Импульс на выходе трапецеидального цифрового фильтра в отсутствие наложений сигналов в детекторе

Лабораторная работа 2.3.Д - 1

Оптимизация режима спектрометра DISPEC jr 2.0

Преобразования сигналов в цифровом спектрометре

При взаимодействии гамма кванта с атомами ППД детектора, в нём образуются носители заряда. В предварительном усилителе собранный заряд носителей преобразуется в сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии гамма кванта. Далее аналоговый сигнал формируется дифференцирующими и интегрирующими цепями. Последовательность преобразования сигналов в цифровом спектрометре DISPEC jr 2.0 изображена на рис. 1.

Рис. 1. Последовательные преобразования сигналов в цифровом спектрометре.

При прохождении сигнала через дифференцирующую цепь на его хвосте появляется характерный выброс, полярность которого противоположна полярности сигнала (см. рис. 2). Выброс обусловлен зарядом ёмкости дифференцирующей цепи С_д при прохождении сигнала.

Рис. 2. Форма сигнала на выходе дифференцирующей цепи в отсутствие и

при наличии оптимальной цепи “компенсации полюса нулём”.

Наличие отрицательного выброса на хвосте сигнала ухудшает разрешающую способность спектрометра. Например, если следующий сигнал попадёт на хвост предыдущего, то измеренная его амплитуда будет меньше истинной. Исключают отмеченный эффект подбором сопротивления R_к, которое разряжает ёмкость С_д. Процедуру подбора сопротивления R_к называют “компенсацией полюса нулём”.

Прохождение сигналов через интегрирующую цепь сопровождается зарядом ёмкости С_и и смещением базовой линии, от которой отсчитывается амплитуда измеряемого сигнала. Величина смещения зависит от интенсивности потока измеряемых сигналов. Этот эффект исключают подбором параметров цифрового трапецеидального фильтра (см. раздел Цифровой трапецеидальный фильтр).

В быстродействующем аналого цифровом преобразователе сигнал преобразуется в цифровую форму. Частота преобразования 10…50 МГц. Цифровые коды записываются в промежуточную память и затем подвергаются процедуре обработке, называемой цифровым трапецеидальным фильтром.

На выходе цифрового трапецеидального фильтра восстанавливается нулевая базовая линия, сигнал приобретает форму трапеции с плоской вершиной. Амплитуда плоской вершины трапеции пропорциональна амплитуде сигнала на выходе предварительного усилителя. Сигналы анализируются на наличие наложений. Сигналы с наложением отвергаются, а занимаемый ими временной интервал добавляется к мёртвому времени. Амплитуды сигналов без наложений записывают в память анализатора в виде аппаратного спектра.

Трапецеидальный цифровой фильтр

Сигнал с выхода предварительного усилителя спектрометра DISPEC jr 2.0 подаётся на быстродействующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Полученные на выходе АЦП коды С _i (см. рис. 3), характеризующие амплитуду сигнала в i-тый момент времени, записывают в память компьютера и затем обрабатывают в соответствии с алгоритмом, называемым “трапецеидальный цифровой фильтр”. Процесс ”фильтрации“ заключается в свёртке кодов сигнала С _i с весовой функцией W_j (см. рис. 4) по формуле

(1)

для каждого положения средней линии l весовой функции на временной шкале.

На рис. 3 штриховой линией изображена зависимость кодов С _i от i – момента преобразования амплитуды в код. Буквой А отмечен момент начала импульса, буквой В - момент завершения собирания заряда самой медленной компоненты. Условно будем считать, что каждый штрих в пунктирной линии соответствует одному коду.

Рис. 3. Коды амплитуды сигнала на выходе предварительного усилителя.

На рис. 4. изображена “весовая функция” W_j, используемая для цифровой фильтрации массива кодов. Функция отлична от нуля на интервалах KL и MN, где она равна 1.

Интервалы KL и MN выбираются одинаковыми и достаточными, чтобы сгладить высокочастотные флюктуации сигнала на выходе предварительного усилителя. Интервалы KL и MN есть ни что иное, как времена нарастания (Rise Time – RT) и спада импульса на выходе трапецеидального цифрового фильтра (см. рис 5). В спектрометре DISPEC jr 2.0 интервалы KL=MN=RT могут изменяться в диапазоне 0,8…25,6 мкс с шагом 0,8 мкс.

Интервал LM - ширина плоской вершины (Width Flat Top -WFT) импульса на выходе трапецеидального цифрового фильтра (см. рис 5). WFT принимают равным (или большим) максимального времени собирания зарядов в детекторе (интервал АВ на рис. 3). В спектрометре DISPEC jr 2.0 LM может изменяться в диапазоне 0,8…2,4 мкс с шагом 0,4 мкс.

Рис. 4. Весовая функция цифрового фильтра.

На рис. 3 показаны (заштрихованы) суммы S1 и S2 из формулы (1) . Отметим следующие, очевидные, особенности свёртки S_l = S2 - S1:

- если средняя линия l весовой функции расположена между точками А и В, то S_l пропорциональна амплитуде сигнала;

- если точка N весовой функции расположена левее точки А зависимости С _i= const или точка K весовой функции расположена правее точки В зависимости С _i= const, то S_l = 0.

На рис.5 изображена зависимость S_l от положения середины весовой функции (вертикальной пунктирной линии на рис. 4) на оси времени. Форма S_l – трапецеидальная. По этой причине цифровой фильтр, реализующий рассмотренный алгоритм, называют “трапецеидальным цифровым фильтром”. Длительность спада и нарастания равны RT. Длительность плоской вершины равна WFT

Постоянную составляющую на выходе трапецеидального фильтра называют “базовой линией трапецеидального цифрового фильтра”. В рассмотренных условиях базовая линия - нулевая и амплитуда сигнала на выходе фильтра пропорциональна амплитуде измеряемого сигнала. Такая форма сигнала на выходе цифрового фильтра удобна для дальнейшей цифровой обработки результатов измерений.

Импульс на выходе трапецеидального цифрового фильтра в отсутствие наложений сигналов в детекторе

Если на интервалах KL и MN С_l = const, то вершина сигнала на выходе цифрового фильтра - плоская, а её амплитуда пропорциональна амплитуде выходного сигнала предварительного усилителя (разности потенциалов до импульса и после него). Базовая линия – нулевая. Это - идеальные условия измерений амплитуды сигнала на выходе предварительного усилителя.

Рис. 5. Форма сигнала (свертки) на выходе трапецеидального цифрового фильтра.

Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 936; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!