Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

Нелинейные методы выделения и отбора детекторных сигналов 121

в качестве характеристики сигнала обычно используют ся полярность, амплитуда, длительность, форма сигнала

ит. п. В таком случае ограничение является функцией од ноименного электронного устройства — ограничителя, определяющего и фиксирующего то или иное превыше ние заданной величины параметра.

Среди разнообразия этих устройств можно выделить структуры, осуществляющие ограничение сигналов по амплитуде. В их составе используются различные, с явно нелинейной вольт амперной характеристикой (ВАХ), по лупроводниковые изделия электронной техники: диоды, стабилитроны, транзисторы и т. д. Они являются состав ной частью различных схемотехнических решений, кото рые находят применение при нелинейных формах обра ботки всего многообразия сигналов, включая сигналы де текторов ионизирующего излучения.

Взависимости от реализуемой функции различают ограничители по максимуму, т. е. ограничение «сверху»,

ипо минимуму — «снизу», а также двухсторонние огра ничители. Самостоятельное применение ограничителей в виде отдельных законченных устройств — крайне редко. Однако их схемы широко используются в составе разно образных импульсных устройств, где они выполняют ряд достаточно важных функций.

Ограничители решают задачи «урезания» амплитуды сигналов, что исключает поступление и воздействие на последующие схемы сигналов экстремальных значений, т. е. большой амплитуды. Они применяются для измене ния формы сигналов. С их помощью, например, биполяр ный сигнал превращается в нужный по форме однополяр ный импульс. Ограничители используются для пониже ния степени насыщения биполярного транзистора при его работе в ключевом режиме. Это повышает быстродействие работы ключевых транзисторных схем. Ограничители та кого вида применяются для защиты электронных схем и устройств от неправильного подключения к ним источни ков питания и т. д.

Наибольшее распространение среди этих устройств получили различные весьма простые, не требующие в ряде

случаев дополнительных элементов и сигналов управления, схемы диодных ограничителей. Место включения диода в схеме относительно нагрузки определяет вид ограничите ля. Если диод включен последовательно с нагрузкой, то это ограничитель последовательного типа. При включе нии диода параллельно нагрузке образуется ограничитель параллельного типа.

Воснову функционирования всех устройств такого на значения положены хорошо известные вентильные свой ства диода. Это возможность диода находиться в двух со стояниях: либо в проводящем, т. е. открытом состоянии, либо в закрытом, т. е. непроводящем состоянии. Первое из состояний (проводящее) составляет основу для работы ограничителей последовательного типа. Закрытое состоя ние диода создает условия для работы ограничителей па раллельного типа.

Взависимости от используемого параметра ограничи тель может быть схемой ограничения по току или напря жению. Последний из них имеет исключительно широкое применение. Полной его противоположностью является ограничитель по току, который в устройствах импульс ной техники используется значительно реже. В то же вре мя ярким примером широкого применения самого просто го токового ограничителя в электронной технике может служить обычный предохранитель, который использует ся практически в каждом приборе.

Если не использовать дополнительный источник на пряжения, то ограничение можно осуществлять лишь по нулевому потенциалу или уровню. Введение источника питания в схему ограничителя создает условия для вы полнения им функции при другом уже ненулевом уровне. При этом уровень ограничения может быть как положи тельным, так и отрицательным. Кроме того, такое зна чение потенциала, как уровень ограничения, является важной характеристикой устройства. К стабильности, а также возможности регулировки данного уровня, как по казывает практика применения устройств ограничения,

вряде случаев предъявляют достаточно высокие требо вания.

Нелинейные методы выделения и отбора детекторных сигналов 123

6.6.

ТЕХНИКА ОГРАНИЧЕНИЯ СИГНАЛОВ

ИЕЕ ОСНОВНЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ

Вкачестве элементной базы ограничителей, как уже было отмечено, можно использовать все разнообразие по лупроводниковой техники. Однако каждый из ее элемен тов в этом случае должен удовлетворять определенному условию. Всем им следует сохранять свою работоспособ ность при функционировании в той или иной форме клю чевого режима работы, а значит, быть при определенных ситуациях или в проводящем, или в непроводящем со стоянии.

Наименее сложными среди разнообразия схемотехни ческих решений устройств ограничения являются диод ные ограничители. Эти устройства, практически не меняя временные соотношения между сигналами, могут изме нять их параметры. Это относится прежде всего к форме сигналов и их амплитудам. Важно заметить, что коэффи циент передачи k диодного ограничителя как пассивного четырехполюсника всегда будет меньше единицы, т. е. k < 1.

Известно, что прямое сопротивление диода не превы шает несколько десятков ом. При этом диод находится в проводящем состоянии. Однако если диод не проводит, то его обратное сопротивление доходит уже до нескольких сотен килоом. Это позволяет интерпретировать диод и представлять его в виде модели ключа. Его замкнутое со стояние будет связано с одной из версий режима работы диода. Она соответствует прямому варианту его включения.

Обратное включение диода будет уже адекватно ра зомкнутому состоянию ключа. Все эти предположения становятся удобными и просто необходимыми при ана лизе работы диодов в роли устройств ограничения. Рас смотрим ряд схемотехнических решений, где диоды вы полняют функцию ограничителя по уровню. Довольно простой структурой является ограничитель последова тельного типа.

Его схема и временные соотношения, поясняющие функционирование устройства ограничения, представлены

Рис. 28

Диодный ограничитель последовательного типа и временные диаграммы его работы:

–Eсм — источник смещения; Rн — сопротивление нагрузки; Rогр — токоограничи вающее сопротивление; VD — диод.

на рисунке 28. Диод VD включен последовательно с на грузкой Rн. Через токоограничивающее сопротивление Rогр анод диода соединяется с отрицательным источником постоянного смещения –Есм, который задает уровень ог раничения. Изменяя его величину, можно регулировать уровень ограничения.

Схема такого ограничителя пропускает на выход вход ной сигнал или его часть, если диод VD находится в про водящем состоянии. Этот факт отражается на входных и выходных временных диаграммах. Диод VD передает часть отрицательного сигнала на выход, когда его ампли туда будет ниже уровня ограничения Есм. При этом диод находится в проводящем состоянии. Если исключить источ ник постоянного смещения –Есм и сопротивление Rогр, то полученная схема будет пропускать на свой выход отри цательную составляющую входного сигнала, но с нулевым уровнем смещения.

В случае, когда в представленной схеме (рис. 28) еди новременно поменять полярность включения диода VD, а также источника смещения Есм, то возникшая при этом схема ограничителя выделит на своем выходе часть сиг нала, амплитуда которого превышает Есм. При изъятии источника смещения Есм и сопротивления Rогр получает ся схема ограничителя, который будет передавать на вы ход положительную составляющую сигнала с нулевым уровнем смещения.

налы, амплитуда которых ниже уровня ограничения, зада ваемого источником смещения Есм. При устранении источ ника смещения Есм и подключении катода диода VD к зем ляной шине на выходе схемы ограничения будут выде ляться сигналы только лишь отрицательной полярности.

Представленная и рассмотренная выше совокупность устройств ограничения относится к категории односторон них ограничителей. Однако на практике широко применя ются двухсторонние ограничители. Рассмотрим их функ ционирование на примере двухстороннего ограничителя параллельного типа, схема которого приведена на рисун ке 30. Масштаб их применения существенно шире, чем у двухсторонних ограничителей последовательного типа.

Два диода VD1 и VD2 и два источника Е1см и –Е2см поло жительной и отрицательной полярности вместе с ограни

чивающим резистором Rогр образуют схему двухсторонне го ограничителя. Диод VD1 и источник Е1см служат для ограничения сигналов по максимуму. Диод VD1 перехо дит в проводящее состояние, если амплитуда входных сиг налов превышает уровень Е1см и схема ограничивает вы ходные сигналы на этом уровне. В свою очередь, диод VD2 и источник –Е2см создают условия для ограничения сиг налов по минимуму.

Таким образом, на выходе такой схемы ограничителя выделяются сигналы, амплитуда которых будет заключе на между уровнями Е1см и –Е2см. Необходимо принять во

Рис. 30

Диодный двухсторонний ограничитель параллельного типа и временные диаграммы его работы:

E1см, –E2см — источники смещения; Rн — сопротивление нагрузки; Rогр — токоог раничивающее сопротивление; VD1, VD2 — диоды.

Нелинейные методы выделения и отбора детекторных сигналов 127

внимание и тот факт, что ограничители данного типа ис пользуются на входе практически всех устройств дискри минации. Они защищают их входные каскады от воздей ствия сигналов экстремальных параметров, т. е. сигналов большой амплитуды.

6.7. СЕЛЕКЦИЯ — ФОРМА

НЕЛИНЕЙНОЙ ОБРАБОТКИ И ВЫДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ

При выделении и обработке детекторных сигналов с помощью нелинейных методов необходимо принимать во внимание и учитывать методы их селекции. Селекция сиг налов, как показывает практика ее применения, — это процедура выделения их по определенному критерию, т. е. заданному параметру. В качестве такого признака можно использовать достаточно большой перечень характери стик и показателей.

При реализации таких функций используется поляр ность сигналов, их амплитуда, длительность, а также фор ма сигнала, включая одновременность или заданную по следовательность их поступления и т. д. Вариант выбора той или иной категории отбора, т. е. селекции сигналов, определяется методикой измерений или целями и задача ми экспериментальных исследований. Использованный для отбора критерий определяет вид селекции.

Если для выбора используется полярность сигнала, то это селекция полярности, т. е. выделение либо положи тельных, либо отрицательных сигналов. Данную селек цию можно осуществлять с помощью всего разнообразия структур диодных ограничителей разных типов. При ам плитудном отборе, а это уже амплитудная селекция, при меняются различные методы ограничения и дискримина ции сигналов.

В свою очередь, сортировка и отбор событий во време ни или пространстве выполняются с помощью временной селекции. Для решения таких задач используется весь арсенал логических элементов совместно с устройствами

формирования сигналов установленной или заданной дли тельности. Они служат исходной базой для внушительно го разнообразия схем временного отбора сигналов, их се лекции и синхронизации.

Масштабная роль в составе таких структур принадле жит различным методам и модификациям схем совпаде ний и антисовпадений. Они широко используются в изме рениях как микросекундного, так и наносекундного диа пазона. Эти устройства находят применение в решении многих вопросов временной селекции сигналов и их отбо ра в разных направлениях электронных методов ядерной физики. Данная техника успешно решает такие же про блемы во всем многообразии экспериментальных иссле дований в различных областях науки и техники.

Селекцию можно считать обобщенной формой нели нейных методов обработки и выделения сигналов. С ее помощью получают информацию в форме сигнала с фик сированными амплитудой и длительностью при выполне нии заданного условия. Если в качестве критерия исполь зуется лишь один из параметров, то это обычная селек ция, которая имеет, как правило, название выбранного параметра. Некоторые моменты такой ситуации уже были представлены и рассмотрены.

Однако, как показывает практика организации экспе риментальных исследований, нередко возникают ситуа ции, когда необходимо принимать в расчет несколько по казателей, т. е. комбинацию параметров. Если при селек ции используется несколько, по крайней мере не меньше двух, показателей, т. е. критериев отбора, то такой вари ант получил особое наименование и стал называться ко довой селекцией.

Селекция этого вида применяется в средствах элект ронной техники для многодетекторных измерений. Такой вариант измерений при временном анализе позволяет с помощью одного измерителя интервалов времени раздель но регистрировать спектры с нескольких детекторов. Сле дует отметить использование методов кодовой селекции для мультифакторного анализа в ядерно физических ис следованиях.

Нелинейные методы выделения и отбора детекторных сигналов 129

Примером таких измерений может служить мульти скайлерный анализ. Это измерение спада интенсивности излучения во времени. При таком анализе в каждом ка нале системы регистрации фиксируется поступившее за установленное время число импульсов. Затем переходят к следующему каналу и вновь реализуют ту же процедуру регистрации. Таким образом, получают спектр изменения интенсивности излучения во времени.

В более сложных вариантах этого вида анализа в каж дом канале системы сбора данных регистрируют не счет ную информацию, а амплитудные спектры. При этом, по мимо изменения интенсивности, располагают параметра ми и характером изменения энергетических составляющих спектра. В такой ситуации повышается качество измери тельной информации и существенно возрастает ценность экспериментальных данных.

Применение кодовой селекции необходимо для друго го варианта мультифакторного анализа с привлечением нескольких детекторов при одновременном осуществле нии временного и амплитудного анализа. В измерениях такого вида регистрация амплитудных и временных спек тров от каждого детектора осуществляется в отдельных группах памяти системы накопления и обработки данных. Кроме того, различные варианты кодовой селекции ши роко используются в средствах вычислительной техники, радиолокации, телеизмерениях, в теле и радиовещании и т. д., включая средства промышленной электроники.

6.8.

РЕАЛИЗАЦИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ МЕТОДОВ В СТРУКТУРАХ

ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Как показывает практика применения и использова ния электронной техники для обработки сигналов, вся раз новидность схем работает главным образом в двух основ ных режимах. Эти режимы определяются характером функционирования в составе устройств активных элемен тов: транзисторов, аналоговых и цифровых интегральных

схем и т. п. Это, как правило, линейный или ключевой ре жимы их работы, т. е. активных элементов.

Не секрет, что при нелинейных методах обработки и выделения сигналов используется в основном ключевой режим их работы. В таком режиме работы любой актив ный элемент может находиться в двух состояниях: прово дящем или в непроводящем, т. е. в закрытом, состоянии. Оба состояния можно и удобно интерпретировать моделью ключа, находящегося в замкнутом или в разомкнутом по ложении.

Данный аспект является основой для анализа схем, работающих в этом режиме. Такая модель определяет функционирование преобладающей части импульсных устройств. Их структуры служат составными частями для схемотехнических реализаций всего разнообразия нели нейных методов обработки и выделения детекторных сиг налов. Ранее было уже отмечено, что коэффициент пере дачи k любого диодного ключа всегда меньше единицы, т. е. k < 1.

Кроме того, в диодных ключах управляющая и рабо чая цепи между собой совмещены и разделить их просто невозможно. Такая ситуация иногда считается негатив ным моментом и относится к варианту деструктивного фактора. Как показывает практика использования таких схемотехнических решений, существуют различные си туации, когда разделение этих цепей буквально необхо димо.

Таких недостатков лишены все ключевые структуры на основе транзисторов любых видов и типов. В ключах на базе таких элементов цепь управления и рабочая цепь, т. е. цепь коммутации, разделены. Если ключевая схема, например, организована на биполярном транзисторе, ко торый включен по схеме с общим эмиттером, то управляю щая цепь является его базовой цепью. При этом управляе мая цепь или цепь коммутации проходит через эмиттер и коллектор транзистора.

Состояние этой цепи будут определять два режима его работы. Транзистор может находиться либо в режиме на сыщения, либо в режиме отсечки. В первом состоянии