時間分析課件

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脈沖波形甄別第五章時間分析§1概述1核激發(fā)態(tài)壽命測量；正電子湮沒壽命測量；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(shù)與反符合技術(shù)；中子飛行時間望遠(yuǎn)鏡測量法；§1.概 述核激發(fā)態(tài)壽命測量；§1.概 述2一、時間信息分析所要解決的基本問題二、時間信號的檢出一、時間信息分析所要解決的基本問題3一、時間信息分析所要解決的基本問題1、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、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一、時間信息分析所要解決的基本問題1、時間間隔甄別4時間間隔甄別應(yīng)用實例時間間隔甄別應(yīng)用實例5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(diǎn)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”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。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6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(dá)甄別器的輸入端，其中任意一對信號間的時間差都滿足：

-1

<ti－tj<2(1,2>0）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(dá)的時間分別為t1和t2

，若滿足-1<t1－t2<2(1,2>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電路，1＋2為其分辨時間。（也就是時間間隔閾值）。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,u27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。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8時間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,TimetoDigitConversion

）。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(jìn)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。

探測器定時電路時間-數(shù)字變換啟動停止輸出時間信息參考時間信號放大器定時道的組成時間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9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(jìn)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（t1時刻)→探測器被擊中（t2時刻）→探測器信號輸出（t3時刻出現(xiàn)信號）→電子學(xué)電路信號處理（前放（t4時刻）放大、成形（t5時刻））→時檢電路檢出信號（t6時刻）送到時間信號分析電路或符合電路輸入端（t6時刻出現(xiàn)信號）。

時間信號的檢出無論是送到符合電路還是送到TDC的信號，要求它的出現(xiàn)時刻與粒10ttttttt1t2t6t5t4t3t1：核事件發(fā)生t2：粒子進(jìn)入探測器t3：產(chǎn)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ttttttt1t2t6t5t4t3t1：核事件發(fā)生11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(diǎn)需要考慮：延遲。t3在t2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。(t3-t2)是一個隨機(jī)量，而且信號形狀也會隨機(jī)變化。定時電路的功能是使的漲落盡可能小，或者說的晃動很小。

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(diǎn)需要考12§2定時方法一、產(chǎn)生時間晃動的幾個主要因素二、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(bǔ)償定時（ARC）

§2定時方法一、產(chǎn)生時間晃動的幾個主要因素13一產(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)時間晃動主要有以下幾個因素：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(yīng)。4、上升時間游動效應(yīng)。5、超閾延遲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。一產(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14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(yùn)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(jī)的，因而信號輸出的時間產(chǎn)生時間晃動。探測器的固有晃動不同的探測元件電流信號輸出的時15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。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162vnoVT2σT1tTt2vnovVT2σT2tTt噪聲疊加于信號的影響噪聲疊加于閾值的影響2vnoVT2σT1tTt2vnovVT2σT2tTt噪聲疊17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(jī)變化造成了時間上晃動，稱為幅度時間游動效應(yīng)。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18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(jī)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)。

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)生在輸19超閾延遲任何觸發(fā)器都存在超閾延遲。VTVTtL1tL2ΔVvi(t)ΔtD超閾延遲任何觸發(fā)器都存在超閾延遲。VTVTtL1tL2ΔVv20二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(jī)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(jī)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

是關(guān)鍵參量作為時間晃動的度量

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21二個信號時間間隔及其晃動量

時間晃動大小的度量22二個信號時間間隔及其晃動量時間晃動大小的度量22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（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,時間晃動為時間晃動大小的度量時間晃動實驗測量23三前沿定時甄別器-固定閾值甄別器1、前沿定時特性分析2、基本電路結(jié)構(gòu)觸發(fā)電路VT輸入信號輸出信號vivovitVTvottL三前沿定時甄別器-固定閾值甄別器1、前沿定時特性分析觸發(fā)電24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，也就是超閾延遲時間，假定在快甄別器情況下，t很小，暫不加以考慮。在Vi由Vi1變?yōu)閂i2時，則輸出信號對輸入信號的時間延遲差td=(t2-t1)應(yīng)為：Vo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25Δtd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VT和tm越小，Δtd變化量就越小，幅度時間游動效應(yīng)就越小。當(dāng)Vimax>>Vimin,VT=Vimin時：Vo若輸入信號最大幅度為Vimax，最小幅度為Vimin

則因幅度變化引起的前沿定時誤差為：Δtd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V26

若達(dá)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)。

前沿定時特性分析（二）若達(dá)峰時間tm發(fā)生變化（也就是上升時間發(fā)生變化），延遲時27同時考慮輸入信號的幅度變化和上升時間變化，則前沿定時的時間移動為：同時考慮輸入信號的幅度變化和上升時間變化，則前沿定時的時間移28前沿定時特性分析（三）VTVTtL1tL2ΔVvi(t)ΔtD超閾延遲：超閾延遲：觸發(fā)器輸入阻抗：Zi附加電荷：QVMtM前沿定時特性分析（三）VTVTtL1tL2ΔVvi(t)Δt29VTt2vnoVT2σT1tTt2vnov2σT2tT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標(biāo)準(zhǔn)偏差為：VTt2vnoVT2σT1tTt2vnov2σT2tT噪聲疊30觸發(fā)比和噪聲斜率比一般地，兼顧噪聲斜率及噪聲的誤觸發(fā)，選用：噪聲斜率比觸發(fā)比和噪聲斜率比一般地，兼顧噪聲斜率及噪聲的誤觸發(fā)，選用：31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(dāng)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(dāng)輸入信號上升時間為1us，輸出信號vo(t)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，加正反饋組成甄別器。性能：當(dāng)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32基本電路結(jié)構(gòu)高速運(yùn)算放大器（例如THS3201、OPA847等）構(gòu)成的施密特甄別器；

高速比較器（例如AD96687）構(gòu)成的截止式放大器型甄別器；

雙閾甄別電路?；倦娐方Y(jié)構(gòu)高速運(yùn)算放大器（例如THS3201、OPA84733高速比較器AD96687構(gòu)成的甄別器高速比較器AD96687構(gòu)成的甄別器34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。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35過零定時為了克服前沿定時在輸入信號幅度變化時引起時間移動太大的缺點(diǎn)。提出過零定時的基本思路：VoA：信號的幅度f(t)信號的形狀函數(shù)過閾時間tT:若要求過閾時間tT為常數(shù)：f(t)為階躍函數(shù)f(t)為任意函數(shù)過零定時為了克服前沿定時在輸入信號幅度變化時引起時間移動太大36過零定時(CR)2–(RC)m

成形過零點(diǎn)：(DL)2

成形過零點(diǎn)：過零定時(CR)2–(RC)m成形過零點(diǎn)：(DL)237過零定時電路過零定時電路38預(yù)置甄別器VT過零甄別器Vi(t)V1(t)V2(t)V3(t)Vo(t)ttttttZtZtZ過零定時電路優(yōu)點(diǎn)：能消除輸入信號幅度變化的時間移動。缺點(diǎn)：不能消除輸入信號上升時間變化的時間移動。預(yù)置甄別器Vi(t)V1(t)V2(t)V3(t)Vo(t)39四恒比定時甄別器（CFD）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)四恒比定時甄別器（CFD）恒比定時的基本思路40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(diǎn)。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(dá)到最小。這一比值就是觸發(fā)比P

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)。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41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(fù)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42用ui(t)來近似描述輸入信號:

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

恒比定時甄別原理用ui(t)來近似描述輸入信號:經(jīng)過衰減倒相后信號（其中43經(jīng)過相加電路之后是一個雙極性信號：

從負(fù)極性變到正極性的過零時刻：由此可知(1)過零點(diǎn)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(dá)到恒比定時的目的。圖中過零甄別器ZCD起到在時刻檢出信號的作用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(fù)極性變到正極性的過零44恒比定時甄別器實現(xiàn)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恒比定時甄別器實現(xiàn)門控型恒比定時甄別器45門控型恒比定時甄別器門控型恒比定時甄別器46第五章時間分析課件47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，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(jìn)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基礎(chǔ)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）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(dāng)延遲，以保證輸出信號前沿在DT輸出信號之后。雙閾甄別門控型恒比定時甄別器成形電路采用恒比成48雙極性信號成形方法短路延遲線成形tdtztttoootm雙極性信號成形方法短路延遲線成形tdtztttoootm492、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)=R

i(t)=RCdVc(t)/dt

在電容器上電壓達(dá)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(diǎn)與輸入信號的幅度無關(guān)，從而實現(xiàn)了恒比定時功能。2、RC成形50恒比定時甄別器實例恒比定時甄別器實例51五、幅度和上升時間補(bǔ)償定時（ARC）提出的基本思路：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五、幅度和上升時間補(bǔ)償定時（ARC）提出的基本思路：恒比定時52恒比成形過零甄別預(yù)置甄別與門衰減P輸入vi延遲

tdv1v2v3v4輸出vo++--VTVT恒比定時viv1v2v12v4v3vottttttttMtdtZtZVTviv1v2v12v4v3vottttttttM1tdtAtZARC定時tM2恒比定時ARC定時恒比成形預(yù)置甄別與門衰減P輸入vi延遲tdv1v2v3v53第五章時間分析課件54第五章時間分析課件55六、最佳定時濾波器與定時濾波放大器最佳定時濾波器：斜率噪聲比達(dá)到最大值的定時濾波器。斜率噪聲比：最大噪聲引起的定時標(biāo)準(zhǔn)偏差為：最小定時電路定時濾波器定時電路六、最佳定時濾波器與定時濾波放大器最佳定時濾波器：斜率噪聲比56定時濾波器定時電路噪聲引起的定時標(biāo)準(zhǔn)偏差為：定時濾波器定時電路噪聲引起的定時標(biāo)準(zhǔn)偏差為：57第五章時間分析課件58斜率噪聲比：最佳定時濾波成形電路的頻率響應(yīng)為：斜率噪聲比：最佳定時濾波成形電路的頻率響應(yīng)為：59最佳定時濾波成形電路的頻率響應(yīng)為：輸入為白噪聲，輸入噪聲功率譜密度為常數(shù)最佳定時濾波成形電路的沖擊響應(yīng)為最佳定時濾波成形電路的頻率響應(yīng)為：輸入為白噪聲，輸入噪聲功率60定時單道脈沖幅度分析器：具有定時和單道雙重功能定時單道脈沖幅度分析器：具有定時和單道雙重功能61第五章時間分析課件62§3、符合電路一、符合方法二、符合電路基本結(jié)構(gòu)三、符合曲線四、快-慢符合五、符合電路實例§3、符合電路一、符合方法63一、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；實際符合：在一個時間段內(nèi)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64兩重符合：多重符合：符合水平：ABOUT000010100111ABOUT真值表：兩重符合：ABOUT000010100111ABOUT真值表65反符合ABOUT000010101110真值表：ABOUT反符合ABOUT000010101110真值表：ABOUT66第五章時間分析課件67符合電路分辨時間：=2tw2323VT理想電子學(xué)符合實際電子學(xué)符合tWtW符合電路分辨時間：=2tw2323VT理想電子學(xué)符合實68二符合電路基本結(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(dāng)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(shè)二個輸入信號到達(dá)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：

二符合電路基本結(jié)構(gòu)二個輸入信號分別經(jīng)過定時成形電路之后，使69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。

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70三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(yuǎn)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(xué)瞬時符合曲線物理瞬時符合曲線三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71電子學(xué)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(xué)瞬時符合曲線。調(diào)節(jié)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(guān)系曲線，此曲線即為電子學(xué)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(xué)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72電子學(xué)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(dāng)重合時間太窄時，不能響應(yīng)，這相當(dāng)于減小了有效寬度。(3)考慮到噪聲疊加在信號、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(xué)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(xué)分辨時間：電子學(xué)瞬時符合曲線在理想條件下為曲線173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。物理瞬時符合曲線用瞬時符合放射源和探測器系統(tǒng)替代信號源作為符74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(xué)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

E為電子學(xué)分辨時間

物理曲線形狀與電子學(xué)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)被丟失了為時差漲落的方差

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75在實際測量中，除了真符合事例外，還有大量不屬于同一核事件互不相關(guān)的粒子進(jìn)入二個探測器，它們有可能在分辨時間之內(nèi)隨機(jī)地進(jìn)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)

在實際測量中，除了真符合事例外，還有大量不屬于同一核事件互不76由于時間漲落的影響，一對真符合信號到達(dá)符合電路的時差出現(xiàn)統(tǒng)計漲落，當(dāng)E選得較小時真符合事件可能漏記，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)損失來看，E不能取得太小。符合系統(tǒng)所能達(dá)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。由于時間漲落的影響，一對真符合信號到達(dá)符合電路的時差出現(xiàn)統(tǒng)計77511keV511keVe+e-正電子發(fā)射斷層顯像PositronEmissionTomography511keV511keVe+e-正電子發(fā)射斷層顯像Pos78

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(nèi)部，放射線從病人身體內(nèi)部射出，最后被探測器接收。具有短半衰期的放射性的原子可以由回旋加速器或核反應(yīng)堆生產(chǎn)出來。這些放射性元素再用來制造放射性藥物。通常放射性藥物是通過手臂靜脈血管注射而進(jìn)入體內(nèi)的。放射性藥物進(jìn)入人體后會跟蹤病理過程。放射性藥物也可以通過病人的呼吸道或消化道進(jìn)入人體。放射性藥物實際上是個分子載體，它依附于特定的生理組織或病理過程。放射性物質(zhì)在藥物的帶領(lǐng)下在人體內(nèi)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(zhì)在人體內(nèi)部的分布圖。發(fā)射型斷層成像。所謂發(fā)射型成像就是把放射源放在79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十分短暫，因為在自然界中正電子很快就會遇到一個(帶負(fù)電的)電子。當(dāng)正電子與電子發(fā)生作用時，它們的質(zhì)量會湮滅(即完全消失)，它們的質(zhì)量完全轉(zhuǎn)換為能量而產(chǎn)生出兩個能量為511keV的伽瑪光子。這兩個光子沿著相隔180o角的方向傳播。有一些放射性元素，如O-15，C-11，N-13，和F-80ScintillationCrystalPMTPre-Amplifier+ElectronicsGammaphotonconvertstoopticalphotons(proportionaltogammaenergy)photonsarecollectedattheendofthecrystallightisconvertedtoanelectricalsignal&lifiedFront-endelectronicsconditionthesignalforfurtherprocessingGammaRayOpticalreflectorPET是先進(jìn)的核醫(yī)學(xué)三維成像技術(shù),圍繞著被測體四周的圓柱形位置靈敏探測器探測被測體發(fā)出的γ光子,使用時間符合、電子準(zhǔn)直和能量甄別等技術(shù)從復(fù)雜噪聲背景中篩選出有用事例,使用大量的有用事例數(shù)據(jù)可以重建放射性物質(zhì)分布的三維圖像。ScintillationPMTPre-AmplifierG81第五章時間分析課件82SET-3000G/XschematicdesignSET-3000G/Xschematicdesign83第五章時間分析課件84四快-慢符合時間上相關(guān)的事件本身還存在一些特點(diǎn)，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(jìn)行符合，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)。四快-慢符合時間上相關(guān)的事件本身還存在一些特點(diǎn)，例如粒子85快-慢符合探測器信號經(jīng)過時檢電路后進(jìn)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(jìn)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(bǔ)償單道分析器產(chǎn)生的時延?？?慢符合探測器信號經(jīng)過時檢電路后進(jìn)入快符合86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(jìn)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(dá)到2ns。符合電路實例四路輸入信號先經(jīng)MC10E1651比較器甄別輸出87NIM在核儀器領(lǐng)域中NIM標(biāo)準(zhǔn)是一個公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，由（EIA電子工業(yè)聯(lián)合會）提出。NIM邏輯信號定義：快NIM邏輯信號標(biāo)準(zhǔn)為（負(fù)載為50Ω阻抗，負(fù)邏輯。適用于上升時間在ns量級，信號寬度小于1us的快信號。NIM在核儀器領(lǐng)域中NIM標(biāo)準(zhǔn)是一個公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，由（EIA電88TTL電平

規(guī)定：輸出高電平>2.4V,輸出低電平<0.4V。在室溫下，一般輸出高電平是3.5V，輸出低電平是0.2V。最小輸入高電平和低電平：輸入高電平>=2.0V，輸入低電<=0.8V，噪聲容限是0.4V。

TTL電平規(guī)定：輸出高電平>2.4V,輸出低電平<0.489實際應(yīng)用中，由于外界干擾、電源波動等原因，可能使輸入電平UI偏離規(guī)定值。為了保證電路可靠工作，應(yīng)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(fù)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(正向干擾)，用UNL表示：UNL=UIL,max－UILUNH=UIH－UIH,min實際應(yīng)用中，由于外界干擾、電源波動等原因，可能使輸入901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,max－UOL,max輸入高電平噪聲容限：UNH=UOH,min－UIH,min74LS系列門電路前后級聯(lián)時的輸入噪聲容限為：UNL=0.8V－0.5V=0.3VUNH=2.7V－2.0V=0.7V5V2.7V0.5V0V5V2V0.8V0V1輸出0輸出1輸入0輸入UOH,minUIH,minUNHU91射極耦合邏輯門電路(ECL)

ECL門的基本結(jié)構(gòu)

由于TTL門中BJT工作在飽和狀態(tài)，BJT存儲電荷，電荷的存儲和消散需要一定的時間,開關(guān)速度受到了限制。只有改變電路的工作方式，從飽和型變?yōu)榉秋柡托?，才能從根本上提高速度。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的集電極取得。RC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIE射極耦合邏輯門電路(ECL)ECL門的基本結(jié)構(gòu)

T1、T92IE=[VE-(-VEE)]/Re=(0.3V+12V)/1.2KΩ≈10mA1.當(dāng)輸入端A、B都接低電平0（設(shè)VA=VB=0.5V）時由于VREF=1V，因此T3優(yōu)先導(dǎo)通，這就使發(fā)射極e的電位VE=VREF-VBE3=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-10mA×0.1KΩ=5V

VC1=VCC=6V

由此可見，當(dāng)輸入為0時，T1、T2截止，輸出端c1為高電平1（＋6V）；T3導(dǎo)通，輸出端c3為低電平0(＋5V）。而且由于VB3=VREF=1V，而VC3=5V，所以T3處于放大狀態(tài)而未達(dá)到飽和。

IE=[VE-(-VEE)]/Re=(0.3V+12V)/193RC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIE

2.當(dāng)輸入端A、B中有一個接高電平1（設(shè)A接高電平，VA=1.5V）時

由于VA＞VREF，所以T1優(yōu)先導(dǎo)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)/1.2KΩ=10.6mAVC1=VCC-IERc1=6V-10.6mA×0.1KΩ≈5VVC3=VCC=6V此時T1處于放大狀態(tài)。由于T1和T2的發(fā)射極和集電極是分別連在一起的，所以只要A、B中有一個接高電平，都會使c1為低電平0（＋5V），而c3為高電平1（＋6V）。

c1=A+B或非輸出c3=A+B或輸出RC1RC3T2T3ReVREF-VEEC1C3VEIE

294由于集成電路特點(diǎn)，電路只用一種負(fù)電源-VEE=-5.2V，而VCC=0V。圖中T1—T4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(bǔ)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，起電平移動作用，VC4和VC5通過電壓跟隨器后，使輸出變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)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(fù)載能力。ECL門的電路實例由于集成電路特點(diǎn)，電路只用一種負(fù)電源-VEE=-5.2V，而95輸出輸出96第五章時間分析課件97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.適當(dāng)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(zhuǎn)，從而產(chǎn)生符合輸出。當(dāng)只有一路信號輸入時，輸入信號不夠大，不能使隧道二極管翻轉(zhuǎn)，電路沒有輸出。優(yōu)點(diǎn)：電路動作速度快，分辨時間可達(dá)幾納秒。缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差?？旆想娐?、隧道二極管符合電路輸入1輸入2R1R2E輸出W98快符合電路1、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(dǎo)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(dǎo)通ie=5mA當(dāng)輸入1有信號，電位降為-0.7V時：D1截止，D2導(dǎo)通。ie=10mA當(dāng)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(dǎo)通。VT輸入1輸入2輸出VCie00快符合電路1、相加型共基極符合電路靜態(tài)時：輸入1、輸入2為零99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：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耐壓大小：0.5～5kV延遲電纜絕緣套管層網(wǎng)狀屏蔽線絕緣介質(zhì)中心導(dǎo)線單屏蔽電纜雙屏蔽電纜快信號的傳輸與納秒延時器信號傳輸電纜的參數(shù)：絕緣套管層網(wǎng)狀屏100第五章時間分析課件101第五章時間分析課件102信號傳輸傳輸時間：傳輸速度：快脈沖：tr<t;慢脈沖：tr>t;信號反射0<Rt<ZL時，產(chǎn)生負(fù)反射;ZL<Rt<，產(chǎn)生正反射。聚乙烯絕緣介質(zhì)傳輸速度：信號傳輸傳輸時間：傳輸速度：快脈沖：tr<t;信號反射聚乙103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.阻抗匹配104始端匹配終端匹配始端匹配終端匹配匹配電纜阻抗ZL始端匹配終端匹配始端匹配終端匹配匹配電纜阻抗ZL105第五章時間分析課件106納秒延時器采用電纜延時構(gòu)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;8ns至32ns:小于100ps.時間移動：1.4ns輸入輸出延遲：8～9ns信號衰減：小于10%特性阻抗：50納秒延時器采用電纜延時構(gòu)成的延時器特性：107§4.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測量§4.時間量變換方法時間分析108分析一個核態(tài)與另一個核態(tài)之間的時間關(guān)系，也就是測量核事件的時間間隔概率密度分布。符合方法測量時間間隔分布，類似于用單道測量能譜。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加入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(jìn)行幅度-數(shù)字變換，再送入數(shù)據(jù)獲取與處理系統(tǒng)。分析一個核態(tài)與另一個核態(tài)之間的時間關(guān)系，也就是測量核事件的時109第五章時間分析課件110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(dāng)。關(guān)鍵部分是TDC和TAC。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111二、時間幅度變換器（TAC）TAC基本原理TAC實例二、時間幅度變換器（TAC）TAC基本原理112TAC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(jìn)行恒流充電,靜態(tài)時S1和S2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，停止信號將S2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。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)113第五章時間分析課件114限幅放大雙穩(wěn)態(tài)電流開關(guān)起始電流開關(guān)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(guān)停止電流開關(guān)停止信號復(fù)位開關(guān)停止門超量程觸發(fā)器讀出時間開門選通輸入電流源延時內(nèi)外內(nèi)外起停型時幅變換器電路方框圖C限雙電起始真起始輸出變換鉗位緩沖放大線跟隨器放大器變換輸出起115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)停止信號V1(t)V3(t)VC(t)脈沖重疊型時幅變換混合器積分器V1(t)V2(t)V3(t)116第五章時間分析課件117三、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)（TimeInterpolating）的TDC基于時間郵戳（TimeStamp）技術(shù)的TDC基于時間放大技術(shù)的TDC三、時間－數(shù)字變換TDC起始停止計數(shù)器型TDC118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)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-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(jìn)行串行-并行變換，經(jīng)過譯碼后以二進(jìn)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待測的起始（start）和停止（sto119計數(shù)器十進(jìn)制計數(shù)器同步十進(jìn)制加法計數(shù)器分析：①驅(qū)動方程和輸出方程計數(shù)器十進(jìn)制計數(shù)器同步十進(jìn)制加法計數(shù)器分析：①驅(qū)動方程和輸120②狀態(tài)方程②狀態(tài)方程121③狀態(tài)表000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111100011110000111100000000110101010101010101010101001100110001000100000000010101010③狀態(tài)表00012274160－－同步十進(jìn)制加法計數(shù)器3Q2QETCP0D1D2D3DC1Q0Q74160∧EPRDDL74160－－同步十進(jìn)制加法計數(shù)器3Q2QETCP0D1D2123直接計數(shù)器型TDC的優(yōu)點(diǎn)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2T0的誤差，采用它激時鐘振蕩器誤差可以減小到1T0，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。直接計數(shù)器型TDC的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，大尺度時間測量范圍，且全124自然二進(jìn)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(jìn)制的7轉(zhuǎn)換為8時二進(jìn)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沖。而格雷碼則沒有這一缺點(diǎn)，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。自然二進(jìn)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125基于時間內(nèi)插技術(shù)（TimeInterpolating）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)（CoarseCounting）和“細(xì)”時間測量（FineMeasurement）相結(jié)合的方法。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M(fèi)Hz，達(dá)到幾個ns的時間精度；而“細(xì)”時間測量的實現(xiàn)則依靠時間內(nèi)插技術(shù)（TimeInterpolation），在一個時鐘周期內(nèi)進(jìn)行時間內(nèi)插，達(dá)到亞納秒（100ps~10ps）的時間分辨。時間內(nèi)插技術(shù)的基本思想是采用適當(dāng)?shù)姆椒▽ⅰ按帧庇嫈?shù)使用的參考時鐘的周期細(xì)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)（TimeInterpolating）的T126基于時間內(nèi)插技術(shù)（TimeInterpolating）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?dāng)Stop信號到來時，時鐘信號在“延遲線”上傳輸?shù)奈恢茫囱舆t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(dāng)于將“粗”時間計數(shù)的時鐘周期細(xì)分了8個等分，實現(xiàn)了0.5ns的時間分辨。

基于時間內(nèi)插技術(shù)（TimeInterpolating）的T127幾種“延遲線”技術(shù)

門電路組成的延遲電路鎖相環(huán)（PhaseLockedLoop，簡稱為：PLL）技術(shù)延遲鎖定環(huán)（DelayLockedLoop，簡稱為：DLL）技術(shù)無源RC延遲線幾種“延遲線”技術(shù)門電路組成的延遲電路128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(diǎn)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(jìn)行刻度。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129CMOS門電路MOS管的開關(guān)特性輸入低電平，NMOS管截止；輸入高電平，NMOS管導(dǎo)通。輸入低電平，PMOS管導(dǎo)通；輸入高電平，PMOS管截止。CMOS門電路MOS管的開關(guān)特性輸入低電平，NMOS管截止；130CMOS門電路CMOS非門CMOS門電路CMOS非門131CMOS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(guān)特性，因而其噪聲容限大，抗干擾能力強(qiáng)。CMOS門電路CMOS非門電壓傳輸特性CMOS非門電流傳輸特132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（VoltageControlledOscillator）的一部分放在環(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(dāng)供電電壓變化或者是溫度變化時，利用負(fù)反饋機(jī)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(diǎn)。

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（V133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(jìn)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（VoltageControlledDelayLine）電路。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134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(dāng)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(dāng)前DLL的時鐘沿狀態(tài)記錄下來。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)。無源RC延遲線DLL電路的每個延遲單元輸出都同時送入各Hit135基于時間郵戳（TimeStamp）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（TimeStamp，或稱為時間標(biāo)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(xì)”時間測量相結(jié)合方法，“細(xì)”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（TimeStamp）技術(shù)的TDC傳統(tǒng)的TDC136基于時間郵戳（TimeStamp）技術(shù)的TDC歐洲粒子物理實驗室推出的通用性極強(qiáng)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。德國ACAM公司的GPX和GP2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?；跁r間郵戳（TimeStamp）技術(shù)的TDC歐洲粒子物理137第五章時間分析課件138時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GPX提供最高10ps精度時間間隔測量，在德國acam公司引入了TDC-GPX芯片之后將時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯器TDC帶入了一個新的紀(jì)元。德國acam公司為高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換集成芯片制造專家，引入了革命性的測量新技術(shù)。TDC-GPX這個芯片以最低10ps(10×10-12秒)的精度和40微秒的測量范圍，成為醫(yī)學(xué)上呈像掃描，導(dǎo)航系統(tǒng)，導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，測距儀，速度測量，頻率相位測量儀器等等應(yīng)用中一個強(qiáng)有力的測量工具。當(dāng)芯片工作在M-模式下，GPX的10ps精度將1500m的距離測量量化到了±1mm距離精度,峰峰值為70ps(±5mm).GPX的最高脈沖頻率182Mhz是這款芯片成為需要高采樣頻率和高時間分辨率的3維激光掃描的理想選擇。四種不同的可選模式使TDC-GPX有非常廣泛的測量應(yīng)用。在I-模式下，GPX芯片提供了8個LVTTL輸入通道，測量精度可達(dá)81ps,無限的測量范圍，5.5ns的輸入脈沖最小間隔。

G-,R-和M-模式全部提供了兩個LVTTL或者兩個LVPECL輸入通道.在G-模式下,精度為40ps,測量范圍為65us,可測脈沖間的最低時間間隔為1.5ns.在R模式下,測量精度達(dá)到27ps,測量范圍為40us脈沖對精度為5.5ns.在M-模式下,精度可達(dá)到10psrms峰峰值精度為70ps測量范圍為10us。GPX的典型功耗從39到45mA,使其非常適合電池驅(qū)動儀器。為了協(xié)助產(chǎn)品開發(fā)和開始高精度時間間隔的測量，ATMD-GPX測量評估系統(tǒng)可以使設(shè)計工程師們通過電腦對GPX芯片的強(qiáng)大性能進(jìn)行測量和評估。ATMD-GPX的硬件設(shè)備可以連接到個人電腦上從而使用戶可以通過電腦軟件輕松設(shè)置TDC-GPX的相關(guān)寄存器。電腦則已一定的通信速度與GPX芯片直接通信，系統(tǒng)使GPX采集測量數(shù)據(jù)最高可達(dá)200MHz。測量數(shù)據(jù)可以直接顯示在電腦上或者以histogram形式顯示，同時用戶可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出。時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GPX提供最高10ps精度時間間139第五章時間分析課件140基于時間放大技術(shù)的TDCWilkinson型TDC游標(biāo)尺（Vernier）計時器基于時間放大技術(shù)的TDCWilkinson型TDC141Wilkinson型TDCWilkinson型TDC是上世紀(jì)50年代提出的，其基本思想是基于所謂的時間放大（TimeStretch）原理，人們也常稱其為雙斜率型TDC，也就是時間擴(kuò)展內(nèi)插時數(shù)變換。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(jìn)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。

Wilkinson型TDCWilkinson型TDC是上世紀(jì)142游標(biāo)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(biāo)尺（Vernier）計時器二個信號分別加143第五章時間分析課件144基于幅度-時間修正的時間間隔測量在當(dāng)代大型物理實驗中，由于通道數(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(jìn)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在當(dāng)代大型物理實驗中，由于通145基于幅度-時間修正的時間間隔測量的原理圖基于幅度-時間修正的時間間隔測量的原理圖146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）。(a)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147波形甄別電路改進(jìn)用TAC來替代符合電路，使不同波形的輸入信號產(chǎn)生不同幅度的信號輸出，再用幅度選擇器作幅度選擇，用此方法作波形甄別更為方便。二個時檢電路可用二個不同比值的恒比定時電路替代，同樣可以得到波形甄別的結(jié)果?；诟咚贁?shù)字技術(shù)的波形甄別。對信號進(jìn)行高速采樣，再用硬件或軟件算法進(jìn)行甄別。如反卷積算法。波形甄別電路改進(jìn)用TAC來替代符合電路，使不同波形的輸入信號148作業(yè)：5.45.75.85.95.12作業(yè)：5.4149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脈沖波形甄別第五章時間分析§1概述150核激發(fā)態(tài)壽命測量；正電子湮沒壽命測量；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(shù)與反符合技術(shù)；中子飛行時間望遠(yuǎn)鏡測量法；§1.概 述核激發(fā)態(tài)壽命測量；§1.概 述151一、時間信息分析所要解決的基本問題二、時間信號的檢出一、時間信息分析所要解決的基本問題152一、時間信息分析所要解決的基本問題1、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、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一、時間信息分析所要解決的基本問題1、時間間隔甄別153時間間隔甄別應(yīng)用實例時間間隔甄別應(yīng)用實例154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(diǎn)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”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。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155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(dá)甄別器的輸入端，其中任意一對信號間的時間差都滿足：

-1

<ti－tj<2(1,2>0）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(dá)的時間分別為t1和t2

，若滿足-1<t1－t2<2(1,2>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電路，1＋2為其分辨時間。（也就是時間間隔閾值）。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,u2156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。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157時間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,TimetoDigitConversion

）。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(jìn)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。

探測器定時電路時間-數(shù)字變換啟動停止輸出時間信息參考時間信號放大器定時道的組成時間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158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(jìn)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（t1時刻)→探測器被擊中（t2時刻）→探測器信號輸出（t3時刻出現(xiàn)信號）→電子學(xué)電路信號處理（前放（t4時刻）放大、成形（t5時刻））→時檢電路檢出信號（t6時刻）送到時間信號分析電路或符合電路輸入端（t6時刻出現(xiàn)信號）。

時間信號的檢出無論是送到符合電路還是送到TDC的信號，要求它的出現(xiàn)時刻與粒159ttttttt1t2t6t5t4t3t1：核事件發(fā)生t2：粒子進(jìn)入探測器t3：產(chǎn)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ttttttt1t2t6t5t4t3t1：核事件發(fā)生160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(diǎn)需要考慮：延遲。t3在t2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。(t3-t2)是一個隨機(jī)量，而且信號形狀也會隨機(jī)變化。定時電路的功能是使的漲落盡可能小，或者說的晃動很小。

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(diǎn)需要考161§2定時方法一、產(chǎn)生時間晃動的幾個主要因素二、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(bǔ)償定時（ARC）

§2定時方法一、產(chǎn)生時間晃動的幾個主要因素162一產(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)時間晃動主要有以下幾個因素：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(yīng)。4