核電子學(xué)與核儀器課件3

核電子學(xué)與核儀器覃國秀qinguoxiu198201@163.comTel技術(shù)教研室2009/04/16上次課關(guān)鍵點(diǎn)探測器等效電路核電子學(xué)的噪聲噪聲的衡量：等效噪聲電壓（ENV）等效噪聲電荷（ENC）等效噪聲能量（ENE）核電子學(xué)中的主要噪聲有三類：

散粒噪聲

熱噪聲

低頻噪聲引入信號的時域分解引入為了求線性系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)，常用的方法是將激勵信號分解為沖激函數(shù)的組合，根據(jù)跌加原理，將沖激函數(shù)的響應(yīng)取和即可得到原激勵信號引起的響應(yīng)。引入卷積的概念對于實(shí)際存在的線性系統(tǒng)，當(dāng)信號在t=0時輸入RC電路由科?；舴蚨傻贸龅碾娐贩匠虃鬏斚禂?shù)（1）RC電路積分電路當(dāng)輸入的是階躍電壓時當(dāng)由電容端輸出，且RC》t時，可以忽略式（1）的第二項(xiàng)，此時電容上的電壓為：RC電路微分電路當(dāng)從電阻兩端輸出，且RC很小時，（1）式中的第一項(xiàng)可忽略，此時電阻兩端的輸出電壓為：輸入階躍電壓對RC電路充電，經(jīng)過無限長時間，電容C上已經(jīng)充上了電壓。某一時刻輸入端短路，結(jié)果將會怎樣？RC電路對指數(shù)上升電壓的響應(yīng)當(dāng)RC網(wǎng)絡(luò)輸入的是矩形脈沖時，同一RC網(wǎng)絡(luò)對不同寬度的脈沖，其影響不同。輸入：輸出：本堂課主要內(nèi)容：三、核電子學(xué)中的信號與噪聲分析基礎(chǔ)

3.1時域和頻域分析

3.2核電子學(xué)中常見的基本電路分析

3.3隨機(jī)信號通過線性網(wǎng)絡(luò)四、核電子學(xué)測量系統(tǒng)概述

4.1系統(tǒng)的基本組成

4.2核電子學(xué)常用的信號處理系統(tǒng)

4.3核電子學(xué)信號處理單元插件標(biāo)準(zhǔn)化三、核電子學(xué)學(xué)中的信號與與噪聲分析基基礎(chǔ)3.1時域和頻域分分析核輻射探測器器的輸出信號號要經(jīng)過電子子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行行處理，才能能得到所需要要的信息，給給出相應(yīng)的結(jié)結(jié)果。包含一定數(shù)量量的電子元器器件，按照某某種方式連接接起來的集合合體，稱之為為電路（網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)）。線性網(wǎng)絡(luò)（由線性元件組成；線性微微分方程描述述）非線性網(wǎng)絡(luò)（（由非線性元件組成；數(shù)學(xué)分分析方法處理理）三、核電子學(xué)學(xué)中的信號與與噪聲分析基基礎(chǔ)3.1時域和頻域分分析在時域中，一一個單位沖激激信號δ(t)加到一個線性性網(wǎng)絡(luò)上，所所得到的輸出出信號為h(t)，稱為該網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的沖激響應(yīng)。在頻域中，通通常采用傅里里葉變換將信信號的時域分分析轉(zhuǎn)換為頻頻域分析，而而H(ω)表示網(wǎng)絡(luò)對不不同頻率分量量的響應(yīng)特性性，稱為頻率響應(yīng)。時域頻域三、核電子學(xué)學(xué)中的信號與與噪聲分析基基礎(chǔ)3.1時域和頻域分分析從復(fù)頻域考慮慮，也可以采采用拉普拉斯斯變換H(s)為線性網(wǎng)絡(luò)的的傳輸函數(shù)，，一般相同的的傳輸函數(shù)可可由不同的網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。。三、核電子學(xué)學(xué)中的信號與與噪聲分析基基礎(chǔ)3.1時域和頻域分分析對于多級串聯(lián)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，其總總的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)應(yīng)為：富氏變換與拉拉氏變換過程程：三、核電子學(xué)學(xué)中的信號與與噪聲分析基基礎(chǔ)3.1時域和頻域分分析常用脈沖信號號的富氏變換換和拉氏變換換：單位階躍脈沖沖激脈沖11單位矩形脈沖指數(shù)衰減脈沖三、核電子學(xué)學(xué)中的信號與與噪聲分析基基礎(chǔ)3.2核電子學(xué)中常常見的基本電電路分析探測器的輸出出電路探測器輸出電電路等效電路路：時域三、核電子學(xué)學(xué)中的信號與與噪聲分析基基礎(chǔ)3.2核電子學(xué)中常常見的基本電電路分析探測器的輸出出電路探測器輸出電電路等效電路路：頻域三、核電子學(xué)學(xué)中的信號與與噪聲分析基基礎(chǔ)3.2核電子學(xué)中常常見的基本電電路分析RC積分電路δ(t)h(t)三、核電子學(xué)學(xué)中的信號與與噪聲分析基基礎(chǔ)3.2核電子學(xué)中常常見的基本電電路分析RC積分電路沖擊響應(yīng)：頻率響應(yīng)：三、核電子學(xué)學(xué)中的信號與與噪聲分析基基礎(chǔ)3.2核電子學(xué)中常常見的基本電電路分析CR微分電路時域三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.2核電子子學(xué)中中常見見的基基本電電路分分析CR微分電電路頻域三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.2核電子子學(xué)中中常見見的基基本電電路分分析短路延延遲線線輸入輸出短路延延遲線線延遲線線又名名傳輸線線或仿仿真線線，在核核電子子儀器器中主主要用用于不失真真地延遲遲信號號。延延遲線線可以以看成成由很很多數(shù)數(shù)值較較小的的電感和和電容容組成。。它的的工作作原理理可以以由兩兩根真真實(shí)的的長導(dǎo)導(dǎo)線來來模仿仿。在電壓壓的傳傳輸過過程中中，要要考慮慮長線線的固固有分分布參參量，，令L為單位位長度度電感感，C為單位位長度度電容容，并并忽略略長線線本身身的電電阻。。這樣樣就可可以認(rèn)認(rèn)為兩兩根長長導(dǎo)線線是由由無窮窮多個個電感感L和電容容C組成。。當(dāng)在在長導(dǎo)導(dǎo)線始始端加加上電電壓V，電壓壓就要要依次次對電電容和和電感感充電，因此此電壓壓由始始端傳傳到終終端就就需要要一定定的時時間。。短路延延遲線線令t為電壓壓傳播播經(jīng)過過單位位長度度所需需要的的時間間。在在t內(nèi)電壓壓對電電容充充電，，則電電容得得到的的電荷為：Q=I×t=C××V當(dāng)電流流流經(jīng)經(jīng)電感感L時，產(chǎn)產(chǎn)生感感應(yīng)電電動勢勢V，其絕對值值為：V=L×I/t則最后后解出出當(dāng)電壓壓加到到長線線后，，在長長線中中有一一定的的電流流，由由歐姆姆定律律來看看似乎乎電壓壓是加加到一一定的的阻抗Z(特性阻阻抗)上。短路延延遲線線傳播時時間(也稱延遲時時間)和特性阻阻抗Z是長線線特性性的兩兩個基基本參參量。。特別別是特特性阻阻抗，，不能能簡單單的看看做是是一個個阻抗抗，因因?yàn)殡婋妷篤和電流流I是在長長線上上傳播播的，，特性性阻抗抗也隨隨著入入射電電壓而而傳播。如果RL不等于于特性性阻抗抗會怎怎樣？？短路延延遲線線反射電電流當(dāng)RL不等于于特性性阻抗抗的時時候，，如果果RL大于Z，那么么流過過負(fù)載載的電電流就就小于于入射射電流流，于于是就就有多多余的的電流流往始始端反射。反射系系數(shù)由下面面的關(guān)關(guān)系可可得反反射電電壓和和入射射電壓壓的關(guān)關(guān)系。。三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.2核電子子學(xué)中中常見見的基基本電電路分分析短路延延遲線線沖擊響響應(yīng)：：頻率響響應(yīng)：：三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.3隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)核電子子學(xué)中中的隨隨機(jī)信信號及及其表表現(xiàn)形形式在核電電子學(xué)學(xué)中有有兩類類隨機(jī)機(jī)信號號，即即核輻射射信號號與噪聲信信號，它與與確定定信號號不同同，對對確定定信號號，它它可用用明確確的數(shù)數(shù)學(xué)關(guān)關(guān)系式式來描描述。。確定信信號三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.3隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)核電子子學(xué)中中的隨隨機(jī)信信號及及其表表現(xiàn)形形式由探測測器輸輸出的的核輻輻射信信號或或噪聲聲，因因?yàn)槌龀霈F(xiàn)的的時刻刻和幅幅度大大小都都是隨機(jī)的，這這種信信號只只能用用統(tǒng)計(jì)法法處理。。隨機(jī)信號三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.3隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)核電子子學(xué)中中的隨隨機(jī)信信號及及其表表現(xiàn)形形式核電子子學(xué)中中的噪噪聲主主要是是散粒粒噪聲聲和熱熱噪聲聲，其其概率率密度度函數(shù)數(shù)呈高斯正正態(tài)分分布：三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.3隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)核電子子學(xué)中中的隨隨機(jī)信信號及及其表表現(xiàn)形形式噪聲電電壓的的平均值值和均方值值分別為為：三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.3隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)核電子子學(xué)中中的隨隨機(jī)信信號及及其表表現(xiàn)形形式噪聲的的平均功功率常可用用自相關(guān)關(guān)函數(shù)數(shù)和功功率譜譜密度度來求得得，自自相關(guān)關(guān)函數(shù)數(shù)為：：平均功功率由由各頻頻率分分量功功率之之和來來求得得三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.3隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)核電子子學(xué)中中的隨隨機(jī)信信號及及其表表現(xiàn)形形式由于自自相關(guān)關(guān)函數(shù)數(shù)表示示噪聲聲在時域中的特特性，，而功功率譜譜密度度表示示噪聲聲在頻域中的特特性，，這兩兩者是是等效效的。。可以以證明明自相相關(guān)函函數(shù)與與功率率譜密密度函函數(shù)是是一對對富氏氏變換換對。。白噪聲聲的頻頻域與與時域域變換換三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.3隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)核電子子學(xué)中中的隨隨機(jī)信信號及及其表表現(xiàn)形形式在隨機(jī)機(jī)信號號分析析中，，白噪噪聲的的自相相關(guān)函函數(shù)是是一理理想函函數(shù)，，其作作用類類似于于躍階函函數(shù)與與沖擊擊函數(shù)數(shù)，理論論上只只要分分析白白噪聲聲輸入入一個個網(wǎng)絡(luò)絡(luò)后的的變化化，即即可得得到這這個網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的的響應(yīng)應(yīng)特性性。有限帶帶寬的的白噪噪聲譜譜密度度與自自相關(guān)關(guān)函數(shù)數(shù)三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.3隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)核電子子學(xué)中中的隨隨機(jī)信信號及及其表表現(xiàn)形形式核輻射射信號號的特特點(diǎn)：：(1)在脈沖沖幅度度上按按高斯斯統(tǒng)計(jì)計(jì)分布布；(2)在時間間間隔隔中的的脈沖沖個數(shù)數(shù)按泊泊松分分布；；(3)脈沖形形狀在在理想想情況況下，，可看看成沖沖擊函函數(shù)，，探測測器輸輸出電電流脈脈沖信信號，，可簡簡化表表示為為一個個強(qiáng)度度變化化的隨隨機(jī)沖沖擊序序列：三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.3隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)核電子子學(xué)中中的隨隨機(jī)信信號及及其表表現(xiàn)形形式核輻射射隨機(jī)機(jī)信號號的自自相關(guān)關(guān)函數(shù)數(shù)和功功率譜譜密度度函數(shù)數(shù)為：：三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.3隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)周期信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.3隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)信信號通通過常常見線線性電電路的的實(shí)例例白噪聲聲通過過RC低通濾濾波器器：功率譜譜密度度及自自相關(guān)關(guān)函數(shù)數(shù)為通過RC電路后后的響響應(yīng)為為三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.3隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)信信號通通過常常見線線性電電路的的實(shí)例例白噪聲聲通過過RC低通濾濾波后后，濾濾去了了高頻部分，，但低低頻和和直流流部分分仍能能通過過，主主要變變成低頻噪聲。。三、核核電子子學(xué)中中的信信號與與噪聲聲分析析基礎(chǔ)礎(chǔ)3.3隨機(jī)信信號通通過線線性網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)信信號通通過常常見線線性電電路的的實(shí)例例白噪聲聲通過過CR高通濾濾波器器的響響應(yīng)四、核核電子子學(xué)測測量系系統(tǒng)概概述4.1系統(tǒng)的的基本本組成成核信息息測量量系統(tǒng)統(tǒng)通常常由核輻射射探測測器和核電子子學(xué)測測量系系統(tǒng)兩部分分組成成。而而核電電子學(xué)學(xué)測量量系統(tǒng)統(tǒng)包括括模擬信信號獲獲取和和處理理，模數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的的獲取取和處處理三部分分。四、核核電子子學(xué)測測量系系統(tǒng)概概述4.2核電子學(xué)學(xué)常用的的信號處處理系統(tǒng)統(tǒng)四、核電電子學(xué)測測量系統(tǒng)統(tǒng)概述4.2核電子學(xué)學(xué)常用的的信號處處理系統(tǒng)統(tǒng)前置放大大器將探測器器輸出的的電荷收收集起來來，并轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成適適于電纜纜運(yùn)傳到到后續(xù)電電子設(shè)備備的電壓壓或電流流信號。。主放大器器主放大器器是相對對于前置置放大器器的而言言的，它它將前置置放大器器輸出的的信號進(jìn)進(jìn)一步放大，達(dá)到便便于測量量的程度度，并使使信號成形，有利于于精確測測量和分分析。四、核電電子學(xué)測測量系統(tǒng)統(tǒng)概述4.2核電子學(xué)學(xué)常用的的信號處處理系統(tǒng)統(tǒng)幅度或時時間信息息甄別經(jīng)過處理理后的信信號，為為了判別別它們的的幅度是是否在預(yù)預(yù)定的范范圍內(nèi)，，需要采采用幅度甄別別，而為了了確定時時間參數(shù)數(shù)，需要要進(jìn)行時間甄別別。模數(shù)轉(zhuǎn)換換核輻射探探測器輸輸出信號號經(jīng)過各各種信號號處理電電路后，，需變換換成數(shù)字量才能用數(shù)數(shù)字系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)統(tǒng)計(jì)、分分析和數(shù)數(shù)據(jù)處理理。四、核電電子學(xué)測測量系統(tǒng)統(tǒng)概述4.2核電子學(xué)學(xué)常用的的信號處處理系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取取的分析析和處理理在物理信信號轉(zhuǎn)換換成數(shù)碼碼后，則則由數(shù)字字系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行數(shù)據(jù)據(jù)獲取和和處理。。多道分分析器是是數(shù)據(jù)獲獲取和處處理的有有效設(shè)備備，可實(shí)實(shí)現(xiàn)幅度信息息、時間間信息等分類計(jì)計(jì)數(shù)。此外，還還常用計(jì)數(shù)器，，計(jì)數(shù)率率器等計(jì)數(shù)設(shè)設(shè)備可直直接記錄錄某一類類信號的的計(jì)數(shù)率率。四、核電電子學(xué)測測量系統(tǒng)統(tǒng)概述4.3核電子學(xué)學(xué)信號處處理單元元插件標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化核電子學(xué)學(xué)測量系系統(tǒng)，常常因不同同的物理理測量要要求，組組成可以以變化的的測量系系統(tǒng)，為為適用各各種不同同用途的的需要，，目前都都把具有有一定功功能的信信號處理理單元按按一定規(guī)規(guī)范要求求，做成成各種信信號處理理標(biāo)準(zhǔn)插件件。在進(jìn)行核核物理實(shí)實(shí)驗(yàn)的時時候，需需按整個個實(shí)驗(yàn)系系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計(jì)，合合理選用用單元插件件，可以較較好較快快的組成成滿足一一定物理理要求的的系統(tǒng)，，這就要要求對各各類插件件的性能能、指標(biāo)標(biāo)要求以以及使用用方法、、特點(diǎn)，，必須有有較深入入的了解解。四、核電電子學(xué)測測量系統(tǒng)統(tǒng)概述4.3核電子學(xué)學(xué)信號處處理單元元插件標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化目前通用用的幾種種核電子子儀器標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化系系統(tǒng)名稱確定年代主要器件特點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱1950電子管NIM1964-1974晶體管小規(guī)模集成電路插件化通用CAMAC1969-1975集成電路與計(jì)算機(jī)接口快總線系統(tǒng)1975-1979ECL組件比CAMAC快四、核電電子學(xué)測測量系統(tǒng)統(tǒng)概述4.3核電子學(xué)學(xué)信號處處理單元元插件標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化核電子儀儀器標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)化的工工作早在在50年代就開開始了，，隨著電電子學(xué)的的發(fā)展和和物理實(shí)實(shí)驗(yàn)的更更高要求求，標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)化要求求在不斷斷更新。。NIM(nuclearinstrumentmodule核儀器插插件標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn))標(biāo)準(zhǔn)是1964年提出的的，經(jīng)過過四次修修改后，，于1974年由國際際電工委委員會推推出為國國際標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)系列，，并為全全世界所所采用。。NIM標(biāo)準(zhǔn)是一一個通用用電子學(xué)學(xué)插件化化的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)(統(tǒng)一了機(jī)機(jī)箱和插插件的機(jī)機(jī)械尺寸寸，供電電電壓及及方式，，信號電電平的大大小)，從而解解決了核核電子儀儀器的裝裝配和互互換性問問題。四、核電電子學(xué)測測量系統(tǒng)統(tǒng)概述4.3核電子學(xué)學(xué)信號處處理單元元插件標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化隨著計(jì)算算機(jī)的應(yīng)應(yīng)用，需需要解決決大量數(shù)數(shù)字的信信息傳遞遞問題，，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)數(shù)據(jù)收收集和處處理系統(tǒng)統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)化，1975年國際電電工委員員會通過過的CAMAC(ComputerAidedMeasurementandControl計(jì)算機(jī)輔輔助測量量與控制制)標(biāo)準(zhǔn)也被被推薦為為一種國國際儀器器標(biāo)準(zhǔn)。。它不僅僅在機(jī)箱箱、插件件的結(jié)構(gòu)構(gòu)、電源源標(biāo)準(zhǔn)和和信號電電平等方方面，作作出了規(guī)規(guī)定，而而且在信信息傳輸輸方式，，信號傳傳送的硬硬件和軟軟件方面面也定了了標(biāo)準(zhǔn)。。隨著微處理理器和微計(jì)計(jì)算機(jī)的迅迅速發(fā)展和和普及，出出現(xiàn)了分布布式處理系系統(tǒng)。同時時，為了適適應(yīng)高能物物理實(shí)驗(yàn)的的要求，中中心計(jì)算機(jī)機(jī)需要處理理更復(fù)雜、、更大量的的數(shù)據(jù)，要要求速度更更快，希望望總線標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)向高速度度，高度靈靈活方向發(fā)發(fā)展。于是是又發(fā)展了了新一代的的快總線系系統(tǒng)。常用的NIM標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱機(jī)箱寬度為為19英寸；每個個標(biāo)準(zhǔn)箱體體有12個插進(jìn)道和12個箱體(插件連接器器)，可以容納納12個單插寬度度NIM插件，或6個雙插寬NIM插件，或4個三插寬插插件。一般在機(jī)箱箱后部有NIM標(biāo)準(zhǔn)電源，，各種電源源通過內(nèi)部部接線引到到機(jī)箱各電電源插座。。不過，有有的機(jī)箱不不帶電源，，另外用插插件式電源源從前面插插入箱內(nèi)，，使各電源源插座得到到供電。常用的NIM標(biāo)準(zhǔn)插件-箱體連接器器插件后面板板上方裝有有電源插頭，機(jī)箱每個個插道內(nèi)裝