核電子學方法

1、核電子學方法,第五章時間信息的分析,第五章 時間信息的分析,§1 概 述 §2定時技術(shù)§3符合電路§4 時間分析器§5脈沖形狀甄別（PSD）,結(jié)束,§1. 概 述,時間信息分析所要解決的基本問題 時間信號的檢出,返回,時間信息分析所要解決的基本問題,時間間隔甄別 時間間隔測量,返回,時間間隔甄別,時間間隔甄別應(yīng)用實例時間間隔甄別器的基本功能

2、,返回,時間間隔甄別應(yīng)用實例,電子正電子對撞實驗中，產(chǎn)生μ+和μ-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。因為?+和?-的動量相等，且對面碰撞，根據(jù)動量守恒定律，和飛行方向相反，飛行速度近似相同，從對撞點飛出，應(yīng)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(chǎn)生時刻發(fā)生差別，如果最大時差值為5ns，那么S1和S2時間間隔小于5ns的事例應(yīng)該是?+和?-事例的的一個“候選”

3、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(yīng)該被排斥掉 。需要用一個時間間隔甄別器來作為事例的選擇 。,返回,時間間隔甄別器的基本功能,N個信號加入它的輸入端為 u1,u2….ui…. uN-1,uN，它們分別在 ti（i=1,2…N）時刻到達甄別器的輸入端，其中任意一對信號間的時間差都滿足： -?1 0）

4、 在輸出端產(chǎn)生邏輯信號輸出 ，只要有任意一對信號不滿足上述條件，將不產(chǎn)生輸出。,,經(jīng)常遇到的情況是處理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 ，若滿足 -?1 0） 在輸出端產(chǎn)生邏輯信號輸出，否則將不產(chǎn)生輸出 。 ?1 ＋ ?2為其分辨時間。 選擇 ?1 = ?2 = ?，則分辨時間為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

5、電路 ， ?1 ＋ ?2為其分辨時間。（也就是時間間隔閾值）。,返回,時間間隔測量,時間間隔測量應(yīng)用實例時間分析器的基本功能,返回,時間間隔測量應(yīng)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)，用來測量帶電粒子的飛行時間，其主要功能是通過所測量粒子的飛行時間信息，結(jié)合其它探測器測得粒子的動量和徑跡，從而辨別粒子的種類。測量探測器的信號和e+ e-的作用發(fā)生時刻之間的時間間隔，就可以測量到粒子的飛行時間信息。,返回,時間

6、分析器的基本功能,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，用來完成時間間隔測量。時間間隔編碼電路是時間間隔測量中關(guān)鍵部件，通常稱它為時間－數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC ,Time to Digit Conversion ）。輸出端的數(shù)碼值為 其中T0為LSB所對應(yīng)的時間間隔。TDC的輸出再送到數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)進行數(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)獲取系統(tǒng)相同。,,,返回,時間信號的檢出,無論是送到符合

7、電路還是送到TDC的信號，要求它的出現(xiàn)時刻與粒子擊中探測器的時刻能精確地相對應(yīng)。事件的產(chǎn)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(chǎn)生粒子→探測器被擊中（t0時刻）→探測器信號輸出（t1時刻出現(xiàn)信號）→電子學電路信號處理（放大、成形等）→時檢電路檢出信號送到時間信號分析電路或符合電路輸入端（t0’時刻出現(xiàn)信號）。,時間信號的檢出,在討論時間信號檢出時，從探測器輸出的電流信號有以下幾點需要考慮：延遲。t1在

8、t0之后一定時間之后出現(xiàn)展寬。實際的電流信號不是一個?信號漲落。( t0’- t0)是一個隨機量，而且信號形狀也會隨機變化。 時檢電路的功能是使的漲落盡可能小，或者說的晃動很小。,返回,§2. 定時技術(shù),產(chǎn)生時間晃動的幾個主要因素 時間晃動大小的度量 前沿定時甄別器-固定閾值甄別器恒比定時甄別器（CFD）幅度和上升時間補償定時（ARC）,返回,產(chǎn)生時間晃動的幾個主要因素,輸入到時間信息分析系統(tǒng)的信號出現(xiàn)時間晃動

9、主要有以下幾個因素：探測器的固有晃動。噪聲引起時檢電路輸出的時間晃動。幅度時間游動效應(yīng)。上升時間游動效應(yīng)。以上幾種因素在不同條件下對晃動所起的影響是不相同的，因而要具體加以分析，分清主次。著重分析幅度和上升時間游動效應(yīng)產(chǎn)生的時間晃動及其解決辦法。,返回,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(chǎn)生原因也不相同，大致因為載流子在探測器內(nèi)運動途徑不同造成的 。例：閃爍體和光電倍加管（PMT）組成的閃爍計

10、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)生差異，而擊中的位置往往是隨機的，因而信號輸出的時間產(chǎn)生時間晃動。,返回,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。,返回,幅度時間游動效應(yīng),不同幅度經(jīng)過時檢電路之后在輸出時間上產(chǎn)生差異 ，探測器輸出信號幅度的隨機變化造成了時間上晃動，稱為幅度時間游動效應(yīng)。,返回,上升時間游動效應(yīng),不同上升時間的信號經(jīng)過時檢電路之后會產(chǎn)生

11、在輸出信號時間上差異 ，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(yīng)。,返回,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 Pd（td），可以得到各級矩：,,由此推知td的隨機變化情況，來度量的晃動大小 。一般可以假設(shè)td服從高斯分布， 和

12、 是關(guān)鍵參量,,,作為時間晃動的度量,時間晃動大小的度量,二個信號時間間隔及其晃動量,,,,,時間晃動大小的度量,時間晃動實驗測量 在實驗上可以用同一瞬間產(chǎn)生兩個粒子的放射源（如60Co ?源 ，幾乎是同時發(fā)射 兩個?粒子[?1和?2 ]）； 測量計數(shù)隨τ（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,,,,返回,前沿定時甄別器-固定閾值甄別器,前沿定時特性分析基本電路構(gòu)型,返回

13、,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(guān)系表示：,,輸出信號對輸入信號的時間延遲可以表示為：,,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，假定在快甄別器情況下， t?很小 ，暫不加以考慮 。,,在Vi由Vi1變?yōu)閂i2時，?Vi= (Vi1 -Vi2)，如果?Vi很小，則輸出信號對輸入信號的時間延遲差? td=(t2-t1)應(yīng)為：,,td隨Vi變化而發(fā)生變化稱為幅度時間游動效應(yīng)。顯而可見

14、VT和tm越小， td變化量就越小，幅度時間游動效應(yīng)就越小,前沿定時特性分析（二）,上述討論在?Vi很小情況下，如果Vi變化很大時，服從某一種分布規(guī)律，要得到? td必須Vi的概率密度函數(shù)求得td的概率密度函數(shù)，得到? td。,若達峰時間 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(yīng)。,返回,基本電路構(gòu)型,高速運算放大器（例如THS3201、OPA847等）構(gòu)成的施米特甄別器； 高速比較器（例如

15、AD96687）構(gòu)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(gòu)成的甄別器,雙閾甄別電路,由于幅度效應(yīng)，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(shè)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，還可減少由于幅度效應(yīng)引起的時間游動甄別器需要有穩(wěn)定的閾電壓。 閾電壓的產(chǎn)生程控設(shè)置的 DAC 提供。為了減少噪

16、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。,返回,恒比定時甄別器（CFD）,提出恒比定時的基本思路恒比定時甄別原理恒比定時甄別器實現(xiàn),返回,提出恒比定時的基本思路,前沿定時除了由幅度游動效應(yīng)引起較大晃動之外，觸發(fā)比不恒定也是一個缺點。 探測器的固有時間晃動往往與外電路收集到的電荷量與總電荷量比值有關(guān)，在某一比值時，固有時間晃動可達到最小。這一比值卻好就是觸發(fā)比 P:

17、 P=VT/Vi 如果能對每一個信號作到恒定的觸發(fā)比，就可以選擇合適的比值，使探測器的固有時間晃動最小。同時能克服幅度游動效應(yīng)。,返回,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(chǎn)生一個雙極性信號，該信號從負極性變到正極性的過零時刻與信號幅度無關(guān)，在此時刻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刻檢出信號的作用。,恒比定時甄別

18、原理,用 ui(t)來近似描述輸入信號:,,經(jīng)過衰減倒相后信號（其中為衰減因子）：,,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刻 ：,由此可知 (1)過零點與信號幅度無關(guān) (2)在tz時刻，對于任何幅度都一樣。因此tz是一個理想的時刻，既克服了游動效應(yīng)，又在此時刻的信號值與總幅度之比為一恒值。在這一時刻檢出信號可以達到恒比定時的目的。圖中過

19、零甄別器ZCD起到在時刻檢出信號的作用,,返回,恒比定時甄別器實現(xiàn),門控型恒比定時甄別器雙予甄別門控型恒比定時甄別器雙極性信號成形方法,返回,門控型恒比定時甄別器,返回,雙予甄別門控型恒比定時甄別器,成形電路采用恒比成形時，常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，有可能使前沿甄別器輸出信號落在過零時刻之后，這樣一來就成為前沿定時了。因

20、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，提出一種改進方案，即雙予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基礎(chǔ)上再加上一個固定閾值甄別器DT，其閾值比的閾值要大 。在小信號時（即輸入信號幅度略大于 VTP）不能觸發(fā) DT，因而最后不產(chǎn)生輸出。只有輸入信號幅度大于 VTT才能觸發(fā) DT，產(chǎn)生最后輸出，這時DP的輸出信號不會落在過零時刻之后，保證了恒比定時。,但是這樣也會帶來一個問題，輸出信號前

21、沿時刻在略超過情況下亦會落在之后，又將造成輸出信號對應(yīng)的前沿定時時刻。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。,返回,雙極性信號成形方法,延遲線成形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(

22、t)-Vc(t)=R i(t)=RC dVc(t)/dt 在電容器上電壓達到峰值之后，積分電阻上的電流方向改變，引起比較器輸出的翻轉(zhuǎn)。由于電阻電容組成的是一個線性網(wǎng)絡(luò)，Vr(t)的過零點與輸入信號的幅度無關(guān)，從而實現(xiàn)了恒比定時功能。,返回,幅度和上升時間補償定時（ARC）,恒比定時僅僅解決了幅度游動效應(yīng)，未曾解決上升時間游動效應(yīng)。ARC定時可同時解決幅度和上升時間游動效應(yīng)。它的電路結(jié)構(gòu)完全與恒比定時相同。但延遲時

23、間td應(yīng)滿足：,,相加后輸出信號應(yīng)為,,解得,,在ARC定時中,,,對于延遲信號的觸發(fā)比,,對于衰減倒相信號的觸發(fā)比,,在tm不是常數(shù)時， 和 也就不是常數(shù)，因而不是真正恒比 。,,,返回,§3. 符合電路,符合電路基本結(jié)構(gòu) 符合曲線 快-慢符合符合電路實例,返回,符合電路基本結(jié)構(gòu),二個輸入信號分別經(jīng)過定時成形電路之后，使其輸出信號前沿晃動很小，以寬度分別為 Tw1和Tw2信號加入符合門電路，只有當二個信號發(fā)生

24、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(shè)二個輸入信號到達時間 分別為t1和t2，只有滿足,符合門才有輸出，其分辨時間應(yīng)為：,,,,,符合電路基本結(jié)構(gòu),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。,返回,符合曲線,為了測定符合系統(tǒng)（包括探測器在內(nèi)）的時間分辨能力，常利用同一瞬間產(chǎn)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

25、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(guān)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,返回,電子學瞬時符合曲線,用一個信號源代替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(diào)節(jié)相對延遲量，符合電路輸出信號送

26、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(guān)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(chǎn)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如果考慮到：(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，因而對符合門輸入來說，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，不能響應(yīng)，這相當于減小了有效寬度。(3)考慮到

27、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。 由于以上原因，瞬時符合曲線不僅寬度減小，而且形狀上偏離了矩形，為曲線2。這就是實際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,,返回,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(guān)系曲線為物理瞬時符合曲線，此曲線

28、包括了探測器和定時系統(tǒng)的時間晃動及偶然符合等因素。,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(yīng)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,偶然符合計數(shù)率,真符合事件計數(shù)率,?為時差漲落的方差,?E為電子學分辨時間,物理曲線形狀與電子學曲線相似,,曲線高度下降，形狀變窄，平頂部分消失，這是由于真符合計數(shù)被丟失了,物理瞬時符合曲線,在實際測量中，除了真符合事例外

29、，還有大量不屬于同一核事件互不相關(guān)的粒子進入二個探測器，它們有可能在分辨時間之內(nèi)隨機地進入符合電路各輸入端而產(chǎn)生輸出，稱這種符合為偶然符合。顯而易見，偶然符合應(yīng)與二個電路相對延遲時間無關(guān)。偶然符合計數(shù)為 ：,,,隨著?E增加，W(td)曲線高度平移地升高。這正是偶然符合所造成的。,WE(td)把看成寬度為?E，高度為1的矩形函數(shù),物理瞬時符合曲線,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)晃動，當?E選得較小時真符合事件

30、可能漏記，造成真符合計數(shù)損失。 ?E越小，損失越多。 ?E取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，偶然符合計數(shù)也正比地增大，偶然符合與真符合計數(shù)之比隨之增大。從符合曲線中求得偶然符合計數(shù)雖然可以再從實際曲線中扣除偶然符合計數(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的選擇要綜合加以考慮。從時間分辨和減小偶然符合角度來看， ?E取小些為好；從真符合計數(shù)

31、損失來看， ?E不能取得太小。符合系統(tǒng)所能達到的最小分辨時間，根本上取決于探測器和定時系統(tǒng)的時間漲落大小。,返回,快-慢符合,時間上相關(guān)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(nèi)。在時間符合作為基本條件之下用幅度選擇作為輔助措施來減小偶然符合。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行符合

32、，其分辨時間不能取得很小，否則會降低效率（真符合計數(shù)損失增加），但增大分辨時間又會使偶然符合增加。為了解決這個矛盾，常采用快慢符合技術(shù)。,快-慢符合,,探測器信號經(jīng)過時檢電路后進入快符合電路，因而時間晃動很小，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)過單道分析器進行幅度選擇。只有在時間和幅度上都滿足給定條件時，三重慢符合電路才產(chǎn)生輸出。其中延遲線td是為了補償單道分析器產(chǎn)生的時延。,返回,符合電路實例,四路輸入信號先經(jīng)MC1

33、0E1651比較器甄別輸出，然后用MC10EL01D進行“與”或者“或”邏輯，再通過單穩(wěn)態(tài)芯片MC10198調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度，最后分別轉(zhuǎn)換成快NIM和TTL輸出 。最小時間窗可達到2ns。,返回,§4. 時間分析器,時間分析器的構(gòu)成時間－數(shù)字變換 TDC 時間-幅度變換器（TAC）基于幅度-時間修正的時間間隔測量,返回,時間分析器的構(gòu)成,常用的有兩類時間分析器 二個信號加入到時間間隔編碼電路即 TDC， TDC輸出的

34、數(shù)碼正比于信號間的時間間隔，再將其送入數(shù)據(jù)獲取和處理系統(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，進行幅度-數(shù)字變換，再送入數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)。,,時間分析器的構(gòu)成,時間分析器用來測量時間譜，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(guān)鍵部分是 TDC和TAC,返回,時間－數(shù)字變換 TDC,起始停止計數(shù)器型TDC 基于時間內(nèi)插技術(shù)（Tim

35、e Interpolating）的TDC基于時間郵戳（Time Stamp）技術(shù)的TDC基于時間放大技術(shù)的TDC,返回,起始停止計數(shù)器型TDC,待測的起始（start）和停止（stop）二個信號分別輸入到觸發(fā)觸復(fù)器（FF）S和R二端，F(xiàn)F輸出信號T的寬度應(yīng)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，因此通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

36、-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，進行串行-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。,,起始停止計數(shù)器型TDC,直接計數(shù)器型TDC的優(yōu)點是電路簡單，大尺度時間測量范圍，且全數(shù)字化，易于集成。 時間精度（一個LSB代表的時間間

37、隔量）受到時鐘頻率以及它的穩(wěn)定性限制 ，因為高時鐘頻率（1GHz以上）在工藝和電路結(jié)構(gòu)上要付出很高代價。這種TDC的時間精度在ns量級。采用自激時鐘振蕩器會造成2 T0的誤差，采用它激時鐘振蕩器誤差可以減小到1 T0，但是在一般情況下，振蕩器起振階段，頻率和幅度不穩(wěn)定，也會帶來誤差。,返回,自然二進制碼可以直接由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，但在某些情況，例如從十進制的3轉(zhuǎn)換為4時二進制碼的每一位都要變，能使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈

38、沖。而格雷碼則沒有這一缺點，它在相鄰位間轉(zhuǎn)換時，只有一位產(chǎn)生變化。它大大地減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)時邏輯的混淆。格雷碼僅改變一位，這樣與其它編碼同時改變兩位或多位的情況相比更為可靠，即可減少出錯的可能性。,返回,基于時間內(nèi)插技術(shù)（Time Interpolating）的TDC,要滿足高時間精度和大尺度測量范圍的TDC 目前采用所謂的“粗”計數(shù)（Coarse Counting）和“細”時間測量（Fine Measurement）相結(jié)合

39、的方法。這種方法中，“粗”計數(shù)一般由高性能的直接計數(shù)器型TDC。使用的參考時鐘頻率一般在數(shù)百MHz，達到幾個ns的時間精度；而“細”時間測量的實現(xiàn)則依靠時間內(nèi)插技術(shù)（Time Interpolation），在一個時鐘周期內(nèi)進行時間內(nèi)插，達到亞納秒（100 ps ~ 10ps）的時間分辨。時間內(nèi)插技術(shù)的基本思想是采用適當?shù)姆椒▽ⅰ按帧庇嫈?shù)使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

40、錄下來，等效于將時鐘信號的頻率提高了M倍。一個直接的方法就是利用若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(nèi)插。,基于時間內(nèi)插技術(shù)（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(chǎn)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(yīng)輸入端，Stop信號則作為一個公共信號送

41、入各符合電路的另一輸入端，與延遲線上傳輸?shù)男盘栕龇希涗浵庐擲top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)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(shù),門電路組成的延遲電路 鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，簡稱為：PLL）技術(shù) 延遲鎖定環(huán)（Delay Locked Loop，簡稱為：DLL）技術(shù)

42、無源RC延遲線,返回,門電路組成的延遲電路,通常是由兩個CMOS反向器門電路構(gòu)成一個延遲單元。時間分辨則由一個延遲單元的延遲時間所決定。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。缺點是門電路的延遲時間容易受到供電電壓波動和溫度變化的影響而產(chǎn)生變化，需要經(jīng)常進行刻度。,返回,鎖相環(huán)技術(shù),在時間內(nèi)插電路應(yīng)用中，門電路延遲線是作為VCO（Voltage Controlled Oscillator）的一部

43、分放在環(huán)中，構(gòu)成一個環(huán)形振蕩器，振蕩周期由門電路的延遲時間所決定。當供電電壓變化或者是溫度變化時，利用負反饋機制，改變各門電路單元的供電電流，調(diào)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變化。另外，這種電路還具有易于集成，功耗小的優(yōu)點。,返回,延遲鎖定環(huán)技術(shù),DLL技術(shù)與PLL技術(shù)很類似，也是將門電路延遲線放在反饋環(huán)中，通過相位檢測，調(diào)整各門電路單元的供電電壓，調(diào)整和穩(wěn)定各門

44、電路單元的延遲時間。在DLL電路中，輸入?yún)⒖紩r鐘直接與其通過門電路延遲線后的信號進行相位檢測。門電路延遲線并不形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)， 所以不存在VCO電路，而是形成一個所謂的VCDL（Voltage Controlled Delay Line）電路。,返回,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寄存器的相應(yīng)D輸入端，當一個物理事例信號產(chǎn)生時，Hit信號經(jīng)一個RC延遲線，產(chǎn)生M個不同相位延遲的信號將當前DLL的時鐘沿狀態(tài)記

45、錄下來。設(shè)RC延遲線的單元延遲時間等于tN/M，則所得到時間精度為：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)。,返回,基于時間郵戳（Time Stamp）技術(shù)的TDC,傳統(tǒng)的TDC測量時間間隔采用所謂的“Start-Stop”技術(shù)，即用Start信號啟動TDC計數(shù)，用Stop信號停止計數(shù)。 把Start和Stop都作為一個擊中（HIT），時間郵戳（Time Stamp，或稱為時間

46、標記）技術(shù)是通過記錄每個HIT發(fā)生的時刻，再由數(shù)據(jù)處理電路（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)生的時刻的記錄是采用“粗”計數(shù)和“細”時間測量相結(jié)合方法， “細”時間測量采用“延遲線”時間內(nèi)插和符合方法。,基于時間郵戳（Time Stamp）技術(shù)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(shù)的TDC，時間精度為~25ps 。ACAM公司的GPX和GP

47、2是基于時間郵戳技術(shù)的TDC商業(yè)產(chǎn)品。時間精度也在幾十ps。,返回,基于時間放大技術(shù)的TDC,Wilkinson型TDC游標尺（Vernier）計時器,返回,Wilkinson型TDC,Wilkinson型TDC是上世紀50年代提出的，其基本思想是基于所謂的時間放大（Time Stretch）原理，人們也常稱其為雙斜率型TDC。這種TDC是電路中采用兩個不同的恒流源I1和I2。采用大電流I1對電容快速充電，充電時間T1正比于輸入信號

48、Start和Stop的時間差。而在數(shù)字化時，采用小電流I2放電，同時用一個高速計數(shù)器在充電時間T1和放電時間T2內(nèi)進行時鐘計數(shù)。很顯然，計數(shù)器中的計數(shù)N正比于輸入的Start和Stop信號的時間差。而時間放大因子K則由兩個恒流源電流的比值K=T2/T1=I1/I2確定。這種TDC有較大的變換（死）時間，約等于（K+1）T1 ，不適合高計數(shù)率應(yīng)用。,返回,游標尺（Vernier）計時器,二個信號分別加入到起始端和停止端，觸發(fā)T1和 T2兩

49、個振蕩器后加入符合門 ，用符合輸出作為二個關(guān)閉振蕩器的關(guān)門信號用振蕩器 T1輸出的信號作為地址寄存器（計數(shù)器）的輸入 ，作串行-并行變換后輸出數(shù)碼。,游標尺（Vernier）計時器,兩個門控振蕩器產(chǎn)生頻率略微不同的兩個時鐘信號，其頻率分別為f1=1/T1和f2=1/T2，T1>T2，?T=T1-T2=T1/K ，CP1為T1輸出，它的第一個脈沖出現(xiàn)的時刻為 TA1，第i個脈沖出現(xiàn)的時刻為TAi; CP2為T2輸出，它的第一個脈沖出

50、現(xiàn)的時刻為 TB1，第i個脈沖出現(xiàn)的時刻為TBi ；Tx=TB-TA為待測時間間隔 ，有：,?為時間脈沖寬度，取?? ?T，當TBm-TAm<?時，符合門就有輸出，而關(guān)閉二個振蕩器。輸入到地址寄存器的脈沖個數(shù)為 m，,,,,這種TDC的時間道寬為?T，將二個振蕩器的頻率差做得很小，就可以獲得很小的時間道寬。,游標尺（Vernier）計時器,二個輸入信號之間時間間隔為 Tx=TB-TA，而時鐘振蕩器起振與停止的時間間隔為Ty=Tam

51、-T1＝(m-1)T1，是進行一次變換所需要時間 ，游標尺計時器等效于一對時間信號將其時間間隔放大了K倍之后再去控制一個時鐘門。,,返回,時間幅度變換器（TAC）,TAC基本原理TAC實例,返回,TAC基本原理,時間-幅度變換是把兩個信號之間的時間間隔長短轉(zhuǎn)換成一個幅度與其間隔成正比的輸出信號最方便的辦法是在此間隔內(nèi)對電容器進行恒流充電,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

52、，停止信號將S 2斷開，C上的電壓正比于兩個信號之間的時間間隔。電容器上保持住的電壓為Vc=I·tx/C，tx為二個輸入信號的時間間隔 。,,返回,TAC實例,初始狀態(tài)，S1、S2和S4斷開，S3導通；Start信號輸入，S1 and S4導通，S3斷開，恒流源I1對C1充電，在A1的輸出產(chǎn)生線性上升電壓；當達到閾值Vref時，COM1將對FF2置位，S2導通，兩倍于I1電流的恒流源I2流過開關(guān)，流過C1為方向相反I1

53、，C1恒流放電，使A1的輸出電壓線性下降；直到A1的輸出為零，COM2復(fù)位，S2斷開，C1再次被I1充電；重復(fù)上面過程，從而A1的輸出幅度為零到Vref之間變化的三角波形。Stop信號到達，S1 and S4斷開，S3 導通，恢復(fù)到初態(tài)。S4、C2和 A2構(gòu)成一個峰保持電路，在stop信號到達時刻的幅度Vt保持，進行AD變換。 CTR1和CTR2兩個計數(shù)器分別記錄FF2的Q和/Q計數(shù)。,時序圖,三角波周期為,Vt值為,NA/

54、D為VT經(jīng)過AD變換的數(shù)碼；Nsum 為CTR1和CTR2的計數(shù)N1和N2之和；時間間隔T（Start 與Stop之間）為,時間分辨為,其中K為ADC的位數(shù)。這種TDC的分辨可以達到幾十ps,TAC實例,電路實現(xiàn)A1和A2放大器采用高速運放AD825；觸發(fā)觸復(fù)電路FF和計數(shù)器采用MAX9698S210DE用作模擬開關(guān)MAX6250用作建立電流源和Vref,返回,基于幅度-時間修正的時間間隔測量,在當代大型物理實驗中，由于

55、通道數(shù)很多，恒比定時的電路相對比較復(fù)雜，造價高，用于時間測量，通常采用簡單的前沿定時方法，并且利用同一信號的幅度（電荷）測量對幅度-時間游動帶來的定時誤差進行修正（一般是離線修正），這已成為一種基本的方法。,基于幅度-時間修正的時間間隔測量的原理圖,前端電路的具體實現(xiàn),返回,§5. 脈沖形狀甄別（PSD）,脈沖形狀甄別經(jīng)常用來鑒別粒子的類型。不同類型的粒子在某些探測器中產(chǎn)生的電流脈沖形狀有明顯差別，藉此可用來甄別粒子的種類。粒

56、子類型的鑒別可以將各種粒子混在一起的能譜分別予以記錄，避免相互疊迭。也可用來剔除某一類粒子的本底。從電路原理角度來區(qū)分，脈沖形狀甄別有電荷比較法與時間比較法二種,時間比較法波形甄別的原理,探測器輸出的電流脈沖被積分后形成電壓脈沖，它的上升時間僅決定于電流脈沖的形狀與寬度； 將它成形為雙極性，使過零點時間與幅度無關(guān)，僅決定于信號的上升時間，也就是決定于探測器的電流脈沖的形狀與寬度。利用這一個特點就可用來作波形甄別，用于粒子類型的鑒別。,

57、波形甄別電路,前沿時檢電路的閾值調(diào)節(jié)很低，它的輸出信號vl在輸入信號起始時刻t0出現(xiàn)；過零時檢電路的輸出信號vz在信號過零時刻tz產(chǎn)生，而tz與探測器輸出的電流脈沖形狀和寬度有關(guān)。調(diào)節(jié)延遲時間td?(tz-t0)使輸入到符合電路的信號重疊符合電路產(chǎn)生輸出（圖b中vi1的情況） 。若(tz-t0)不等于td的情況，符合電路不產(chǎn)生輸出。這類輸入信號就被剔除了（圖中vi2情況）。,波形甄別電路改進,用TAC來替代符合電路，使不同波形的輸入信號