脉冲幅度甄别和分析课件

1、脉冲幅度甄别和分析课件脉冲幅度甄别和分析课件核电子学研究对象通过观测微观粒子间相互作用过程中产生的各种辐射、辨别辐射粒子的类型、测量其能量动量、确定各种辐射粒子间时间关系和重建辐射粒子在空间穿越的径迹等，从而获得微观粒子相互作用过程中各种信息，揭示出微观世界的奥秘核电子学研究的是如何处理和分析核辐射探测器给出的电信号核电子学研究对象通过观测微观粒子间相互作用过程中产生的各种辐微观粒子的探测过程 辐射源：放射源、对撞机、激光束、固定靶 . . . 探测器：电离室、正比管、闪烁体 . . . 电信号：电信号检出、前置放大、阻抗变换 . . . 模拟处理：放大、成形、滤波 . . . 数字化：ADC

2、、TDC、甄别器、计数器 . . . 数据获取系统：数据处理、在线分析、数据存储 . . .3微观粒子的探测过程 辐射源：放射源、对撞机、激光束、固定靶 核电子学应用领域 随着实验物理的不断发展，核电子学技术也渗透到其他应用领域中，并不断促进着电子技术的发展原子核物理和粒子物理等离子体物理天文物理量子光学核技术应用等4核电子学应用领域 随着实验物理的不断发展，核电子学技术也渗透当代核物理实验发展趋向实验规模大、粒子能量高探测单元数量大、类型多和体积规模庞大实验自动化程度越来越高实验精度很高 在线与离线处理形成一个整体 事例/本底比越来越小5当代核物理实验发展趋向实验规模大、粒子能量高7核电子学

3、的特点电子学和计算机技术与实验物理学的交叉学科 处理的对象是在时间和幅度上随机变化的电脉冲对时间、幅度、位置等信息量的测量精度要求较高探测系统庞大，测量的信息量也非常大有时需要连续运行3-6个月，测量时间长需要在强辐射、强磁场、高温、高压等环境工作下，测量条件恶劣6核电子学的特点电子学和计算机技术与实验物理学的交叉学科 8核电子学基本技术随机信号处理技术快电子学技术实时技术总线技术成像技术网络技术离线技术等核电子学基本技术随机信号处理技术随机信号处理技术脉冲幅度分析模拟信号的成形、放大，模数变换，数据采集噪声处理针对探测器输出信号特点，提高信噪比时间分析时间测量、定时分析、符合测量8随机信号处

4、理技术脉冲幅度分析10随机信号处理技术计数测量随机脉冲频率粒子分辨利用脉冲形状、时间信息、飞行轨迹等触发判选从噪声和本底信息中提取有效的事例信息9随机信号处理技术计数测量11核电子学系统的基本结构核电子学系统的基本结构核辐射探测器给出的电信号 核辐射探测器给出的电信号特点一系列幅度大小不一、波形形状不尽一致、前后间隔疏密不均匀出现的时间随机分布的电荷或电流脉冲由入射粒子的性质和探测器的响应所决定，根据这些脉冲及相关参数，可以得到有关核辐射和粒子的信息核电子学研究的是通过对核辐射探测器给出的电信号进行处理和分析，获得粒子的各种性质，为研究粒子的内在规律提供实验依据11核辐射探测器给出的电信号 核

5、辐射探测器给出的电信号特点13核辐射探测器给出的电信号脉冲所携带的电荷量电荷量的大小与入射粒子的能量（能量损耗）成正比若输出电流脉冲，其面积代表电荷量将脉冲携带的电荷送到电容上累积，电容上的输出电压幅度的大小分布就能反映入射粒子的能谱脉冲出现的时刻由该时刻可以确定粒子入射探测器的准确时刻当使用2个以上探测器时，可以确定入射粒子在时间上的相互关系，从而测定脉冲时间间隔上的分布，即时间谱12核辐射探测器给出的电信号脉冲所携带的电荷量14核辐射探测器给出的电信号单位时间内平均出现的脉冲数和单位时间内平均入射的粒子数成正比，可以反映入射粒子的强度，从它的变化也可测量粒子的寿命脉冲的形状有些探测器输出脉

6、冲波形的某些参数，如上升时间和入射粒子的类型有关，通过对这种波形参数的测量，可以识别入射粒子的类型，如分辨n、p、d或其他粒子13核辐射探测器给出的电信号单位时间内平均出现的脉冲数15核辐射探测器给出的电信号在核辐射探测器中，射线和物质相互作用所产生的电离、激发、光电转换和倍增过程都是随机的，且核衰变也是以一定的概率性来表现由于核事件本身（时间特性、幅度分布）的随机性而出现的统计涨落，在探测器输出信号时，具有与通常周期信号根本不同的特点核辐射测量中，最基本的特点就是它的统计特性14核辐射探测器给出的电信号在核辐射探测器中，射线和物质相互作用核辐射测量中的常用探测器脉冲电离室正比计数器半导体探测

7、器闪烁探测器15核辐射测量中的常用探测器脉冲电离室17探测器的等效电路iD(t)是入射粒子在探测器中产生的电流信号，CD是探测器输出电容，一般为几pF 几十pF，RD是探测器输出电阻，一般为几百k 几百M，入射粒子在探测器内产生的电荷量Q为：16探测器的等效电路iD(t)是入射粒子在探测器中产生的电流信号探测器输出信号的基本特性输出信号的幅度输出信号的幅度取决于探测器中的介质、粒子沉积的能量入射粒子在探测器介质中产生电荷对的平均对数：单位能量产生的平均电荷对数：17探测器输出信号的基本特性输出信号的幅度19探测器输出信号的基本特性探测器的固有能量分辨入射粒子在探测器介质中产生电荷的过程存在着随

8、机性，产生的电荷对数N的分布近似认为服从高斯分布，探测器的固有能量分辨定义为：从能量分辨率来看，半导体探测器为最佳， 气体探测器次之，闪烁探测器较差18探测器输出信号的基本特性探测器的固有能量分辨20探测器输出信号的基本特性线性和稳定性线性：电荷对数平均值与所消耗粒子能量的线性程度稳定性：受环境温度和电源电压变化的影响时间特性电荷在外电场作用下漂移，会受到探测器的介质、结构、机理影响电荷的收集过程决定了输出电流波形的时间特性19探测器输出信号的基本特性线性和稳定性21常用探测器性能比较20常用探测器性能比较22信号的分析方法信号的频域和时域分析不管是有效信号还是噪声，都是时间t的实函数，可以在

9、时间域里研究它们的时间函数，也可以在频率域内分析它们的频谱富里叶变换和拉普拉斯变换是常用的信号富频域分析方法，富里叶变换通常用于分析信号和噪声的频率特性，而拉普拉斯变换含有衰减因子，变换容易收敛，更适合分析系统的时域响应21信号的分析方法信号的频域和时域分析23信号的分析方法冲击响应和频率响应组成富里叶变换对：多级串联线性系统总的频率响应可表示为各级系统频率响应之积：22信号的分析方法冲击响应和频率响应组成富里叶变换对：24信号的分析方法复频域分析的一般方法为：对输入信号作拉氏变换，得到像函数Vi(s)利用复阻抗法，计算系统的传递函数H(s)以上两项相乘得到输出信号的像函数Vo()利用拉氏反变

10、换求输出信号的时域波形vo(t)复阻抗法：ZR=R， ZC=1/sC， ZL=sL23信号的分析方法复频域分析的一般方法为：25常用的拉式变换结合延迟定理和导数定理，就可以很方便地解出大部分时域波形24常用的拉式变换结合延迟定理和导数定理，就可以很方便地解出大部极点、零点与时域波形的关系在线性时不变系统中，传递函数H(s) 可以化简为两个有理多项式之比，其中Zk称为传递函数的零点，Pi称为传递函数的极点：在复频域分析中，可以通过极点和零点的特征，方便了解时域波形的变化规律，如波形是否会产生过冲或震荡、是单极性波形或是双极性波形等25极点、零点与时域波形的关系在线性时不变系统中，传递函数H(s极

11、点、零点与时域波形的关系时域函数的形式取决于极点在复平面上的位置，如果极点是单阶的，则时域函数总是以下六种形式之和：26极点、零点与时域波形的关系时域函数的形式取决于极点在复平面上极点、零点与时域波形的关系系统的稳定性分析：只有当所有极点位于左半平面时，冲击 响应是逐渐衰减的，系统是稳定的当系统的极点是一阶共轭虚数时，产生的是等幅正弦振荡，属于临界情况如果在S的右半平面上有极点，则冲击响应是逐减增长，系统是不稳定的若系统有二阶以上的共轭虚数，冲击响应随时间增长，系统也是不稳定的27极点、零点与时域波形的关系系统的稳定性分析：29极点、零点与时域波形的关系增加负实数极点：通过RC积分电路，可增加

12、负实数极点输出波形峰位后移，波形更平滑，峰值两边趋向于对称单极性输入，输出仍是单极性波形增加实数零点：对原波形求导，则相当于增加的零点值为0输出波形为原波形及其时间导数的线性组合原单极性波形将变为双极性波形，在原峰位时间产生过零点28极点、零点与时域波形的关系增加负实数极点：30前置放大器为了从探测器输出端获得所需的电信号，同时减少探测器输出端到主放大器输入端之间的分布电容的影响，减少外界干扰，提高信噪比，并使联接信号用的高频电缆阻抗相匹配，通常把与探测器输出直接相联的电路称为前置放大器前置放大器的功能主要是预放大探测器的输出信号，进行阻抗变换，从而使能量、时间的测量更加准确29前置放大器为了

13、从探测器输出端获得所需的电信号，同时减少探测器前置放大器在时间和能量测量系统中，前置放大器分别侧重于保留信号的不同特点，可以分为积分型放大器和电流型放大器积分型放大器电压灵敏前置放大器：对探测器信号先积分再放大电荷灵敏前置放大器：放大和积分同时进行电流型放大器电流灵敏前置放大器：保留输入电流信号的形状特征30前置放大器在时间和能量测量系统中，前置放大器分别侧重于保留信探测器和前放电路的等效模型探测器和前放电路可等效为：其中CD为探测器输出电容，CS为引线分布电容，CAi为放大器输入电容从输出端看，有输入电容：Ci=CD+CS+CAi输出端电压为：vi(t)=Q/Ci31探测器和前放电路的等效模

14、型探测器和前放电路可等效为：33电压灵敏前置放大器电压灵敏型前置放大器实际上就是电压放大器，其基本原理就是电压-电压放大电压灵敏型前置放大器电路结构简单，但前放输出电压的幅度受Ci变化影响较大，输出电压的精度不高CD随外加偏压而变化，CS随引线长短、元件位置等因素而变化，CAi与放大器工作状态有关一般用在探测器输出信号幅度较大，精度要求不高的系统，如闪烁探测器后面32电压灵敏前置放大器电压灵敏型前置放大器实际上就是电压放大器，电荷灵敏前置放大器基本结构：带有电容负反馈的电流积分器由高输入阻抗、高增益的倒相放大器与一个反馈电容组成从放大器的输入端来看，有输入电容：Cif=Ci+(1+A0)Cf3

15、3电荷灵敏前置放大器基本结构：带有电容负反馈的电流积分器35电荷灵敏前置放大器当运放开环增益A 1时，有：输出信号幅度VOM ，仅仅决定于Cf值和Q的大小，将不随Ci或A的不稳定而变化只要Cf值恒定，输出信号幅度保持与电荷量正比关系，可用于高能量分辨率能谱仪系统34电荷灵敏前置放大器当运放开环增益A 1时，有：36电荷灵敏放大器的主要指标电荷-电压转换增益GQV输出电压稳定性上升时间输入阻抗动态范围和最高计数率35电荷灵敏放大器的主要指标电荷-电压转换增益GQV37电荷灵敏放大器的元件选择放大器：在输入级必须选用低噪声放大器，若探测器及前置放大器工作在低温状态下，可以显著改善系统的噪声反馈电容

16、：反馈电容Cf的大小影响系统的分辨率，Cf常取pF量级，并且要有很好的稳定性反馈电阻：选用低噪声电阻，阻值一般不小于109，为减小输入端的分布电容，反馈电阻的体积要小36电荷灵敏放大器的元件选择放大器：38电流灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器的目的是使输出信号在形状上与探测器电流脉冲相接近，实现方法主要有：电压-电压型放大器：在输入端并联上小电阻，在电阻上形成电压信号，电阻一般选为50并联负反馈放大器：采用并联负反馈以减小输入电阻，得到很小的时间常数电荷灵敏放大后微分输出：既可以获得与电荷量正比的电压信号，同时也可获得宽度与输入电流相近的窄脉冲37电流灵敏前置放大器电流灵敏前置放大器的目的是使

17、输出信号在形状能谱测量中的能量分辨粒子能量E 探测器电荷Q 前放输出电压V积分型前置放大器将使其输出信号幅度正比于辐射核子在探测器中沉积的能量，因此测量其被线性放大后信号的幅度就可以确定入射粒子沉积的能量，从而可以获知入射粒子的能量由于电荷量有统计涨落，必须测量大量信号，统计出这些信号按幅度分布曲线，这就是幅度谱能谱测量中的能量分辨粒子能量E 探测器电荷Q 前放输能谱测量中的能量分辨能谱线的宽窄是衡量探测器系统和电子学系统对相邻很近谱线的分辨能力能量分辨率的定义为：能谱测量中的能量分辨能谱线的宽窄是衡量探测器系统和电子学系统影响能谱仪能量分辨的因素探测器的固有分辨这是电离或激发过程统计涨落造成

18、的，其在能谱曲线中产生的对应方差为sD噪声引起的谱线展宽电子学噪声会造成电路中一些重要节点的电平随机涨落，而叠加在信号上，从而造成信号幅度的随机涨落，加宽了能谱曲线，电子学噪声平均值为0，概率分布服从高斯分布，它对能谱线展宽的方差贡献为sn影响能谱仪能量分辨的因素探测器的固有分辨影响能谱仪能量分辨的因素堆积和基线涨落由于探测器产生的信号在时间上是随机的，因而有可能出现二个信号叠加在一起的情况，这种情况称为堆积，堆积会使信号幅度产生涨落，近似认为这种涨落服从高斯分布，对谱线展开的方差贡献为sp径迹亏损探测器电流脉冲并不是理想冲击信号，电流信号的宽度和形状会也造成输出信号幅度的变化，近似认为这种展

19、宽对谱线展开的方差贡献为sb影响能谱仪能量分辨的因素堆积和基线涨落影响能谱仪能量分辨的因素上述四种因素在不同系统和不同条件下对能量分辨的影响主次不一，但可以认为是互相独立的假定它们均服从高斯分布，那么最终输出幅度的涨落方差可以表述为：则有：影响能谱仪能量分辨的因素上述四种因素在不同系统和不同条件下对噪声来源热噪声由于载流子的随机热运动引起，存在于所有的器件中在频域中，表现为全频谱分布的白噪声散粒噪声由于载流子产生及消失的随机性，而导致电流的涨落，存在于少数载流子导电器件中在频域中，表现为全频谱分布的白噪声噪声来源热噪声噪声来源低频噪声（1/f 噪声）当两种导体接触不理想时，由接触点电导的随机涨

20、落引起的噪声，主要决定于器件的表面特性，普遍存在于电子管、晶体管、场效应管、电阻等器件中低频噪声电压幅值与频率有关，频率越低，噪声电压越大低频噪声的来源与系统的工艺水平有很大关系，通过抑制低频响应，如提高通频带下限频率，也可以抑制低频噪声噪声来源低频噪声（1/f 噪声）探测器系统噪声分析电荷灵敏放大器的噪声等效并联噪声：探测器漏电流噪声、场效应管栅极电流噪声、偏压电阻RD热噪声、泄放电阻Rf热噪声串联噪声:场效应管的沟道热噪声、场效应管的低频噪声探测器系统噪声分析电荷灵敏放大器的噪声等效降低系统噪声的方法电路元器件的选择：选择低频噪声小的器件选择栅极漏电流小的场效应管热噪声与R成反比，RD和R

21、f电阻值取大一些选用低介质损耗的电容进行放电选择合适的反馈电容，减少冷电容工作环境的选择：降低温度，减少热噪声及探测器的反向漏电流降低系统噪声的方法电路元器件的选择：滤波前置放大器输出的信号通常混杂有噪声和干扰，对于幅度分析系统，可以通过滤波网络来提高信号噪声比滤波网络的作用是在频域里尽可能地滤去噪声的频率成份，尽可能地保留信号的频率成份滤波网络既然具有一定的频率响应，就必然具有一定的冲击响应，在时域中，必然会使输出信号具有一定的形状，因此滤波网络也可称为成形网络滤波前置放大器输出的信号通常混杂有噪声和干扰，对于幅度分析系滤波根据信号和噪声的不同频谱，理论上可以求出一种最佳滤波器，使信噪比达到

22、最佳使系统获得最佳信噪比的滤波器称为匹配滤波器，此时信噪比仅与输入信号能量及输入白噪声功率谱密度相关，而与滤波器的频率响应无关匹配滤波器的冲击响应为： ，即为输入波形的镜像，但延时了tm时刻，tm决定了输出信号的峰值时刻滤波根据信号和噪声的不同频谱，理论上可以求出一种最佳滤波器，滤波对于白噪声，当滤波器的频率响应为输入信号的富氏变换的复共轭时，可以获得最佳的信噪比：如果噪声不是白噪声，可以先用一个网络将噪声白化，再接匹配滤波器滤波对于白噪声，当滤波器的频率响应为输入信号的富氏变换的复共滤波：最佳滤波电荷灵敏前置放大器后的最佳滤波：电荷灵敏放大器输出信号的噪声谱密度可表示为：可利用高通滤波器对其

23、实现白化，当RC=c时，有：滤波：最佳滤波电荷灵敏前置放大器后的最佳滤波：滤波：最佳滤波电荷灵敏前置放大器后的最佳滤波：此时对匹配滤波器，要求其频率响应为：此时最佳信噪比为： 滤波：最佳滤波电荷灵敏前置放大器后的最佳滤波：滤波：最佳滤波电荷灵敏前置放大器后的最佳滤波：对电荷灵敏放大器，a、b与C、Cf有关：则有：即噪声源asbi越弱，信号电荷Q越大，输入端对地冷电容C越小，则信噪比越高滤波：最佳滤波电荷灵敏前置放大器后的最佳滤波：滤波：最佳滤波电荷灵敏前置放大器后的最佳滤波：在时域内，信号经过匹配滤波器，输出波形可表示为：为获得这种形状的输出，要求对t=0时刻的输入信号，在t 时，Vo(t)趋

24、于高斯分布函数形状，因此该滤波也称为准高斯滤波滤波器的实现方法CR - (RC)m滤波器的输出信号为：滤波器的实现方法CR - (RC)m滤波器达到最佳滤波效果时，其劣值系数F为：实际使用中，一般取m3，由实验条件决定，对半导体探测器，一般在s量级，在高计数率测量条件下，要适当减小滤波器的实现方法CR - (RC)m滤波器达到最佳滤波效果时滤波器的实现方法有源滤波器将滤波网络接在放大器反馈回路内构成的滤波器可以用较少元件构成较多次积分可获得共轭复数极点，改善滤波性能滤波器的实现方法有源滤波器滤波器的实现方法低通滤波器滤波器的实现方法低通滤波器滤波器的实现方法高通滤波器将低通滤波器中的电阻、电容

25、互换，即可实现高通滤波器滤波器的实现方法高通滤波器滤波器的实现方法带通滤波器当通带较宽时，可用一个低通滤波器串联一个高通滤波器，如SK高通滤波器+MFB低通滤波器，来实现带通滤波器当通带较窄时，可用单运放来实现二阶带通滤波器滤波器的实现方法带通滤波器滤波器的实现方法带阻滤波器当需要对某些特定频率分量进行衰减时，需要使用带阻滤波器滤波器的实现方法带阻滤波器信号成形滤波是从提高信噪比的角度出发在能谱测量中，还有其它因素对信号形状提出要求：为了减少堆积和基线涨落对能谱线的影响，要求信号宽度尽可能窄，尾部拖的时间短为了减小径迹亏损的影响，要求波形顶部有一定平坦度由于设计侧重点不同，同一个电路既可以称为

26、滤波器，也可以称为成形电路，因此有时也统称为滤波成形电路信号成形滤波是从提高信噪比的角度出发信号成形：极零相消电路电荷灵敏放大器由于反馈回路泄放电阻的存在，输出信号形状是指数衰减形状，其泄放的时间常数由反馈电阻和反馈电容决定，一般在ms量级若用CR高通电路对此信号进行微分，可以将其变成较窄的信号，但微分后的信号会由单极性脉冲变为双极性脉冲，而负向的信号会造成幅度过载效应需要选择一个电路，使得信号在微分之后，仍然保持为单极性信号输出信号成形：极零相消电路电荷灵敏放大器由于反馈回路泄放电阻的存信号成形：极零相消电路极零相消的具体实现方法：极零相消除了要对信号微分外，还需要增加正比于信号波形的部分调

27、节R1，使得1=f，则输出信号为单极性信号，若选择R2 ，适用于f为无限大的脉冲光反馈电荷灵敏放大器信号成形：极零相消电路极零相消的具体实现方法：堆积与基线涨落若在被检测信号到达峰值时刻，出现另一个信号，则此信号必然对被测信号产生非零值叠加，这就是所谓峰堆积峰堆积会使谱形发生畸变，使原谱线峰值计数下降，分辨率变坏，并在峰值的二倍甚至三倍处出现小峰发生堆积的概率主要由Rtw决定，减小tw将有利于减小峰堆积，若Rtw 1%，则发生堆积的概率小于1%，堆积与基线涨落若在被检测信号到达峰值时刻，出现另一个信号，则堆积与基线涨落若满足：ti t - tw，则此信号对被测信号仅仅只有尾部很小残余部分叠加上

28、去，这就称为尾堆积尽管单个信号产生的尾堆积影响很小，但是由于信号数目很大，同时尾堆积出现的时间范围极长，总的影响是可观的尾堆积除了使谱线展宽之外，同时会引起谱线位移，处理它对能谱影响应用统计方法堆积与基线涨落若满足：ti t0 ，但随着M的增大， tCC与tCL相比小得更为明显逐次比较法ADC中的多阈值常使用电阻网络型DAC来实现，这就存在着刻度均匀性问题，若DAC中网络电阻的阻值有0.01%误差，就会造成电阻网络电流有0.01%误差，对一个12位的ADC，由于阈值切换造成的道宽相对偏差能达到20%逐次比较ADC逐次比较法ADC特点逐次比较ADC逐次比较法ADC特点逐次比较法ADC的微分非线性

29、较差，可用道宽均匀器来改善ADC的非线性性能道宽均匀器原理：对幅度为Ui信号，逐一加上0、VH、2VH一直到nVH幅度后做AD变换，并在变换后减去相应的附加数码作为最后输出，这样经过大量信号变换之后，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，经过这样平均之后，各相邻道的道宽也将趋于一致逐次比较ADC逐次比较法ADC特点时间信息分析核事件的许多信息是以时间信息方式存在于核辐射探测器输出信号中时间谱的测量：核素的激发态寿命事例的选择：时间上具有关联的粒子事件粒子的鉴别：脉冲形状甄别粒子的质量测量：飞行时间法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时间

30、信息分析核事件的许多信息是以时间信息方式存在于核辐射探测时间信号检出无论是时间间隔的甄别还是测量，都有一个重要的环节，就是时间信号的检出从探测器输出的电流信号有以下几点需要考虑：延迟，t0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(t0-t0)涨落尽可能小时间信号检出无论是时间间隔的甄别还是测量，都有一个重要的环节时间信号检出时间检出电路接收来自探测器和放大器的随机脉冲，产生与输入脉冲时间有确定关系的定时输出脉冲，定时技术主要解决时间检出信号的晃动时间检出信号出现晃动主要因素包括探测器的固有晃动噪声引起

31、时检电路输出的时间晃动（time jitter）幅度时间游动效应（time walk）上升时间游动效应时间信号检出时间检出电路接收来自探测器和放大器的随机脉冲，产定时方法前沿定时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前沿定时中的定时误差主要包括：幅度游动效应；上升时间游动效应；输入信号超阈延迟时间的影响；输入噪声及阈值涨落的影响为减小定时误差，则应使甄别阈尽量低，同时应限制输入信号幅度的动态范围定时方法前沿定时定时方法过零定时若用输入信号的过零时间作为定时点，则可以克服前沿定时在输

32、入信号幅度变化时引起时间移动太大的缺点为了实现过零定时，需要将信号成形产生新的过零点，获得新的过零点的方法一般是把单极性信号成形为双极性信号，成形方法包括：微分电路成形、短路延迟线DL成形等过零定时电路一般由双极性成形电路、预置甄别器、过零甄别器组成定时方法过零定时定时方法过零定时为了比较各种因素对定时误差的影响，定义触发比p为探测器输出电流脉冲使时检电路触发时的输出电荷QT与电流脉冲总电荷量Q之比过零定时电路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电路的触发比不易调节，且都比较大：对于微分成形，p=1；对于DL成形，p在1/2 1之间定时方法过零定时

33、定时方法恒比定时恒比定时在输入脉冲幅度的恒定比例点上产生过零脉冲，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，大大提高了定时精度，是应用最广的定时方法恒定定时电路的结构框图：定时方法恒比定时定时方法幅度和上升时间补偿定时恒比定时、过零定时仅解决了幅度游动效应，并未解决上升时间游动效应，为此提出了幅度和上升时间补偿定时ARCARC的电路结构与恒比定时完全相同，但其延迟时间td需满足关系：当tm不变时，ARC保持恒比功能；当tm不是常数时，触发比并不恒定，因此ARC仅在信号为线性增长前沿，如半导体PIN探测器时，才能消除时间游动定时方法幅度和上升时间补偿定时符合电路具有符合功能的电路

34、单元称为符合单元当输入信号的时间重叠满足预先给定的符合条件时就输出一个时间确定的信号，符合单元一般可以由逻辑门构成，其的基本逻辑功能相当于一个数字门电路二输入符合电路的基本结构：符合电路具有符合功能的电路单元称为符合单元符合电路符合电路的分辨时间符合电路分辨时间定义为：能产生符合输出的几个输入端脉冲之间的最大时间间隔测量符合电路输入信号的相对延迟时间与符合计数之间的关系曲线，符合曲线的半高宽即为符合电路的分辨时间电子学瞬时符合曲线：仅反映电路本身的特性；物理瞬时符合曲线：反映了探测器和电子学组成的测量系统特性符合电路符合电路的分辨时间符合电路符合电路的分辨时间当分辨时间减小时，由于真符合计数的

35、丢失，会导致物理曲线形状发生变化；分辨时间增大，偶然符合会使测量结果的统计误差增大，因而分辨时间的选择要综合考虑符合电路符合电路的分辨时间时间分析时间分析是分析一个事件与另一个事件之间的时间关系，也就是测量核事件的时间间隔概率密度分布两个信号之间的时间间隔分布可以用延迟符合方法测量通过改变两道符合输入信号之间的相对延迟时间测量其相应计数得到符合曲线，这种方法称之为单道时间分析器多道时间分析器进行时间分析，与用多道脉冲幅度分析器进行分析类似，在一次测量中首先将各种时间间隔的脉冲进行分类转化为数字编码，然后分别存入多道分析器的存储器对应的道中，并对数字化信息进行统计和分析时间分析时间分析是分析一个

36、事件与另一个事件之间的时间关系，也时间分析常用时间分析器分类第一类：二个信号输入到时间间隔幅度变换电路（TAC），TAC的输出幅度正比于信号间的时间间隔，然后进行幅度-数字变换（ADC），最后送入数据获取与处理系统第二类：二个信号加入到时间间隔编码电路（TDC），TDC输出的数码正比于信号间的实时间间隔，再将其送入数据获取和处理系统（DAQ）时间分析常用时间分析器分类时间分析常用TDC类型直接计数型TDC：将待测二个信号分别输入RS触发器的起始端和停止端，则RS触发器Q端输出信号的宽度即为二个输入信号的时间间隔时间分析常用TDC类型时间分析常用TDC类型直接计数型TDC的精度取决于时钟频率f，

37、当时钟频率提高到一定程度时会产生很大困难，目前用到最高的时钟频率为GHz量级，时间分辨约为亚ns量级直接计数型TDC的时钟脉冲与输入起始、停止信号之间在相位上并不是同步的，它们间相位差是随机的，最大会有2T0的时间误差，在时钟与起、停信号间相对位置不同情况下，输出码的误差可达1LSB以上时间分析常用TDC类型时间分析常用TDC类型游标尺计时器：用两个不同的时钟频率同时测量，并以两者的符合输出作为控制信号，以提高计时精度时间分析常用TDC类型时间分析常用TDC类型游标尺计时器的时间道宽为二个振荡器的频率差T，可通过二段延迟时间略有差别的延迟线循环电路来实现很小的频率差，就以获得很小的时间道宽时间

38、分析常用TDC类型时间分析为测量较短的时间间隔，常采用时间放大技术Wlkinson型电路结构：时间分析为测量较短的时间间隔，常采用时间放大技术时间分析Wlkinson型电路原理采用两个不同的恒流源I1和I2进行充放电，时间放大因子K由两个恒流源电流的比值确定，当使用足够大的K时，就可以获得较好的时间分辨死时间较大，约为(K+1)T模拟处理电路容易受到干扰，难以集成化电路中使用了积分技术，因而在积分点上对噪声和电容的非线性性能比较敏感时间分析Wlkinson型电路原理时间分析为满足大尺度范围、高精度时间分辨等综合性能要求，通常采用“粗”计数和“细”时间测量结合的方法“粗”计数一般采用高性能的Gr

39、ay码计数器实现“细”时间测量则主要依靠时间内插技术（Time Interpolation）时间分析为满足大尺度范围、高精度时间分辨等综合性能要求，通常时间分析时间内插技术时间内插技术是目前高精度、宽动态范围时间数字转换系统中的基本技术，而延迟线技术则是时间内插技术的基础通过控制延迟时间，可以将一个时钟周期分成N等分，相当于将时钟频率提高了N倍，从而使测量精度提高N倍时间分析时间内插技术时间测量技术锁相环（PLL）技术锁相环主要由压控振荡器VCO（Voltage Controlled Oscillator）、鉴相器PD（Phase Detector）、环路滤波器LF（Loop Filter）以

40、及参考时钟源组成PLL技术具有灵活性、高集成能力和低功耗等特点，其在设计时，应充分考虑环路的稳定性时间测量技术锁相环（PLL）技术时间分析流水线型计数器时间数字转换电路结构如图在每个时钟周期都记录时间测量信息根据实验的具体情况选择有效的数据其触发时间固定，可以处理非常高的事例率但受数据的存储和读出速度的限制较大时间分析流水线型计数器时间分析数据驱动型计数器时间数字转换电路结构如图只对有效时间测量信息进行获取和缓存通过设置触发信号来进行数据读出筛选利用两级数据判选，提高了有效数据带宽 降低了对存储器的容量需求时间分析数据驱动型计数器时间分析时间-幅度变换器TACTAC是把两个信号之间的时间间隔长

41、短转换成一个幅度与其间隔成正比的输出信号，最方便的办法是在时间间隔内对电容器进行恒流充电若起始信号计数率高于停止信号情况下，为了减小死时间，可以将两者颠倒过来输入，同时对起始信号作一定延迟将TAC与ADC组合在一起，就可以起到时间数码变换器的作用，用这种方法得到的TDC，其时间道宽也可以做得很小时间分析时间-幅度变换器TAC脉冲形状甄别脉冲形状甄别经常用来鉴别粒子的类型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利用恒比定时、过零定时等电路中过零点与信号幅度无关的特点来实现脉冲形状甄别脉冲形状甄别经常用来鉴别粒子的类型数据获取系统在核脉冲计数测量中，最普遍的计数设备是定标器用来测量一定时

42、间间隔内的输入脉冲数定标器有多种工作方式：手动起停、外控起停、定时计数、定数计时等若定标器最高工作频率为fmax，对平均计数率为R的脉冲，则每记录一个脉冲，相对计数损失为：=R/(fmax +R)在定标器的前级采用频率更高的逻辑电路，可减少定标器的计数损失，同时会减弱信号的随机性数据获取系统在核脉冲计数测量中，最普遍的计数设备是定标器数据获取系统无论是多道幅度分析器还是多道时间分析器，都是用数据获取系统来完成按输入的数码进行分类统计和将数据结果存储起来的功能专用硬件多道分析器主体部分由存储器、运算器和控制器组成输入部分可以是ADC或TDC辅助部分则包括显示器和输出接口电路等数据获取系统无论是多

43、道幅度分析器还是多道时间分析器，都是用数数据获取系统微机多道分析器以CPU为主控制器，包含信号获取、存储、显示、操作接口和数据I/O等部分组成多道分析器数据获取的方式脉冲幅度分析方式 (PHA)：常用来测量能谱或时间谱多定标方式 (MCS)：用于测量脉冲计数率随时间的变化趋势列表方式 （LIST)：能记录信号幅度随时间的变化，可用于波形采样数据获取系统微机多道分析器数据获取系统中新技术电子科学和技术总线技术（BUS）专用集成电路（ASIC）可编程逻辑器件（PLD）等计算机科学和技术硬件方面：嵌入式系统（Embedded System）、数字信号处理器（DSP）、处理器阵列（Processor Farm）、高速网络等软件方面：虚拟仪器（Virtual Instrument）、面向对象编程（OOP）、数据库（DB）、图像处理等数据获取系统中新技术电子科学和技术数据获取系统中新技术总线技术总线是指计算机、测量仪器、测试系统内部以及相互之间信息传递的公共通路，是计算机、自动测试等系统的基础利用总线技术，能够大大简化系统结构，增加系统的兼容性、开放性、可靠性