第五章時間分析(1)ppt課件

1、第五章 時間分析1 概 述 2 定時方法3 符合4 時間量變換方法5 脈沖波形甄別核激發(fā)態(tài)壽命丈量；正電子湮沒壽命丈量；正電子發(fā)射斷層掃描；高能粒子徑跡探測；粒子鑒別；符合技術與反符合技術；中子飛行時間望遠鏡丈量法；1. 概 述一、時間信息分析所要處理的根本問題 二、時間信號的檢出 一、時間信息分析所要處理的根本問題1、時間間隔甄別 時間間隔甄別運用實例 時間間隔甄別器的根本功能 2、時間間隔丈量 時間間隔丈量運用實例 時間分析器的根本功能時間間隔甄別運用實例電子正電子對撞實驗中，產生+和-的事例探測器D1和探測器D2相距有幾十米以上，對稱排布，用來測定子。由于+和-的動量相等，且對面碰撞，根

2、據(jù)動量守恒定律，和飛行方向相反，飛行速度近似一樣，從對撞點飛出，應幾乎同時分別擊中D1和D2 。隨著擊中D1和D2 位置不同信號S1和S2產生時辰發(fā)生差別，假設最大時差值為5ns，那么S1和S2時間間隔小于5ns的事例應該是+和-事例的的一個“候選條件，這樣可以排斥掉很多本底事件。例如宇宙射線穿過探測器系統(tǒng) ， D1和D2是先后被擊中， S1和S2的時間間隔將會大于 5ns，不滿足此“候選條件，應該被排斥掉 。需求用一個時間間隔甄別器來作為事例的選擇 。時間間隔甄別器的根本功能N個信號參與它的輸入端為 u1,u2.ui. uN-1,uN，它們分別在 tii=1,2N時辰到達甄別器的輸入端，其中

3、恣意一對信號間的時間差都滿足： -1 titj 0 在輸出端產生邏輯信號輸出 ，只需有恣意一對信號不滿足上述條件，將不產生輸出。經(jīng)常遇到的情況是處置二個輸入信號的符合電路，稱為二重符合電路。二個輸入信號到達的時間分別為t1和t2 ，假設滿足 -1 t1t2 0 在輸出端產生邏輯信號輸出，否那么將不產生輸出 。 1 2為其分辨時間。 選擇 1 = 2 = ，那么分辨時間為2 或稱為符合時間窗寬。具有這種功能的電路通常稱為符合電路 ， 1 2為其分辨時間。也就是時間間隔閾值。時間間隔丈量運用實例飛行時間計數(shù)器是在高能物理實驗中經(jīng)常用到的探測器系統(tǒng)，用來丈量帶電粒子的飛行時間，其主要功能是經(jīng)過所丈量

4、粒子的飛行時間信息，結合其它探測器測得粒子的動量和徑跡，從而區(qū)分粒子的種類。丈量探測器的信號和e+ e-的作用發(fā)生時辰之間的時間間隔，就可以丈量到粒子的飛行時間信息。時間分析器的根本功能由時間間隔編碼器與數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)組成的時間分析器，用來完成時間間隔丈量。時間間隔編碼電路是時間間隔丈量中關鍵部件，通常稱它為時間數(shù)字轉換器TDC ,Time to Digit Conversion 。輸出端的數(shù)碼值為 其中T0為LSB所對應的時間間隔。TDC的輸出再送到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)進展數(shù)據(jù)采集與存儲，它的功能與多道幅度分析器中數(shù)據(jù)獲取系一致樣。 探測器定時電路時間-數(shù)字變換啟動停頓輸出時間信息參考時間信號放大器定

5、時道的組成無論是送到符合電路還是送到TDC的信號，要求它的出現(xiàn)時辰與粒子擊中探測器的時辰能準確地相對應。事件的產生到信號進入時間信息分析電路之間，大體上如以下過程所示： 核事件產生粒子t1時辰) 探測器被擊中t2時辰探測器信號輸出t3時辰出現(xiàn)信號電子學電路信號處置前放t4時辰放大、成形t5時辰時檢電路檢出信號t6時辰送到時間信號分析電路或符合電路輸入端t6時辰出現(xiàn)信號。 時間信號的檢出ttttttt1t2t6t5t4t3t1 ：核事件發(fā)生 t2 ：粒子進入探測器t3 ：產生的電流脈沖 t4 ：前置放大器輸出的電壓脈沖t5 ：主放大器輸出的電壓脈沖t6 ：定時甄別器輸出的脈沖在討論時間信號檢出時

6、，從探測器輸出的電流信號有以下幾點需求思索：延遲。t3在t2之后一定時間之后出現(xiàn)展寬。實踐的電流信號不是一個信號漲落。( t3- t2)是一個隨機量，而且信號外形也會隨機變化。 定時電路的功能是使的漲落盡能夠小，或者說的晃動很小。 時間信號的檢出2 定時方法一、產生時間晃動的幾個主要要素 二、時間晃動大小的度量 三、前沿定時甄別器-固定閾值甄別器四、恒比定時甄別器CFD五、幅度和上升時間補償定時ARC 一 產生時間晃動的幾個主要要素輸入到時間信息分析系統(tǒng)的信號出現(xiàn)時間晃動主要有以下幾個要素：1、探測器的固有晃動。2、噪聲引起時檢電路輸出的時間晃動。3、幅度時間游動效應。4、上升時間游動效應。5

7、、超閾延遲以上幾種要素在不同條件下對晃動所起的影響是不一樣的，因此要詳細加以分析，分清主次。著重分析幅度和上升時間游動效應產生的時間晃動及其處理方法。 探測器的固有晃動 不同的探測元件電流信號輸出的時間晃動不一樣，它的產生緣由也不一樣，大致由于載流子在探測器內運動途徑不同呵斥的 。 例：閃爍體和光電倍加管PMT組成的閃爍計數(shù)器，由于粒子擊中的位置不同使光傳輸?shù)絇MT的時間不同，使得其輸出信號的時間發(fā)生差別，而擊中的位置往往是隨機的，因此信號輸出的時間產生時間晃動。噪聲引起時檢電路輸出的時間晃動噪聲疊加在信號之上將引起時檢電路輸出的時間晃動。2vnoVT2T1tTt2vnovVT2T2tTt噪聲

8、疊加于信號的影響噪聲疊加于閾值的影響幅度時間游動效應不同幅度經(jīng)過時檢電路之后在輸出時間上產生差別 ，探測器輸出信號幅度的隨機變化呵斥了時間上晃動，稱為幅度時間游動效應。上升時間游動效應不同上升時間的信號經(jīng)過時檢電路之后會產生在輸出信號時間上差別 ，而有些探測元件輸出信號上升時間也存在隨機變化，這也就帶來了時檢電路的輸出信號在時間上晃動。這稱為上升時間游動效應。 超閾延遲任何觸發(fā)器都存在超閾延遲。VTVTtL1tL2Vvi(t)tD二 時間晃動大小的度量時檢電路信號輸出與粒子擊中探測器之間的時間差 td=t0-t0是隨機量，它服從一定的分布規(guī)律， td的概率密度函數(shù)為 Pdtd，可以得到各級矩：

9、由此推知td的隨機變化情況，來度量的晃動大小 。普通可以假設td服從高斯分布， 和 是關鍵參量作為時間晃動的度量 二個信號時間間隔及其晃動量 時間晃動大小的度量時間晃動大小的度量時間晃動實驗丈量 在實驗上可以用同一瞬間產生兩個粒子的放射源60Co 源 ，幾乎是同時發(fā)射 兩個粒子1和2 ； 丈量計數(shù)隨即時間間隔值變化曲線 ，圖中求得 和半高全寬時間FWHMtd ,時間晃動為三 前沿定時甄別器-固定閾值甄別器1、前沿定時特性分析2、根本電路構造觸發(fā)電路VT輸入信號輸出信號vivovitVTvottL前沿定時特性分析一將輸入信號前沿近似看成線性上升，可用下述關系表示： 輸出信號對輸入信號的時間延遲可

10、以表示為： 其中ti為輸入信號從出現(xiàn)到上升為VT所需時間，t為渡越時間，也就是超閾延遲時間，假定在快甄別器情況下，t很小，暫不加以思索 。在Vi由Vi1變?yōu)閂i2時，那么輸出信號對輸入信號的時間延遲差 td=(t2-t1)應為：Votd隨Vi變化而發(fā)生變化稱為幅度時間游動效應。顯而可見 VT和tm越小， td變化量就越小，幅度時間游動效應就越小。當VimaxVimin,VT=Vimin時：Vo假設輸入信號最大幅度為Vimax ，最小幅度為Vimin 那么因幅度變化引起的前沿定時誤差為： 假設達峰時間 tm發(fā)生變化也就是上升時間發(fā)生變化，延遲時間的變化為 ：這稱為上升時間游動效應。 前沿定時特性

11、分析二同時思索輸入信號的幅度變化和上升時間變化，那么前沿定時的時間挪動為：前沿定時特性分析三VTVTtL1tL2Vvi(t)tD超閾延遲：超閾延遲：觸發(fā)器輸入阻抗：Zi附加電荷：QVMtMVTt2vnoVT2T1tTt2vnov2T2tT噪聲疊加于信號的影響噪聲疊加于閾值的影響噪聲引起的總定時規(guī)范偏向為：觸發(fā)比和噪聲斜率比普通地，兼顧噪聲斜率及噪聲的誤觸發(fā)，選用：噪聲斜率比定時甄別器實例慢前沿定時甄別器：由集成電壓比較器組成交流耦合施密特甄別電路。性能：當輸入信號的幅度從1.0V變化到10V時，輸出信號vo(t) 的時移小于輸入信號上升時間的20%當輸入信號上升時間為1us ，輸出信號vo(t

12、) 的時移小于0.2us快前沿定時甄別器：由三個快速差分放大級，加正反響組成甄別器。性能：當輸入信號的幅度從0.1V變化到5V時，輸入信號上升時間為2ns,輸出信號的時移小于0.5ns根本電路構造高速運算放大器例如THS3201、OPA847等構成的施密特甄別器； 高速比較器例如AD96687構成的截止式放大器型甄別器； 雙閾甄別電路。高速比較器AD96687構成的甄別器雙閾甄別電路由于幅度效應，前沿定時會有較大的定時誤差。降低甄別閾，是減少這一誤差的重要措施。但甄別閾的減少將會明顯引起噪聲誤觸發(fā)，為此，設計了雙閾甄別電路，采用低閾定時，高閾選通的方案，既可減少噪聲影響，又由于甄別閾的降低，還

13、可減少由于幅度效應引起的時間游動甄別器需求有穩(wěn)定的閾電壓。 閾電壓的產生程控設置的 DAC 提供。為了減少噪聲和外部干擾的影響，得到穩(wěn)定的閾電壓，對DAC提供的輸出電壓采取了衰減和有源濾波等有效措施。過零定時為了抑制前沿定時在輸入信號幅度變化時引起時間挪動太大的缺陷。提出過零定時的根本思緒：VoA：信號的幅度f(t) 信號的外形函數(shù)過閾時間 tT:假設要求過閾時間 tT為常數(shù)：f(t) 為階躍函數(shù)f(t) 為恣意函數(shù)過零定時(CR)2 (RC)m 成形過零點：(DL)2 成形過零點：過零定時電路預置甄別器VT過零甄別器Vi(t)V1(t)V2(t)V3(t)Vo(t)ttttttZtZtZ過零

14、定時電路優(yōu)點：能消除輸入信號幅度變化的時間挪動。缺陷：不能消除輸入信號上升時間變化的時間挪動。四 恒比定時甄別器CFD恒比定時的根本思緒恒比定時甄別原理恒比定時甄別器實現(xiàn)提出恒比定時的根本思緒前沿定時除了由幅度游動效應引起較大晃動之外，觸發(fā)比不恒定也是一個缺陷。 探測器的固有時間晃動往往與外電路搜集到的電荷量與總電荷量比值有關，在某一比值時，固有時間晃動可到達最小。這一比值就是觸發(fā)比 P P=VT/Vi 假設能對每一個信號作到恒定的觸發(fā)比，就可以選擇適宜的比值，使探測器的固有時間晃動最小。同時能抑制幅度游動效應。 恒比定時甄別原理用經(jīng)延遲后的輸入信號與經(jīng)過衰減倒相后信號相加之后產生一個雙極性信

15、號，該信號從負極性變到正極性的過零時辰與信號幅度無關，在此時辰的信號值與總幅度之比為一恒值。過零甄別器起到在雙極性信號的過零時辰檢出信號的作用。用 ui(t)來近似描畫輸入信號: 經(jīng)過衰減倒相后信號其中P為衰減因子： 經(jīng)延遲后的信號 恒比定時甄別原理經(jīng)過相加電路之后是一個雙極性信號： 從負極性變到正極性的過零時辰 ：由此可知 (1)過零點與信號幅度無關 (2)在tz時辰，對于任何幅度都一樣。因此tz是一個理想的時辰，既抑制了游動效應，又在此時辰的信號值與總幅度之比為一恒值。在這一時辰檢出信號可以到達恒比定時的目的。圖中過零甄別器ZCD起到在時辰檢出信號的作用 恒比定時甄別原理恒比定時甄別器實現(xiàn)

16、門控型恒比定時甄別器雙閾甄別門控型恒比定時甄別器雙極性信號成形方法門控型恒比定時甄別器雙閾甄別門控型恒比定時甄別器 成形電路采用恒比成形時，經(jīng)常取其延遲電路的延遲時間略大于tm，但對于小幅度輸入信號，特別是剛過閾值的信號，觸發(fā)時間已接近而超閾幅度很小，因此甄別器的渡越時間比較長，有能夠使前沿甄別器輸出信號落在過零時辰之后，這樣一來就成為前沿定時了。因此，上述電路對小信號即剛過觸發(fā)閾的信號就起不到恒比定時作用了。為此，提出一種改良方案，即雙閾甄別門控型恒比定時甄別器，它是在門控型恒比定時甄別器電路根底上再加上一個固定閾值甄別器DT，其閾值比的DP閾值要大 。在小信號時即輸入信號幅度略大于 VTP

17、不能觸發(fā) DT，因此最后不產生輸出。只需輸入信號幅度大于 VTT才干觸發(fā) DT，產生最后輸出，這時DP的輸出信號不會落在過零時辰之后，保證了恒比定時。 但是這樣也會帶來一個問題，輸出信號前沿時辰在略超越情況下亦會落在之后，又將呵斥輸出信號對應的前沿定時時辰。為此在門Y1輸出處加上一延遲線作適當延遲，以保證輸出信號前沿在DT輸出信號之后。 雙極性信號成形方法短路延遲線成形tdtztttoootm2、RC成形 輸入信號Vi直接連到比較器的同相輸入端，比較器的反相輸入端的信號Vc是Vi的低通濾波輸出，它在時間上比輸入信號滯后。比較器的同相、反相輸入端之間的電壓差為： Vr(t)=Vi(t)-Vc(t

18、)=R i(t)=RC dVc(t)/dt 在電容器上電壓到達峰值之后，積分電阻上的電流方向改動，引起比較器輸出的翻轉。由于電阻電容組成的是一個線性網(wǎng)絡，Vr(t)的過零點與輸入信號的幅度無關，從而實現(xiàn)了恒比定時功能。 恒比定時甄別器實例五、幅度和上升時間補償定時ARC提出的根本思緒：恒比定時：VT=PVi=PA 消除幅度A變化對定時的影響，但沒有消除上升時間變化對定時的影響。 為了消除上升時間變化對定時的影響，閾值VT不僅要隨幅度A變化，而且要隨 上升時間而變化。閾值VT可以取 定時時間tA恒比成形過零甄別預置甄別與門衰減 P輸入vi延遲 tdv1v2v3v4輸出vo+-VTVT恒比定時vi

19、v1v2v12v4v3vottttttttMtdtZtZVTviv1v2v12v4v3vottttttttM1tdtAtZARC定時tM2恒比定時ARC定時六、最正確定時濾波器與定時濾波放大器最正確定時濾波器：斜率噪聲比到達最大值的定時濾波器。斜率噪聲比：最大噪聲引起的定時規(guī)范偏向為：最小 定時電路定時濾波器定時電路定時濾波器定時電路噪聲引起的定時規(guī)范偏向為：斜率噪聲比：最正確定時濾波成形電路的頻率呼應為：最正確定時濾波成形電路的頻率呼應為：輸入為白噪聲，輸入噪聲功率譜密度為常數(shù)最正確定時濾波成形電路的沖擊呼應為定時單道脈沖幅度分析器：具有定時和單道雙重功能3、符合電路 一、符合方法二、符合電

20、路根本構造 三、符合曲線 四、快-慢符合五、符合電路實例 一、符合方法符合是指兩個或兩個以上的物理事件在時間上相互重合；理想符合：指的是兩個時間同時發(fā)生，時間間隔為零；實踐符合：在一個時間段內發(fā)生，有一定的時間間隔；符合方法方框圖探測器1前置放大器定時濾波放大器定時電路固定延遲符合單元計數(shù)器探測器2前置放大器定時濾波放大器定時電路固定延遲兩重符合：多重符合：符合程度：ABOUT000010100111ABOUT真值表：反符合ABOUT000010101110真值表：ABOUT符合電路分辨時間：=2tw2323VT理想電子學符合實踐電子學符合tWtW二 符合電路根本構造二個輸入信號分別經(jīng)過定時成

21、形電路之后，使其輸出信號前沿晃動很小，以寬度分別為 Tw1 和 Tw2 信號參與符合門電路，只需當二個信號發(fā)生重疊時符合門才有信號輸出，此信號再經(jīng)過甄別成形之后輸出。 設二個輸入信號到達時間 分別為t1和t2，只需滿足 符合門才有輸出，其分辨時間應為： 符合電路根本構造 以上討論是在理想條件下得到的，即(1) 輸?shù)椒祥T的信號是理想矩形脈沖。(2) 符合門和甄別成形電路的渡越時間為零。 三 符合曲線為了測定符合系統(tǒng)包括探測器在內的時間分辨才干，常利用同一瞬間產生兩個粒子的放射源、或用激發(fā)態(tài)壽命遠小于系統(tǒng)定時誤差的放射源來測定系統(tǒng)的瞬時符合曲線。在兩路信號通道中，用可變延遲線引入它們之間時間上相

22、對延遲，測定符合系統(tǒng)的輸出信號計數(shù)率和相對延遲量的關系曲線，此曲線就是瞬間符合曲線。從瞬時符合曲線，可以求得符合系統(tǒng)的分辨時間和效率。電子學瞬時符合曲線 物理瞬時符合曲線 電子學瞬時符合曲線用一個信號源替代放射源和探測器作為二路符合的輸入，測得瞬時符合曲線僅反映電路本身的特性，稱為電子學瞬時符合曲線。調理相對延遲量，符合電路輸出信號送入到一個計數(shù)器去，測得計數(shù)率，可以求得相對計數(shù)率與延遲量的關系曲線，此曲線即為電子學瞬時符合曲線，也就是符合電路產生輸出的概率函數(shù)。 電子學瞬時符合曲線在理想條件下為曲線 1假設思索到：(1)輸入信號有一定上升和下降時間，而符合門有一定門檻電平，因此對符合門輸入來

23、說，有效寬度變小了。(2)二個信號重合時間減小到一定寬度時，由于符合門和其后繼甄別電路有一定渡越時間，當重合時間太窄時，不能呼應，這相當于減小了有效寬度。(3)思索到噪聲疊加在信號、符合門的門檻電平和后繼電路閾值偏置電路上，使有效寬度發(fā)生漲落。 由于以上緣由，瞬時符合曲線不僅寬度減小，而且外形上偏離了矩形，為曲線2。這就是實踐電子學瞬時符合曲線。符合分辨時間定義為瞬時符合曲線的半高全寬 FWHM，從圖中曲線 2可以求得電子學分辨時間：物理瞬時符合曲線用瞬時符合放射源和探測器系統(tǒng)替代信號源作為符合電路信號輸入，測得的相對計數(shù)率與延遲量的關系曲線為物理瞬時符合曲線，此曲線包括了探測器和定時系統(tǒng)的時

24、間晃動及偶爾符合等要素。 物理瞬時符合曲線真符合事件測得的物理瞬時符合曲線應為輸入到符合電路二信號時差的概率密度函數(shù)與電子學瞬時符合函數(shù)的卷積 E與值相近時真符合事件最大輸入計數(shù)率 偶爾符合計數(shù)率 真符合事件計數(shù)率 E為電子學分辨時間 物理曲線外形與電子學曲線類似 曲線高度下降，外形變窄，平頂部分消逝，這是由于真符合計數(shù)被喪失了 為時差漲落的方差 在實踐丈量中，除了真符合事例外，還有大量不屬于同一核事件互不相關的粒子進入二個探測器，它們有能夠在分辨時間之內隨機地進入符合電路各輸入端而產生輸出，稱這種符合為偶爾符合。顯而易見，偶爾符合應與二個電路相對延遲時間無關。偶爾符合計數(shù)為 ：隨著E添加，W

25、(td)曲線高度平移地升高。這正是偶爾符合所呵斥的。 WE(td)把看成寬度為E，高度為1的矩形函數(shù) 由于時間漲落的影響，一對真符合信號到達符合電路的時差出現(xiàn)統(tǒng)計漲落，當E選得較小時真符合事件能夠漏記，呵斥真符合計數(shù)損失。 E越小，損失越多。 E獲得較大時符合曲線出現(xiàn)平頂，其符合事件可被全部記錄下來。時差的漲落對計數(shù)率的影響可以忽略。 E增大，偶爾符合計數(shù)也正比地增大，偶爾符合與真符合計數(shù)之比隨之增大。從符合曲線中求得偶爾符合計數(shù)雖然可以再從實踐曲線中扣除偶爾符合計數(shù)而得到真符合計數(shù)，但這樣會使統(tǒng)計誤差增大。 分辨時間E的選擇要綜合加以思索。從時間分辨和減小偶爾符合角度來看， E取小些為好；從

26、真符合計數(shù)損失來看， E不能獲得太小。 符合系統(tǒng)所能到達的最小分辨時間，根本上取決于探測器和定時系統(tǒng)的時間漲落大小。 511 keV511 keVe+e-正電子發(fā)射斷層顯像Positron Emission Tomography 發(fā)射型斷層成像。所謂發(fā)射型成像就是把放射源放在病人身體的內部，放射線從病人身體內部射出，最后被探測器接納。 具有短半衰期的放射性的原子可以由盤旋加速器或核反響堆消費出來。這些放射性元素再用來制造放射性藥物。 通常放射性藥物是經(jīng)過手臂靜脈血管注射而進入體內的。放射性藥物進入人體后會跟蹤病理過程。放射性藥物也可以經(jīng)過病人的呼吸道或消化道進入人體。放射性藥物實踐上是個分子載

27、體，它依靠于特定的生理組織或病理過程。放射性物質在藥物的帶著下在人體內做有目的的分布。發(fā)射型斷層成像的目的就是要得到一個放射性物質在人體內部的分布圖。有一些放射性元素，如 O-15，C-11，N-13，和 F-18，在放射性衰退時會釋放出正電子 (即帶一個正電荷的電子)。正電子在自然界中生存的時間非常短暫，由于在自然界中正電子很快就會遇到一個 (帶負電的) 電子。當正電子與電子發(fā)生作用時，它們的質量會湮滅 (即完全消逝)，它們的質量完全轉換為能量而產生出兩個能量為 511 keV 的伽瑪光子。這兩個光子沿著相隔180 角的方向傳播。ScintillationCrystalPMTPre-Ampl

28、ifier+ ElectronicsGamma photon converts to optical photons (proportional to gamma energy)photons are collected at the end of the crystallight is converted to an electrical signal & amplifiedFront-end electronics condition the signal for further processingGamma RayOptical reflectorPET是先進的核醫(yī)學三維成像技術,圍繞

29、著被測體周圍的圓柱形位置靈敏探測器探測被測體發(fā)出的光子,運用時間符合、電子準直和能量甄別等技術從復雜噪聲背景中挑選出有用事例,運用大量的有用事例數(shù)據(jù)可以重建放射性物質分布的三維圖像。SET-3000G/X schematic design四 快-慢符合時間上相關的事件本身還存在一些特點 ，例如粒子的能量有一定范圍，也就是說信號的幅度落在一定范圍之內。在時間符協(xié)作為根本條件之下用幅度選擇作為輔助措施來減小偶爾符合。事例的候選條件除了時間甄別之外，再加上幅度甄別。 但是，經(jīng)過幅度甄別之后的信號往往時間晃動都很大，因此在幅度甄別之后再進展符合，其分辨時間不能獲得很小，否那么會降低效率真符合計數(shù)損失添

30、加，但增大分辨時間又會使偶爾符合添加。為理處理這個矛盾，常采用快慢符合技術。 快-慢符合 探測器信號經(jīng)過時檢電路后進入快符合電路，因此時間晃動很小，可選取很小的分辨時間。同時，這一對探測器信號又分別經(jīng)過單道分析器進展幅度選擇。只需在時間和幅度上都滿足給定條件時，三重慢符合電路才產生輸出。其中延遲線td是為了補償單道分析器產生的時延。 符合電路實例四路輸入信號先經(jīng)MC10E1651比較器甄別輸出，然后用MC10EL01D進展“與或者“或邏輯，再經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)芯片MC10198調理輸出脈沖寬度，最后分別轉換成快NIM和TTL輸出 。最小時間窗可到達2ns。NIM在核儀器領域中NIM規(guī)范是一個公認的規(guī)范

31、，由EIA電子工業(yè)結合會提出。NIM邏輯信號定義：快NIM邏輯信號規(guī)范為負載為50阻抗，負邏輯。適用于上升時間在ns量級，信號寬度小于1us的快信號。TTL電平 規(guī)定：輸出高電平2.4V ,輸出低電平=2.0V，輸入低電=0.8V，噪聲容限是0.4V。 實踐運用中，由于外界干擾、電源動搖等緣由，能夠使輸入電平UI偏離規(guī)定值。為了保證電路可靠任務，應對干擾的幅度有一定限制，稱為噪聲容限。 輸入噪聲容限 高電平噪聲容限是指在保證輸出低電平的前提下，允許疊加在輸入高電平上的最大噪聲電壓(負向干擾)，用UNH表示： 低電平噪聲容限是指在保證輸出高電平的前提下，允許疊加在輸入低電平上的最大噪聲電壓(正向

32、干擾)，用UNL表示： UNL = UIL,maxUILUNH = UIHUIH,min1輸出0輸出1輸入0輸入UOH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL11uIuO輸入低電平噪聲容限：UNL=UIL,maxUOL,max輸入高電平噪聲容限：UNH=UOH,minUIH,min74LS系列門電路前后級聯(lián)時的輸入噪聲容限為：UNL=0.8V0.5V=0.3VUNH=2.7V2.0V=0.7V5V2.7V0.5V0V5V2V0.8V0V射極耦合邏輯門電路(ECL) ECL門的根本構造 由于TTL門中BJT任務在飽和形狀，BJT存儲電荷，電荷的存儲和散失需求一定的時間, 開

33、關速度遭到了限制。只需改動電路的任務方式，從飽和型變?yōu)榉秋柡托?，才干從根本上提高速度。ECL門就是一種非飽和型高速數(shù)字集成電路，它的平均傳輸延遲時間可在2ns以下，是目前雙極型電路中速度最快的。T1、T2、T3組成發(fā)射極耦合電路。T3的基極接一個固定的參考電壓VREF，輸入信號接到T1、T2的基極。輸出信號由T1、T2或T3的集電極獲得。RC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIEIE=VE-(-VEE)/Re=(0.3V+12V)/1.2K10mA1.當輸入端A、B都接低電平0設VA=VB=0.5V時由于VREF=1V，因此T3優(yōu)先導通，這就使發(fā)射極e的電位VE=VREF-VBE

34、3=0.3V對于T1、T2來說，由于 VE=0.3V,而VA=VB=0.5VRC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIE雖然基極電位比發(fā)射極電位高0.2V，但由于是硅管，仍可保證截止。這時流過Re的電流將全部由T3提供，且有VC3=VCC-IERc3=6V-10mA0.1K=5V VC1=VCC=6V 由此可見，當輸入為0時，T1、T2截止，輸出端c1為高電平16V；T3導通，輸出端c3為低電平0(5V。而且由于VB3=VREF=1V，而VC3=5V，所以T3處于放大形狀而未到達飽和。RC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIE2.當輸入端A、B中有一個接高電平1設A接

35、高電平，VA=1.5V時由于VAVREF，所以T1優(yōu)先導通，這就使VE=1.5V-0.7V=0.8V，對T3來說，這時基極電位比發(fā)射極電位僅高0.2V，可以保證T3截止。流過Re的電流由T1提供，且有IE=(0.8V+12V)/1.2 K=10.6mAVC1=VCC-IERc1=6V-10.6mA0.1K5VVC3=VCC=6V此時T1處于放大形狀。由于T1和T2的發(fā)射極和集電極是分別連在一同的，所以只需A、B中有一個接高電平，都會使c1為低電平05V，而c3為高電平16V。 c1=A+B 或非輸出c3=A+B 或輸出由于集成電路特點，電路只用一種負電源-VEE=-5.2V，而VCC=0V。圖

36、中T1T4組成多端輸入，并與T5組成射極耦合電路。T6組成一個簡單的電壓跟隨器，它為T5提供一個參考電壓VREF。為了補償溫度漂移，在T6的基極回路接入了兩個二極管。 圖中T7和T8組成電壓跟隨器，起電平挪動作用，VC4和VC5經(jīng)過電壓跟隨器后，使輸出變?yōu)橐?guī)范的ECL電平。其典型值是：高低電平的電壓分別為-0.9V和-1.75V。同時由于有了這兩個電壓跟隨器作為輸出級，也有效地提高了ECL門的帶負載才干。ECL門的電路實例輸出快符合電路1、隧道二極管符合電路輸入1輸入2R1R2E輸出WRR4T.D.適中選擇隧道二極管單穩(wěn)態(tài)的閾值，使它在兩路輸入電流信號相加時翻轉，從而產生符合輸出。當只需一路信

37、號輸入時，輸入信號不夠大，不能使隧道二極管翻轉，電路沒有輸出。優(yōu)點：電路動作速度快，分辨時間可達幾納秒。缺陷：溫度穩(wěn)定性差?？旆想娐?、相加型共基極符合電路靜態(tài)時：輸入1、輸入2為零電平D1、D3導通， D2、D4截止。輸入1輸入2D2D1-10V輸出甄別器VTD4D3-10V-10V+5VieVCT00三極管T 導通ie= 5mA當輸入1有信號，電位降為- 0.7V時：D1截止， D2導通。ie= 10mA當輸入1和2都有信號，電位分別降為- 0.7V時：ie= 15mAD1、D3截止， D2、D4導通。VT輸入1輸入2輸出VCie00快信號的傳輸與納秒延時器信號傳輸電纜的參數(shù)：特性阻抗：

38、50歐姆，75歐姆，100歐姆等單位長度電容：幾十pF每米衰減系數(shù)：0.336dB/m耐壓大?。?.55kV延遲電纜絕緣套管層網(wǎng)狀屏蔽線絕緣介質中心導線單屏蔽電纜雙屏蔽電纜信號傳輸傳輸時間：傳輸速度：快脈沖：trt ;信號反射0RtZL 時，產生負反射; ZLRt，產生正反射。聚乙烯絕緣介質傳輸速度：阻抗匹配串聯(lián)匹配；并聯(lián)匹配；單端匹配；雙端匹配;始端匹配；終端匹配.始端匹配終端匹配始端匹配終端匹配匹配電纜阻抗ZL納秒延時器采用電纜延時構成的延時器特性：延時范圍:2.5ns到66ns可變延時精度:0.5ns到4ns：小于60ps; 8 ns至32 ns:小于 100ps.時間挪動：1.4ns輸

39、入輸出延遲：89ns信號衰減：小于10%特性阻抗：504. 時間量變換方法 時間分析時間幅度變換 TAC 時間-數(shù)字變換器TDC基于幅度-時間修正的時間間隔丈量分析一個核態(tài)與另一個核態(tài)之間的時間關系，也就是丈量核事件的時間間隔概率密度分布。符合方法丈量時間間隔分布，類似于用單道丈量能譜。多重符合電路型多道時間分析器。一 時間分析 常用的有兩類時間分析器 二個信號參與到時間間隔編碼電路即 TDC， TDC輸出的數(shù)碼正比于信號間的時間間隔，再將其送入數(shù)據(jù)獲取和處置系統(tǒng)；二個信號輸入到時間間隔幅度變換電路即 TAC， TAC的輸出幅度正比于信號間的時間間隔，然后送到 ADC，進展幅度-數(shù)字變換，再送

40、入數(shù)據(jù)獲取與處置系統(tǒng)。 時間分析器的構成時間分析器用來丈量時間譜，即計數(shù)隨時間間隔分布曲線。它的作用與幅度分析中多道脈沖幅度分析器相當。關鍵部分是 TDC和TAC。二、 時間幅度變換器TACTAC根本原理TAC實例TAC根本原理時間-幅度變換是把兩個信號之間的時間間隔長短轉換成一個幅度與其間隔成正比的輸出信號最方便的方法是在此間隔內對電容器進展恒流充電,靜態(tài)時S1 和S 2閉合，C上電壓為零，起始信號將S1斷開，恒流源對C充電，C上電壓線性上升，停頓信號將S 2斷開，C上的電壓正比于兩個信號之間的時間間隔。電容器上堅持住的電壓為Vc=Itx/C，tx為二個輸入信號的時間間隔 。限幅放大雙穩(wěn)態(tài)電

41、流開關起始電流開關真起始輸出變換鉗位緩沖放大線性門跟隨器放大器變換輸出起始信號限幅放大起始門門控輸入限幅放大雙穩(wěn)態(tài)電流開關停頓電流開關停頓信號復位開關停頓門超量程觸發(fā)器讀出時間開門選通輸入電流源延時內外內外起停型時幅變換器電路方框圖C脈沖重疊型時幅變換混合器積分器V1(t)V2(t)V3(t)VC(t)T起始信號V1(t)停頓信號V1(t)V3(t)VC(t)三、 時間數(shù)字變換 TDC起始停頓計數(shù)器型TDC 基于時間內插技術Time Interpolating的TDC基于時間郵戳Time Stamp技術的TDC基于時間放大技術的TDC 起始停頓計數(shù)器型TDC待測的起始start和停頓stop二

42、個信號分別輸入到觸發(fā)器FFS和R二端，F(xiàn)F輸出信號T的寬度應為二個輸入信號的時間間隔,用來控制時鐘門And，時鐘振蕩器的時鐘脈沖加到時鐘門輸入端，因此經(jīng)過時鐘門的脈沖個數(shù)m將正比于信號T的寬度，即正比于二個輸入信號的時間間隔tm=tstop-tstart m= (tstop-tstart)/T0取整數(shù) T0為時鐘脈沖的周期。再將此系列脈沖輸入到計數(shù)器，進展串行-并行變換，經(jīng)過譯碼后以二進制數(shù)碼并行輸出。計數(shù)器目前多采用Gray碼計數(shù)器。計數(shù)器十進制計數(shù)器同步十進制加法計數(shù)器 分析：驅動方程和輸出方程形狀方程形狀表0 0 0 0 0 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 0 0 1

43、0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 0 1 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 0 1 1 0 11 1 1 01 1 1 10001111000011110000000011010101010101010101010100110011000100010000000001010101074160同步十進制加法計數(shù)器3Q2QETCP0D1D2D3DC1Q0Q74160EPRDDL直接計數(shù)器型TDC的優(yōu)點是電路簡單，大尺度時間丈量范圍，且全數(shù)字化，易于集成。 時間精度一個LSB代表的時間間隔量遭到時鐘頻率以及它的穩(wěn)定性限制 ，由于高時鐘頻率1GHz以上在工藝和電路構造上要付

44、出很高代價。這種TDC的時間精度在ns量級。采用自激時鐘振蕩器會呵斥2 T0的誤差，采用它激時鐘振蕩器誤差可以減小到1 T0，但是在普通情況下，振蕩器起振階段，頻率和幅度不穩(wěn)定，也會帶來誤差。自然二進制碼可以直接由數(shù)/模轉換器轉換成模擬信號，但在某些情況，例如從十進制的7轉換為8時二進制碼的每一位都要變，能使數(shù)字電路產生很大的尖峰電流脈沖。而格雷碼那么沒有這一缺陷，它在相鄰位間轉換時，只需一位產生變化。它大大地減少了由一個形狀到下一個形狀時邏輯的混淆。格雷碼僅改動一位，這樣與其它編碼同時改動兩位或多位的情況相比更為可靠，即可減少出錯的能夠性。 基于時間內插技術Time Interpolatin

45、g的TDC要滿足高時間精度和大尺度丈量范圍的TDC 目前采用所謂的“粗計數(shù)Coarse Counting和“細時間丈量Fine Measurement相結合的方法。這種方法中，“粗計數(shù)普通由高性能的直接計數(shù)器型TDC。運用的參考時鐘頻率普通在數(shù)百MHz，到達幾個ns的時間精度；而“細時間丈量的實現(xiàn)那么依托時間內插技術Time Interpolation，在一個時鐘周期內進展時間內插，到達亞納秒100 ps 10ps的時間分辨。時間內插技術的根本思想是采用適當?shù)姆椒▽ⅰ按钟嫈?shù)運用的參考時鐘的周期細分為M個等分，并利用其將被測時間間隔與“粗計數(shù)器記錄的時間(nT0)之差記錄下來，等效于將時鐘信號的

46、頻率提高了M倍。一個直接的方法就是利用假設干個等分的時間延遲單元，如M個抽頭“延遲線來實現(xiàn)時間內插?；跁r間內插技術Time Interpolating的TDC受Start和Stop控制的250MHz頻率的時鐘信號對n位計數(shù)器計數(shù)，產生4ns時間分辨的“粗計數(shù)。同時在時鐘通道中插入一個8抽頭“延遲線，各抽頭組成0.5ns的延遲單元，其輸出被送入各符合電路的相應輸入端，Stop信號那么作為一個公共信號送入各符合電路的另一輸入端，與延遲線上傳輸?shù)男盘栕龇?，記錄下當Stop信號到來時，時鐘信號在“延遲線上傳輸?shù)奈恢?，即延遲的時間量。該信息經(jīng)譯碼電路給出時間數(shù)據(jù)的最低的3位數(shù)據(jù)，相當于將“粗時間計數(shù)

47、的時鐘周期細分了8個等分，實現(xiàn)了0.5ns的時間分辨。 幾種“延遲線技術 門電路組成的延遲電路 鎖相環(huán)Phase Locked Loop，簡稱為：PLL技術 延遲鎖定環(huán)Delay Locked Loop，簡稱為：DLL技術 無源RC延遲線 門電路組成的延遲電路通常是由兩個CMOS反向器門電路構成一個延遲單元。時間分辨那么由一個延遲單元的延遲時間所決議。這種方法電路簡單，占用較少的資源，易于與其它電路部分集成為單片的TDC集成芯片。缺陷是門電路的延遲時間容易遭到供電電壓動搖和溫度變化的影響而產生變化，需求經(jīng)常進展刻度。CMOS門電路MOS管的開關特性輸入低電平，NMOS管截止；輸入高電平，NMO

48、S管導通。輸入低電平，PMOS管導通；輸入高電平，PMOS管截止。CMOS門電路CMOS非門CMOS門電路CMOS非門電壓傳輸特性CMOS非門電流傳輸特性 CMOS反相器的傳輸特性接近理想開關特性， 因此其噪聲容限大，抗干擾才干強。鎖相環(huán)技術在時間內插電路運用中，門電路延遲線是作為VCOVoltage Controlled Oscillator的一部分放在環(huán)中，構成一個環(huán)形振蕩器，振蕩周期由門電路的延遲時間所決議。當供電電壓變化或者是溫度變化時，利用負反響機制，改動各門電路單元的供電電流，調整和穩(wěn)定各門電路單元的延遲時間，穩(wěn)定VCO的輸出頻率。因此消除了由于供電電壓變化和溫度變化帶來的延遲時間

49、變化。另外，這種電路還具有易于集成，功耗小的優(yōu)點。 延遲鎖定環(huán)技術 DLL技術與PLL技術很類似，也是將門電路延遲線放在反響環(huán)中，經(jīng)過相位檢測，調整各門電路單元的供電電壓，調整和穩(wěn)定各門電路單元的延遲時間。在DLL電路中，輸入?yún)⒖紩r鐘直接與其經(jīng)過門電路延遲線后的信號進展相位檢測。門電路延遲線并不構成閉環(huán)構造， 所以不存在VCO電路，而是構成一個所謂的VCDLVoltage Controlled Delay Line電路。無源RC延遲線DLL電路的每個延遲單元輸出都同時送入各Hit存放器的相應D輸入端，當一個物理事例信號產生時，Hit信號經(jīng)一個RC延遲線，產生M個不同相位延遲的信號將當前DLL的

50、時鐘沿形狀記錄下來。設RC延遲線的單元延遲時間等于tN/M，那么所得到時間精度為：Tbin = TRef / N.M，其中，N為DLL的延遲單元個數(shù)，M為RC延遲線的延遲單元個數(shù)。 基于時間郵戳Time Stamp技術的TDC傳統(tǒng)的TDC丈量時間間隔采用所謂的“Start-Stop技術，即用Start信號啟動TDC計數(shù)，用Stop信號停頓計數(shù)。 把Start和Stop都作為一個擊中HIT，時間郵戳Time Stamp，或稱為時間標志技術是經(jīng)過記錄每個HIT發(fā)生的時辰，再由數(shù)據(jù)處置電路如DSP計算得到 HIT 之間的時間間隔，這已成為比較通用的方法。HIT發(fā)生的時辰的記錄是采用“粗計數(shù)和“細時間

51、丈量相結合方法， “細時間丈量采用“延遲線時間內插和符合方法?；跁r間郵戳Time Stamp技術的TDC歐洲粒子物理實驗室推出的通用性極強的高集成度TDC芯片HPTDC基于時間郵戳技術的TDC，時間精度為25ps 。德國ACAM公司的GPX和GP2是基于時間郵戳技術的TDC商業(yè)產品。時間精度也在幾十ps。時間數(shù)字轉換芯片 TDC-GPX 提供最高10ps精度時間間隔丈量，在德國acam公司引入了TDC-GPX芯片之后將時間數(shù)字轉換芯器TDC帶入了一個新的紀元。德國acam公司為高精度時間數(shù)字轉換集成芯片制造專家，引入了革命性的丈量新技術。TDC-GPX這個芯片以最低10ps(10 10-12

52、 秒)的精度和40微秒的丈量范圍，成為醫(yī)學上呈像掃描，導航系統(tǒng)，導彈防御系統(tǒng)，測距儀，速度丈量，頻率相位丈量儀器等等運用中一個強有力的丈量工具。當芯片任務在M-方式下，GPX的10ps精度將1500m的間隔丈量量化到了1 mm間隔精度, 峰峰值為70 ps (5 mm). GPX的最高脈沖頻率182Mhz是這款芯片成為需求高采樣頻率和高時間分辨率的3維激光掃描的理想選擇。四種不同的可選方式使TDC-GPX有非常廣泛的丈量運用。在I-方式下，GPX芯片提供了8個LVTTL輸入通道，丈量精度可達81ps,無限的丈量范圍，5.5ns的輸入脈沖最小間隔。G-, R- 和 M-方式全部提供了 兩個LVTTL 或者兩個LVPECL 輸入通道. 在G-方式下, 精度為 40 ps, 丈量范圍為65 us, 可測脈沖間的最低時間間隔為1.5ns. 在R 方式下, 丈量精度到達27 ps, 丈量范圍為40 us 脈沖對精度為5.5 ns. 在 M-方式下, 精度可到達10 ps rms 峰峰值精度為70 ps 丈量范圍為10us。GPX的典型功耗從39 到45mA, 使其非常適宜電池驅動儀器。為了協(xié)助產品開發(fā)和開場高精度時間間隔的丈量，ATMD-GPX丈量評價系統(tǒng)可以使設計工程師們經(jīng)過電腦對GPX芯片的