时间分析方法概述

噪声引起时检电路输出的时间晃动
噪声叠加在信号之上将引起时检电路输出的时间晃动。
2vno
VT t tT 2σT1 噪声叠加于信号的影响
2vnov VT
t tT 2σT2 噪声叠加于阈值的影响
幅度时间游动效应
•不同幅度经过时检电路之后在输出时间上产生差异 ， 探测器输出信号幅度的随机变化造成了时间上晃动， 称为幅度时间游动效应。
V dQ Z i dt
ΔV
Q tL2 vi(t)VTdt
tL1
Zi
ΔtD
S
1V 2
tD
ZiQ
tL2 tL1
vi(t)VTdt
tL1
tL2 tM
超阈延迟：
1
1
tD
2VSMtM
2
2vSi' 2
V VM tD tM
tD
2S V
2SHale Waihona Puke Baidu
tD tM
VM
2vno VT
2vnov VT
t
t
tT
tT
2σT1 噪声叠加于信号的影响
时间信号的检出
在讨论时间信号检出时，从探测器输出的电流信号有以下 几点需要考虑：
1. 延迟。t3在t2之后一定时间之后出现 2. 展宽。实际的电流信号不是一个信号 3. 涨落。( t3- t2)是一个随机量，而且信号形状也
会随机变化。
定时电路的功能是使的涨落尽可能小，或者说的晃动很小。
§2 定时方法
由此推知td的随机变化情况，来度量的晃动大小 。
一般可以假设td服从高斯分布，t d 和 (td td )2 是关键参量
t 2d (td td )2 0 (td td )2 P d (td )d dt
作为时间晃动的度量
时间晃动大小的度量
二个信号时间间隔及其晃动量
t0' 2t0' 1
(t02t01)(td2 td1)
时间间隔测量应用实例
飞行时间计数器是在高能物理实验中经常用到的探测器系统， 用来测量带电粒子的飞行时间，其主要功能是通过所测量粒子 的飞行时间信息，结合其它探测器测得粒子的动量和径迹，从 而辨别粒子的种类。
测量探测器的信号和e+ e-的作用发生时刻之间的时间间隔， 就可以测量到粒子的飞行时间信息。
双阈甄别电路。
高速比较器AD96687构成的甄别器
双阈甄别电路
由于幅度效应，前沿定时会有较大的定时误差。降低甄别阈， 是减少这一误差的重要措施。但甄别阈的减少将会明显引起噪 声误触发，为此，设计了双阈甄别电路，采用低阈定时，高阈 选通的方案，既可减少噪声影响，又由于甄别阈的降低，还可 减少由于幅度效应引起的时间游动
前沿定时特性分析（二）
• 若达峰时间 tm发生变化（也就是上 升时间发生变化），延迟时间的变化
为：
t1
VT V i1
tm1
t2
VT V i2
tm 2
tLT
VT Vi
tm2 tm1
tLTVVTi tmmaxtmmin
这称为上升时间游动效应。
同时考虑输入信号的幅度变化和上升时间变化，则 前沿定时的时间移动为：
探测器的固有晃动
不同的探测元件电流信号输出的时间晃动不一样， 它的产生原因也不相同，大致因为载流子在探测器内运 动途径不同造成的 。
例：闪烁体和光电倍加管（PMT）组成的闪烁计数 器，由于粒子击中的位置不同使光传输到PMT的时间 不同，使得其输出信号的时间发生差异，而击中的位置 往往是随机的，因而信号输出的时间产生时间晃动。
时间间隔甄别器的基本功能
N个信号加入它的输入端为 u1,u2….ui…. uN-1,uN，它们分别在 ti（i=1,2…N）时刻到达甄别器的 输入端，其中任意一对信号间的时 间差都满足：
-1 < ti－tj < 2 (1 , 2 >0） 在输出端产生逻辑信号输出 ，
只要有任意一对信号不满足上述条 件，将不产生输出。
一、产生时间晃动的几个主要因素 二、时间晃动大小的度量 三、前沿定时甄别器-固定阈值甄别器 四、恒比定时甄别器（CFD） 五、幅度和上升时间补偿定时（ARC）
一 产生时间晃动的几个主要因素
输入到时间信息分析系统的信号出现时间晃动主要 有以下几个因素： 1、探测器的固有晃动。 2、噪声引起时检电路输出的时间晃动。 3、幅度时间游动效应。 4、上升时间游动效应。 5、超阈延迟 以上几种因素在不同条件下对晃动所起的影响是不 相同的，因而要具体加以分析，分清主次。着重分 析幅度和上升时间游动效应产生的时间晃动及其解 决办法。
上升时间游动效应
不同上升时间的信号经过时检电路之后会 产生在输出信号时间上差异 ，而有些探测 元件输出信号上升时间也存在随机变化， 这也就带来了时检电路的输出信号在时间 上晃动。这称为上升时间游动效应。
超阈延迟
任何触发器都存在超阈延迟。
VT vi(t)
ΔV VT
ΔtD
tL1
tL2
二 时间晃动大小的度量
td 2.135FWHtM d
三 前沿定时甄别器-固定阈值甄别器
1、前沿定时特性分析 2、基本电路结构
输入 vi
信号
vi
VT
触发电路 VT
vo 输出
信号
t
vo
t tL
前沿定时特性分析（一）
将输入信号前沿近似看成线性上升，可用下述关系表示：
Vi (t) Vtmi t Vm
0 t tm t tm
Vo
f(t) 信号的形状函数
过阈时间 tT: A(ftT)VT0
若要求过阈时间 tT为常数：
VT 0
f(t) 为任意函数
f(t) 为阶跃函数
VT 0
过零定时
(CR)2 – (RC)m 成形 过零点：
tZ (m1)
(DL)2 成形 过零点：
快前沿定时甄别器：由三个快速差 分放大级，加正反馈组成甄别器。
性能：当输入信号的幅度从 0.1V变化到5V时，输入信号 上升时间为2ns,输出信号的时 移小于0.5ns
基本电路结构
高速运算放大器（例如THS3201、OPA847等） 构成的施密特甄别器；
高速比较器（例如AD96687）构成的截止式放 大器型甄别器；
i0
其中T0为LSB所对应的时间间隔。
TDC的输出再送到数据获取系统进行数据采集与存储，它的功能与多道幅
度分析器中数据获取系统相同。
探
测
放大器
器
参考时间信号 定时电路
启动 输出
停止
定时道的组成
时间-数字变换
时间信息
时间信号的检出
无论是送到符合电路还是送到TDC的信号， 要求它的出现时刻与粒子击中探测器的时刻 能精确地相对应。事件的产生到信号进入时 间信息分析电路之间，大体上如以下过程所 示：
2σT2 噪声叠加于阈值的影响
T1
vno vi '(tT
)
噪声引起的总定时标 准偏差为：
vi
'
(tT
)
dvi (t) dt
tT
T2
vnov vi '(tT )
1
T
T12
2 T2
1 2vn2 ovno2v2 vi'(tT)
触发比和噪声斜率比
f 输入触信发号电最平大幅 VVi度 mTax
噪声斜率比
若输入信号最大幅度为Vimax ，最小幅度为Vimin 则因幅度变化引起的前沿定时误差为：
tLAVV im ima axVxV im iminintmVT
Vo
当Vimax>>Vimin,VT=Vimin时：
tLA tm
t1
VT V i1
tm
t2
VT V i2
tm
Δtd随Vi变化而发生变化称为幅度时间游动效应。显而可见 VT和tm越小， Δ td变 化量就越小，幅度时间游动效应就越小。
输出信号对输入信号的时间延迟可以表示为：
td ti t
其中ti为输入信号从出现到上升为VT所需时
间，t为渡越时间，也就是超阈延迟时间， 假定在快甄别器情况下，t很小，暂不加
Vo
以考虑 。
在Vi由Vi1变为Vi2时，则输出信号对输入信号的时间延迟差 td=(t2-t1)应为：
td t2t1VV i2i1 ViV 2i1tmVT
一、时间信息分析所要解决的基本问题
1、时间间隔甄别
时间间隔甄别应用实例 时间间隔甄别器的基本功能
2、时间间隔测量
时间间隔测量应用实例 时间分析器的基本功能
时间间隔甄别应用实例
电子正电子对撞实验中，产生μ+和μ-的事例
ee
•探测器D1和探测器D2相距有几十米以 上，对称排布，用来测定子。 •因为+和-的动量相等，且对面碰撞， 根据动量守恒定律，和飞行方向相反， 飞行速度近似相同，从对撞点飞出，应 几乎同时分别击中D1和D2 。
甄别器需要有稳定的阈电压。 阈电压的产生程控设置的 DAC 提供。为了减少噪声和外部干扰的影响，得到稳定的阈电压， 对DAC提供的输出电压采取了衰减和有源滤波等有效措施。
过零定时
提出过零定时的基本思路：
为了克服前沿定时在输入信号幅度变化 时引起时间移动太大的缺点。
vi(t)Af(t)
A：信号的幅度
核事件产生粒子（t1时刻) →探测器被击 中（t2时刻）→探测器信号输出（t3时刻出现 信号）→电子学电路信号处理（前放（t4时 刻）放大、成形（t5时刻））→时检电路检 出信号（t6时刻）送到时间信号分析电路或 符合电路输入端（t6时刻出现信号）。
t1 t2 t3 t4 t5 t6
t
t
t
t
t
t
t1 ：核事件发生 t2 ：粒子进入探测器 t3 ：产生的电流脉冲 t4 ：前置放大器输出的电压脉冲 t5 ：主放大器输出的电压脉冲 t6 ：定时甄别器输出的脉冲
时间分析器的基本功能
由时间间隔编码器与数据获取系统组成的时间分析器，用来完成时间间隔 测量。
时间间隔编码电路是时间间隔测量中关键部件，通常称它为时间－数字转
换器（TDC ,Time to Digit Conversion ）。
输出端的数码值为
L1
m Ai 2i
t2t1m0 T ,其 中 T 0
T
vi ' (tT ) vn
一般地，兼顾噪声斜率及噪声的误触发，选用：
VT (2~3)vn
f
2~3
定时甄别器实例
慢前沿定时甄别器：由集成电压比较器组成交流 耦合施密特甄别电路。 性能：当输入信号的幅度从1.0V变化到10V时， 输出信号vo(t) 的时移小于输入信号上升时间的 20% 当输入信号上升时间为1us ，输出信号vo(t) 的时移 小于0.2us
第五章 时间分析
§1 概 述 §2 定时方法 §3 符合 §4 时间量变换方法 §5 脉冲波形甄别
§1. 概 述
核激发态寿命测量； 正电子湮没寿命测量； 正电子发射断层扫描； 高能粒子径迹探测； 粒子鉴别； 符合技术与反符合技术； 中子飞行时间望远镜测量法；
一、时间信息分析所要解决的基本问题 二、时间信号的检出
•随着击中D1和D2 位置不同信号S1和S2产生时刻发生差别，如果最大时差值 为5ns，那么S1和S2时间间隔小于5ns的事例应该是+和-事例的的一个“候 选”条件，这样可以排斥掉很多本底事件。例如宇宙射线穿过探测器系统 ， D1和D2是先后被击中， S1和S2的时间间隔将会大于 5ns，不满足此“候选” 条件，应该被排斥掉 。 •需要用一个时间间隔甄别器来作为事例的选择 。
td 2 t02 t02 td1 t01 t01
(t 02 t0)1(td2td1)
2 [(td2 td1)(td2 td1)]2
2
2
td1 td2
时间晃动大小的度量
时间晃动实验测量 在实验上可以用同一瞬间产生两个粒子的放射源（60Co 源 ，几乎是同时发射 两个粒子[1和2 ]）； 测量计数随τ（即时间间隔）值变化曲线 ，图中求得 t d 和 半高全宽时间FWHMtd ,时间晃动为
t1
VT V i1
tm1
t2
VT V i2
tm 2
tL
VT Vi2
tm2
VT Vi1
tm1
tL
VTVtmi22
tm1 Vi1
tL t2t1
tLmaxVTtVmim mainxVtmim mainx
前沿定时特性分析（三） Vvi(t)VT
超阈延迟：
触发器输入阻抗：Zi
VT vi(t) VT
VM 附加电荷：Q
时检电路信号输出与粒子击中探测器之间的时间差
td=（t0’-t0）是随机量，它服从一定的分布规律， td
的概率密度函数为 Pd（td），可以得到各级矩：
t d
td
0 td Pd (td )dtd
t
2 d
n
t d
td2 tdn
0td2Pd (td )dtd
t n
0d
Pd
(td
)dtd
一级矩 二级矩 n级矩
•具有这种功能的电路通常称为符合电路 ， 1 ＋ 2为其分辨时间。（也 就是时间间隔阈值）。
•经常遇到的情况是处理二个输入信号的符合电路，称为二重符合电路。二个输 入信号到达的时间分别为t1和t2 ，若满足
-1 < t1－t2 < 2 (1 , 2 >0） 在输出端产生逻辑信号输出，否则将不产生输出 。 1 ＋ 2为其分辨时间。 选择 1 = 2 = ，则分辨时间为2 （或称为符合时间窗宽）。