Усилитель-экспандер (пороговый усилитель) служит для того, чтобы растянуть интервал амплитуд амплитудного спектра на весь динамический диапазон с целью максимально использовать разрешающую способность АЦП (рис. 5.22).
С помощью регулируемого порога задается нижняя граница интересующего диапазона, а импульсы, амплитуда которых превышает порог, усиливаются. Импульсы, амплитуды которых попадают в окно экспандера, на выходе занимают весь динамический диапазон 0…10 В. Обычно амплитуды выше 10 В обрезаются быстродействующими ограничителями, чтобы исключить перегрузку последующих каскадов.
В экспандере на рис. 5.22 из амплитуды каждого импульса вычитается постоянное напряжение Uпор инвертирующим аналоговым сумматором (А1), разностное напряжение импульсов усиливается усилителем с регулируемым коэффициентом усиления на быстродействующем ОУ (А2).
Для преобразования аналоговых сигналов в логические используют амплитудные дискриминаторы, рассмотренные ранее. Однако здесь главным критерием является не точность и стабильность порога, а точность временной привязки выходного импульса по отношению к вызвавшему его событию и независимость от амплитуды и времени нарастания аналогового сигнала. Поэтому для времязадающих дискриминаторов используются другие критерии оценки.
Важнейшим параметром является временной разброс (рис. 5.23). Этот разброс характеризуется статистическим распределением положения выходного сигнала относительного истинного. Разброс по времени происходит тогда, когда входной сигнал обладает конечной длительностью переднего фронта и имеет место амплитудный шум (разброс по амплитуде). Аналогичный эффект возникает когда амплитудный шум воздействует на порог компаратора. При временных измерениях желательно определить истинный момент события, а для импульсов с конечным временем нарастания зафиксировать их начало. Порог срабатывания должен быть так низко, как только возможно. В результате временные дискриминаторы работают всегда в области малых напряжений, где заметно влияние шумов.
Кроме того, на точность временной привязки влияет зависимость момента срабатывания от входной амплитуды и скорости нарастания (рис. 5.24). Когда входной сигнал имеет конечное время нарастания, а порог амплитудного дискриминатора фиксирован, компаратор срабатывает тем позже, чем выше установлен порог. Этот эффект крайне нежелателен, поэтому разработан целый ряд устройств для снижения влияния фронта нарастания на положение времязадающего сигнала.
Такой дискриминатор еще называют дискриминатором с привязкой к переднему фронту. Он срабатывает, когда входной сигнал, нарастая, достигает определенного порога. Его принципиальным недостатком является зависимость времени привязки от превышения над порогом и времени нарастания импульса. Удовлетворительный результат может быть достигнут, если входной сигнал имеет постоянную амплитуду, а длительность фронта очень мала или когда имеется возможность работать с большими превышениями над порогом. Эти условия реализуются при работе с быстродействующими фотоумножителями и органическими сцинтилляторами. Для получения чисто временного сигнала ФЭУ работают в режиме насыщения.
Как и при амплитудных измерениях, выходной сигнал компаратора обычно запускает одновибратор, формирующий выходной импульс фиксированной длительности. На время существования этого импульса дискриминатор не восприимчив к входным сигналам (мертвое время). Бывают дискриминаторы с продлением выходного сигнала. Они удлиняют свой выходной сигнал на заданное время всякий раз, когда приходит входной запускающий импульс.
Нуль-детекторами называют схемы, срабатывающие при пересечении входным сигналом нуля. Выходной сигнал основного усилителя после двойного дифференцирования либо формирования на линиях задержки имеет биполярную форму, причем положение на временной оси точки перехода через нуль (смена полярности) не зависит от амплитуды. При постоянном времени нарастания, что типично для многих сцинтилляторов, можно с помощью нуль-детектора сформировать из дважды дифференцированного сигнала времязадающий импульс, положение которого не зависит от амплитуды.
Детектор нуля (рис. 5.25) имеет на входе высокочувствительный усилитель с симметричным ограничением. Сигнал на выходе такого усилителя-ограничителя имеет прямоугольную форму с очень крутыми фронтами. Далее этот сигнал дифференцируется и фронтом отрицательного импульса запускается одновибратор.
Зависимость момента срабатывания обычных дискриминаторов с фиксированным порогом от амплитуды и времени нарастания входного сигнала можно уменьшить, если установить порог достаточно низко. Однако при этом увеличивается опасность ложного срабатывания от шумового сигнала. От этого можно избавиться с помощью двухпорогового дискриминатора (рис. 5.26)
Импульс дискриминатора с низким порогом должен быть задержан на время tз, равное длительности фронта входного сигнала uвх, с тем, чтобы можно было подать его на схему «И» совместно с импульсом дискриминатора с высоким порогом. Поправка на время задержки учитывается.
Амплитудная зависимость времени срабатывания дискриминатора с фиксированным порогом подавляется, если дискриминатор заставить срабатывать не при определенном пороге, а при достижении входным сигналом заданной доли (например, 0,2) от его амплитуды. Метод порога, пропорционального амплитуде, позволяет работать в большом диапазоне (от1:100 до 1:200) и достичь временного разрешения 50…100 пс.
Для реализации этого принципа временной привязки быстрый входной аналоговый сигнал разветвляется на два направления (рис. 5.27). В одной ветви сигнал ослабляется в число раз, равное отношению амплитуды к порогу. В другой ветви он инвертируется и задерживается. Далее эти сигналы поступают на аналоговый сумматор, на выходе которого вырабатывается двухполярный импульс с переходом через ноль в момент достижения входным сигналом заданной доли напряжения амплитуды. Момент смены полярности этого сигнала фиксируется нуль-детектором Dо. Такой метод временной привязки в настоящее время широко применяется.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.