Гаврилов Основы ядерной електроники ч.1 2010

ных импульсов создается искусственно суммированием двух случайных потоков импульсов от одного детектора, сдвинутых во времени относительно друг друга с помощью линии задержки. Структурная схема такого устройства и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 2.49. Схема содержит три линии задержки ЛЗ1, ЛЗ2, ЛЗ3, но линии ЛЗ1 и ЛЗ3 играют вспомогательную роль, согласуя моменты срабатывания основных эле-

ментов устройства во времени ( tЗ1 tЗ3 tЗ2 ). Основным элемен-

том, осуществляющим искусственное наложение во времени двух случайных сигналов, является линия задержки ЛЗ2. Ее время задержки должно быть много больше длительности входных импульсов.

В многоканальном амплитудном анализаторе (МАА) выделяется группа каналов А1 для набора основного спектра, содержащего в том числе невыделенные наложения. Для набора спектра только наложенных импульсов выделена группа каналов А2. В исходном состоянии условный ключ К обеспечивает обращение к группе каналов А1. Входные сигналы, в том числе и наложенные, через ЛЗ1, аналоговый сумматор Σ и ключ К регистрируются в этой группе. Для того чтобы ключ К обеспечил обращение к группе каналов А2, необходима регистрация схемой совпадений СС факта появления искусственного наложения. Такая регистрация имеет место, когда выходные сигналы интегральных дискриминаторов ИД1 и ИД2 совпадают во времени с точностью до разрешающего времени схемы совпадений, равного длительности входных импульсов. Если произошло совпадение (например, импульс 3 совпал во времени с задержанным импульсом 2), то схема совпадений открывает линейный пропускатель СЛП, и импульсы складываются в сумматоре, создавая искусственное наложение. При этом ключ К подсоединяет выход сумматора к группе каналов А2 амплитудного анализатора, где и будет набран спектр только наложенных импульсов После набора спектров спектр второй группы, состоящий только из наложенных импульсов, вычитается из спектра первой группы, образованного как наложенными, так и неналоженными импульсами, в результате чего остается спектр только неналоженных импульсов.

101

Рис. 2.49. Структурная схема (а) и временны е диаграммы б( ) работы устройства исключения наложений по методу вычитания спектров

Основная сложность рассмотренного метода связана с созданием высококачественной линии задержки ЛЗ2, которая должна задерживать импульс на время, существенно большее длительности входных импульсов, и при этом не искажать их формы.

Методы полного исключения наложений позволяют практически полностью избавиться от искажений амплитудных спектров. При этом появляется возможность исключить наложения с небольшим относительным сдвигом импульсов и не внести дополнительных ошибочных исключений, присущих обычным режекторам.

102

Глава 3

ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ АМПЛИТУДНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

3.1. Интегральные амплитудные дискриминаторы

Интегральный амплитудный дискриминатор представляет собой устройство, вырабатывающее выходной сигнал, когда входной сигнал превышает некоторый заранее установленный уровень, называемый порогом. Иногда требуется, чтобы выходной сигнал сохранял информацию об амплитуде надпороговой части входного сигнала. Такие устройства называют дискриминаторами без формирования выходного сигнала, а если надпороговая часть входного сигнала еще и линейно усиливается, то соответствующие схемы именуют пороговыми усилителями (усилителями-экспандерами, усилителями окна). Дискриминаторы, дающие на выходе стандартные логические импульсы, представляют собой устройства с формированием выходного сигнала, или дискриминаторы-норма- лизаторы.

Порог дискриминации в интегральных дискриминаторах обычно требуется изменять в широких пределах от UПОР МИН до UПОР МАКС. Интервал изменения составляет динамический диапазон, который иногда характеризуют отношением UПОР МАКС/UПОР МИН, где UПОР МИН – чувствительность дискриминатора. Помимо перечисленных параметров интегральные дискриминаторы характеризуются долговременной и температурной стабильностью порога, а также нелинейностью пороговой характеристики – зависимости амплитуды входного импульса, вызывающего срабатывание дискриминатора, от установленного напряжения порога UПОР.

К характеристикам быстродействия дискриминатора относятся задержка срабатывания и ее разброс при изменении амплитуды входного сигнала, а также разрешающее (мертвое) время, определяемое как минимальный интервал между входными импульсами, которые правильно обрабатываются дискриминатором. Иногда вместо разрешающего времени пользуются обратной величиной, называя ее максимальной входной загрузкой.

103

Пороговые усилители (усилители-экспандеры) обычно используются, чтобы растянуть некоторый интересующий экспериментатора фрагмент амплитудного спектра на весь динамический диапазон, укрупняя масштаб по оси амплитуд (рис. 3.1). С помощью регулируемого порога задается нижняя граница выделяемого фрагмента, а верхняя граница регулировкой коэффициента усиления растягивается до максимума динамического диапазона.

Рис. 3.1. Передача входного спектра (а) на выход линейным (б) и пороговым (в) усилителями

Сказанное реализуется в схеме, представленной на рис. 3.2. Она построена на быстродействующих интегральных операционных усилителях. Первый каскад задает пороговую характеристику,

а

б

Рис. 3.2. Схема порогового усилителя (а) и его амплитудная характеристика (б)

а второй – обеспечивает регулируемое усиление. Действительно, если UВХ < | UПОР |, выходное напряжение ОУ1 U1 > 0, а потому

104

диод D2 смещен в прямом направлении, а D1 – в обратном. Для идеальных диодов и ОУ при этом U0 = UВЫХ = 0. С учетом же того, что усиление ОУ при разомкнутой обратной связи имеет конечную величину, а вольт-амперная характеристика диода нелинейна, фактически выходное напряжение

RОС

Kγ

UD iD

Kγ

RОС

U

U

.

0 1 Kγ

1 K

Kγ

ВЫХ

R

1

R R

1

1

Здесь U D iD mkT / q ln iD

I 0 ln I 0

– вольт-амперная ха-

рактеристика диода; К – коэффициент усиления ОУ без обратной связи; γ R1 R1 ROC .

При UВХ UПОР диоды находятся в состояниях: D2 – закрыт, D1 – открыт. Для идеальных элементов

UВЫХ (RОС / R1 ) (UВХ

UПОР

).

С учетом же конечного усиления ОУ и ВАХ диода

i

R

Kγ

K

UВХ

U

D

UВЫХ

OC

UПОР

D

.

R1

1 Kγ

1

K

1

K

Нетрудно видеть, что включение дискриминирующих диодов в цепь обратной связи ОУ уменьшает влияние их нелинейности (делает изломность характеристики более резкой), температурной чувствительности и прямых падений напряжений в число раз, равное коэффициенту усиления в контуре обратной связи. Поэтому вклад в погрешность порогового уровня, вносимый падением напряжения на диоде, обычно меньше напряжения смещения нуля ОУ.

Для построения амплитудных дискриминаторов-нормализа- торов наиболее удобно использовать интегральные компараторы напряжения, широкая номенклатура которых выпускается в настоящее время: от сверхбыстродействующих (например, ADCMP572 фирмы Analog Devices с задержкой распространения 150 пс) до микромощных (например, ADCMP370 c потребляемой мощностью 9 мкВт). Обладая большим коэффициентом усиления, компараторы обеспечивают высокую чувствительность ( UПОР МИН

105

до нескольких сотен микровольт). Это позволяет работать в широком динамическом диапазоне сигналов, а также дает возможность селектировать сигналы, снимаемые непосредственно с детектора, без промежуточного их усиления. Последнее обстоятельство особенно важно с точки зрения экономии оборудования и потребляемой мощности при многоканальных измерениях.

Поскольку длительность выходного импульса компаратора равна времени превышения входным сигналом порогового уровня, т.е. зависит от длительности и амплитуды входных сигналов, то обычно выходной сигнал компаратора стандартизуют по длительности, например с помощью одновибратора.

Рассмотрим в качестве примера схему, приведенную на рис. 3.3. Она построена на основе компаратора К597СА1 ( D1 ) и ЭСЛ ИС.

Рис. 3.3. Интегральный дискриминатор на основе компаратора K597CA1 (а) и импульсные характеристики компаратора (б)

Этот компаратор специально разрабатывался для работы с ЭСЛ цифровыми ИС и имеет парафазные выходы, обеспечивающие ЭСЛ-уровни выходных напряжений. Паспортная задержка распространения tЗД Р ≤ 6,5 нс. Вход стробирования здесь используется

106

как управляющий: в рабочем режиме на нем присутствует постоянный логический уровень “1”, при логическом “0” входной каскад компаратора отключается.

Селектируемые сигналы поступают на инвертирующий вход через параллельный диодный ограничитель, защищающий схему от сигналов больших амплитуд. Выходные логические импульсы компаратора поступают на формирователь длительности, реализованный на D-триггере К500ТМ131 (D2). Длительность сформированного импульса определяется задержкой распространения от счетного входа к выходу и составляет около 3 нс. Далее этот импульс смещается по уровню с помощью делителя R1,R2 и за счет интегрирования на входе логического вентиля D3 расширяется до

5 нс.

Пороговый уровень в схеме задавался с помощью ЦАП (на рисунке не показан) и обеспечивал изменение ЕОП в диапазоне от 30 до 1920 мВ (64 градации). Минимальная длительность входных импульсов определяется зависимостью эффективного порога срабатывания дискриминатора (компаратора) от длительности этих импульсов. В справочных руководствах по компараторам эти зависимости обычно не приводятся. На рис. 3.3,б представлены результаты специальных измерений. Здесь U = UПОР – ЕОП. Если исходить из допустимого увеличения эффективного порога ~ в 20%, то минимальную допустимую длительность входных сигналов можно принять ~ 2 нс.

Рис. 3.4. Реакция компаратора (а) и триггера Шмитта (б) на медленно меняющийся «зашумленный» сигнал

Одним из недостатков компараторов, построенных по классической схеме, является осциллирование в области перехода через по-

107

рог, если на входе действует медленно меняющийся или “зашумленный” сигнал (рис. 3.4,а). Стандартное решение, помогающее в таких случаях, – использование пороговой схемы с гистерезисом (рис. 3.4,б). Такой схемой является триггер Шмитта ( ТШ ).

На основе ОУ или компаратора триггер Шмитта реализуется введением положительной обратной связи с выхода на неинвертирующий вход. Варианты инвертирующего и неинвертирующего триггеров Шмитта представлены на рис. 3.5.

UВХ.ВКЛ	EОП			R2		UВЫХ.МИН			R1
		R1 R2						R1 R2
UВХ.ВЫКЛ EОП					R2		UВЫХ.МАКС		R1
			R1 R2						R1 R2
UГИСТ	R1				UВЫХ.МАКС UВЫХ.МИН
	R1 R2

U

E

R1 R2

U

R1

ВЫХ . МИН R2

ВХ.ВКЛ

ОП

R2

U

E

R1 R2

U

R1

ВЫХ.МАКС R2

ВХ.ВЫКЛ

ОП R2

U

R1

U

U

ГИСТ

R2

ВЫХ.МАКС

ВЫХ.МИН

Рис. 3.5. Инвертирующий (а) и неинвертирующий (б) триггер Шмитта

108

Недостаток приведенных схем – зависимость пороговых уровней от нижнего и верхнего значений выходного напряжения, которые могут быть подвержены статистическому разбросу, температурной и долговременной нестабильности, нестабильности от источников питания. Схема с возможностью прецизионной установки уровней переключения приведена на рис. 3.6,а. Именно с этой целью используются входные компараторы К1 и К2. Верхний порог задается ЕОП 2, подаваемым на неинвертирующий вход К2, а нижний – ЕОП 1, подаваемым на инвертирующий вход К1. Выходные уровни компараторов должны соответствовать логическим элементам, образующим выходной RS-триггер.

Рис. 3.6. Триггер Шмитта с прецизионной установкой порогов и RS-триггером (а) и переключательные характеристики элементов схемы (б)

Пока входной сигнал меньше нижнего порога, на выходе К1 фиксируется уровень логического нуля (U1=0), а на выходе К2 – логической единицы (U2=1). Выходное напряжение при этом соответствует логическому нулю. RS-триггер изменит свое состояние на единичное после сброса К2, когда входное напряжение превысит верхний порог UВХ.ВКЛ = ЕОП2. При уменьшении входного напряжения возврат RS-триггера в нулевое состояние происходит по-

сле сброса К1 при достижении нижнего порога UВХ.ВЫКЛ = ЕОП1. Соответствующие переключательные характеристики приведены на

рис. 3.6,б. Логические элементы И-НЕ, составляющие RS-триггер, встроены как выходные каскады в некоторых интегральных схемах компараторов (например, К521СА4). Описанная схема может быть реализована на двух таких компараторах.

109

3.2. Дифференциальные амплитудные дискриминаторы

Дифференциальный дискриминатор представляет собой двухпороговую схему с логикой отбора, позволяющей регистрировать только те из входных сигналов, амплитуда которых превышает меньший (нижний) из порогов, но не достигает большего (верхнего) порога. Разность между порогами называется каналом или окном. В простейшем случае (при работе с прямоугольными импульсами) такая схема может состоять из двух амплитудных дискриминаторов и схемы антисовпадений (рис. 3.7,а). Схема антисовпадений представляет собой схему & с инвертором на одном из входов.

Рис. 3.7. Упрощенная схема дифференциального дискриминатора (а) и временны́е диаграммы его работы (б)

Это означает, что логический импульс на ее выходе появляется только тогда, когда есть сигнал с дискриминатора нижнего уровня (ДНУ) и нет сигнала с дискриминатора верхнего уровня (ДВУ) (рис. 3.7,б).

Пороги дифференциальных дискриминаторов обычно регулируются в пределах от уровня, чуть превышающего шумы, до ≈10 В. При этом они могут устанавливаться независимо друг от друга, как на рис. 3.7,а. В этом случае для стабилизации порогов довольно распространено использование простейшего стабилизатора на опорном диоде (рис. 3.8,а). Нужно заметить, что для прецизионных измерений это не лучшее решение. Опорные диоды (стабилитроны) обладают повышенными шумами (особенно работающие с лавинным пробоем), их напряжение стабилизации зависит от тока и температуры.

В настоящее время выпускается большое количество двух- и трехвыводных ИМС источников опорного напряжения с сущест-

110