Цифрлық импульстік процессорлар. Операция теориясы

Цифрлық импульстік процессорлар ядролық аспаптарда кеңінен қолданылады және Amptek сататын көптеген жүйелердің негізі болып табылады. Цифрлық импульстік процессор аналогтық күшейткіш/драйвер сияқты функцияларды орындайды, бірақ оның ең төменгі шу мен ең жоғары санау жылдамдығы бір уақытта қажет болатын қолданбаларда кеңінен қолданылуына әкелген тиімді өнімділік артықшылықтары бар. Цифрлық импульстік процессордың функциялары аналогтық драйвердің функцияларымен бірдей болғанымен, іске асыру әртүрлі және кейбір ұғымдар мен терминологиялар әртүрлі. Бұл қолданба жазбасының мақсаты аналогтық және цифрлық драйверді салыстыру, пайдаланушыларға цифрлық процессорларды түсінуге көмектесу және олардың артықшылықтары мен кемшіліктерін түсіндіру болып табылады.

Жеңілдетілген диаграммалар

1 және 2-суреттер сәйкесінше аналогтық және цифрлық күшейткіш-форманың жеңілдетілген схемаларын көрсетеді . Екеуінде де бірдей детектор және зарядқа сезімтал алдын ала күшейткіш схемалары бар. Екі жағдайда да алдын ала күшейткіш милливольт амплитудасы бар шағын импульстерден (қадамдардан) тұратын шығыс сигналын шығарады. Екі жағдайда да алдын ала күшейткіш импульстары кернеу қадамын өлшеуге болатындай дифференцияланады. Интегратор (төмен жиілікті сүзгі деп те аталады) сигнал-шу қатынасын жақсартады. Екі жағдайда да шығыс импульстар цифрланады, ал импульс амплитудаларының гистограммалары жадта сақталады. Бұл негізгі элементтер екі жүйеде де бірдей.

Сурет 1. Қарапайым аналогтық импульсті пішіндегіштің схемалық диаграммасы (CR-RC2 пішіндеуішімен)

Сурет 2. «Идеал» цифрлық импульстік процессордың жеңілдетілген диаграммасы

Цифрлық импульстік процессордың жұмысын егжей-тегжейлі зерттеуге көшпес бұрын, ядролық электроникада қолданылатын негізгі терминдермен танысу қажет; 3-суретте бірполярлы импульстің суреті көрсетілген.

Сурет 3. Типтік бірполярлы импульстік пішіннің иллюстрациясы

Импульс ұзақтығы – импульс амплитудасы нөлге тең болмайтын уақыт. «Нөлдік» амплитуданың нақты мәнін анықтау қиын болғандықтан, ол әдетте FWHM (жарты максимумдағы толық ені), импульс амплитудасы шыңның биіктігінің жартысынан үлкен немесе оған тең болатын уақыт ретінде анықталады.

Пик биіктігі - шыңнан бастап базалық сызыққа дейін өлшенген импульстің биіктігі. Пик уақыты - импульсті бастапқы сызықтан шыңға дейін пішіндеу үшін қажетті уақыт, пішіндеу күшейткішінің уақыт тұрақтысына қатысты.

Базалық – анықталған оқиғадан импульс болмаған кездегі кернеу мәні. Ядролық электроникада импульс биіктігі нөлге тең болуы міндетті емес базалық сызыққа қатысты өлшенеді.

Базалық тұрақтандырғыш (BLS) оның міндеті - электронды компоненттердің температура мен уақыт ауытқуларына және жоғары санау жылдамдығының әсерлеріне қарамастан импульс амплитудасының анықтамалық нүктесін (айыру конденсаторларындағы динамикалық ығысулар және операциялық жүйенің кіріс кезеңдерінің микро-қызуы). күшейткіштер).

Енді импульсті қалыптастырғыштың функционалдық диаграммасын қарастырайық. 1-суретте көрсетілген аналогтық жүйе 5-суретте (сол жақта) көрсетілген импульсті қалыптастырушыдан төмен. Дифференциатор RC жоғары жиілікті сүзгі болып табылады. Алдыңғы жағы алдын ала күшейткіш арқылы өтеді, содан кейін кернеу экспоненциалды түрде T _diff уақыт тұрақтысы бар түпнұсқаға (базалық сызыққа) оралады . Интегратор - жауап беру уақыты T _int болатын төмен жиілікті сүзгі . Күшейткіш-пішіндердің көптеген түрлері бар (жартылай гаусс, псевдогаусс, квази-үшбұрыш және т.б.), оларда әртүрлі төмен жиілікті сүзгілер қолданылады, әртүрлі күшейткіш-пішіндерден импульстік пішіндер 4-суретте көрсетілген.

Сурет 4. Әртүрлі күшейткіш-пішімдегіштерден алынған импульстік пішіндердің иллюстрациясы. Олардың әрқайсысында 1 мкс тұрақты кескіндеу уақытының тұрақтысы бар, бірақ интеграторлар - төмен жиілікті сүзгілер әртүрлі тасымалдау функцияларын пайдаланады.

Жалпы қасиеттері:

RC-CR: іске асыру өте қарапайым, бірақ әдетте нашар өнімділікке ие, яғни шу, өлі уақыт және тұрақтылық.

• Биполярлы: Импульсті азайту жақсы негізгі тұрақтылықты қамтамасыз етеді, іске асыру оңай, бірақ ұзақ импульс ұзақтығы және соның салдарынан үлкен өлі уақыт мәні және нашар шу сипаттамалары бар.
• Жартылай гаусс және псевдо-гаусс: белсенді сүзгілер (күрделі полюс жұптары) арқылы жүзеге асырылады. Белсенді базалық генерациямен пайдаланылғанда, олар аналогтық құрамдастарды пайдаланып жақсы өнімділікті қамтамасыз етеді.
• Квази-үшбұрышты: аналогтық құрамдас бөліктерде белсенді сүзгілерді қолдану арқылы да жүзеге асырылады. Бұл оңтайлы өнімділік үшін «идеалды» тасымалдау функциясына өте жақын, бірақ салыстырмалы түрде күрделі.
• Трапециялы: сандық өңдеу арқылы жүзеге асырылады. Сондай-ақ идеалға өте жақын, шектеулі импульстік реакцияға ие және жоғары санау жылдамдығында өнімділікті арттырады.

Аралас күрделі полюстер жұбын қолданатын күрделірек пішіндеу күшейткіштері симметриялы пішіні бар негізгі сызыққа жылдам оралады. Әдетте импульстік пішін t кескіндеу уақытының сипаттамасымен Гаусспен жуықталады. Ең жоғары уақыт шамамен 2,2 т, салыстырмалы ұзақтығы максималды кернеудің жартысына тең, бірақ құйрық ұзақ уақыт бойы сақталады. Базалық генератор (BLR) әрбір шың өлшенетін базалық сызықты жасайды. BLR болмаса, дифференциатордан айнымалы ток жоғары санау жылдамдығымен төмендейді, өйткені тұрақты ток шығысы нөлге тең болуы керек. Аналогтық шыңы анықталады және тізбек шың амплитудасын түсіреді, содан кейін ол цифрланады. Бұл жалғыз сандық үлгі импульсті білдіреді, сондықтан ADC сызықтық болуы керек, бірақ өте жылдам болуы міндетті емес, өйткені ол импульстің бір үлгісін ғана цифрлайды.

2-суретте көрсетілген «идеалды» цифрлық жүйеде алдын ала күшейткіш сигнал жылдам ADC көмегімен тікелей цифрланады. Бұл дискретті дифференциалдау тізбегінің дифференциалды қолданылуы. Сигнал дифференциатор шығысын біріктіретін төмен жиілікті сүзгіге жіберіледі. «Процесс» деп белгіленген екі блок кіріс сигналдарына қолданылатын және бір цифрлық процессорды екіншісінен ажырататын алгоритмдерді білдіреді. Ең кең тараған төмен жиілікті сүзгі шығыста үшбұрышты толқын пішінін шығарады. Трапеция тәрізді импульстар да оңай синтезделеді, мысалы, «шыбық» сияқты күрделі пішіндер. Мәндер цифрланған, сондықтан анықталған цифрлық шың гистограмма жадына жіберіледі. Гистограмма жады дәстүрлі көп арналы амплитудалық анализатордағыдай жұмыс істейді. Белгілі бір шыңы бар импульс пайда болғанда, сәйкес жад ұяшығындағы санауыш ұлғаяды. Нәтиже - әр ұяшықта сәйкес импульстік мәні бар оқиғалар санын қамтитын жиым. Бұл энергия спектрі процессордың негізгі шығысы болып табылады. Интегратор шығысы сонымен қатар DAC-ға берілуі мүмкін, сондықтан пайдаланушы осциллографта импульстарды көре алады, бірақ жүйеге аналогтық импульстік толқын пішінін жасаудың қажеті жоқ. Импульсті қалыптастырушы 5-суретте (оң жақта) көрсетілген.

5-сурет Сол жақта: Аналогтық импульстік пішіндегі импульстік пішіндер. Олар үшбұрышқа жақын орналасқан күрделі полюстерді пайдаланатын квази-үшбұрышты пішіндеуге сәйкес келеді. Оң жақта: үшбұрышты және трапеция тәрізді пішіндері бар сандық импульстік процессордағы импульстік пішіндер.

Нағыз цифрлық процессор

Нағыз цифрлық процессордың «идеалдыдан» бірнеше негізгі айырмашылығы бар. Сонымен қатар, динамикалық диапазонға байланысты күшейткіштің шығысын тікелей цифрлау практикалық емес. Әрбір алдын ала күшейткіш шығысында бірнеше вольт болуы мүмкін және уақыт өте өзгеретін негізгі сызық бойымен қозғалатын амплитудасы милливольт қадамы бар. Қадам 10-нан 14 битке дейін цифрлануы керек және алдын ала күшейткіш шығысының динамикалық диапазонының дәлдігін қажетті жылдамдықпен біріктіретін ADC жоқ. Сондықтан алдын ала күшейткіш шығысы қадамды дәл цифрлауға мүмкіндік беретін аналогтық алдын ала сүзгіге беріледі. Цифрландыру алдында бастапқы сызықты жою және қадамды күшейту үшін бірнеше түрлі тәсілдер қолданылады. Сонымен қатар, дифференциатордың төменгі жиілікті сүзгіден немесе интегратордан және шыңды анықтау логикасына дейін әртүрлі іске асырулары бар.

Қорытынды: Цифрлық фильтрлеудің артықшылықтары мен кемшіліктері

Сандық процессордың бірнеше негізгі артықшылықтары бар , олар осында берілген және төменде түсіндіріледі. Цифрлық импульстік процессор жақсырақ өнімділікке ие (бір уақытта төмен шу және жоғары санау жылдамдығы), нақты қолданбаға теңшеу үшін үлкен икемділік, жақсы тұрақтылық пен қайталану мүмкіндігі.

• Зерттеушілер ұзақ уақыт бойы ядролық электроникада қолдануға арналған мінсіз сүзгілерді іздеді, олар берілген санау жылдамдығында сигнал-шуылдың ең жақсы қатынасын береді. Идеал тасымалдау функциясын практикалық операциялық күшейткіш тізбегінде оңай шығару мүмкін емес, бірақ цифрлық процессор идеалға жақын келеді.
• Сигналдарды анықтау және цифрландырумен байланысты өлі уақыт жоқ, сондықтан цифрлық процессор аналогтық жүйеге қарағанда жоғары өткізу қабілетіне ие. Бұған қоса, оның ақырғы импульстік реакциясы болғандықтан, бүркеншік ату және басқа импульстік қабаттасу әсерлері азаяды. Сандық процессордың өнімділігі жоғары санау жылдамдығында әсіресе байқалады.
• Аналогтық импульстік процессорда параметрлердің көпшілігі резисторлар мен конденсаторлар арқылы анықталады. Аналогтық жүйеде көптеген әртүрлі конфигурация параметрлерінің болуы мүмкін емес. Цифрлық жүйеде пайдаланушы жұмыс тиімділігін арттыра отырып, жүйені тапсырманың қажеттіліктеріне оңай бейімдей алуы үшін көптеген пішіндеу уақытының тұрақтылары, BLR параметрлері және т.б. болуы мүмкін.
• Аналогтық жүйе резисторлар мен конденсаторлар негізінде құрылғандықтан, оның тұрақтылығы осы компоненттердің тұрақтылығымен, ал олардың қайталануы олардың қателерімен шектеледі. Сандық жүйеде тұрақтылық пен қайталану мүмкіндігі әлдеқайда жақсырақ, себебі олар уақытты орнатуға арналған кварц осцилляторы сияқты бірнеше өте дәл көздерден орнатылады.

Сандық процессордың кемшіліктері бар . Біріншіден, ол көбірек қуатты таратуға бейім: сәйкес жылдамдығы мен дәлдігі бар ADC көптеген аналогтық конструкцияларға қарағанда көбірек қуатты таратады. Екіншіден, конструкция аналогтық күшейткіш-пішінге қарағанда күрделірек.

Сандық сүзгілеудің артықшылықтары

Шекті импульстік жауап:

Аналогтық пішіндеушіде кіріс импульс дифференциатордан экспоненциалды құйрықты шығарады, ол нөлге оралу үшін шексіз уақытты алады. Бұл «шексіз импульстік жауап» немесе IIR деп аталады. Шығару ақырғы уақыттан кейін елеусіз болады, бірақ ол ұзақ уақыт бойы нөлге тең емес, әдетте импульстің номиналды «енінен» көп есе көп. Кейінгі импульстар бұрынғы импульстардың құйрығына «отырылады». Жоғары жиілікті сүзгі шығысы тұрақты ток болғандықтан, базалық сызық санау жылдамдығымен ауысады: үлкен аралықта орташа импульс мәні маңызды және ұзақтыққа байланысты, бірақ шағын құйрық амплитудасы бар. Сондықтан бүркеншік атау орын алады және негізгі сызық аналогтық дифференциатордың IIR шығысын ауыстырады. Бүркеншік ат – екі немесе одан да көп импульс уақыт бойынша қабаттасатын оқиға (6-сурет).

Сурет 6. Импульстік суперпозицияның суреті

Бұл сызба кездейсоқ уақыт аралықтарында болатын бес оқиғаны көрсетеді, өйткені ядролық ыдырау кездейсоқ процесс. Жеке импульстар қара сызықтармен бөлектеледі, ал көк нүктелер өлшенген қабаттасатын импульстардың қосындысын білдіреді. Бірінші импульс, сол жақта, уақыт бойынша оқшауланады және оның амплитудасы дұрыс биіктікте өлшенеді. Келесі екеуі ішінара қабаттасады, шыңдар арасында седла бар. Екі импульс жазылады, бірінші импульстің биіктігі дұрыс болады, бірақ екінші импульстің амплитудасы дұрыс өлшенбейді. Шыңдардың арасында седла жоқ екі импульстің қабаттасуы дұрыс емес биіктікпен бір импульс (олар шешілмейді) ретінде пайда болады. Егер екі қабаттасу уақыт өте жақын жерде орын алса, нәтижесінде алынған амплитуда жеке импульстардың қосындысы болып табылады.

Цифрлық пішіндеушіде импульске жауап тікбұрышты дифференциаторлық жауап болып табылады: жауап k импульстен кейін нөлге жетеді. Оның «соңғы импульстік жауап» (FIR) бар, яғни кез келген кірістің шектеулі уақыттан кейін нөлдік әсері болады. Бұл аналогтық пішіндегіштен басты айырмашылығы. DPP кірісінде орын алған кез келген нәрсе белгілі бір уақыт кезеңінен кейін шығыста нөлге әкеледі. Бұл жоғары санау жылдамдығында DPP тиімділігін айтарлықтай жақсартады, бүркеншік атауды және негізгі сызықты ауыстыруды азайтады, т.б.

Тегіс үстіңгі қалпына келтіру

Аналогтық пішіндеушіде алдын ала күшейткіш өңделетін сигналдың жылдам көтерілуін және тегіс жоғарғы жағын қамтамасыз етеді. Дифференциатор импульсті өткізеді, бірақ содан кейін бірден ыдырай бастайды. Егер фронт баяу көтерілсе, оның пішіндеу уақыты экспоненциалды түрде азаяды және импульстар 7-суретте (сол жақта) көрсетілгендей толық амплитудаға жетпейді. Әрбір рентгендік детекторда заряд жинау уақыты бар, бірақ импульсті қалыптастыру уақыты жеткілікті ұзақ, сондықтан заряд жинау уақытын елемеу мүмкін. Amptek 6 мм2 ^{кремний} детекторы сияқты жазық детекторда электрондардың (саңылаулардың) 500 мм сарқылу аймағынан өтуі үшін 0,1 (0,3) мс қажет. Рентген сәулелерінің ену тереңдігіне байланысты алдын ала күшейткіште өндірілетін токтың ұзақтығы 0,1-ден 0,3 мс-ке дейін. Т _жалпақ < 0,3 мс импульстік пішін пайдаланылса, зарядтардың бір бөлігі ғана өлшенеді. Импульс биіктігінің көтерілу уақытымен жоғалуы баллистикалық тапшылық деп аталады және көтерілу уақыты бір импульстен келесіге дейін өзгерген кезде ажыратымдылыққа әсер етеді.

Сурет 7. Аналогтық (сол) және цифрлық (оң) фигураторға арналған шығыс дифференциаторының схемасы.

Бұл мысалда ең жоғары уақыт 4,8 мкм сек, 500 нс көтерілу уақыты импульс биіктігінің 0,5% жоғалуына әкеледі. Мәселе аналогтық «дифференциатор» нақты туынды функцияны қабылдамайтындықтан туындайды, сондықтан тегіс үстіңгі бөлікті құрмайды. Цифрлық дифференциатордың артықшылығы – ол сандық туындыларды дифференциациялауды іс жүзінде жүзеге асырады, осылайша 7-суретте (оң жақта) көрініп тұрғандай нағыз жалпақ төбе алынады. Алдыңғы және тегіс үстіңгі жағы импульстік алдын ала күшейткішпен бірдей пішінге ие. Сондықтан, цифрлық процессор баллистикалық тапшылықтан қорғалған және тегіс жоғарғы ұзақтығы бірнеше есе қысқа.

Кремний дрейф детекторында (SDD) зарядты жинау уақытында да айырмашылықтар бар. Физикалық механизм жазық детектордан ерекшеленеді және көтерілу уақыты электрод құрылымының егжей-тегжейлеріне байланысты, кернеу ығыстырылады, бірақ барлық SSD зарядты жинау уақытын көрсетеді. 8-суретте Amptek SSD көмегімен алынған толқын пішіндері көрсетілген. Жасыл толқын пішіні көтерілу уақыты 40-200 нс болатын алдын ала күшейткішті көрсетеді (баяу көтерілетін импульстар электрлік белсенді аймақтың сыртқы жиегіне жақын жерде пайда болады).

Сурет 8. Импульстің көтерілу уақытын өлшеуді бейнелейтін осциллографтың іздері. Жасыл із алдын ала күшейткіш шығысын көрсетеді, көк жол ADC кірісін көрсетеді, ал қызғылт жол 100 нс шыңы және 50 нс тегіс жоғарғы уақыттары үшін баяу арнаны көрсетеді.

Баллистикалық тапшылық эффектісі бар спектрлер 9-суретте көрсетілген. Бұл графиктер 55Fe көзі арқылы төмен санау кезінде және сыртқы коллимациясыз алынған. Сол жақтағы сызба T _шыңы = 0,1 мс және T _жазық 0,025-тен 0,2 мс-ке дейін сәйкес келеді. Ұзынырақ T жалпақ тар _шыңға әкеледі. Оң жақтағы сюжет T _шыңы = 0,4 мс және бірдей диапазонға сәйкес келеді T _жазық . Үлкенірек T _шыңы болған жағдайда , тіпті қысқа T _тегіс уақыт баллистикалық тапшылықтың төмендеуіне әкеледі.

Сурет 9. DP5 25мм2 Amptek SDD бар Tpeak = 100 нс (сол жақта) және 400 нс (оң жақта) сәйкес спектрлер

Баллистикалық тапшылықпен не істеуге болады?

• T _{төбесін} және T _{жалпақтығын} арттырыңыз . Бұл ажыратымдылықты жақсартады, бірақ максималды санау жылдамдығын азайтады. T _шыңы > 2 мс үшін Amptek T _flat > 0,2 мс ұсынады, себебі ол өткізу қабілетіне үлкен әсер етпейді.

• Айнымалы кернеуді арттырыңыз. Бұл көтерілу уақытын екі есе қысқартады;

• Сыртқы коллиматорды пайдалану керек. Егер ағын жеткілікті жоғары болса, Amptek mini-X қолданған дұрыс;

• Негізінде, баяу оқиғаларды тоқтату үшін детектордың жылу кедергісін пайдалануға болады. Бұл әдіс электронды коллимация деп аталады, себебі ол белсенді аймақты тиімді азайтады;

• Спектрдегі баллистикалық тапшылықтарды өңдеу үшін бағдарламалық құралды пайдаланыңыз.

Қабаттасу

Р

10-суретте үш түрлі импульстік пішіндеу құрылғысының шығыс импульсінің толқын пішіндері көрсетілген, олардың барлығы бірдей импульс енін беретіндей етіп реттеліп, толық енде жарты максимумда өлшенеді. Қызыл із ең қарапайым пішіндегіштің, аналогтық RC-CR шығысын көрсетеді. Көк із төмен жиілікті сүзгілеудің 6 полюсін (үш күрделі полюс жұбы) пайдалана отырып, жоғары деңгейлі аналогты пішіндеушіден, квази-үшбұрышты пішіндеу күшейткішінен толқын пішінін көрсетеді. Қара із цифрлық трапеция пішіндеуішінен алынған. Ең бастысы, олардың FWHM кезінде импульстік ені бірдей болғанымен, екі импульс (t _пик + t _тегіс ) мәнінен көп бөлінген болса, цифрлық пішіндеу құрылғысы ешқандай қабаттасуды көрсетпейді. Екі аналогтық пішіндеудің экспоненциалды құйрықтары бар, олар FWHM-ден бірнеше есе көп. Осы уақыт ішінде қабаттасатын импульстар қабаттасады.

Сурет 10. Үш түрлі импульсті пішіндеуіште жасалған импульстарды көрсететін график. Барлығының FWHM белгілейтін импульстік ені бірдей.

Цифрлық пішіндеудің екі артықшылығы бар. Біріншіден, цифрлық пішіндеудің бүркеншік аттары азырақ (тіпті бірдей FWHM болса да). Екіншіден, цифрлық жүйеде анық бүркеншік атын қою уақыты бар: импульс симметриясының арқасында белгіленген уақыттан кейін бүркеншік таңба болмайды. Аналогты пішіндеушілер ең жоғары уақыттан әлдеқайда ұзағырақ интервалдың бүркеншік атпен бас тартуын пайдалануы керек. Өткізу қабілеттілігі, яғни өлі уақыт аналогтық жүйеде ұзағырақ болатын импульсті кескіндеу есебінен азаяды. Сондықтан, аналогтық пішіндеуіштермен салыстырғанда, цифрлық жүйенің бүркеншік аттары аз және өткізу қабілеті жоғары.

Үйінділерді қабылдамаумен (PUR) бірнеше мәселелер бар. Біріншіден, PUR тек T _fast < T _peak болғанда ғана жұмыс істейді . Екіншіден, егер T _{fast T pik} мәнінен сәл аз болса , ешқандай жинақтауды қабылдамау болмайды. Мысалы, T шыңы = 100 нс және T жазық = 12 нс болғанда, нақты өлі уақыт ~ 140 нс болады. T _fast = 50 нс болғанда, жылдам арнадағы жұп импульстар арасындағы ажыратымдылық ~ 100 нс құрайды. Бұл жағдайда PUR тек 100 және 140 нс арасындағы артта қалған импульстарды қабылдамайды. Үшіншіден, егер T _flat < T _fast , «сома шыңы» шын мәнінде шың болмайды, бірақ біршама күрделі пішінге ие болады. 11-сурет бұл жағдайды көрсетеді.

Сурет 11. Спектр импульстік гистограмманың қабаттасуларынан бас тартқан кездегі жалпақ төбенің ұзақтығын көрсетеді.

Мәндер T _шыңы = 0,4 мс кезінде алынды. Қызғылт сары спектр бүркеншік атты қабылдамау өшірілген күйде алынады. Сұр толтырылған спектр T flat = 0,2 мс үшін PUR қосылғанын көрсетеді. Басқа спектрлер қысқарақ T _жазық мәндерімен алынады . Баллистикалық тапшылық мәселесі T _flat > 100 ns болғанда жақсы шешіледі, бұл сонымен қатар бүркеншік аттан бас тарту қосылған кезде артефакттың жиналуын азайтуға көмектеседі. Amptek бұл әсерлерді азайтуға көмектесу үшін T _{tepe > 2 мс немесе одан да көп үшін T flat} > 100 нс және T _flat > 200 нс пайдалануды ұсынады . Көк спектр T _flat = 75 нс үшін. Жалпақ ұзақтық бүркеншік аттан бас тарту аралығынан қысқарақ болғанда, импульстар бір-бірімен қабаттасуы мүмкін, бірақ олар біріктірілген шыңға әкелмейді. Жасыл және қызыл спектр T _flat = 25 және 50 нс үшін. Спектрді талдау бағдарламалық құралы әдетте бүркеншік шыңдарды дұрыс жоюға арналған. Жақсы жалпы шыңға жету үшін тегіс үстіңгі жағын ұзарту керек, бұл, әрине, өткізу қабілетін азайтады.

Осциллограммада (12-сурет) импульстік пішін уақыт бойынша ығысқан екі трапецияның қосындысына тең. Егер екі оқиға жалпақ шыңның ұзақтығынан артық бөлінсе, онда шыңның амплитудасы оқиғалар арасындағы кідіріске сызықты түрде тәуелді болады. Егер кешігу жазық үстіңгі ұзақтығынан аз болса, онда графикте шың мәндерінің қосындысы алынады.

Сурет 12. Импульстік қабаттасуды көрсететін осциллограммалар. Қызғылт жол ADC кірісі болып табылады. Ашық көк із - өндірілген шығыс (ең жоғары уақыт 2,4 мс). Көк із – жылдам арнада импульстің анықталғанын көрсететін «ICR» сигналы.

Сигнал мен шу қатынасы

Спектрометриялық күшейткіштің негізгі міндеті – сәулелік детекторлардан келетін сигналдардың амплитудалық мәндерін сызықты түрде беру. Бұл жағдайда сигналдардың пішінін өзгертуге рұқсат етіледі. Бұл күшейткіштің фильтрлеу схемаларын сигналдардың негізгі спектрі олар арқылы өтетіндей етіп жасауға болады, ал шу спектрі мүмкіндігінше шектеледі. Бұл жағдайда сигнал-шудың оңтайлы қатынасын аламыз. Оңтайлы сүзгінің шығысындағы сигнал екі қиылысатын қисықтардың пішініне ие. Мұндай сүзгі сигнал-шуылдың ең жақсы қатынасын қамтамасыз етеді. Нақты сүзгілер, әдетте, басқа сипаттамаларға ие және олардың сигнал-шу қатынасы нашар. Оңтайлы сүзгінің ƞ∞ берілген жүйенің ƞ-нен қанша есе асатынын көрсететін K _n.sh = ƞ∞/ ƞ шудың артық коэффициентін пайдаланып сүзгілерді салыстыру ыңғайлы . Импульстердің әртүрлі түрлерінің негізгі көрсеткіштері 1-кестеде келтірілген. Мұнда К _н.ш. сериялық және параллель шудың қарқындылығы бірдей, ал шығыс сигналының амплитудасы бірлікке нормаланған жағдайда есептеледі.

Кесте 1. Шудың артық факторлары және кейбір пішіндеу тізбектерінің импульстік пішіндері

Зерттеушілер сериялық шу басым болған кезде тұрақты импульс ұзақтығы үшін сигнал-шуылдың оңтайлы арақатынасы тұрақты үшбұрыш түріндегі импульспен, ал параллель шу кезінде «шыбық» түрінде қамтамасыз етіледі деген қорытындыға келді. басым болып табылады. Сериялық шу – детектормен бірге пайдаланылатын құрамдас бөліктерден туындайтын электрондық шу. Әдетте, шу алдын ала күшейткіштегі кернеуге сәйкес келеді және ең алдымен алдын ала күшейткіштің кіріс арнасындағы шудан туындайды. Параллель шу – детекторға параллель қосылған құрамдас бөліктерден туындайтын электрондық шу. Әдетте, ол негізінен детектордағы термиялық шу мен параллель кедергілерден туындайды.

Аналогты пішіндеуіштер үшбұрышқа жақындайды, бірақ цифрлық процессордың осы идеалға әлдеқайда жақын тасымалдау функциясы бар. Сәулеленуді анықтау жүйесі үшін балама шу деңгейі берілген шың уақыты t _шыңы үшін сериялық және параллель шу генераторлары үшін As және Ap шу индекстерімен сипатталады . Шуды былай жазуға болады:

мұндағы L _{ағып кету} – детектор арқылы ағып кету тогы, R _p – детектормен параллель кедергі, C _in – жалпы кіріс сыйымдылығы, g _m – өрістік транзистордың рұқсаты және e _пик – 1/f шу. Негізгі нүкте - драйвер күшейткішінің мәліметтеріне байланысты шу индекстері Ap және As.

Төмендегі кестеде 9-суретте көрсетілгенге ұқсас үш жалпы кондициялау күшейткіштері үшін шу индекстері мен FWHM импульсінің ендері көрсетілген. Егер шың уақыты тұрақты болса, трапеция және гаусстың параллель шуыл индексі бірдей, бірақ цифрдың сериялық шуы төмен. индексі және гаусс ұзақтығы ұзағырақ, бұл көбірек бүркеншік атқа әкеледі. Бұл салыстыруда абай болу керек, өйткені шың уақыты шын мәнінде негізгі параметр емес. 9-суретте барлық импульстердің шыңы бірдей, бірақ ұзақтығы әртүрлі. Импульс ендері неғұрлым ұзағырақ болса, тіпті бірдей шың уақытында да соғұрлым бүркеншік пайда болады. Сондай-ақ спектрометриялық импульс пайда болғанға дейін шекті уақыт интервалында минималды шу қателігі бар базалық ауытқуды есептеуге, оны сақтауға және оны сигналдың, шуылдың және тұрақты ток ығысуының суперпозициясынан алып тастауға мүмкіндік беретін оңтайлы сүзгіні табу мәселесі бар. . Ең бастысы, оның шынайы трапециясы бар цифрлық импульстік процессордың салыстырмалы аналогтық пішіндеуіштерге қарағанда төмен шу көрсеткіштері және тар уақыт доменінің ені бар. Сондықтан ол бір уақытта электронды шуды және бүркеншік атын азайтады.

Кесте 2. Үш жалпы пішіндегіш күшейткіштерге арналған шу индекстері және импульстік ені (FWHM)

Көп арналы импульстік амплитудалық анализатор (MCA). Өткізу қабілеті

Аналогтық жүйеде өлі уақыттың екі көзі бар: кейбір импульстар жоғалуы мүмкін (анықталмады), себебі (a) импульстар уақыт бойынша қабаттасып жатады немесе (b) шыңы анықталды, бірақ цифрлық түрлендіргіш бос емес. Көп арналы амплитудалық анализаторлардың көпшілігі тек микросекундтарды құрайтын ADC пайдаланады, бірақ аналогтық импульстар уақыт бойынша бір-біріне сәйкес келмесе де, сандық түрлендіргіштің өлі уақытына байланысты санау жоғалады. Цифрлық процессорда шыңды таңдауға байланысты өлі уақыт жоқ. Бүкіл импульстік толқын пішіні қазірдің өзінде жоғары жылдамдықпен цифрланған, айталық 20 МГц. Гистограмма жадын жаңарту үшін бірнеше сағат циклдері қажет болады, бірақ бұл шамалы. Сондықтан цифрлық жүйеде пикті іріктеумен байланысты өлі уақыт болмайды. Оның жоғарыда талқыланғандай импульс енімен байланысты өлі уақыты бар.

Сызықтық

Аналогтық жүйеде ADC сызықты еместігі жүйенің сызықты еместігіне үлкен әсер етеді. Көп арналы импульстік амплитудалық анализатор бір шыңның биіктігін өлшеуді жасайтындықтан, ADC қадамдарының өлшеміндегі кез келген сызықтық емес импульс биіктігін сызықты емес өлшеуге әкеледі. Сызықты еместікті тегістеуге арналған кең таралған ADC тәсілі импульске кездейсоқ сандарды қосу, оны цифрлау, содан кейін кездейсоқ сандарды алу болып табылады. Нәтиже - бір импульс биіктігінің кернеуін өлшеу үшін қолданылатын бірнеше ADC кодтары. Цифрлық жүйеде әрбір импульс биіктігі негізінен көптеген әртүрлі ADC кодтарын пайдаланатын көптеген әртүрлі ADC өлшемдерінің қосындысы болып табылады. Бұл сандық жүйеге әлдеқайда жақсартылған сызықтық береді.

Конфигурациялау мүмкіндігі.

Аналогтық импульстік процессорда параметрлердің көпшілігі резисторлар мен конденсаторлар арқылы анықталады. Мысалы, псевдо-Гаусс пішіндеуішінде пішіндеу уақыты он төрт резисторлар мен конденсаторлар жиынтығымен анықталады. Төрт пішіндеу уақыты тұрақтысы бар аналогтық күшейткіш пішіндеу құрылғысы барлық осы компоненттердің төрт түрлі жиынтығын қажет етеді. Аналогтық жүйеде көптеген әртүрлі конфигурация параметрлерінің болуы мүмкін емес.

Цифрлық жүйеде пішіндеу уақыты сандық кідіріс циклдерінің санына және аккумуляторда орнатылады. Уақытты пішімдеу құралы мен 20 МГц сағаты арасында ауысу оңай, қадам өлшемі 50 нс, бұл өте жақсы реттеуге мүмкіндік береді. Мұндай өңдеу опциялары аналогтық схемада мүмкін емес. Мысалы, кейбір цифрлық процессорлар ең жоғары уақытты импульстік негізде реттейді: егер екі импульс арасындағы интервал аз болса, аздаған шу қосып, бірақ бүркеншік атау мен санау жоғалуын болдырмайтын қысқа шың уақыты пайдаланылады. Сандық жүйеде көптеген басқа параметрлер мен конфигурация опцияларын оңай алуға болады. Бұл параметрлерге пішімдеу уақыты ғана емес, сонымен қатар бастапқы қалпына келтіру параметрлері, бүркеншік аттан бас тарту параметрлері және т.б. кіреді. Цифрлық жүйеде конфигурацияның көптеген параметрлері бар, сондықтан пайдаланушы жүйені мәселенің қажеттіліктеріне оңай бейімдей алады, бұл жұмыстың тиімділігі.

Тұрақтылық пен сенімділік.

Аналогтық жүйе резисторлар мен конденсаторларға негізделгендіктен, оның тұрақтылығы осы компоненттердің тұрақтылығымен және олардың қателіктерінің қайталануымен шектеледі. Резисторлар мен конденсаторлардың температуралық коэффициенті температура градиентінің өсуі мен қалыптасуын тудырады. Резисторлар мен конденсаторлар арасындағы қателер бір конфигурациядан екіншісіне ауысқан кезде номиналды бірдей импульстік пішіндер арасындағы айырмашылықты тудырады. Күшейтудің дәлдігі әдетте потенциометрмен орнатылады және алдыңғы параметрге оралу қиын, сонымен қатар екі жүйені бір-біріне сәйкестендіру үшін дәл баптау қиын.

Цифрлық жүйеде тұрақтылық пен қайталану уақытты орнату үшін кварц осцилляторы сияқты бірнеше өте дәл көздерге байланысты. Бұл жағдайда. Температураның ауытқуы әлдеқайда төмен. Қайталану мүмкіндігі әлдеқайда жақсы. Сандық жүйеде күшейту цифрлық түрде орнатылса, алдыңғы параметрлерге дәл оралуға болады. Сонымен қатар, FPGA-дағы істен шығу жиілігі дәнекерленген қосылымдары бар көптеген дискретті компоненттердің істен шығу жылдамдығымен салыстырғанда өте төмен.

Қорытынды

Цифрлық процессордың аналогтық пішіндегішке қарағанда өзіндік өнімділік артықшылықтары бар. Оның шекті импульстік реакциясы бар, бүркеншік атын және негізгі сызықты ауыстыруды азайтады, шуды жақсырақ сүзуді қамтамасыз етеді (бірдей импульс ені үшін), ол баллистикалық тапшылықты азайтады және сызықтықты жақсартады, оның конфигурациялануы, тұрақтылығы және сенімділігі жақсы.

Оның негізгі кемшілігі аналогтық драйверде қолданылатын операциялық күшейткіш пен баяу ADC қарағанда жылдам ADC айтарлықтай көп қуат тұтынады. Ең жақсы өнімділік, ең аз шу және ең жоғары санау жылдамдығы операциялар қажет болғанда, цифрлық процессор ең жақсы шешім болып табылады.