Гаврилов Основы ядерной електроники ч.1 2010

Оптимизация производительности ЦСП направлена на удовлетворение пяти требований:

1)быстрое выполнение арифметических операций;

2)повышенная точность представления операндов;

3)возможность одновременной выборки двух операндов;

4)поддержка циклических буферов;

5)организация циклов с автоматической проверкой условия завершения цикла.

Это делается в рамках гарвардской или гарвардской модифицированной микропроцессорной архитектуры.

Итак, сочетание быстрого параллельного АЦП и высокопроизводительного ЦСП позволяют реализовать цифровой спектрометрический тракт. На рис. 3.33 приведена структурная схема цифрового гамма-спектрометра модели DSPEC фирмы ORTEC. Как видно из рисунка, спектрометр не является полностью цифровым. Между детектором и АЦП остается аналоговая электроника: предусилитель и укорачивающая цепь с нуль-полюсной компенсацией. Являясь головными, эти устройства продолжают оказывать важное влияние на характеристики системы в целом. Микропроцессор осуществляет сначала грубую установку коэффициента усиления и автоматическую настройку нуль-полюсной компенсации. Затем сигнал оцифровывается. Поскольку это происходит на более раннем этапе, чем в аналоговых системах, то минимизируются дрейф и нестабильность измерительного тракта. Над полученной цифровой

копией сигнала далее аппаратным образом производятся цифровые преобразования, функционально подобные тем, что имеют место в аналоговом тракте: фильтрация, восстановление базовой линии, стабилизация спектрометра, определение максимума сигнала с последующим гистограммированием амплитуд.

Цифровая фильтрация позволяет получить результаты, недостижимые в аналоговом варианте, например, реализовать фильтр с импульсным

161

откликом (весовой функцией), как на рис. 3.34. Наличие плоской вершины удобно для компенсации баллистической ошибки, что может быть существенным при работе с полупроводниковыми детекторами большого объема и сцинтилляционными детекторами.

В случаях, когда баллистический дефицит несущественен, вершина может быть сделана точечной, что соответствует импульсному отклику эталонного фильтра (см. табл. 2.2) с максимальным отношением «сигнал–шум». Иногда используются цифровые фильтры с

Оба спектрометра оптимизировались для достижения максималь-

162

ной скорости регистрации. В аналоговом тракте был использован формирующий усилитель с переключаемыми параметрами (со стробируемым интегратором) с постоянной формирования 0,25 мкс, а также быстродействующий АЦП с постоянным временем преобразования 0,8 мкс и разрешением 8192 каналов. В цифровом тракте использовался трапецеидальный фильтр, у которого время нарастания и спада весовой функции составляло по 0,72 мкс, а плоская вершина – 0,68 мкс. Обе системы работали с небольшим детектором из особо чистого германия (HPGe) N-типа. Рис. 3.35,а показывает убедительное преимущество цифрового спектрометра в пропускной способности (максимальной скорости регистрации). При этом энергетическое разрешение цифрового спектрометра вполне сопоставимо с разрешением аналогового спектрометра

(рис. 3.35,б).

Детальное сравнение аналогового тракта с квазигауссовым формированием, аналогового тракта со стробируемым интегратором и цифрового тракта показало, что применение цифровых сигнальных процессоров дает следующие преимущества:

1)существенное повышение пропускной способности спектрометрического тракта, что уменьшает общую продолжительность обработки (выигрыш по сравнению с самыми лучшими характеристиками аналоговых систем составляет более 45%);

2)программно управляемая адаптация спектрометрического тракта к условиям эксперимента и типу детектора;

3)значительно меньший сдвиг спектральных линий при повышении входной загрузки, особенно при больших скоростях счета входных импульсов;

4)повышение стабильности спектрометрического тракта;

5)уменьшение чувствительности к баллистическому дефициту;

6)возможность коррекции потерь счета из-за мертвого времени

вреальном времени.

Список рекомендуемой литературы

1.Агаханян Т.М., Гаврилов Л.Е., Мищенко Б.Г. Основы наносекундной им-

пульсной техники. М.: Атомиздат, 1976.

2.Андре Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1965.

163

3.Басиладзе С.Г. Быстродействующая ядерная электроника. М.: Энергоиз-

дат, 1982.

4.Гаврилов Л.Е. Проектирование модулей КАМАК для задач экспериментальной физики. М.: МИФИ, 1986.

5.Глушковский М.Е. Быстродействующие амплитудные анализаторы в современной ядерной физике и технике. М.: Энергоатомиздат, 1986.

6.Григорьев В.А., Колюбин А.А., Логинов В.А. Электронные методы ядерно-

физического эксперимента. М.: Энергоатомиздат, 1988.

7.Крашенинников И.С., Курочкин С.С., и др. Современная ядерная электро-

ника. Т.1. Измерительные системы и устройства. М.: Атомиздат, 1974.

8.Курочкин С.С., Мурин И.Д. Современная ядерная электроника. Т.2. Цифровые информационные системы и устройства. М.: Атомиздат, 1975.

9.Макс Ж., Карре Ж.-К., Пельтье Ф. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Т.1. Основные принципы и классические методы.

М.: Мир, 1983.

10.Макс Ж., Мартен М. и др. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Т.2. Техника обработки сигналов. Применения. Новые методы. М.: Мир, 1983.

11.Маталин Л.А., Чубаров С.И. и др. Электронные методы ядерной физики. М.: Атомиздат, 1973.

12.Мелешко Е.А. Наносекундная электроника в экспериментальной физике. М.: Энергоатомиздат, 1987.

13.Мелешко Е.А. Быстродействующая импульсная электроника. М.: Физматлит, 2007.

14.Угрюмов Е. Цифровая схемотехника. СПб.: БХВ-Санкт-Петербург, 2000.

15.Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. 7-е изд. М.: Мир, БИНОМ,

2009.

16.Цитович А.П. Ядерная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1984.

17.Шмидт Х. Измерительная электроника в ядерной физике. М.: Мир, 1989.

18.http://aspect.dubna.ru

19.http://www.ortec-online.com

20.http://www.canberra.com

21.http://www.amptek.com

22.http://www.fastcomtec.com

23.http://www.silabs.com

24.http://www.analog.com

25.http://www.maxim-ic.com

164