核電子學(xué)與核儀器課件7

核電子學(xué)與核儀器覃國秀qinguoxiu198201@163.comTel技術(shù)教研室2009/04/30本堂課主要內(nèi)容：三、譜儀放大器中的濾波成形3.1濾波成形電路在譜儀放大器中的作用3.2最佳濾波器討論3.3濾波成形電路的信息畸變3.4無源濾波成形電路三、譜儀放大器中的濾波成形3.1濾波成形電路在譜儀放大器中的作用譜儀放大器基本由放大節(jié)和濾波成形電路組合而成。濾波成形電路的主要任務(wù)是：抑制系統(tǒng)的噪聲，使系統(tǒng)信噪比最佳；使信號形狀滿足后續(xù)分析測量設(shè)備的要求。

CR-RC濾波成形電路三、譜儀放大器中的濾波成形3.1濾波成形電路在譜儀放大器中的應(yīng)用從噪聲分析已經(jīng)知道，輸出端的噪聲和譜儀放大器的頻帶寬度有關(guān)，只要縮小放大器的帶寬，噪聲就可以減少。而濾波成形電路的功能就是在盡可能保持信息的條件下縮小放大器的帶寬，以獲取最佳的信噪比。濾波器有一定的頻率響應(yīng)，就必然具有一定沖激響應(yīng)，它在頻域里是盡可能濾去噪聲的各頻率成分，保留信號的頻率成分，而在時域里也就確定了信號的形狀。由于時域和頻域的必然聯(lián)系，主要用于提高信噪比的濾波器也就是信號成形電路。三、譜儀放大器中的濾波成形3.1濾波成形電路在譜儀放大器中的應(yīng)用

對譜儀放大器中的濾波成形電路的要求可以歸結(jié)為：（1）通過濾波成形后要求輸入和輸出應(yīng)嚴(yán)格保持線性關(guān)系；（2）盡可能提高放大器的信噪比；（3）減少輸入脈沖的寬度，減少堆積和基線的變化，提高電路的計數(shù)率響應(yīng)；（4）成形后的最后輸出波形應(yīng)適合后續(xù)電路的要求；（5）濾波成形電路應(yīng)盡可能簡單，參數(shù)可以調(diào)節(jié)，以達到最佳效果。三、譜儀放大器中的濾波成形3.2最佳濾波器的討論在理論上總是可以根據(jù)信號和噪聲的不同頻譜求出一種最佳濾波器，但是理論上的最佳濾波往往是無法實現(xiàn)的。輸出信號噪聲均方值三、譜儀放大器中的濾波成形3.2最佳濾波器的討論設(shè)vo(t)的峰值在tM，則

根據(jù)施瓦茨(Schwarz)定理：

當(dāng)

時上式取等號令三、譜儀放大器中的濾波成形3.2最佳濾波器的討論

則當(dāng)時，信噪比η取最大值。此時

最佳濾波器輸出信號頻譜為：

三、譜儀放大器中的濾波成形3.2最佳濾波器的討論

白噪聲輸入時的最佳濾波器

當(dāng)輸入噪聲是白噪聲時，即

則最佳濾波器的頻率響應(yīng)和信噪比為：匹配濾波器：對于迭加白噪聲的信號，當(dāng)濾波器頻率響應(yīng)是輸入信號的復(fù)共軛時信噪比最佳。決定于信號能量與噪聲功率之比，與濾波器頻率響應(yīng)無關(guān)。三、譜儀放大器中的濾波成形3.2最佳濾波器的討論

當(dāng)輸入噪聲不是白噪聲時，最佳濾波器的頻率響應(yīng)H(ω)可由以下方法導(dǎo)出：白化濾波器

匹配濾波器最佳濾波器三、、譜譜儀儀放放大大器器中中的的濾濾波波成成形形3.2最佳佳濾濾波波器器的的討討論論電荷荷靈靈敏敏前前放放輸輸出出的的最最佳佳濾濾波波忽略略c噪聲聲，，并并令令，，則則(：噪聲聲轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角角時時間間)三、、譜譜儀儀放放大大器器中中的的濾濾波波成成形形3.2最佳佳濾濾波波器器的的討討論論前置置放放大大器器白白化化濾濾波波器器頻頻率率響響應(yīng)應(yīng)應(yīng)應(yīng)滿滿足足：：這是是一一個個時時間間常常數(shù)數(shù)的的CR微分分電電路路正正好好可可以以作作這這樣樣的的““白白化化””濾濾波波器器。。取取，，則則經(jīng)經(jīng)過過此此白白化化濾濾波波器器后后，，噪噪聲聲和和信信號號分分別別為為：：匹配配濾濾波波器器的的沖沖擊擊響響應(yīng)應(yīng)h2(t)應(yīng)為為v1(t)的鏡鏡象象，，則則三、、譜譜儀儀放放大大器器中中的的濾濾波波成成形形3.2最佳佳濾濾波波器器的的討討論論匹配配濾濾波波器器的的頻頻率率響響應(yīng)應(yīng)為為輸出出信信號號為為對tM兩邊邊對對稱稱的的無無限限寬寬指指數(shù)數(shù)衰衰減減的尖尖頂頂脈脈沖沖。。三、、譜譜儀儀放放大大器器中中的的濾濾波波成成形形3.2最佳佳濾濾波波器器的的討討論論最佳佳濾濾波波器器的的信信噪噪比比可可由由下下式式推推出出最終終得得到到三、、譜譜儀儀放放大大器器中中的的濾濾波波成成形形3.2最佳佳濾濾波波器器的的討討論論上述述理理想想的的最最佳佳濾濾波波器器在在實實際際中中是是不能能實實現(xiàn)現(xiàn)的。。因因為為匹匹配配濾濾波波器器的的沖沖激激響響應(yīng)應(yīng)是是輸輸入入信信號號的的鏡鏡像像，，對對于于t=0時，，當(dāng)當(dāng)輸輸入入沖沖激激信信號號時時，，要求求濾濾波波器器在在信信號號加加入入之之前前就就作作出出響響應(yīng)應(yīng)，也也就就是是說說輸出出要要先先于于輸輸入入出出現(xiàn)現(xiàn)，這這顯顯然然是是違反反因因果果關(guān)關(guān)系系的，，物物理理上上并并不不能能實實現(xiàn)現(xiàn)，，所所求求出出的的最最佳佳信信噪噪比比只只能能是是理理論論上上的的結(jié)結(jié)果果。。但但它它可可以以作作為為一一個個衡衡量量濾濾波波器器信信噪噪比比的的比較較標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。通通常常把把理理想想的的最最佳佳濾濾波波器器的的信信噪噪比比與與實實際際濾濾波波器器的的最最佳佳信信噪噪比比的的比比值值定定義義為為信噪噪比比劣劣值值系系數(shù)數(shù)。。三、、譜譜儀儀放放大大器器中中的的濾濾波波成成形形3.3濾波波成成形形電電路路的的信信息息畸畸變變在能譜測量系系統(tǒng)中，探測測器輸出電荷Q與射線能量成正比。要得到精確確的射線能量量信息就要求求放大器輸出信號幅度度VM正比于探測器器輸出電荷Q。前面已提過過由于噪聲的的存在引起VM本身的漲落，使能量分辨辨率變壞。影影響能量分辨辨率的因素還還由于濾波成形電路路具有的沖激激響應(yīng)或頻率率響應(yīng)，當(dāng)探測器電電流脈沖寬度和間隔隨機變化時使VM也有變化。其其結(jié)果使幅度度信息有了畸變，導(dǎo)致能量分分辨率的降低低。對濾波成成形來講，有有彈道虧損和堆堆積畸變兩種信息畸變變。三、譜儀放大大器中的濾波波成形3.3濾波成形電路路的信息畸變變放大器輸出信信號的描述探測器輸出脈脈沖在譜儀放放大器輸出端端輸出信號一一般為單極性或雙極極性脈沖。定義零峰部尾部達峰時間脈沖寬度延遲時間三、譜儀放大大器中的濾波波成形3.3濾波成形電路路的信息畸變變放大器輸出信信號的描述兩個脈沖發(fā)生生堆積時給測測量幅度帶來來了偏差。為了在測量量上給出偏差差小于|εVM|之內(nèi)，二個脈脈沖之間間隔隔必須大于某某一值tR，tR為分辨時間。三、譜儀放大大器中的濾波波成形3.3濾波成形電路路的信息畸變變彈道虧損當(dāng)不考慮電荷荷的產(chǎn)生和收收集過程對輸輸出信號的影影響時，可以以認為核輻射射探測器對應(yīng)應(yīng)一個固定能量，給出的電荷荷量應(yīng)該是相同的，但是由于于入射粒子在在探測器中射程及及徑跡跡不同同，它的的電流脈脈沖持持續(xù)時時間可以有有很大大的差別。持續(xù)時時間不不同的的矩形形脈沖沖通過過探測測器輸輸出的的波形形三、譜譜儀放放大器器中的的濾波波成形形3.3濾波成成形電電路的的信息息畸變變彈道虧虧損實際探探測器器輸出出信號號波形形當(dāng)有一一定寬寬度的的電流流脈沖沖輸入入時，，在探探測器器回路路中輸輸出信信號幅幅度總總小于于沖激激信號號輸入入時的的輸出出幅度度，這這種情情況稱稱之為為彈道虧虧損。三、譜譜儀放放大器器中的的濾波波成形形3.3濾波成成形電電路的的信息息畸變變彈道虧虧損在實際際中，，總是是選取取輸出出回路路的時間常常數(shù)遠大于于輸入入電流流脈沖沖的寬度，以減減少彈彈道虧虧損。。對包包括有有譜儀儀放大大器等等測量量系統(tǒng)統(tǒng)，應(yīng)應(yīng)考慮慮整個個系統(tǒng)的的影響響。彈道虧虧損定定義為為：在一般般情況況下，，輸入入電流流脈沖沖寬度度越大大，彈彈道虧虧損就就越大大。從從提高高計數(shù)數(shù)率及及信噪噪比考考慮，，濾波波成形形電路路的時時間常常數(shù)一一般比比探測測器輸輸出回回路時時間常常數(shù)小小得多多，這這樣的的系統(tǒng)統(tǒng)中位位于探探測器器輸出出回路路后面面的濾濾波成成形網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是是決定定彈道道虧損損的主主要因因素。。三、譜譜儀放放大器器中的的濾波波成形形3.3濾波成成形電電路的的信息息畸變變堆積畸畸變信號的的堆積積與它它的波形和工作作的計數(shù)率率有關(guān)，在能能譜測測量系系統(tǒng)中中，為為了提提高信信噪比比，以以達到到最佳佳的能能量分分辨率率，譜譜儀中中多采采用準(zhǔn)高斯型型的阻容濾波波成形電電路，這種電電路的時間常數(shù)數(shù)較大，輸輸出信號號有一定的峰峰部和緩慢衰減減的尾部部。一般可以以將脈沖沖堆積對對幅度測測量的影影響分為為峰堆積影影響和尾尾堆積影影響。峰堆積尾堆積三、譜儀儀放大器器中的濾濾波成形形3.3濾波成形形電路的的信息畸畸變堆積畸變變核輻射探探測器輸輸出脈沖沖在時間間上是服服從泊松分布布的，在tw內(nèi)出現(xiàn)N個脈沖的的概率為為在信號計計數(shù)率滿滿足時時，發(fā)生生峰堆積積的概率率是不大大的。但但是，一一旦發(fā)生生峰堆積積，對被被測信號號波形和和幅度就就有較大大的影響響。三、譜儀儀放大器器中的濾濾波成形形3.3濾波成形形電路的的信息畸畸變堆積畸變變峰堆積與與尾堆積的影影響三、譜儀儀放大器器中的濾濾波成形形3.4無源濾波波成形電電路極-零相消電電路在幾級相相串聯(lián)的的系統(tǒng)中中，將前前級傳遞遞函數(shù)的的極（零零）點和和后級的的零（極極）點相相消，從從而改善善輸出波波形的方方法稱為為極-零相消。。三、譜儀儀放大器器中的濾濾波成形形3.4無源濾波波成形電電路極-零相消電電路如果輸入入的是階階躍信號號，則輸出信號號:三、譜儀儀放大器器中的濾濾波成形形3.4無源濾波波成形電電路極-零相消電電路如果輸入入一個指指數(shù)衰減減的信號號，則輸出信號號:三、譜儀儀放大器器中的濾濾波成形形3.4無源濾波波成形電