核电子学方法【-】

1、核电子学方法第五章时间信息的分析 第五章 时间信息的分析 1 概 述 2定时技术3符合电路4 时间分析器5脉冲形状甄别（PSD） 结束 1. 概 述时间信息分析所要解决的基本问题 时间信号的检出 返回时间信息分析所要解决的基本问题时间间隔甄别 时间间隔测量 返回时间间隔甄别时间间隔甄别应用实例时间间隔甄别器的基本功能 返回时间间隔甄别应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。因为+和-的动量相等，且对面碰撞，根据动量守恒定律，和飞行方向相反，飞行速度近似相同，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

2、不同信号S1和S2产生时刻发生差别，如果最大时差值为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 。需要用一个时间间隔甄别器来作为事例的选择 。返回 时间间隔甄别器的基本功能N个信号加入它的输入端为 u1,u2.ui. uN-1,uN，它们分别在 ti（i=1,2N）时刻到达甄别器的输入端，其中任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 ，只要有任意一对信号不满足

3、上述条件，将不产生输出。经常遇到的情况是处理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 ，若满足 -1 t1t2 0） 在输出端产生逻辑信号输出，否则将不产生输出 。 1 2为其分辨时间。 选择 1 = 2 = ，则分辨时间为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）。返回时间间隔测量时间间隔测量应用实例时间分析器的基本功能 返回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

4、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。返回时间分析器的基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，用来完成时间间隔测量。时间间隔编码电路是时间间隔测量中关键部件，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行数据采集与存储，它的功能与多道幅度分析器中数据获取系统相同。 返回时间信号的检出无论是送到符合电路还是送到TDC的信号，要求它的出现时刻与粒子击中探测器的时刻能

5、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2. 定时技术 产生时间晃动的几个主要因素 时间晃动大小的度量 前沿

6、定时甄别器-固定阈值甄别器恒比定时甄别器（CFD）幅度和上升时间补偿定时（ARC） 返回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

7、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

8、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 Pd（td），可以得到各级矩：由此推知td的随机变化情况，来度量的晃动大小 。一般可以假设td服从高斯分布， 和 是关键参量作为时间晃动的度量 时间晃动大小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实验测量 在实验上可以用同一瞬间产生两个粒子的放射源（如60Co 源 ，几乎是同时发射 两个粒子1和2 ）； 测量计数随（即时间间隔）值变化曲线 ，图中求得 和半高全宽时间FWHMtd ,时间晃动为返回前沿定时甄别器-固定阈值甄别器前沿定时特性分析基本电路构型返回前沿定时特性分析（一）将输入信号

9、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，假定在快甄别器情况下， t很小 ，暂不加以考虑 。在Vi由Vi1变为Vi2时，Vi= (Vi1 -Vi2)，如果Vi很小，则输出信号对输入信号的时间延迟差 td=(t2-t1)应为：td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前沿定时特性分析（二）上述讨论在Vi很小情况下，如果Vi变化很大时，服从某一种分布规律，要得到 td必须Vi的概率密度函数求得td的概率密度函数，得到 td。

10、若达峰时间 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。 返回基本电路构型高速运算放大器（例如THS3201、OPA847等）构成的施米特甄别器； 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，还可减少由于幅度效应引起的时间游动甄别器需要有稳定的阈电压。 阈电压的产生程

11、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。返回恒比定时甄别器（CFD）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用经延迟后

12、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号，该信号从负极性变到正极性的过零时刻与信号幅度无关，在此时刻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刻检出信号的作用。 恒比定时甄别原理用 ui(t)来近似描述输入信号: 经过衰减倒相后信号（其中为衰减因子）： 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刻 ：由此可知 (1)过零点与信号幅度无关 (2)在tz时刻，对于任何幅度都一样。因此tz是一个理想的时刻，既克服了游动效应，又在此时刻的信号值与总幅度之比为一恒值。在这一时刻检出信号可以达到恒比定时的目的。图中过

13、零甄别器ZCD起到在时刻检出信号的作用 返回恒比定时甄别器实现门控型恒比定时甄别器双予甄别门控型恒比定时甄别器双极性信号成形方法返回门控型恒比定时甄别器返回双予甄别门控型恒比定时甄别器 成形电路采用恒比成形时，常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，有可能使前沿甄别器输出信号落在过零时刻之后，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，提出一种改进方案，即双予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基础上再加上一个固定阈值甄

14、别器DT，其阈值比的阈值要大 。在小信号时（即输入信号幅度略大于 VTP）不能触发 DT，因而最后不产生输出。只有输入信号幅度大于 VTT才能触发 DT，产生最后输出，这时DP的输出信号不会落在过零时刻之后，保证了恒比定时。 但是这样也会带来一个问题，输出信号前沿时刻在略超过情况下亦会落在之后，又将造成输出信号对应的前沿定时时刻。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。 返回双极性信号成形方法延迟线成形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

15、的电压差为： Vr(t)=Vi(t)-Vc(t)=R i(t)=RC dVc(t)/dt 在电容器上电压达到峰值之后，积分电阻上的电流方向改变，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。 返回幅度和上升时间补偿定时（ARC）恒比定时仅仅解决了幅度游动效应，未曾解决上升时间游动效应。ARC定时可同时解决幅度和上升时间游动效应。它的电路结构完全与恒比定时相同。但延迟时间td应满足： 相加后输出信号应为 解得 在ARC定时中 对于延迟信号的触发比 对于衰减倒相信号的触发比 在tm不是常数时， 和 也就不是常数，因而不是真正

16、恒比 。 返回3. 符合电路 符合电路基本结构 符合曲线 快-慢符合符合电路实例 返回符合电路基本结构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： 符合电路基本结构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。 返回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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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。

23、返回4. 时间分析器 时间分析器的构成时间数字变换 TDC 时间-幅度变换器（TAC）基于幅度-时间修正的时间间隔测量返回时间分析器的构成 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

24、止计数器型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 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

25、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

26、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（Time Interpolating）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（Coarse Counting）和“细”时间测量（Fine Measurement）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

27、；而“细”时间测量的实现则依靠时间内插技术（Time Interpolation），在一个时钟周期内进行时间内插，达到亚纳秒（100 ps 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（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

28、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（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 返回

29、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（Voltage 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

30、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（Voltage Controlled Delay Line）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，

31、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（Time Stamp）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（Time Stamp，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

32、 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（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 。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（

33、Time Stretch）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

34、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，T1T2，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。

35、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，是进行一次变换所需要时间 ，游标尺计时器等效于一对时间信号将其时间间隔放大了K倍之后再去控制一个时钟门。 返回时间幅度变换器（TAC）TAC基本原理TAC实例返回TAC基本原理时间-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办法是在此间隔内对电容器进行恒流充电,静态时S1 和S 2闭合，C上电压

36、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，停止信号将S 2断开，C上的电压正比于两个信号之间的时间间隔。电容器上保持住的电压为Vc=Itx/C，tx为二个输入信号的时间间隔 。返回TAC实例初始状态，S1、S2和S4断开，S3导通；Start信号输入，S1 and S4导通，S3断开，恒流源I1对C1充电，在A1的输出产生线性上升电压；当达到阈值Vref时，COM1将对FF2置位，S2导通，两倍于I1电流的恒流源I2流过开关，流过C1为方向相反I1，C1恒流放电，使A1的输出电压线性下降；直到A1的输出为零，COM2复位，S2断开，C1再次被I1充电；重复上面过程，从而A1的

37、输出幅度为零到Vref之间变化的三角波形。Stop信号到达，S1 and S4断开，S3 导通，恢复到初态。S4、C2和 A2构成一个峰保持电路，在stop信号到达时刻的幅度Vt保持，进行AD变换。 CTR1和CTR2两个计数器分别记录FF2的Q和/Q计数。时序图三角波周期为Vt值为NA/D为VT经过AD变换的数码；Nsum 为CTR1和CTR2的计数N1和N2之和；时间间隔T（Start 与Stop之间）为时间分辨为其中K为ADC的位数。这种TDC的分辨可以达到几十psTAC实例电路实现A1和A2放大器采用高速运放AD825；触发触复电路FF和计数器采用MAX9698S210DE用作模拟开关

38、MAX6250用作建立电流源和Vref返回基于幅度-时间修正的时间间隔测量在当代大型物理实验中，由于通道数很多，恒比定时的电路相对比较复杂，造价高，用于时间测量，通常采用简单的前沿定时方法，并且利用同一信号的幅度（电荷）测量对幅度-时间游动带来的定时误差进行修正（一般是离线修正），这已成为一种基本的方法。 基于幅度-时间修正的时间间隔测量的原理图前端电路的具体实现返回5. 脉冲形状甄别（PSD） 脉冲形状甄别经常用来鉴别粒子的类型。不同类型的粒子在某些探测器中产生的电流脉冲形状有明显差别，藉此可用来甄别粒子的种类。粒子类型的鉴别可以将各种粒子混在一起的能谱分别予以记录，避免相互叠迭。也可用来剔

39、除某一类粒子的本底。从电路原理角度来区分，脉冲形状甄别有电荷比较法与时间比较法二种 时间比较法波形甄别的原理探测器输出的电流脉冲被积分后形成电压脉冲，它的上升时间仅决定于电流脉冲的形状与宽度； 将它成形为双极性，使过零点时间与幅度无关，仅决定于信号的上升时间，也就是决定于探测器的电流脉冲的形状与宽度。利用这一个特点就可用来作波形甄别，用于粒子类型的鉴别。 波形甄别电路前沿时检电路的阈值调节很低，它的输出信号vl在输入信号起始时刻t0出现；过零时检电路的输出信号vz在信号过零时刻tz产生，而tz与探测器输出的电流脉冲形状和宽度有关。调节延迟时间td(tz-t0)使输入到符合电路的信号重叠符合电路

40、产生输出（图b中vi1的情况） 。若(tz-t0)不等于td的情况，符合电路不产生输出。这类输入信号就被剔除了（图中vi2情况）。 波形甄别电路改进用TAC来替代符合电路，使不同波形的输入信号产生不同幅度的信号输出，再用幅度选择器作幅度选择，用此方法作波形甄别更为方便。二个时检电路可用二个不同比值的恒比定时电路替代，同样可以得到波形甄别的结果。 返回O4uUaA#gG(mM3tT9zZfF*lL1rR7xXdD%jJ+pP5vVbB!hH)nN3tT9zZfF*lL1rR7xYeE&kK0qQ6wWcC$iI-oO4uUaA#gG(mM2sS8yYeE&kK0qQ6wWcC$jJ+pP5vVb

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