Tel: 核技术教研室2009/05/26第一页，共三十页。上次课关键点第二页，共三十页。本堂课主要内容五、闪电型模数变换器六、模数变换器的主要技术性能及其测量 6.1模数变换器的道宽、零点和积分非线性 6.2模数变换器的微分非线性 6.3计数率特性 6.4道剖面第三页，共三十页。五、闪电型模数变换器为了进一步提高变换速度，随着大规模集成电路技术的进步，近几年又发展了一种闪电型模数变换器，简称FADC。闪电型模数变换器原理 第四页，共三十页。五、闪电型模数变换器闪电型模数变换是高速数字化的重要方法，可用来对波形进行高速取样，在高能物理实验中有不少应用。但是，它的微分非线性

2、很差，尤其在高计数率时，可达百分之几十，所以不适合于精确的能谱测量。闪电型模数变换器的精度每增加1位，所需要的比较器就增加一倍。同时，闪电型模数变换器的性能在很大程度上还取决于这些比较器的静态、动态特性的一致性。因此实现高精度的闪电型模数变换在技术上还有一定难度。第五页，共三十页。五、闪电型模数变换器为了克服比较器太多的缺点，可用多阵列的方法。这种方法不是用一个并联比较器阵列，而是分为几个阵列。双阵列闪电模数变换器 第六页，共三十页。五、闪电型模数变换器双阵列闪电模数变换器电平示意图第七页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.1模数变换器的道宽、零点和积分非线性 幅度响应是模数变换

3、器的一个基本特性。从模数变换器的幅度响应可以求得变换系数、零点和积分非线性。测定模数变换器的幅度响应关键在于精确的确定幅度Ai及其相应的道址mi，但是由于模数变换器所变换的信号是在某个道宽大小内的脉冲幅度，所以存在一个道宽大小的误差。 第八页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.1模数变换器的道宽、零点和积分非线性道边界法 以道址mi为自变量测定对应的信号幅度Ai，一般以各道的下边界作为该道道址mi所对应的Ai，测得数据就是模数变换特性m=f(A)的结果。 实际的道边界存在噪声、电源电压抖动等随机干扰，所以道边界是涨落的。第九页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.1模

4、数变换器的道宽、零点和积分非线性峰位法 以信号幅度Ai为自变量测定对应的道址mi。其原理是：在脉冲发生器输出脉冲上叠加一定幅度的白噪声，使得幅度具有一个分布。这样的脉冲送到模数变换器中就会进入模数变换器的若干道中，从而使输出数字具有一个分布。第十页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.1模数变换器的道宽、零点和积分非线性峰位法 测量时应该得到对称的峰形。峰的宽度应该使得0.1Nmax之间有10道左右。第十一页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量为了确定峰的确切位置，用线性内插法先确定峰的左边和右边计数刚好等于0.1Nmax处所对应的道数mb和mh。每道的计数： 最大求和数

5、对应mh-1道，峰位mp对应于纵坐标0.5N*max那点的横坐标再加0.5道。 第十二页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量用上述方法可测得道宽的稳定性误差，包括长时间工作稳定性、温度稳定性等。长时间稳定性： 温度变化引起的道宽不稳定： 道宽不稳定将会引起能谱形状的变化，一般，影响峰位主要在高道址上。 第十三页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.1模数变换器的道宽、零点和积分非线性峰位法 零点是幅度响应的截距。零点的稳定性误差与温度误差： 零点的不稳定会引起能谱峰位的移动。它对低道址的峰位影响较大。 第十四页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.1模数变换器

6、的道宽、零点和积分非线性峰位法 模数变换器的积分非线性：理想值与真实值之间的偏差为： 积分非线性为： 温度变化 第十五页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量计算积分非线性的更精确方法可以用最小二乘法得到最佳拟合直线。实测N个点，可得 第十六页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量由此可得到积分非线性为：为了简便，实际工作中往往用近似方法计算。 第十七页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.2模数变换器的微分非线性 模数变换器的微分非线性是指各道道宽偏离平均值的程度。各道道宽是一个统计分布。为了测定各道道宽是否一致，利用脉冲幅度概率密度为常数的信号来进行测量，这种信

7、号经过幅度数字变换后，在各道的计数就反映出道宽的均匀性。 第十八页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.2模数变换器的微分非线性 通常用周期性滑移脉冲发生器产生幅度线性变化的脉冲序列作为“白谱”信号。滑移脉冲发生器的波形 第十九页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.2模数变换器的微分非线性 滑移脉冲发生器的脉冲序列可表示为：单位幅度间隔内的脉冲数： 微分非线性DNL为： 由各道计数偏差求得的各道道宽的相对偏差为： 第二十页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.2模数变换器的微分非线性 模数变换器的微分非线性测量结果如图所示。温度变化引起微分非线性的变化，其

8、结果可由下式来决定： 以上测量中，应使每道计数具有良好的统计精度，即各道计数要足够大。但是滑移脉冲发生器的重复频率有限，因此对于高道数的模数变换器，测量微分非线性需要很长的时间。 第二十一页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.2模数变换器的微分非线性 实际测量中，模数变换器接受的是随机脉冲，为了直接了解道宽偏差对于随机性脉冲测量的影响。可用随机性滑移脉冲进行测定。随机滑移脉冲发生器的脉冲序列不是周期性的，而是随机的，所以各道计数平均值为 时，标准偏差为 ，大于此标准偏差的就是道宽不均匀及涨落的影响。直接从能谱中估计微分非线性的影响 第二十二页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性

9、能及测量6.3计数率特性 模数变换器的计数率特性反映了输入计数率增高时模数变换器特性的变化。通常用所测能谱的峰位移动和分辨率变坏来衡量。模数变换器计数率特性测量框图 第二十三页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.3计数率特性 一般，在整个能谱测量系统中，由计数率变化引起峰位移动和分辨率变坏的主要因素是放大器。在计数率高时，放大器产生的脉冲堆积和基线漂移较严重，而模数变换器中的直流耦合的影响要比放大器小。在实际系统中要研究的主要是放大器的计数率特性问题。如果要测定模数变换器本身的计数率特性就要求在它前面的电路有比它更好的计数率特性，这通常是很难做到的。第二十四页，共三十页。六、模数

10、变换器的主要技术性能及测量6.4道剖面 道剖面又称道轮廓，是反映道边界统计涨落大小的一个技术指标。实际模数变换器由于噪声、电源电压涨落等而存在统计涨落，因此道边界不是一个恒定不变的边界线。理想道边界 实际道边界 第二十五页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.4道剖面 假设道边界的分布是高斯分布，则道宽同样是一个高斯分布。对于恒定边界，则 恒定道边界 统计涨落道边界 第二十六页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.4道剖面 道剖面的平坦部分所占的比例常用来衡量模数变换器道宽的性能。若平坦部分所占的比例很小，则道宽的统计涨落就很大。这将在分析能谱时，使各道计数有附加的涨落。 通常要求道剖面平坦部分大致有60%左右，这样可以使道宽涨落引起的统计误差小于核辐射本身的统计误差。较好的模数变换器其道剖面平坦部分要占90%以上。第二十七页，共三十页。六、模数变换器的主要技术性能及测量6.5特殊仪器介绍第二十八页，共三十页。第二十九页，共三十页。内容总结核电子学与核仪器。为了进一步提高变换速度，随着大规模集成电路技术的进步，近几年又发展了一种闪电型模数变换器，简称FADC。闪电型模数变换是高速数字化的重要方法，可用来对波形进行高速取样，在高能物理实验中有不少应用。但是，它的微分非线性很差，尤其在高计数率时，可达百分之几十，所以不适合于精确