第5章多道脉冲幅度分析系统

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j、微处理器 intel 80C188。具有32K的程序存储器， 及带有掉电保护的32K的数据存储器和16K的中间 结果暂存器。
k、 926的并行接口可连接到计算机的打印机接口， 以实现926与计算机之间的数据通讯。而926后 面板上的打印机接口可直接接到打印机或接到 另一个926插件的并行口上，以此种方法最多可 接入8个926插件，最后一个926再接入打印机。
几个定义：
实时间（real time）：实际测量时间。符号为Tr。 死时间（dead time）：ADC每转换一个脉冲信号所
占用的时间。符号为Td。 活时间（live time）：实时间扣除死时间后的时
间。符号为Tl。
三个时间关系： 活时间＝实时间－死时间。
因死时间内，ADC拒绝信号输入。因此在计算 计数率时应将死时间从实时间中扣除。这种数据 的处理方法，称之为死时间校正。
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进行死时间校正的办法有多种。
a、百分死时间表校正。
如实际测量时间Tr＝10秒，百分死时间电表指 示P＝20％，则活时间为Tl＝（1－P）Tr＝（1－ 0.2）Ⅹ10秒＝8秒。
计算计数率时就要按有效测量时间8秒来计算。
b、活时间测量。 在测量过程中不以实时间计时，而用活时间
计时。这需要将ADC的死时间信号输出到多道分 析器或计算机的定时电路，使计时器在死时间内 停止计时就可以了。
地址 计数器
线性门 （关闭）
时钟
地址计 数器NC 至存储器
寻址加一 （c）存储周期
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工作过程主要分三个阶段：
a、输入脉冲幅度给电容强行充电，最终使电容上 的电压等于输入脉冲幅度的最大值。
b、电容上的电压产生线性放电。同对时钟脉冲进 行计数。当电容上的电压回到零时，计数停止。 完成峰值的模数转换过程。
a、分辨率：ADC总道数。 b、变换增益：每单位幅度能变换成多少道。单位用
道/伏。 c、微分非线性：(即道宽的不一致性)描述个别道宽
与平均道宽的偏离程度的指标。对于谱仪ADC这是 一项非常重要的指标，一般要<1％。 d、积分非线性：描述实际输入信号幅度A 与被转换 地址m的关系曲线与理想曲线（一条过原点直线） 的偏离程度的指标称为积分非线性，一般<0.1％。 e、变换速度：变换一个输入信号所需要的时间。一 般慢的几十微秒，快的几微秒。
c、存储周期。用计数结果Nc作为地址，将Nc地址 中的内容加1。
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线性放电法ADC： 最大优点是道宽一致性这一指标可以做得很好，
典型值为<1％。 其缺点是需要较长的转换时间，如：一个8192道
的线性放电法ADC，最大的转换时间为20－165μS。 且转换时间取决于脉冲幅度。
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1．2 逐次二进制比较法ADC
峰位变化 ＝ mp'－mp
分辨率变化＝√(R')2-(R)2
g、每道最大计数： h、稳定性：包括温度稳定性、电源电压变化的稳定
性及长时间工作稳定性。
在选用谱仪ADC产品时，一定要注意以上指标要 满足实际应用的要求。
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3、谱仪ADC使用中的几个问题 3．1 道宽（或道数）的选择 能谱测量时，道宽的选取要视具体情况而 定。道宽小，对脉冲幅度分类细。但对同样的 输入信号计数率，分到每一道的计数率就低。 为使各道积累到足够的计数而减小统计误差， 需要的测量时间就长。因此不必要的用过多的 道数来测谱，在存储空间及测量时间上都有所 浪费。
此类型产品典型值为：分辨率从1,000－ 16,000道，其转换时间可做到从2－20μS。
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另一种常用的改善ADC微分非线性的方法－－ 降位使用法 原理：
若有一市场销售的商品ADC， 12位，精度为 ±1/2最低有效位。若直接用做谱仪ADC：
●可做成4096道的多道。 ●最低有效位为1时对应多道的最小道宽 （设为1mV）。 ●由于ADC精度为±1/2LSB,所以会带来50％的
核仪器概论
第五章 多道脉冲分析系统
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小测验（第二次）：
阻容反馈式电荷灵敏前放的原理电路如下。D为 Si半导体探测器，Cf＝1pf，Rf＝109Ω。设射线能 量为1.33Mev，且全部能量消耗在探测器中。试写 出输出脉冲幅度的表达式并定量画出Vo(t)的波形。
+H .V
RD
C ii =Qδ(t)
D
Rf
因此对谱仪ADC有一个非常重要的指标，叫做 “微分非线性” （也称：道宽的不一致性）。一 般不超过±1/100。
一般市场销售的商品ADC，精度为±1/2或 ±1/4最低有效位。不能直接作为谱仪ADC使用。
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1、谱仪ADC的类型 通用的有三种类型： 线性放电法ADC （又称Wilkinson ADC ） 逐次二进制比较法ADC 一次直接比较法ADC (又称flash ADC )
跟踪和保持控制
输出选通
模拟输入
S1
A=1 线性门
C1
保持 电容
ADD
逐次二进制 ＋ 数字
比较法ADC
减法器 至存
m0
－
储器
8-BIT D/A
8-BIT 计数器
m0 ：最小为0，最大为（2x－1）。可以
是循环连续变数，也可以是随机数。
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若有8000个1000mv～ 1001mv幅度均匀分布的 输入脉冲信号。
Cf T1 Vi
(a)交流耦合电路
E e
VOM
W Cf
W 3.61eV
Vo
VOM
Rf C f 1ms
几十～上百nS
2
Rf
Cf
dVa2 dVb2
ii
A
主放
Ci
H (ω)
VO
a2
d Va 2

( 4kT
3 gm
C2 )
1 Cf 2
d
b2
(C CD CA CS C f ) (k：波尔兹曼常数。T：绝对温度)
1．1 线性放电法ADC
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工作原理如下图1、图2
(a) 放大器 输出脉冲
(b) 低阈值幅度 甄别器输出
(c) 保持电容 上的信号
(d) 道址
(e) 存储周期
(f) 关线性门
(g) 死时间
低阈值甄 别器的阈
线性门
恒流源
（打开） 时钟
保持电容
地址 计数器
（a）电容充电 I
线性门
（关闭） （b）电容放电 时钟
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926性能如下： a、ADC 带有滑尺技术的逐次二进制比较法ADC。 b、最大分辨率 8192道。通过软件操作可选择为 8192、4096、2048、1024及512道。 c、分析一个脉冲占用的死时间：8μS。 d、积分非线性 ≤±0.025% 。 e、微分非线性 <±1% 。 f、增益稳定性 <±50ppm/ OC。
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2．2 MCB的其它产品实例 2．2．1、
用于NaI探测器 的插卡（ISA）式的 多道分析器。
道宽不一致性。
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若只使用此ADC的
高8位（211－24），
同样的ADC：
A
●只能做成256道的
多道。
●此时24位为1时对
应多道的最小道宽
（为16mV）。
4096 256 D11
D4
D4=1~Hmin
D3
D0
D0=1~Hmin
结果：平均道宽扩大的16倍，但片子本身的绝 对误差是确定值。因此道宽不一致性理想情况下将 改善了50％/16。
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926框图如下：
926前后面板如右图。是单插宽的NIM插件
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面板说明： △前面板上的GATE端，可输入相关信号实现符合
或反符合测量。 △后面板上的PUR端，可输入堆积判弃信号，使
得发生峰堆积时，不再对堆积后的信号进行AD 转换。 △后面板上的BUSY输入端，可接收来自谱仪放大 器BUSY输出端的信号，用于进行死时间校正。
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g、死时间校正 有两重方法供选择： 1、Gedcke-Hale method。 2、活时间测量法。
h、数据存储器 8192道具有掉电保护的数据存储器， 每道计数为231－1。
i、可预置停机条件，满足条件后自动停机。 1、预置测量时间：实时或活时。 2、预置计数：预置感兴趣区的峰计数或面 积计数。 3、溢出停机；当任意一道的计数超过231－1 时，自动停止数据获取。
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实际测谱时，应在满足分辨率的要求下， 尽量使用大道宽。一般说来，在峰的半高宽 内，有5－10道就够了。例如使用闪烁探测 器时，由于它的分辨率在10％上下，用几十 道到几百道就够了。使用Ge（Li）探测器时， 由于它的能量分辨率可达0.1%量级，就要几 千道才能分析一个完整的谱。
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3．2 关于死时间校正
工作原理如下图所示。
跟踪和保持控制
Vs 模拟输入
S1
A=1 线性门
C1
保持 电容
比较器
＋ －百度文库
D/A 转换
输出选通
控制逻辑
置新的 NC值
当前的 NC值
输出 驱动
至存 储器
当前的NC值：多位二进制数码寄存器 如：8192道ADC，需要13位（212～20）。
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逐次比较法谱仪ADC可具有高分辨率谱仪所需要 的道数，但它们的微分非线性却不能满足要求。微 分非线性的典型值为1/2最小有效位，这将带来50％ 的道宽不一致性。这个问题可通过加人“滑尺技术” 加以解决。原理如下图。
8000个
1000 第 1001 第 1002 mv
1000
1001
道
道
4000个 4000个
1000 1000.5
1002 mv
第
第
1000
1001
道
道
（图1） （图2）
1000个 1000个 2000个
2000个
（图3）
2000个
1000 1000.5
1002 1003
1004 mv
第
第
第
第
1000
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微分非线性：
积分非线性：
mi
斜率＝p
mi
Ai
p Amax
DNL | hi H |max 100% H
INL


|
Ai

mi p
|max
100%
Amax
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e、计数率特性：用高计数率时的峰位mp'、分辨率R’ 和低计数率时的峰位mp、分辨率R的差别来衡量。 两者的差别允许多大，高、低计数率各取多少， 由产品说明书规定。
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2、 多道缓冲器产品实例 ORTEC 926多道缓冲器（MCB） ORTEC 926多道缓冲器（MCB）是多道脉冲幅度
分析系统中使用的一个专用的硬件部件。在实时数 据获取方面具有非常优良的性能。它与PC机相连， 配上基于PC机的专用软件，即可实现数据获取、存 储、显示及各种数据的处理及分析功能。
1001
1002
1003
道
道
道
道
（7000个） （1000个）
结论：加入滑尺后道宽不一致性最好可以改善：原道宽不一致的值/滑尺长度。
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加人“滑尺技术”后，最终可使微分非线性 降低到<1％。带有滑尺技术的逐次二进制比较法 ADC可具有较低的微分非线性及较短的转换时间， 并且其转换时间与脉冲幅度无关。
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1．3 flash ADC(又称一次直接比较法ADC)
原理如右图：
flash ADC的道 数一般做得很少， 如要少于8位。因此 不会应用在高分辨 率谱仪中。
模拟 输入
选通
VRef 比较器
+- 4
R
+- 3
R
+- 2
R
+ -
1
R
+ -
0
图5－3－3
编 码 器
选通
二 进 制 输 出
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2、谱仪ADC的主要技术指标
d Vb 2
{ 1
2
[2e( I D

Ig
)

4kT RD // Rf
]}
1
2C f
2
d
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第五章 多道脉冲分析系统
一、幅度谱的形成过程 二、多道的构成，包括硬件及软件两大部分：
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三、谱仪ADC
谱仪ADC是测量快速随机脉冲幅度分布过程中 使用的模数变换器。根据上述谱的形成过程可知： 若希望幅度谱测量准确，最重要的是：道宽的一 致性要非常的好。
实际使用时采用何种方法进行死时间校正，可
视具体情况而定。
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四、多道缓冲器（MCB）
由谱仪ADC将输入脉冲的幅度转换而成的数字量， 以一定的格式存入多道缓冲器中。再通过接口电路 将数据传给计算机。
多道缓冲器
输入信号
ADC
数据存储器 微处理器
程序存储器
其它的多道缓冲器
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1、 MCB与计算机的连接方式 MCB产品与PC机的连接有多种方式。例如：
△ ISA插卡式的连接方式。
△ PCI插卡式的连接方式。
△ 利用RS-232(或USB)串联接口，将MCB与PC机 相连。
△ 通过计算机的并行接口，实现MCB与PC机相连。
△ 对于安装有双口存储器的MCB，可利用双口连接 器将MCB与PC机相连。在此情况下PC机可直接访 问MCB中的存储器。
△ 通过以太网接口，将MCB与服务器相连。在此情 况下可通过网络实现对MCB的遥控功能。
1、设多道最小道宽为 1mv，且道宽绝对均匀。 则上述8000个脉冲将全部 被计入第1000道中。
2、若第1000道的上边界变 成1000.5mv，则第1000道的 道宽变成0.5H，第1001道的 道宽变成1.5H。道宽不一致 性为50％。道计数会产生误 差,幅度谱会失真。
3、加入滑尺：长度为两位 二进制数，即从0～3。 道宽不一致性为12.5％。