時(shí)間測量方法PPT課件

1、2011-04-201固定靶實(shí)驗(yàn)中的時(shí)間測量 高能物理等物理實(shí)驗(yàn)中探索物質(zhì)亞原子級精細(xì)結(jié)構(gòu)的基本手段之一 加速的脈沖束流轟擊固定靶，產(chǎn)生的次級粒子被固定靶后面的探測器“墻”檢測 對每個(gè)事例，束流探測器探測到每個(gè)束流作為每個(gè)事例的“起始”信號，所有探測器的輸出經(jīng)甄別后接到時(shí)間測量電路中作為“停止”信號第1頁/共30頁2011-04-202對撞實(shí)驗(yàn)中的時(shí)間測量 高能物理等物理實(shí)驗(yàn)中探索物質(zhì)亞原子級精細(xì)結(jié)構(gòu)的基本手段之一 兩束粒子被加速后相撞，對撞后產(chǎn)生的次級粒子從對撞點(diǎn)向四周飛行，圍繞著對撞點(diǎn)放置大量探測器 通過測量帶電粒子的飛行時(shí)間t，結(jié)合徑跡探測器測量同一粒子的動(dòng)量p和飛行徑跡長度l，得到粒子

2、的本征質(zhì)量m0，鑒別出帶電粒子的種類第2頁/共30頁2011-04-203粒子物理實(shí)驗(yàn)中的時(shí)間測量TOF: Time of Flight第3頁/共30頁2011-04-204飛行時(shí)間質(zhì)譜儀中的時(shí)間測量1/2mv2=eVv=(2eV/m)1/2T=L(m/2eV)1/2第4頁/共30頁2011-04-205激光測距中的時(shí)間測量 由激光二極管對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到傳感接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管 雪崩光電二極管：內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，能檢測極其微弱的光信號 記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的往返時(shí)間t D=ct/2 要想

3、使分辨率達(dá)到10cm，則傳輸時(shí)間的測量分辨率 好于600ps第5頁/共30頁2011-04-206子彈速度測量中的時(shí)間測量第6頁/共30頁2011-04-207超聲波流量測試?yán)锏臅r(shí)間測量第7頁/共30頁2011-04-208超聲波厚度、密度檢測中的時(shí)間測量厚度檢測密度檢測第8頁/共30頁2011-04-209時(shí)間測量電路的性能參數(shù) 動(dòng)態(tài)范圍（measurement range, MR） 分辨率（resolution/least significant bit/quantization step, LSB/Bin） 精度（standard meausrement uncertainty /ran

4、dom error, RMS） 非線性（DNL、INL） 死時(shí)間（dead time） 讀出速度第9頁/共30頁2011-04-2010基本的時(shí)間測量方法 波形數(shù)字化 甄別與數(shù)字變換 定時(shí)甄別：將一個(gè)物理事例的模擬信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)具有時(shí)間信息的數(shù)字邏輯信號 前沿定時(shí) 過零定時(shí) 恒比定時(shí) 時(shí)間數(shù)字變換（TDC）第10頁/共30頁2011-04-2011TDC的分類 按實(shí)現(xiàn)手段分類 模擬式（TAC+ADC） 數(shù)字式（計(jì)數(shù)器型） 按測量對象分類 起停型（Start-Stop Type）TDC 時(shí)間戳型（Time Stamp Type）TDC 流水線型（Pipeline）TDC 事例驅(qū)動(dòng)型（Data D

5、riven）TDC 如何得到高的時(shí)間分辨？第11頁/共30頁2011-04-2012TAC時(shí)間測量（起停型） 較小的死時(shí)間 取決于ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間 可達(dá)到較高分辨率 目前LSB：1ps20ps 容易受環(huán)境溫度和外界干擾影響 影響時(shí)間測量精度的主要因素：恒流源的穩(wěn)定性、充電電容的線性、電路噪聲（特別是積分環(huán)節(jié)上的噪聲），及后續(xù)ADC電路的特性第12頁/共30頁2011-04-2013簡單起停型TAC工作波形圖（1）tCIVC正常工作第13頁/共30頁2011-04-2014起停型TAC工作波形圖（2）有起無停/超出動(dòng)態(tài)范圍先停后起第14頁/共30頁2011-04-2015差分電流積分 TAC工作原

6、理第15頁/共30頁2011-04-2016差分電流積分 TAC工作波形IVVCttTstopcapstartcapstopstart)()()(第16頁/共30頁2011-04-2017時(shí)幅變換的性能指標(biāo)及測量 時(shí)間測量精度 積分非線性 微分非線性譜峰變化道數(shù)）延遲時(shí)間（道數(shù)psFWHMFWHMT第17頁/共30頁2011-04-2018Wilkinson型TDC（雙斜率型TDC）第18頁/共30頁2011-04-2019直接時(shí)間數(shù)字變換（計(jì)數(shù)器型） 易于實(shí)現(xiàn) 異步計(jì)數(shù)器同步計(jì)數(shù)器格雷碼計(jì)數(shù)器 容易得到大的動(dòng)態(tài)范圍 增加一個(gè)觸發(fā)器即擴(kuò)大一倍動(dòng)態(tài)范圍 精度不易提高 1GHz時(shí)鐘頻率LSB=1n

7、s 與信號異步，最大誤差LSB 可通過多次測量求平均提高精度第19頁/共30頁2011-04-2020起停計(jì)數(shù)型TDC工作原理CounterClockStartStopStart-stop type第20頁/共30頁2011-04-2021起停計(jì)數(shù)型TDC工作波形第21頁/共30頁2011-04-2022起停計(jì)數(shù)型TDC 最好使用格雷碼計(jì)數(shù)器 自激振蕩時(shí)鐘和他激振蕩時(shí)鐘 提高分辨率依賴于時(shí)鐘速度的提高，困難 可以利用時(shí)間內(nèi)插方法提高分辨率第22頁/共30頁2011-04-2023自激時(shí)鐘造成計(jì)數(shù)誤差第23頁/共30頁2010-05-1024電路構(gòu)成： 門電路A、B和延遲器構(gòu)成一個(gè)多諧 振蕩器

8、D型觸發(fā)器為多諧振蕩器的控制電路初始狀態(tài)： /Q=H，封鎖門A 門A的輸出 = H 門B的互補(bǔ)輸出 = L工作狀態(tài)： /Q：H L，解除封鎖 門A的輸出：H L 門B的互補(bǔ)輸出： L H 然后循環(huán)跳變外部同步信號時(shí)鐘信號CLK復(fù)位信號t tH外部同步信號復(fù)位信號D1212QQC CL LK KT Td dC CAB他激振蕩門控多諧振蕩器ftTtpdAdpdB12第24頁/共30頁2010-05-1025門控多諧振蕩器電路設(shè)計(jì)考慮兩個(gè)基本的設(shè)計(jì)考慮， 確保門控多諧振蕩器的性能：采用速度最快的ECLinPS電路ECLinPS電路最小傳輸延遲時(shí)間為300ps，上升、下降沿不超過500psECLinP

9、S電路的亞毫微秒傳輸延遲時(shí)間和上升、下降沿確保了多諧振蕩器狀態(tài)的快速翻轉(zhuǎn)，最大限度地消除了時(shí)鐘抖動(dòng)起振時(shí)間僅僅取決于D型觸發(fā)器和門A的傳輸延遲時(shí)間，其數(shù)值大約為數(shù)百ps，而且ECLinPS電路傳輸延遲時(shí)間的不確定性非常小，因而其同步誤差極少使用ECL的有源延遲線作為定時(shí)電路采用高速ECL有源延遲線來取代RC定時(shí)電路，產(chǎn)生必需的延遲時(shí)間，這樣就有效地消除了由RC定時(shí)電路帶來的時(shí)鐘抖動(dòng)第25頁/共30頁2010-05-1026門控多諧振蕩器的特點(diǎn)同步性能好同步誤差可以小到幾十ps的數(shù)量級起振快僅僅取決于D型觸發(fā)器和門A的傳輸延遲時(shí)間，其數(shù)值大約為數(shù)百ps頻率范圍大，調(diào)節(jié)方便調(diào)節(jié)定時(shí)電路的延遲時(shí)間，可以很方便地調(diào)節(jié)輸出時(shí)鐘信號的頻率頻率穩(wěn)定性較好ECL電路的溫度補(bǔ)償電路和穩(wěn)定的工作電流特點(diǎn)，使其傳輸延遲時(shí)間隨溫度和工作電壓的影響較小，因而，相對TTL和CMOS電路有較好的頻率穩(wěn)定性ECL電路的快速前、后沿，使得信號抖動(dòng)較小第26頁/共30頁2010-05-1027起停型和時(shí)間戳型TDCCounterClockStartStopStart-stop typeCounterClockRegisterHitResetTime Stamp type第27頁/共30頁2010-05-1028流水線型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型TDC第28頁/共30頁2010-05-1