极零相消电路.ppt

1、第二章第二章 能谱测量系统信号处理能谱测量系统信号处理 能谱测量中能量分辨 噪声分析和滤波 信号成形 能谱测量中能量分辨 一、能谱曲线和能量分辨一、能谱曲线和能量分辨 粒子能量E E 探测器电荷Q Q 前放输出电压V V积分型前置放大器将使其输出信号幅度正比于辐射核子在探测器中沉积的能量，因此测量其被线性放大后信号的幅度就可以确定入射粒子沉积的能量，从而可以获知入射粒子的能量。由于电荷量由统计涨落，必须测量大量信号，统计出这些信号按幅度分布曲线，这就是幅度谱。第二章 能谱测量系统信号处理 能谱测量中能量分辨 一、能谱曲线和能量分辨一、能谱曲线和能量分辨 幅度谱 理想情况下：实际测量：由峰位确定

2、粒子能量；由分布的宽度确定测量误差。第二章 能谱测量系统信号处理 能谱测量中能量分辨 一、能谱曲线和能量分辨一、能谱曲线和能量分辨 能谱线的宽窄是衡量探测器系统和电子学系统对相邻很近谱线的分辨能力。分辨率的定义为：第二章 能谱测量系统信号处理探探测测器器的的固固有有分分辨辨：正如上一章所讨论的，这是电离或激发过程统计涨落造成的，设其产生能谱曲线的对应方差为sD。噪噪声声引引起起的的谱谱线线展展宽宽：电子学噪声会造成电路中一些重要节点的电平随机涨落，而叠加在信号上，从而造成信号幅度的随机涨落，加宽了能谱曲线。电子学噪声平均值为0，概率分布服从高斯分布，它对能谱线展宽的方差贡献为sn。能谱测量中能

3、量分辨 二、影响能谱仪能量分辨的几个因素二、影响能谱仪能量分辨的几个因素 第二章 能谱测量系统信号处理堆堆积积和和基基线线涨涨落落：由于探测器产生的信号在时间上是随机的，而输出信号一般均形成一定宽度和一定形状的脉冲，因而有可能出现二个信号叠加在一起的情况，这种情况称为堆积，它将使测量造成误差。信号经成形后往往存在很长后沿，尽管每个信号中某一时刻产生的后沿很小，但是很多信号在该时刻叠加结果会形成一定大小的量，叠加在信号的基线上，由于信号间的间隔随机变化，因而形成信号的基线会随机涨落，而每个信号都是叠加在以前信号产生的基线之上，这样也会使信号幅度产生涨落。我们也可以近似认为这种涨落服从高斯分布，它

4、对谱线展开的方差贡献为 sp。能谱测量中能量分辨 二、影响能谱仪能量分辨的几个因素二、影响能谱仪能量分辨的几个因素 第二章 能谱测量系统信号处理径径迹迹亏亏损损（弹弹道道亏亏损损）：探测器电流脉冲并不是理想冲击信号，存在着一定宽度和一定形状，而电子学系统中成形电路对于信号响应受到信号宽度和形状的影响，造成输出信号幅度变化，而电流信号的宽度和形状在某些探测器中往往亦是随机变化的，因而也会引起谱线展宽 能谱测量中能量分辨 二、影响能谱仪能量分辨的几个因素二、影响能谱仪能量分辨的几个因素 第二章 能谱测量系统信号处理只有在 时可以计算得到：能谱测量中能量分辨 径迹亏损（弹道亏损）径迹亏损（弹道亏损）

5、第二章 能谱测量系统信号处理第二章 能谱测量系统信号处理可见，为了减少弹道亏损，ti 较大。弹道亏损引起的谱线展宽为sb上述四种因素在不同系统和不同条件下对能量分辨的影响主次不一样，需要具体分析。这四者可以认为是互相独立的。假定它们均服从高斯分布，那么最终输出幅度的涨落方差可以表述为：而，能谱测量中能量分辨 二、影响能谱仪能量分辨的几个因素二、影响能谱仪能量分辨的几个因素（总结）（总结）（2-1-9）（2-1-10）第二章 能谱测量系统信号处理1.噪声：是围绕某基线电平的随即电平涨落。平均值为零，因此用平均值无法反映噪声大小，一般用均方值可以表征噪声的强度定义:噪声的均方值应为噪声（电压或电流

6、）在单位电阻（即1电阻）上产生的平均功率。噪声的平均功率可以分解为各频率分量之和。即 S S(w)称为噪声的功率谱密度函数，它是数学频率域内的噪声在某频率分量内产生的平均功率，单位为瓦/赫兹,s(w)称为单边噪声功率谱密度函数，是物理频率域内，相对于角频率的功率谱密度函数，单位为瓦/（弧度/秒）。一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理设h(t)为一线性系统的冲击响应，h(t)的付里叶变换H(w)为该系统的频率响应函数。设输入端噪声均方值为 ，它的功率谱密度为 ，通过线性系统后其输出端噪声的功率谱密度为所以输出噪声均方值为 噪声通过线性系统之后强度会发生变化，可用下

7、述方法计算：一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理2.电子器件的噪声的分类一、噪声分析一、噪声分析 热噪声散粒噪声低频噪声噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理由于载流子的随机热运动引起的,热噪声在存在于所有的器件中。时域：可表示为幅度和时间都是随机分布的双向电流脉冲序列。频域：白噪声(fh 1012 Hz)若器件的电阻为R，其热噪声的电流功率谱密度为：其中k为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度 只与温度有关，与频率无关。其等效电路见右图 在 dw w 或 df 内热噪声电流对总的热噪声电流平均功率的贡献为A.热噪声热噪声一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波第二

8、章 能谱测量系统信号处理载流子产生及消失的随机性，导致流动的电流的涨落(即噪声)存在于少数载流子导电器件中（例如真空管，PN结反向电流等）时域：随机分布的电流脉冲序列（平均值为0）频域：白噪声(fh 109 Hz)设器件的平均电流为I I其中 e 为电子电荷量,只与平均电流关,与频率无关.在dw w 或 df 内平均功率为B.散粒噪声散粒噪声一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理与频率有关。它的成因主要决定于器件的表面特性 普遍存在于电子管，晶体管，场效应管，电阻中这类噪声的功率谱密度大体上与1/f 成比例，即 Af是与频率无关的参数。假定系统的上下限频率为fl

9、和fh，则 每十倍频范围噪声强度相等，在系统中可以通过抑制低频响应来抑制低频噪声。一般与系统的工艺水平很有关系，挑选器件可以减小这类噪声需要。如线绕电阻或薄膜电阻的低频噪声就比合成碳质量电阻的1/f 噪声小。C.低频噪声（1/f噪声)一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理并联噪声并联噪声（与探测器电流信号并联）：探测器漏电流噪声（半导体探测器）场效应管栅极电流噪声偏压电阻RD 热噪声泄放电阻Rf 热噪声串联噪声串联噪声（与探测器电流信号串联）：场效应管的沟道热噪声场效应管的低频噪声 3.3.探测器和电荷灵敏放大器探测器和电荷灵敏放大器输入电路输入电路的噪声分析的噪

10、声分析 一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理电荷灵敏放大器输入电路的噪声分析 一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波探测器漏电流噪声偏压电阻热噪声 场效应管栅极电流噪声 场效应管沟道热噪声 场效应管低频噪声反馈电阻Rf 热噪声第二章 能谱测量系统信号处理串联噪声源等效到并联噪声的等效关系一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理我们可以把串联噪声源等效到并联噪声，得到按噪声电流和频率关系可分为三部分，其中，电荷灵敏放大器输入电路的噪声分析 一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理电荷灵敏放大器输入电路的噪声

11、分析 一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波将噪声等效到输出端，第二章 能谱测量系统信号处理噪声功率谱密度：一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波降低噪声的方法：器件选择低频噪声小的器件；选择栅极漏电流小的场效应管热噪声与R成反比，RD和Rf 电阻值取大一些，或用其它方法放电，选用低介质损耗的电容；减少冷电容；选择合适的反馈电容环境探测器的反向漏电流在低温下可以降低降低温度，减少热噪声；滤波网络系统输出的信噪比定义为 为输出信号的幅度，为输出端噪声强度（即均方值）我们可以将输出端的噪声强度等效到输入端，得到输入端等效噪声电压A为系数的增益。因为无法直接测量输入端的噪声，只能将测量到的输出端

12、噪声，折算回去，以分析噪声对输入电压、电荷、能量的影响4.信噪比和等效噪声表示 一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理在能谱测量中经常把等效噪声电压合成等效噪声电荷。若系统的冲击响应为 ，其幅值为 ，探测器输出电流信号 ，则信噪比所以等效噪声电荷单位为库仑。若用电荷对数来表示折合到沉积在探测器等效噪声能量信噪比和等效噪声表示 一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理求得单能能谱曲线中FWHME 之后可以求得ENV假定谱线展宽主要由探测器本身固有分辨与噪声引起的则，等效噪声的测量一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统

13、信号处理噪声的测量 一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理噪声的测量 一、噪声分析一、噪声分析 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理1.标定测量分析仪器 多道幅度分析仪 已知能量的放射源（例如56Fe，有5.89KeV和6.59KeV二个X射线）通过探测器，此系统测量能谱用来标定多道分析器得到二条谱线，求得每道对应的能量值。2.移去放射源。由精密脉冲源输入固定幅度的信号，这时测得的幅度谱的半高宽就代表了噪声的线宽 最佳滤波 二、滤波二、滤波 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理电荷灵敏前置放大器输出信号的频谱与噪声的功率谱密度有一定差别，可以选择合适的

14、滤波系统最大程度地提高信噪比以达到最佳滤波。最佳滤波 二、滤波二、滤波 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理设在 时 达到峰值输出噪声均方值为 则有信噪比平方使 达到最大，则达到了最佳滤波的效果 最佳滤波 二、滤波二、滤波 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理最佳滤波 二、滤波二、滤波 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理当当滤波器的频率响应为输入信号的富氏变换的复共轭时滤波器的频率响应为输入信号的富氏变换的复共轭时，可以获，可以获得最佳的信噪比，这种滤波器称为得最佳的信噪比，这种滤波器称为匹配滤波器匹配滤波器最佳滤波 二、滤波二、滤波 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号

15、处理如果噪声不是白噪声，可以先用一个网络将噪声白化，再接匹配滤波器电荷灵敏放大器输出信号中噪声谱密度为：通常c很小，可以忽略令 ，称为噪声转角频率，为噪声转角时间这样，可以用高通滤波器实现白化最佳滤波 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理我们已知电荷灵敏放大器输出信号：经过CR 电路后此时要求的匹配滤波器为 此时的信噪比为：最佳滤波 二、滤波二、滤波 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理最佳滤波小结最佳滤波小结我们已知电荷灵敏放大器输出信号：经过CR 电路(白化滤波器）后此时要求的匹配滤波器为 因为k为任意常数输出波形为：最佳滤波 二、滤波二、滤波 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系

16、统信号处理二、滤波二、滤波 第二章 能谱测量系统信号处理Vo(t)这种输出信号称为无限尖顶脉冲显然为了得到这种形状的输出，要求：在 t0 时刻产生输入而在t1,越接近1，表明滤波性能越好。有限脉宽下的最佳滤波有限脉宽下的最佳滤波 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理在给定脉冲宽度 tw 约束下获得最佳信噪比时的滤波器，这种滤波器的输出信号为此时 的波形见图，在 ，此时 为无限尖顶脉冲。在 时，已经十分接近理想情况了。在tw 很小时可以近似看为三角脉冲三角脉冲。平顶（梯形梯形脉冲脉冲）可以减少弹道亏损。CR-RC滤波器滤波器 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理实际上最简单而且常用的滤波器为一级微分一级积分电路即CR-RC滤波器，其原理图为滤波器的一般实现方法及其性能滤波器的一般实现方法及其性能 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理输入电流 输出端则，在 时，达到峰值，其幅度输出端噪声均方值 噪声分析和滤波第二章 能谱测量系统信号处理CR-RC滤波器 二、滤波二、滤波 当 时，达到极小值最佳信噪比对于CR-RC滤波器，选择最佳时间常数 时的劣值系数为噪声分析和滤波第二章