Методы амплитудного анализа

I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Амплитудно-цифровой преобразователь

Здоровье Земли крайне важно для меня. Каждый день, так же, как мы перерабатываем консервные банки, бутылки и бумагу для вторичного использования, я перерабатываю негативные, нечистые мысли в правильные, позитивные. Мир и покой начинаются с меня!

МОЯ ПЛАНЕТА ВАЖНА ДЛЯ МЕНЯ

Я настроена (настроен) на мысли и чувства других людей. Я даю совет и поддержку моим друзьям, когда они в этом нуждаются, и просто слушаю с любовью, когда это уместно.

Я ЧУТКИЙ ДРУГ

Ц е л ь: изучение одного из основных методов анализа амплитуд импульсов – метода преобразования амплитуды импульса во временной интервал; знакомство с особенностями построения и работы амплитудных анализаторов.

Исследования энергетических спектров элементарных частиц является одной из важнейших задач ядерной физики, при решении которой обычно используются детекторы, амплитуда выходного сигнала которых пропорциональна энергии, потерянной частицей в рабочем объеме детектора. Таким образом, амплитудное распределение импульсов на выходе детектора с точностью до нормирующих множителей и дисперсии, вносимой самим детектором, соответствует распределению исследуемых частиц по энергии. Кроме того, по методическим соображениям довольно часто используют преобразование физических величин, например, интервалов времени, в сигналы, амплитуда которых пропорциональна этим величинам. Именно поэтому среди различного типа анализирующих устройств широкое применение получили многоканальные амплитудные анализаторы – неотъемлемая принадлежность современных ядерно-физических лабораторий.

Создание современных анализаторов с большим числом каналов стало возможным с применением в качестве регистраторов запоминающих устройств большой емкости. Запоминающие устройства в свою очередь требуют для записи и считывания информации использования методов цифровой вычислительной техники. Поэтому в многоканальных анализаторах с запоминающими устройствами для измерения амплитуд импульсов обычно применяются аналогово-цифровые (амплитудно-цифровые) преобразователи (преобразующие аналоговую величину в дискретную, т.е. в код) (АЦП). В настоящее время наиболее широко в практике физического эксперимента применяются АЦП поразрядного уравновешивания, параллельные АЦП и АЦП с преобразованием «амплитуда-время». Первые два типа АЦП недороги, обладают высоким быстродействием, и выпускаются в массовых количествах в виде БИС, однако их недостатком является большая дифференциальная нелинейность, доходящая до 100%, что существенно ограничивает возможность их применения в устройствах амплитудного анализа.

АЦП с преобразованием «амплитуда-время» лишены этого недостатка и, несмотря на их сложность в изготовлении и настройке, обеспечивают наилучшие характеристики в спектрометрических трактах амплитудного анализа. Именно этот тип АЦП и будет рассмотрен ниже.

Измерение амплитуд импульсов в многоканальных амплитудных анализаторах с запоминающими устройствами осуществляется следующим образом. Прежде всего выделяется диапазон амплитуд, подлежащих измерению – U _мин и U _макс (например, 0,1 – 10 В). Этот диапазон разбивается на конечное число равных по ширине участков (каналов). Каждому каналу отводится отдельная ячейка запоминающего устройства. Емкость каждой ячейки зависит от типа анализатора и, как правило, составляет 10⁴ – 10⁶ импульсов. Входные импульсы в соответствии с их амплитудными сортируются по каналам входным распределительным устройствам. Таким образом, в каждом канале запоминающего устройства хранится некоторое число, соответствующее количеству зарегистрированных импульсов с данной амплитудой (измеренной с точностью до ширины канала).

Выбор нужного канала запоминающего устройства осуществляет адресный блок – обычно двоичный или десятичный триггерный счетчик. Его функции состоят в том, чтобы в соответствии с пришедшим адресом (кодом измеряемой амплитуды) выбрать нужную ячейку памяти и подсоединить ее к арифметическому блоку – устройству, осуществляющему операцию прибавления (или вычитания) единицы к числу, уже хранящемуся в ячейке памяти. Адресный и арифметический блоки являются чисто цифровыми устройствами, а измерение амплитуды проводится на стадии выработки адреса (кода) устройством, которое называется амплитудным кодировщиком, или амплитудно-цифровым преобразователем (АЦП). Чаще всего на практике применяют линейное кодирование – номеру канала соответствует количество импульсов кода: первому каналу соответствует один импульс кода, второму – два и т.д. Этот способ является наиболее точным и простым в техническом отношении. Иногда в целях повышения быстродействия кодирования применяют и более сложные коды.

Из сказанного выше ясно, что амплитуду того или иного импульса в абсолютных единицах (вольтах) можно рассчитать (с точностью до ширины канала) следующим образом:

U = KN + U _мин , (1)

где N – номер канала анализатора (или число импульсов кода), К – коэффициент преобразования амплитуды в код, U _мин – порог преобразования. Очевидно, что точность измерения амплитуды импульса в первую очередь определяется свойствами амплитудного кодировщика (или АЦП), т.е. стабильностью коэффициента К и соответствием истинной функции преобразования амплитуды в код линейной функции (1).

Наиболее широкое применение в амплитудных анализаторах получили АЦП с амплитудно-временным преобразованием. В таких АЦП амплитуда импульса предварительно преобразуется в пропорциональный ей временной интервал, длительность которого затем уже преобразуется в цифровой код. Такое преобразование удается осуществить с большой точностью (0,1 – 0,01%). Измерение (кодирование) временного интервала обычно производится сравнением его с известным периодом специального генератора. Число периодов генератора, укладывающихся в этом интервале, является кодом измеряемой амплитуды, т.е. определяет номер того канала, в котором должен быть зарегистрирован исследуемый импульс. В качестве запоминающего устройства в амплитудных анализаторах используют, как правило, энергонезависимые ЗУ на ферритовых сердечниках, либо современные полупроводниковые БИС ОЗУ различных типов.

Основными узлами любого амплитудного анализатора, использующего принцип амплитудно-временного преобразования, является: зарядно-разрядное устройство, преобразующее амплитуду во временной интервал; генератор канальных импульсов, кодирующий временной интервал серией импульсов; адресное, арифметическое и запоминающее устройства. Кроме того, в состав амплитудного анализатора входят вспомогательные элементы, такие как, дискриминаторы верхнего и нижнего уровня, линейная схема пропускания (ЛСП) и схема управления этими элементами.

Принцип действия анализатора (рис. 1.) состоит в следующем: импульс, амплитуда которого подлежит измерению, через вспомогательные элементы: линия задержки (ЛЗ), дискриминатор нижнего уровня (ДНУ), линейную схему пропускания (ЛСП) (назначение этих элементов будет рассмотрено далее), - поступает на вход блока амплитудно-временного преобразователя (А ® Т), где происходит преобразование измеряемой амплитуды в пропорциональный ей интервал времени.

Рис. 1

Основным элементом блока А ® Т (рис.2.) является зарядно-разрядное устройство с конденсатором «памяти» С _п, работа которого поясняется временными диаграммами (рис. 3.).

Рис. 2

Рис. 3

Входной сигнал с помощью зарядного устройства заряжает конденсатор памяти до потенциала, равного амплитуде этого сигнала (т.е. амплитуде, подлежащей измерению). Для выполнения этого условия необходимо, чтобы конденсатор С _п успел зарядиться за время длительности фронта исследуемого сигнала, что накладывает на последний определенные ограничения (обычно » 10^-7с). После заряда конденсатора к нему автоматически подключается разрядный генератор постоянного тока, осуществляющий линейный разряд конденсатора С _п до исходного потенциала. Очевидно, что время разряда пропорционально амплитуде входного сигнала. Следящее пороговое устройство (обычно триггер Шмитта) фиксирует момент начала и окончания разряда конденсатора С _п, вырабатывая прямоугольный импульс напряжения, длительность которого равна времени линейного разряда. Фронт и спад этого импульса используются для пуска и остановки генератора канальных импульсов (ГКИ), вырабатывающего серию импульсов (код), число которых пропорционально длительности импульса, а стало быть, и амплитуде входного сигнала.

Код амплитуды импульса поступает в адресный счетчик (АС) (см. рис. 1.), где запоминается на время, необходимое для обращения в запоминающее устройство (ЗУ). По этому коду находится и соответствующий канал ЗУ. Содержимое выбранного канала выводится в арифметическое устройство (АУ), где осуществляется операция добавления единицы. После этого новое число записывается в тот же канал ЗУ, и на этом заканчивается процесс измерения амплитуды данного импульса. Одновременно АУ вырабатывает сигнал «Конец преобразования», который сбрасывает на нуль АС, коммутирует входные логические элементы, т.е. подготавливает анализатор к анализу следующего импульса.

Поскольку сигналы на выходе детектора излучения распределены во времени случайно, имеется конечная вероятность попадания сигнала на вход анализатора, когда еще не закончено измерение амплитуды предыдущего импульса. Поступившие во время преобразования импульсы могут привести к дозаряду C _п или нарушить нормальную работу АУ, при этом полученное значение амплитуды будет неправильным. Для устранения этих явлений на входе анализатора включают ЛСП, при помощи которой вход блокируется на все время амплитудно-цифрового преобразования и обращения в память. ЛСП выполняют нормально открытой, закрывается она сразу после окончания фронта входного сигнала и снова открывается после полного завершения анализа импульса.

Для уменьшения объема обрабатываемой при амплитудном анализе информации входные сигналы, как правило, предварительно пропускают через систему отбора полезной информации. В большинстве случаев информацию отбирают по довольно простым критериям с помощью дискриминаторов верхнего и нижнего уровней. Дискриминатор нижнего уровня запрещает регистрацию импульсов, амплитуда которых меньше некоторой заданной (ниже порога дискриминации), а дискриминатор верхнего уровня запрещает регистрацию импульсов с амплитудой больше заданной. Чаще всего дискриминатор нижнего уровня используется для отсечения импульсов, обусловленных шумами или низкоэнергетическим фоном, а дискриминатор верхнего уровня – для устранения перегрузок, вызываемых импульсами очень больших амплитуд. В тех случаях, когда число каналов анализатора недостаточно для измерения всего спектра с хорошим разрешением, для разбиения спектра на части (экспандирования) можно применить дискриминатор нижнего уровня либо в сочетании с усилителем, либо с одновременным увеличением масштаба (коэффициента) преобразования К амплитуды в длительность. При использовании системы предварительного отбора информации блокировка осуществляется обычно с помощью нормально закрытой линейной схемы пропускания, которая открывается только на время, равное длительности фронта входного сигнала. При работе в таком режиме сигнал перед поступлением на ЛСП задерживают с помощью линии задержки на время 1 – 2 мкс, необходимое для предварительного анализа сигнала.

Дата добавления: 2015-05-10