第五章时间分析教材

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.脉冲波形甄别基本内容§1.概述

§2.定时方法

§3.符合

§4.时间量变换方法

§5.脉冲波形甄别目的与要求熟练掌握：前沿定时和恒比定时方法，起停型时幅变换器工作原理。

掌握：符合电路的方法原理和电路结构。了解：ARC定时方法，脉冲波形甄别电路。

§1.概述

一.

时间信息的甄别和分析的意义

二.定时道基本组成：图5.1.2（1）探测器与输出电路

（2）快前置放大器（3）定时滤波放大器

（4）定时电路

（5）时间变换器

三.探测器输出信号的定时：图5.1.3

四.定时误差：时移、时晃、时漂

五.时间分辨率内容提要核事件的许多信息常以时间信息的方式存在于探测器输出信号中。例如激发态寿命表现为相继两信号的时间间隔分布；中子的能量可以表现为中子飞越一定距离所需的飞行时间；粒子入射的空间位置常可表现为位置灵敏探测器输出信号的时间信息，入射粒子的种类有时也可反映于信号电荷的时间分布（波形）。所以，为了探测核事件的性质、发生的时间和位置，常要设法获取信号的时间信息并进行处理。在时间的测量和分析中，首先是用定时方法准确的确定入射粒子进入探测器的时间。时间上相关的事件可以用符合技术进行选择。时间间隔可通过变换的方法，变成数字信号，从而编码分类计数，最后得到时间谱，即相关时间间隔的概率密度分布。本章将讨论时间信息的甄别和分析，包括定时方法、符合技术和时间量变换等内容。一.时间信息的甄别和分析意义：

定时方法(准确确定入射粒子进入探测器时间)

符合技术(选择时间相关事件)

时间—数字交换(时间间隔分类讁数)时间间隔测量应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，用来测量带电粒子的飞行时间，其主要功能是通过所测量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，从而辨别粒子的种类。测量探测器的信号和e+e-的作用发生时刻之间的时间间隔，就可以测量到粒子的飞行时间信息。返回在实际测量时，携带时间信息的探测器输出信号是通过放大器、定时电路、时间数字变换器等部件组成的时间测量系统进行获取和分析的。把用于时间测量的这一路的各个部件统称为时间道。（1）探测器与输出电路（2）快前置放大器（3）定时滤波放大器

（4）定时电路（5）时间变换器二.定时道基本组成探测器与输出电路有机闪烁体、快速光电倍增管、有的半导体探测器(时间分辨快)快时间响应的输出电路：低阻抗输出(传输电缆阻抗)、快前置放大器

用于时间分析的探测器要有快响应性能，即时间分辨率要小。为了保持探测器输出信号的快时间特性，要求探测器输出电路有快的时间相应相配合。例如：闪烁体探测器输出的时间信号，往往用低阻抗输出。在半导体探测器中，为了输出快的时间信号就不能用能量分析时用的电荷灵敏前置放大器，而要用快前置放大器。快前置放大器为了取得快时间信号，要求有快速时间相应的前置放大器以保持探测器输出信号时间信息不变，如快电流灵敏前置放大器。如果定时的时间分辨要求不太高，则有时用于能量分析的前置放大器也可用作定时信号的前置放大器。定时滤波放大器用于定时的前置放大器输出信号有时还要进一步放大才能驱动定时电路，这需要一种快速的主放大器。它放大时间响应快的信号，并有滤波成形电路能使噪声对定时性能的影响减到最小。这种放大器称为定时滤波放大器。定时电路定时电路用来确定粒子进入探测器的时间，它应该使各种因素对定时产生的误差为最小。时间变换器时间变换器把信号时间间隔变换成对应的数码，或者先将时间量变换成幅度量再换成数码。这样，后面的多道分析器就可以进行分类统计，测出时间分布（时间谱）。在时间分析中，首先遇到的是一个定时问题，即要产生一个与核事件的时间信息精确地相关的逻辑脉冲问题。或者说，要确定入射粒子进入探测器的精确时间，所以也称为时间检出或时间拾取。显然，对于一个包含时间信息的信号，若要精确地确定时间，理想的是产生一个象冲击函数一样的时间脉冲，即在t0时产生一个精确地定时信号。但是实际探测器输出电流信号不是理想的冲击函数信号，而是具有一定形状（一定宽度）的电流脉冲。三.探测器输出信号的定时时间信号的检出要求它的出现时刻与粒子击中探测器的时刻能精确地相对应。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→探测器被击中（t0时刻）→探测器信号输出（t1时刻出现信号）→电子学电路信号处理（放大、成形等）→时检电路检出信号送到时间信号分析电路或符合电路输入端（t0’时刻出现信号）。

时间信号的检出在讨论时间信号检出时，从探测器输出的电流信号有以下几点需要考虑：延迟。t1在t0之后一定时间之后出现展宽。实际的电流信号不是一个

信号涨落。(t0’-t0)是一个随机量，而且信号形状也会随机变化。时检电路的功能是使的涨落尽可能小，或者说的晃动很小。返回四、定时误差时间游动，时间晃动，时间漂移：Timewalk，Timeflitter，Timedrift时间游动是由于输入信号幅度和波形的变化，引起时检电路输出脉冲产生时间的游移变动；游动的大小和信号幅度或上升时间的变化范围有确知的对应关系。时间晃动是由于探测器输出信号的统计涨落(例如闪烁探测器中光电倍增管渡越时间的涨落)以及系统中存在的噪声，引起时检电路输出脉冲产生时间的涨落。时间漂移是时检电路和探测器中对温度、电源电压敏感并容易老化的元件引起的定时误差，这是一种慢变化误差。五、时间分辨表征一个时间分析系统的主要特征是时间分辨，它是指系统能分开两个事件的能力，或者说时间分辨是系统能分辨两个事件的最小时间间隔。目前，用电子学方法测量最小时间间隔约为10-13s，有的甚至10-15s.电子学测量时间间隔的范围大概为10-3-10-12s之间，主要范围在微秒到皮秒之间。通过微秒量级的定时称为慢定时，皮秒量级的定时称为快定时。探测器：光电信增管2～50ns

正比器上升时间0.1～1μS

PN结0.1～1ns§2.定时方法定时电路是核电子学中检出时间信息的基本单元，故而又称为时间检出电路。它接收来自探测器或放大器的随机脉冲，产生一个与输入脉冲时间上有确定关系的输出脉冲，这个输出脉冲称为定时逻辑脉冲。因为探测器输出的脉冲上升时间变化范围很大，输出脉冲幅度变化范围也很大，再加上噪声的影响，所以精确定时有一定的困难。目前，已经发展了许多种定时方法，有前沿定时、过零定时和恒比定时等。§2.定时方法前沿定时图5.2.21.误差分析图5.2.3图5.2.3图5.2.4图5.2.52.触发比与斜率噪声比3.实例图5.2.8图5.2.9过零定时1.目的2.单极性信号成为双极性信号方法图5..103.电路结构：图5.2.114.实际结构、波形图5.2.12三.恒比定时工作原理：图5.2.13图5.2.14实例图5.2.15四.幅度和上升时间补偿定时（ARC）（略）五．定时方法比较表5·1六．最佳定时滤波器与定时滤波放大器1.最佳定时滤波器2.定时滤波放大器图5.2.21图5.2.22图5.2.23

七.定时单道幅度分析器1.定时方法与效果2.几种实际的定时单道图5.2.24图5.2.25图5.2.26内容提要产生时间晃动的几个主要因素

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因素：探测器的固有晃动。噪声引起时检电路输出的时间晃动。幅度时间游动效应。上升时间游动效应。以上几种因素在不同条件下对晃动所起的影响是不相同的，因而要具体加以分析，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解决办法。

返回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，它的产生原因也不相同，大致因为载流子在探测器内运动途径不同造成的。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异，而击中的位置往往是随机的，因而信号输出的时间产生时间晃动。返回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。

返回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异，探测器输出信号幅度的随机变化造成了时间上晃动，称为幅度时间游动效应。返回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异，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。

返回一、前沿定时原理：阈值固定时的触发电路。(图5.2.2)前沿定时是检出定时信号的最简单方法。来自探测器或经过放大器的脉冲直接触发一个阈值固定的触发电路，在脉冲的前沿上升到超过阈值的时刻，产生输出脉冲作为定时信号，如图。一、前沿定时误差分析：1）输入信号幅度变化引起的时间移动图5.2.3:ΔtLA2）上升时间变化引起的时间移动图5.2.31与2:ΔtLT二、定时方法2.1前沿定时前沿定时误差分析将输入信号用方程式表示如下：定时时间：二、定时方法前沿定时误差分析

1）输入信号幅度和上升时间变化引起的时间移动信号幅度、上升时间同时变：信号幅度变，上升时间不变：信号幅度不变，上升时间变：二、定时方法2）超阈延迟上面分析没有考虑甄别器的超阈延迟。实际上，输入信号刚刚超过甄别阈时，甄别器并不立即产生输出信号，而是要在信号超过甄别阈某一数值后才触发；触发时间晚于上述的td1、td2、td3，分别存在超阈延迟△1、△2、△3。输出信号的实际产生时间将为td1’、td2’、td3’。信号前沿斜率越小，超阈延迟通常越大，所以超阈延迟的存在将增大时间移动。3）噪声引起的时间晃动(图5.2.4)噪声叠加在信号之上将引起时检电路输出的时间晃动。影响定时误差的噪声主要来自探测器、定时电路本身和在定时电路前面的电子电路（如前置放大器）。探测器噪声和定时电路前面的电路噪声叠加在输入信号上面，使输入信号幅度和过阈时间产生统计性的变化，如图a).而定时电路本身的噪声主要表现在阈电平的统计性变化上，如图b)

4）输入信号统计所引起的时间晃动(图5.2.5)

输入信号波形的统计涨落取决于探测器的脉冲形成过程中的涨落因素。我们知道，对于同一类、同一能量的入射粒子，即使入射到探测器的同一区域，探测器输出信号的产生时间、幅度和波形也是涨落的。信号的统计涨落将引起定时的时间晃动。用闪烁探测器和半导体探测器进行时间测量，对于它们的输出波形，都应理解为某种统计平均值。前沿定时的定时误差2、触发比与斜率噪声比1.触发比、斜率噪声比在前沿定时中，变化的触发延迟是整个时间移动中的重要部分。为了减小触发延迟所引起的定时误差，使用两种小触发延迟电路。第一种是用雪崩晶体管触发电路构成的另一种是用隧道二极管触发电路构成的。3.前沿定时甄别器实例1）慢前沿定时甄别器：图5.2.8

（2）快前沿定时甄别器：图5.2.9前沿定时总结优点：电路简单，工艺上易于作成混合集成电路或单片集成电路，故适用于需要数量很多的实验系统中。缺点：时间游动大。所以可用于闪烁探测器和面垒型探测器，不适用于前沿慢而变化范围大的平面或同轴PIN探测器。为了减小时间游动，还需采用幅度选择技术，以选择幅度在某一不大范围内的信号来定时。通常用定时单道分析器进行幅度选择。然后利用符合电路选择定时电路和时间测量电路的输出信号。幅度选择对于得到比较合适的触发比也是必要的。前沿定时的时间游动也可采用补偿办法改善。二、过零定时目的：克服输入信号幅度变化引起的时移t=0时输入信号还不存在，所以无法作为定时点。输入信号的起始部分（即t稍大于零）由于它的上升时间斜率通常是很小的，而且噪声容易触发，定时误差很大，也不适合作定时点。因此，为了实现过零定时，需要将信号成形为具有另外一个过零点的波形，并且要求过零斜率尽量大，以减小时间晃动。获得新的过零点的方法一般是把单极信号成形为双极信号。对于上升时间相同、只是幅度不同的输入信号，其达峰时间相同，可以用两次微分方法，使达峰时刻变成过零点。对于上升时间不同、幅度也不相同的信号，则常用短路延迟线成形方法产生双极过零信号。设单极信号为单极性信号成为双极性信号方法：图5.2.10（a）双微分准高斯(CR)2=(RC)m成型（过零成形）

（b）双延迟减(DL)2成形3.电路结构：过零成形、过零甄别器（图5.2.11）4.实际结构、波形VT=AMtd

（图5.2.12）

过零定时总结过零定时的优点在于能消除输入信号幅度变化的时间移动，所以输入信号幅度范围很宽；电路调节简单。但过零定时不能消除输入信号上升时间变化产生的时移，而且触发比f不易调节。另外，在过零点的输入信号前沿斜率不是很大的，例如（CR）2-（RC）m成形是在信号幅度峰值处得到过零点，所以斜率噪声比不是最佳的。三、恒比定时提出恒比定时的基本思路恒比定时甄别原理恒比定时甄别器实现返回提出恒比定时的基本思路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点。探测器的固有时间晃动往往与外电路收集到的电荷量与总电荷量比值有关，在某一比值时，固有时间晃动可达到最小。这一比值却好就是触发比P:P=VT/Vi如果能对每一个信号作到恒定的触发比，就可以选择合适的比值，使探测器的固有时间晃动最小。同时能克服幅度游动效应。返回恒比定时甄别原理恒比定时甄别原理返回恒比定时在输入脉冲幅度的恒比比例点上产生过零脉冲。它既使用了过零定时技术，又能调节触发比为最佳，减小时间晃动。所以它综合了前沿定时和过零定时优点，大大提高了定时精度，是目前应用最广的定时方法。实现恒比定时的两种结构形式恒比定时电路的工作原理2.实例：图5.2.15四、幅度和上升时间补偿定时2.电路（略）

3.实例（略）四、幅度和上升时间补偿定时五．定时方法比较比较三种定时电路对Ge(Li)探测器输出信号的性能影响，结果：对单能粒子，前沿定时的定时误差最小，对宽能量范围粒子，前沿定时的时移最大。过零定时对宽能量范围粒子定时误差较小，但单能粒子不如前沿定时和ARC定时。ARC定时对宽能量范围粒子的定时误差小，但对低能粒子却比前沿定时和过零定时差。表5.1定时比较方法前沿定时过零定时恒比定时ARC定时慢上升拒绝工作方式前沿触发Af(t)=VT过零触发VT=0f=p，VT=PAtd>(1-P)tM时间移动消除幅度变化时移，不能消除上升时间变化时移同过零定时消除幅度和上升时间变化时移斜率噪声比触发比f易调一定可调预置甄别器不要要要双予置特点使用最早，使用普遍，电路简单，f易调，单能粒子时移小，宽能时移大幅度变化范围大，f不能调节幅度变化范围大，f可调，小幅度涨落大消除幅度和上升时间变化时移，要求上升时间线性变化消除慢上升信号，几种定时都可采用六、最佳定时滤波器和定时滤波放大器1.最佳定时滤波器（略）2.定时滤波放大器具有定时滤波电路的放大器称为定时滤波放大器或定时放大器。定时放大器要求具有快速性能，所以也有称为快定时放大器，或快定时滤波放大器。特点：快速，上升时间一般要小于几个纳秒。定时滤波器的积分时间常数要不影响探测器输出信号的上升时间，微分时间常数要使信号尽量快回到基线而且不要对脉冲幅度影响太大。利用（CR）2-（RC）M

和（DL）2滤波成形电路定时滤波放大器的放大倍数约为几百倍可变。成形滤波器通常为准高斯成形（单级形和双极形）。滤波器成形时间常数比谱仪放大器中的成形时间常数要小得多，一般为几个纳秒到几百纳秒可变。也可以用双延迟线（DL）2成形。实际定时放大器：图5.2.22、图5.2.231.定时方法与效果

2.几种实际的定时单道

（1）慢定时单道脉冲幅度分析器图5.2.24

七.定时单道幅度分析器

（2）后沿恒比时单道幅度分析器图5.2.25、图5.2.26（实例）第五章习题与思考题（P249-):§3.符合

符合概述符合电路基本结构

符合曲线

快-慢符合符合电路实例一、概述在物理上，符合是指两个物理事件在时间上相互重合。来自辐射源的一个核事件被两个探测器探测到，两个探测器的输出信号经过放大成形后由定时电路定时，定时电路输出幅度与宽度不变的脉冲到符合单元的两个输入端。若两个信号在时间上符合，则符合单元输出一个信号到计数器计数，表示是一个符合事件。理想的符合是指两个事件在时间上完全重合，即两个事件的时间差△t=0，这在实际上是不可能的，因为任何一个核事件都有一定的时间过程，核辐射探测器输出信号都有一定的时间宽度和一定的时间涨落。所以实际的符合指的是事件在一定的时间间隔内的重合。一、概述符合测量是一项广泛应用的和电子学方法，用来选取时间上符合的事件，舍弃无关事件，以免无关事件淹没了符合事件的信息。用于符合测量的电路称为符合电路。其基本逻辑功能相当一个数字门电路。如图所示，对于正信号输入的，相当于一个与门；对于负信号输入的,相当一个或门。一、概述一、概述与上述符合功能相反，若在给定的时间间隔中，当选定的一个（或几个）输入端出现一个（或几个）信号时，该信号（或事件）即阻止逻辑单元电路相应地产生输出信号，此为反符合功能。具有反符合功能的电路单元称为反符合单元。表5.4反符合单元逻辑功能符合端1100反符合端1010反符合单元输出0100反符合信号是一个禁止信号，即只要有反符合信号，则不管其它输入状态如何，都没有信号输出，所以反符合端又称禁止端。例如：在粒子加速器束流调节中应用。二、符合电路基本结构符合电路只有在各电路输入信号在时间上重合或部分重合时，才可能产生输出信号，称为符合输出。通常各路输入信号都先形成为宽度相同的逻辑脉冲。信号成形得越窄，能产生符合输出的输入信号在到达时间上的差别就越小；我们称之为分辨能力高或分辨时间小。二个输入信号分别经过定时成形电路之后，使其输出信号前沿晃动很小，以宽度分别为Tw1和Tw2信号加入符合门电路，只有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，只有满足

符合门才有输出，其分辨时间应为：

二、符合电路基本结构在理想情况下，所成形的信号为矩形脉冲并且不存在时间游动和晃动。符台电路本身也不存在过渡过程的条件下，能产生符合输出的输入信号时差范围等于输入信号宽度的两倍，即信号间隔在-tw到+tw之内可产生符合输出。对于目前的探测器和核电子学系统，分辨时间在量级时，近乎这种情况。在分辨时间小到ns量级时，信号的上升、下降时间，定时的游动和晃动；符合电路本身的过渡过程都不可忽略。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。

二、符合电路基本结构二、符合电路基本结构符合曲线为了测定符合系统（包括探测器在内）的时间分辨能力，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返回电子学瞬时符合曲线用一个信号源代替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。调节相对延迟量，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如果考虑到：(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，因而对符合门输入来说，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，不能响应，这相当于减小了有效宽度。(3)考虑到噪声叠加在信号、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。由于以上原因，瞬时符合曲线不仅宽度减小，而且形状上偏离了矩形，为曲线2。这就是实际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返回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间晃动及偶然符合等因素。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

偶然符合计数率

真符合事件计数率

为时差涨落的方差

E为电子学分辨时间

物理曲线形状与电子学曲线相似

曲线高度下降，形状变窄，平顶部分消失，这是由于真符合计数被丢失了物理瞬时符合曲线在实际测量中，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，它们有可能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，称这种符合为偶然符合。显而易见，偶然符合应与二个电路相对延迟时间无关。偶然符合计数为：随着

E增加，W(td)曲线高度平移地升高。这正是偶然符合所造成的。

WE(td)把看成宽度为

E，高度为1的矩形函数

物理瞬时符合曲线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晃动，当

E选得较小时真符合事件可能漏记，造成真符合计数损失。

E越小，损失越多。

E取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，偶然符合计数也正比地增大，偶然符合与真符合计数之比随之增大。从符合曲线中求得偶然符合计数虽然可以再从实际曲线中扣除偶然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的选择要综合加以考虑。从时间分辨和减小偶然符合角度来看，

E取小些为好；从真符合计数损失来看，

E不能取得太小。符合系统所能达到的最小分辨时间，根本上取决于探测器和定时系统的时间涨落大小。返回快-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。在时间符合作为基本条件之下用幅度选择作为辅助措施来减小偶然符合。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行符合，其分辨时间不能取得很小，否则会降低效率（真符合计数损失增加），但增大分辨时间又会使偶然符合增加。为了解决这个矛盾，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，因而时间晃动很小，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行幅度选择。只有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。返回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进行“与”或者“或”逻辑，再通过单稳态芯片MC10198调节输出脉冲宽度，最后分别转换成快NIM和TTL输出。最小时间窗可达到2ns。返回快信号的传输和纳秒延时器

1.传输电缆图5，3，13（1）电位特性：a.特性阻抗：50Ω，75Ω，93Ω

b.单位长度电容:每米n+pf～一百n+pf

c.衰减系数：db/m

d.耐压:kv

（2）匹配方法：串接匹配并接匹配

第五章习题与思考题（P249-):§4.时间量变换方法

一.时间分析方法

1.TDC（时间--数字交换）

2.TAC（时间--幅度交换）

二.时间--幅度变换

1.起-停型时幅变换

2.重叠型时幅变换

3.性能指标

4.实例

三.时间-数字变换(略)

四.上升时间—幅度变换(略)

第五章习题与思考题（P249-):§4.时间分析器

时间分析器的构成时间－数字变换TDC(略)时间-幅度变换器（TAC）基于幅度-时间修正的时间间隔测量（略）时间分析时间分析是分析一个核态与另一个核态之间的时间关系，也就是测量核事件的时间间隔概率密度分布。一个事件为起始时间，另一个事件为停止事件，两个事件相对时间间隔大小是随机分布的。在电子学上，就是测量相应的起始信号和停止信号之间时间间隔的分布。这不论是对于时间相关的一对核事件的时间信息，还是对于时间相关的大量核事件时间信息，还是对于单个信号所携带的时间信息，都是一样的。时间分析器的构成

常用的有两类时间分析器二个信号加入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理系统；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，进行幅度-数字变换，再送入数据获取与处理系统。时间分析器的构成时间分析器用来测量时间谱，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返回时间－数字变换

TDC起始停止计数器型TDC基于时间内插技术（TimeInterpolating）的TDC基于时间邮戳（TimeStamp）技术的TDC基于时间放大技术的TDC返回起始停止计数器型TDC待测的起始（start）和停止（stop）二个信号分别输入到触发触复器（FF）S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，因此通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，进行串行-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。起始停止计数器型TDC直接计数器型TDC的优点是电路简单，大尺度时间测量范围，且全数字化，易于集成。时间精度（一个LSB代表的时间间隔量）受到时钟频率以及它的稳定性限制，因为高时钟频率（1GHz以上）在工艺和电路结构上要付出很高代价。这种TDC的时间精度在ns量级。采用自激时钟振荡器会造成2T0的误差，采用它激时钟振荡器误差可以减小到1T0，但是在一般情况下，振荡器起振阶段，频率和幅度不稳定，也会带来误差。返回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3转换为4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。而格雷码则没有这一缺点，它在相邻位间转换时，只有一位产生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。格雷码仅改变一位，这样与其它编码同时改变两位或多位的情况相比更为可靠，即可减少出错的可能性。

返回基于时间内插技术（TimeInterpolating）的TDC要满足高时间精度和大尺度测量范围的TDC目前采用所谓的“粗”计数（CoarseCounting）和“细”时间测量（FineMeasurement）相结合的方法。这种方法中，“粗”计数一般由高性能的直接计数器型TDC。使用的参考时钟频率一般在数百MHz，达到几个ns的时间精度；而“细”时间测量的实现则依靠时间内插技术（TimeInterpolation），在一个时钟周期内进行时间内插，达到亚纳秒（100ps~10ps）的时间分辨。时间内插技术的基本思想是采用适当的方法将“粗”计数使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频率提高了M倍。一个直接的方法就是利用若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（TimeInterpolating）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信号则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（PhaseLockedLoop，简称为：PLL）技术延迟锁定环（DelayLockedLoop，简称为：DLL）技术无源RC延迟线返回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。时间分辨则由一个延迟单元的延迟时间所决定。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。缺点是门电路的延迟时间容易受到供电电压波动和温度变化的影响而产生变化，需要经常进行刻度。返回锁相环技术在时间内插电路应用中，门电路延迟线是作为VCO（VoltageControlledOscillator）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定。当供电电压变化或者是温度变化时，利用负反馈机制，改变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变化。另外，这种电路还具有易于集成，功耗小的优点。

返回延迟锁定环技术

DLL技术与PLL技术很类似，也是将门电路延迟线放在反馈环中，通过相位检测，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通过门电路延迟线后的信号进行相位检测。门电路延迟线并不形成闭环结构，所以不存在VCO电路，而是形成一个所谓的VCDL（VoltageControlledDelayLine）电路。返回无源RC延迟线DLL电路的每个延迟单元输出都同时送入各Hit寄存器的相应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的时钟沿状态记录下来。设RC延迟线的单元延迟时间等于tN/M，则所得到时间精度为：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。返回基于时间邮戳（TimeStamp）技术的TDC传统的TDC测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信号停止计数。把Start和Stop都作为一个击中（HIT），时间邮戳（TimeStamp，或称为时间标记）技术是通过记录每个HIT发生的时刻，再由数据处理电路（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发生的时刻的记录是采用“粗”计数和“细”时间测量相结合方法，“细”时间测量采用“延迟线”时间内插和符合方法。基于时间邮戳（TimeStamp）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。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。返回基于时间放大技术的TDCWilkinson型TDC游标尺（Vernier）计时器返回Wilkinson型TDCWilkinson型TDC是上世纪50年代提出的，其基本思想是基于所谓的时间放大（TimeStretch）原理，人们也常称其为双斜率型TDC。这种TDC是电路中采用两个不同的恒流源I1和I2。采用大电流I1对电容快速充电，充电时间T1正比于输入信号Start和Stop的时间差。而在数字化时，采用小电流I2放电，同时用一个高速计数器在充电时间T1和放电时间T2内进行时钟计数。很显然，计数器中的计数N正比于输入的Start和Stop信号的时间差。而时间放大因子K则由两个恒流源电流的比值K=T2/T1=I1/I2确定。这种TDC有较大的变换（死）时间，约等于（K+1）T1，不适合高计数率应用。

返回游标尺（Vernier）计时器二个信号分别加入到起始端和停止端，触发T1和T2两个振荡器后加入符合门，用符合输出作为二个关闭振荡器的关门信号用振荡器T1输出的信号作为地址寄存器（计数器）的输入，作串行-并行变换后输出数码。游标尺（Vernier）计时器两个门控振荡器产生频率略微不同的两个时钟信号，其频率分别为f1=1/T1和f2=1/T2，T1>T2，T=T1-T2=T1/K，CP1为T1输出，它的第一个脉冲出现的时刻为TA1，第i个脉冲出现的时刻为TAi;CP2为T2输出，它的第一个脉冲出现的时刻为TB1，第i个脉冲出现的时刻为TBi；Tx=TB-TA为待测时间间隔，有：

为时间脉冲宽度，取

T，当TBm-TAm<时，符合门就有输出，而关闭二个振荡器。输入到地址寄存器的脉冲个数为m，这种TDC的时间道宽为T，将二个振荡器的频率差做得很小，就可以获得很小的时间道宽。

游标尺（Vernier）计时器二个输入信号之间时间间隔为Tx=TB-TA，而时钟振荡器起振与停止的时间间隔为Ty=Tam-T1＝(m-1)T1，是进行一次变换