Ekstrakcja informacji o czasie zdarzenia metody i układy.

Transkrypt

1 3.3. Eksrakcja informacji czasowej. Generowany w deekorach promieniowania sochasyczny ciąg impulsów elekrycznych sanowi odpowiedź na analogiczny ciąg aków deekcji, kóre przyjęo w prakyce zwać zdarzeniami. Sąd eż mówiąc o czasie zdarzenia (ang. even ime) mamy na myśli momen począkujący proces formowania odpowiedzi deekora na każde wymuszenie radiacyjne. Jes rzeczą oczywisą, że insrumenalna idenyfikacja ego parameru ściśle według podanej definicji nie jes możliwa. Jes on wyznaczany jako inerwał dzielący momen zaisnienia zdarzenia od założonego momenu referencyjnego (repera czasowego), kórym może być współrzędna czasowa bezpośrednio poprzedniego zdarzenia w sowarzyszonym kanale pomiarowym, względnie współrzędna czasowa czoła impulsu sarowego inicjującego dany proces radiacyjny. Wybór repera czasowego zależy od specyfiki pomiaru i rodzaju zasosowanej meody pomiarowej. Pierwonym nośnikiem informacji o czasie zdarzenia jes impuls prądowy generowany w deekorze; mówiąc ściśle jes ona zawara w jego niezmienniczych paramerach deskrypywnych. Jes ona przekazywana do obwodu eksrakora za pośrednicwem odpowiednich układów kondycjonujących zapewniających opymalne warunki jej wydzielenia. odajmy, że charaker kondycjonowania jak i rodzaj zasosowanej echniki kondycjonowania zależą od rodzaju deekora i przyjęego rybu jego pracy. Jak pokażemy dalej, dla zminimalizowania nieoznaczoności momenu przekroczenia poziomu referencyjnego wymagana jes możliwie jak największa sromość przebiegu impulsu w ym punkcie oraz możliwie jak najmniejsza dyspersja szumowa. Wymóg en wyraża żądanie maksymalizacji sosunku nachylenia do szumu oznaczanego według erminologii angielskiej skróem SLNR (slope-o-noise raio). Zapiszmy na późniejszy użyek formalną definicję ego parameru SLNR def dv i / d N T K (76) Zadaniem układu dokonującego eksrakcji informacji czasowej (ang. ime pick-off circui) jes naomias wygenerowanie sandardowego impulsu logicznego o krawędzi wiodącej pozosającej w określonej, sałej relacji czasowej względem współrzędnej czasu zdarzenia. W ym celu wykorzysuje się układy, kóre nazwać można ogólnie czujnikami względnie deekorami przekroczenia poziomu Eksrakcja informacji o czasie zdarzenia meody i układy. la insrumenalnego wykrycia pojawienia się impulsu sosowane są z reguły dyskryminaory progowe względnie komparaory. Zależnie od przyjęej meody pomiaru są one wykorzysywane bądź w wersji konwencjonalnej z poziomem odniesienia różnym od zera, bądź eż jako deekory przejścia przez zero (zero crossing deecor). W każdym przypadku generowany impuls logiczny jes opóźniony względem począku impulsu informacyjnego, a jego współrzędna czasowa dla odróżnienia od czasu zdarzenia zwana jes poocznie czasem aparaurowym (ang. machine ime). W pomiarach jednodeekorowych opóźnienie o nie miało by isonego znaczenia pod warunkiem zachowania sałej warości, niezależnie od zmian paramerów deskrypywnych impulsów informacyjnych. Odnosząc ę uwagę do rzeczywisych warunków pomiaru można mówić ylko o wrażliwości względnie nie- 4

2 wrażliwości eksrakorów informacji czasowej na efeky decydujące o warości ( APAR ) i sopniu nieoznaczoności ( T ) współrzędnej czasu aparaurowego. W szczególności, obok niesabilności długoerminowej progu porównania (V PROG ), decydujące znaczenie mają dwa, charakerysyczne dla rozważanych układów zjawiska: efek wędrowania (ang. walk effec) oraz efek drżenia (ang. jier). Pierwszy z wymienionych objawia się zależnością momenu generacji impulsu logicznego ( APAR ) od ampliudy i czasu narasania impulsu informacyjnego, drugi naomias spowodowany jes jego flukuacjami saysycznymi oraz globalnymi szumami wejściowymi. Mechanizm powyższych efeków zosanie wyjaśniony w rakcie omawiania meod eksrakcji informacji czasowej. Zaliczają się do nich [88]:. Meoda dyskryminacji na czole impulsu (ang. leading edge - LE). Meody sałofrakcyjne (ang. consan fracion - CF) 3. Meoda konwencjonalnego przejścia przez zero (ang. convenional crossover) 4. Meoda szybkiego przejścia przez zero (ang. fas crossover) 5. Meoda dyskryminacji sałofrakcyjnej na ylnej krawędzi impulsu (ang. railing-edge consan fracion) Meoda dyskryminacji na czole impulsu. Meoda a do eksrakcji informacji czasowej wykorzysuje ypowy układ regeneracyjnego dyskryminaora ampliudy. Nośnikiem informacji o czasie aparaurowym jes krawędź czołowa jego odpowiedzi na sygnał wejściowy pojawiająca się z chwilą przekroczenia ściśle określonego poziomu progowego V PROG. Na opóźnienie APAR względem począku ( 0 ) impulsu wejściowego składają się dwa inerwały: czas niezbędny dla osiągnięcia poziomu progowego przez impuls wejściowy oraz czas wymagany dla wzbudzenia procesu regeneracyjnego. Ten drugi związany jes z przekazem do dyskryminaora pewnego, określonego jego czułością ładunkową, ładunku Q. Obydwie składowe opóźnienia zależą od sromości (szybkości narasania) czoła impulsu informacyjnego. W konsekwencji w przypadku ciągu impulsów o sałej warości czasu narasania za efek opóźnienia w efekcie wędrowania odpowiedzialne będzie zróżnicowanie ich ampliud. Analogicznie, w przypadku ciągu impulsów monoampliudowych opóźnienie o zależeć będzie od indywidualnych czasów narasania. Przypadki e zilusrowano odpowiednio na rysunkach 7 i 8. CZAS ZARZENIA CZAS APARATUROWY V A max V B max V PROG A Q A Q Rys. 7. Ilusracja wpływu ampliudy impulsu na opóźnienie odpowiedzi dyskryminaora progowego (LE) f V ) apar ( i max n cons na nb T A T B 5

3 CZAS ZARZENIA CZAS APARATUROWY V A max V B max Rys. 8. Ilusracja wpływu czasu narasania impulsu na opóźnienie odpowiedzi dyskryminaora progowego (LE) V PROG A Q A Q apar f ( ) n V max cons T A T B na nb Powierzchnie zacienionych rójkąów (A Q ) na obu diagramach są proporcjonalne do ładunku Q warunkującego wzbudzenie procesu regeneracyjnego w dyskryminaorze [89]. Przy założeniu liniowego przebiegu czoła impulsu informacyjnego w okolicy przekroczenia progu dyskryminacji ( PROG ), dodakowe opóźnienie T związane ze skończoną czułością ładunkową dyskryminaora wyrazi się związkiem AQ T (77) dvi d PROG Rozszerzając posawione założenie na cały podprogowy fragmen czoła impulsu wejściowego można napisać analogiczną formułę opisującą dominującą składową opóźnienia PROG uzależnioną od poziomu progowego. VPROG prog (78) dvi d PROG Zauważmy, że wpływ sygnału wejściowego na efek wędrowania wyraża się poprzez jego paramery deskrypywne, w isocie swej deerminisyczne. Taki eż charaker ma w konsekwencji rezula ich oddziaływania. Inna jes naura czynników odpowiedzialnych za efek drżenia. Należą do nich w szczególności szumy (zarówno deekora jak i sowarzyszonej elekroniki) oraz flukuacje procesu generacji sygnału w deekorze, a więc zjawiska sochasyczne. Nakładając się na sygnał informacyjny powodują jego charakerysyczne rozmycie sanowiące o nieoznaczoności jego paramerów deskrypywnych. Na rysunku 9 przedsawiono poglądowo wpływ szumowej składowej efeku drżenia. Linia ciągła, reprezenująca V i v V PROG v Rys. 9. Ilusracja wpływu szumów na nieokreśloność czasu aparaurowego 6

4 czoło odszumionego impulsu informacyjnego, zawara jes w jego obwiedni szumowej o warości skuecznej (dyspersji) V. Przyjmując nadal liniowy przebieg czoła impulsu V i () w pobliżu poziomu progowego, na gruncie widocznych na rysunku proporcji można napisać formułę określającą, spowodowaną szumami, nieoznaczoność czasu aparaurowego. W erminach procesów saysycznych wyraża ją średnie odchylenie sandardowe. V (78) dvi PROG d Szumy sanowią dominujące źródło efeku drżenia w deekorach półprzewodnikowych [90], nie odgrywają naomias isonej roli w deekorach scynylacyjnych. W ym drugim przypadku efek drżenia uwarunkowany jes zasadniczo relaywnie słabą saysyką emisji i zbierania fooelekronów. Objawia się on flukuacjami kszału impulsu wyjściowego foopowielacza [9], kórych skuek przedsawiono poglądowo na rysunku 0. Liniami przerywanymi V V a śr V PROG S Rys. 0. *) Ilusracja wpływu flukuacji sygnału na na nieokreśloność czasu aparaurowego wykreślono na nim przebiegi ograniczające obszar, w kórym odchylenia warości chwilowych impulsów od wykreślonego linią ciągłą, cenralnego przebiegu średniego mieszczą się w przedziale S (). Ukazana uaj zależność S () jes w isocie uwikłaną funkcją czasu poprzez zależność od chwilowej warości impulsu świelnego scynylaora i związanej z nią zmiennością saysyki fooelekronów. Nieoznaczoność czasu aparaurowego uwarunkowaną flukuacjami kszału ławo wyznaczyć w idenycznej jak poprzednio procedurze. Opisuje ją zależność S (79) dvi d PROG Jak dowiodły badania eksperymenalne i sudia eoreyczne [9], [93], [94] meoda dyskryminacji na czole (leading edge discriminaion) pozwala osiągnąć najlepszą rozdzielczość czasową usalając próg dyskryminacji na poziomie przecinającym czoło impulsu w punkcie jego maksymalnej sromości. Właściwość a zosała wykorzysana w drugiej grupie układów eksrakcji informacji czasowej, a mianowicie w zw. dyskryminaorach sałofrakcyjnych. *) la przejrzysszego zobrazowania efeku przesadnie wyolbrzymiono wielkość flukuacji 7

5 Meody sałofrakcyjne. la impulsów o idenycznej (lub prawie idenycznej) funkcji kszału s()* opymalny poziom dyskryminacji (V PROG ) op sanowi zawsze aką samą frakcję f ich warości maksymalnej V i max : ( VPROG) op f cons (80) V i max Ten oczywisy związek dał podsawę do konsrukcji specjalnej klasy dyskryminaorów progowych, zwanych dyskryminaorami sałofrakcyjnymi. W meodzie ej współrzędną czasu aparaurowego deerminuje momen zrównania poziomów celowo opóźnionego (o ) impulsu wjściowego oraz jego zredukowanego (z kronością f) przebiegu komplemenarnego. Sposób realizacji układu pracującego według ej meody ilusruje, przedsawiony na rysunku, funkcjonalny schema blokowy. V i ( ) (W) f V W ( ) V ( ) V o () WE L ZC MW UF WY () V ( ) Rys.. Ogólny schema blokowy układu dyskryminaora sałofrakcyjnego Unipolarny impuls wejściowy V i () jes przekazywany do dwóch równoległych gałęzi układu. W gałęzi górnej (W) podlega on aenuacji we wzmacniaczu inwerującym dając na jego wyjściu impuls V W () = f V i (), gdzie f jes mniejszym od jedności współczynnikiem wzmocnienia wzmacniacza. W dolnej gałęzi (), zawierającej linię opóźniającą (L) przenoszony jes bez zmian, doznając ylko opóźnienia ransmisyjnego, co formalnie odnoujemy w posaci: V () = V i ( ). Uzyskana w en sposób para impulsów przeciwnej polarności, w wyniku zsumowania w sopniu sumującym (), daje wypadkowy impuls bipolarny (V ). Eksrakcja zawarej w nim informacji czasowej dokonuje się z kolei w układzie deekora przejścia przez zero (ZC), a osaeczne ukszałowanie niosącego ją impulsu logicznego nasępuje w dalszych sopniach dyskryminaora sałofrakcyjnego: monowibraorze (MW) oraz układzie formującym (UF). Tak więc przy raz usalonym, dla dowolnej ampliudy impulsu (V i max ), opymalnym progu dyskryminacji (V PROG ) op i usawionym według ich proporcji (80) sopniu aenuacji f (frakcji), układ zapewnia sałość flukuacyjnego rozmycia czasu aparaurowego. Bardziej znaczącą cechą dyskryminaora sałofrakcyjnego jes częściowa lub całkowia likwidacja efeku wędrowania. Z ego punku widzenia wyróżnia się dwie odmiany meodyczne: - meoda wierno-sałofrakcyjna (TCF) - (ang. rue-consan-fracion iming) - meoda z kompensacją ampliudy i czasu narasania (ARC) (ang. ampliude-and-riseime-compensaed iming) *) Zgodnie z ogólnie przyjęym sposobem zapisu: V i () = V i max s() [8] 8

6 Wyróżnikiem obu ych meod jes relacja między czasem przejścia przez zero (T) a czasem narasania impulsu n. W szczególności w pierwszej meodzie sosunek ych wielkości jes większy od jedności (T TCF > n ), naomias w drugiej mniejszy ( T ARC < n ). la jednoznaczności noacji wprowadzono odnośne indeksy czasów przejścia przez zero. Jak wykażemy niżej, meoda wierno-sałofrakcyjna redukuje połowicznie efek wędrowania uniezależniając momen przejścia przez zero ylko od ampliudy impulsu. la prosoy analizy układu przyjmiemy quasi-skokowy impuls wejściowy o liniowo narasającej krawędzi wiodącej w zadanym inerwale czasu narasania n. Na rysunku przedsawiono diagramy sygnałów w węzłowych punkach układu odpowiadające powyższemu założeniu. Umożliwiają one w przejrzysy sposób sformułować podsawowy warunek zapewniający niezależność położenia punku przejścia przez zero od ampliudy impulsów wejściowych w przypadku idenyczności ich czasów narasania. Taka właśnie relacja doyczy pary impulsów V i V. V i V V V max V,3 max SYGNAŁY WEJŚCIOWE V 3 0 n, n3 V OPÓŹN V OWR W V V SYGNAŁY OPÓŹNIONE V 3 (V/0) W T TCF -fv - f V - f V - f V 3 SYGNAŁY OWRÓCONE V 0 T TCF(, ) 3 (-f )V max (-f )V, max T TCF(3 ) Rys.. iagramy sygnałów ilusrujące zasadę działania dyskryminaora sałofrakcyjnego pracującego według meody wierno-sałofrakcyjnej (TCF) Zauważmy, że z mocy założenia (T TCF > n ) meoda wierno-sałofrakcyjna wyklucza możliwość pokrywania się punków przejścia przez zero (T TCF ) i w przypadku impulsów wejściowych różniących się czasem narasania czoła. Ewidennie ukazują o powyższe diagramy, uwidaczniając nado powiązanie współrzędnej (T TCF ) i (za pośrednicwem współczynnika f ) z założonym poziomem dyskryminacji (V PROG ) op. 9

7 opełnienia wymogu kryerialnego meody, kwalifikującego układ jako dyskryminaor wierno-sałofrakcyjny, dokonuje się w prakyce na drodze doboru czasu opóźnienia. Zależnością wyjściową dla jego wyznaczenia jes zrównanie poziomów superponujących sygnałów V W () oraz V (), co zachodzi dla = T TCF. Korzysając z oznaczeń na rysunku możemy napisać V W f Vi 0 (8) T TCF n ( ) (8) W n Wynika z nich warunek ( f ) (83) n TCF Przeniesienie srefy zrównania poziomów na wiodącą krawędź sygnału odwróconego powoduje isone udoskonalenie dyskryminaorów sałofrakcyjnych czyniąc je niewrażliwymi zarówno na zmiany ampliudy impulsów jak i czasu ich narasania. Zmodyfikowaną w en sposób meodę nazwano meodą kompensacji ampliudy i czasu narasania. Ilusrujące jej zasadę diagramy przedsawiono na rysunku 3. V i V V V max V,3 max SYGNAŁY WEJŚCIOWE V 3 0 n, n3 V i V W V V3 V max V,3 max SYGNAŁY OPÓŹNIONE (V/0) W T ARC -(fv/o)tarc 0 - f V,3 - f V SYGNAŁY OWRÓCONE V (-f )V max 3 T ARC 0,,3 (-f )V, max Rys. 3. iagramy ilusrujące zasadę działania dyskryminaora sałofrakcyjnego pracującego według meody kompensacji ampliudy i czasu narasania (ARC) 0

8 Analogiczna procedura jak w przypadku meody wierno-sałofrakcyjnej prowadzi do sformułowania warunku deerminującego czas opóźnienia. Tak więc odpowiednia para równań przybiera posać Vi Vi w f TARC 0 (84) T n ARC n ( ) (85) W n dając w wyniku warunek ( f ) (86) n min gdzie n min oznacza najmniejszy, spodziewany w ciągu badanych impulsów, czas ich narasania. Jak ławo pokazać, punk przejścia przez zero w ej meodzie odległy jes od począku opóźnionego impulsu V () o warość W równą fop W (87) fop Wyznacza ona na czole egoż impulsu ak zwany efekywny poziom dyskryminacji (V i w / n ), różny od założonego poziomu opymalnego (f op V i ). Mówiąc inaczej, mamy do czynienia ze zmiennym efekywnym współczynnikiem aenuacji f ARC eff, opisanym zależnością fop f ARC eff (88) n ( fop ) Współczynnik f ARC eff jes zawsze mniejszy od f op [88],[95], co powoduje pewien wzros rozmycia w efekcie drżenia. Nasuwa się przeo uwaga naury prakycznej, aby odpowiednio zawyżać sopień aenuacji wzmacniacza inwerującego. Omówione wyżej własności meody ARC czynią ją szczególnie przydaną w sysemach pomiarowych o dużej dynamice ampliud i czasów narasania impulsów. oyczy o zwłaszcza sysemów sosujących deekory półprzewodnikowe dużej objęości, charakeryzujące się dużą zmiennością czasu zbierania nośników ładunku. W alernaywnym przypadku, przy małej dynamice impulsów informacyjnych, dominującym czynnikiem decydującym o nieoznaczoności pomiarów czasowych jes efek drżenia. W obu odmianach meody sałofrakcyjnej średnie odchylenie sandardowe czasu przejścia przez zero T wyraża się, wyznaczoną ze związków geomerycznych, zależnością o podobnej srukurze jak w przypadku dyskryminaora ypu LE (79). V ( ) T ( CF ) (89) dv ( ) Symbolem V () T CF d oznaczono u średnie odchylenie sandardowe szumów obciążających bipolarny sygnał sumacyjny V. W rozważanym układzie (różnicowym) opisuje je ogólna zależność f f (90) V ( ) V V gdzie: V jes średnim odchyleniem sandardowym szumów wejściowych, f współczynnikiem aenuacji, zaś ( ) funkcją auokorelacji szumów wejściowych.

9 Sosunkowo słaba, w większości prakycznych przypadków, korelacja pozwala zaniedbać rzeci człon równania (90), sprowadzają je do uproszczonej posaci V ( ) V f (9) W konsekwencji, podrzymując założenie o liniowym przebiegu czoła impulsów, ławo wyznaczyć dyspersje czasu przejścia przez zero w obu wersjach meody sałofrakcyjnej. Tak więc dla dyskryminaora wierno-sałofrakcyjnego (TCF) orzymujemy V f T ( TCF ) n (9) Vi MAX naomias dla dyskryminaora z kompensacją ampliudy i czasu narasania (ARC) V f n T ( ARC) (93) V f i MAX Obie e wersje, podobnie jak zwykły dyskryminaor progowy (LE), są obarczone efekem wędrowania uwarunkowanym czułością ładunkową deekora przejścia przez zero. Zmilimalizowanie ego efeku możliwe jes poprzez zwiększenie czułości ładunkowej deekora (ZC) powoduje ono jednak niepożądany wzros prawdopodobieńswa jego reakcji na pobudzenia szumowe. Prosym sposobem zapobiegania generacji ego rodzaju fałszywych odpowiedzi jes serowane bramkowanie wewnęrznego oru ransmisyjnego układu względnie blokada jego inherennego czujnika przejścia przez zero. Pierwszą ze wskazanych możliwości wykorzysali Bedwell i Paulus [95]. Uzupełnili oni konwencjonalny układ dyskryminaora sałofrakcyjnego ypu (ARC) dodakowym dyskryminaorem progowym (LE), kóry zwać będziemy dalej dyskryminaorem wspomagającym*, a kórego zadaniem jes wyworzenie sygnału bramkującego z chwilą przekroczenia poziomu progowego V PROG przez impuls informacyjny. Operację bramkowania odpowiedzi dyskryminaora ARC zrealizowali w konwencjonalnym układzie bramki logicznej AN, a do formowania sygnału logicznego, niosącego informację czasową zasosowali monowibraor. Rysunek 4 ukazuje ę konfigurację na przykładzie jej nowszej wersji układowej [96], wykorzysującej komparaory w układach obu dyskryminaorów składowych. V i ( ) WE PRÓG L R R C B A + + LE ARC E AN MW f = F R (R +R ) V ( ) WY Rys. 4. Schema blokowy układu dyskryminaora sałofrakcyjnego ARC w konfiguracji z dyskryminaorem wspomagającym LE *) W erminologii anglosaskiej są one określane mianem arming względnie priming discriminaor.

10 . V i () = V C () V PROG T PROG V A () - V B () T ARC V () V E () V O () = V F() 0 Rys. 5. iagramy przebiegów sygnałów w układzie z rysunku 4. ziałanie powyższego układu ilusrują przedsawione na rysunku 5 diagramy przebiegów sygnałów w jego isonych węzłach (C,,E,F) i gałęziach (A-B). Prawidłowe funkcjonowanie układu wymaga, aby momen (T PROG ) przekroczenia progu dyskryminacji w dyskryminaorze progowym (LE) poprzedzał momen przejścia przez zero w dyskryminaorze ARC., czyli T PROG < T ARC. Zauważmy, że T PROG jes inherennie związane z progiem dyskryminacji V PROG, kórego poziom jes z kolei podykowany ampliudą szumów wejściowych. la efekywnego ich odcięcia korzysnym byłoby więc usawienie V PROG na poziomie lokującym T PROG możliwie blisko T ARC, wówczas jednak nabiera znaczenia inny niekorzysny efek. Jes nim mianowicie zależność T PROG od ampliudy i czasu narasania impulsu wejściowego n o jes znany nam już efek wędrowania. Lieraura przedmiou podaje sposoby zaradzenia również akiej syuacji, wiążą się one jednak ze znaczną rozbudową układu [95], [97], [98], [99]. rugą ze wspomnianych uprzednio możliwości eliminacji wpływu pobudzeń szumowych zilusrowano schemaycznie na rysunku 6. Przedsawiono ją w wersji korzysającej z zewnęrznego generaora sygnału bramkującego (piedesału). W akiej eż konfiguracji zaprojekowano układ dyskryminaora sałofrakcyjnego produkcji krajowej yp 503 CAMAC, [00]. - f A L ZC MW B WK ZERO Rys. 6. Uproszczony schema blokowy dyskryminaora sałofrakcyjnego z blokowaniem deekora przejścia przez zero. Wyróżniono w nim dwa ory sygnałowe: or sygnału informacyjnego (A) i or sygnału bramkującego (B). Pierwszy z nich obejmuje konwencjonalny układ ARC, drugi naomias zawie- 3

11 ra wzmacniacz (WK) kluczujący pracą deekora przejścia przez zero. Wzmacniacz en serowany jes impulsami generowanymi w odpowiedzi na każdy kolejny impuls informacyjny w dodakowym, zewnęrznym bloku funkcjonalnym. Wzmocnione impulsy, celowo opóźnione względem do czoła impulsów informacyjnych uakywniają zablokowany normalnie (w sanie wyczekiwania) ryger deekora przejścia przez zero, umożliwiając jego prawidłowe zadziałanie w chwili T ARC. Blokada spoczynkowa rygera z założenia meody ma zapobiegać pobudzeniom szumowym. Sąd eż wynika warunek nakładany na czas opóźnienia op jej zwolnienia: SZ < op < T ARC., gdzie symbolem sz oznaczono momen, w kórym poziom maksimum szumów przecina się z krawędzią wiodącą impulsu wejściowego. Prakyczną realizację układu deekora przez zero pracującego według omawianego sposobu [00] przedsawiono schemaycznie na rysunku 7. Poprzesańmy na lapidarnym opisie funkcjonalnym u- (B) V WE V (+V o=) 00 R WY I O (WK) AJ30G WE BLOK 00 5 d L L 3 L AJ30G G 00 k REG CZUŁ n 5 0n 00n (C) -4V Rys. 7. Schema ideowy układu deekora przejścia przez zero dyskryminaora sałofrakcyjnego ypu 503 kładu. Oóż funkcję deekora przejścia przez zero pełni w nim monosabilny ryger na diodzie unelowej. W chwili T ARC generuje on impuls o długości 50 ns., a en po zróżniczkowaniu w obwodzie R-L wyzwala drugi ryger na diodzie unelowej, dający 0-cio nanosekundowy impuls wyjściowy Meoda konwencjonalnego przejścia przez zero. Formowanie impulsów w klasycznym orze spekromerycznym wyposażonym w quasigaussowski filr pasmowo-przepusowy (CR) (RC) prowadzi do ukszałowania impulsu monopolarnego z przerzuem. Można go zaem rakować jako asymeryczny impuls bipolarny o ściśle zdefiniowanym czasie przejścia przez zero. Jak przypomnimy dalej, przy zachowaniu sałego kszału impulsów wejściowych współrzędna czasowa punku zmiany polarności wyjściowego impulsu bipolarnego (j. przejścia przez zero) okazuje się niezmienniczą względem ampliudy impulsów, może być zaem wykorzysywana w pomiarach czasowych. Konwencjonalny charaker filracji dał asump do nazwania ej meody, meodą konwencjonalnego przejścia przez zero. W erminologii anglosaskiej obok ej nazwy (convenional crossover) funkcjonuje również określenie slow crossover, eksponujące charakerysyczną dla niej małą szybkość przejścia przez zero. W zwięzłej analizie ej meody posłużymy się najprosszym przypadkiem kszałowania impulsu licznikowego V i () = V i max exp (- / ) w filrze pasmowo-przepusowym CR-RC. 4

12 W warunkach opymalnej filracji, gdy warości sałych czasowych obu członów filru są akie same ( dif = in = RC ), impuls wyjściowy przyjmuje posać Vi max Vo exp exp (94) RC RC RC RC RC Przebieg en zmienia polarność w chwili T SC określonej warunkiem RC RC exp TSC T SC RC RC RC (95) uchylającym się od rozwiązania analiycznego. Ukazuje on w uwikłanej formie zależność czasu przejścia przez zero T CF od paramerów czasowych filru (RC) oraz kszałowanego impulsu (). Widać zeń również, że T CF jes niezmiennicze względem ampliudy impulsu. Na rysunku 8 przedsawiono dla przykładu rodzinę odpowiedzi filru CR-RC na wymuszenie impulsem o zaniku eksponencjalnym dla rzech różnych warości sałych czasowych filru. Wykreślono na nim krókie odcinki sycznych w punkach przejścia przez zero, wyznaczające szybkość przejść przez poziom zerowy. Podano na nim również, obliczone numerycznie, 0.4 V o V i max A) RC = s; T SC 6.5 s = -8.7 V/ms B) RC = 5s; T SC 3.9 s = V/mV C) RC =0s; T SC 40.0 s = V/mV ) RC =5s; T SC 78.0 s = V/mV imp = 00 s 0. A B C T SC-A T SC-B T SC-C T SC s Rys. 8. Rodzina odpowiedzi filru CR-RC na wymuszenie impulsem licznikowym o sałej czasowej zaniku imp = 00 s warości współrzędnych T SC oraz nachylenia krawędzi opadającej impulsu w ych punkach. iagramy powyższe dobrze ilusrują właściwości meody. Po pierwsze ukazują one dwa korzysne efeky: wzros sromości impulsów w okolicy T SC oraz skracanie inerwału (T CS - 0 ) w miarę zmniejszania sałej czasowej filru, po wóre naomias ujawniają efek niekorzysny, degradujący osiągnięy skuek pozyywny wobec posępującej asymerii formowanego impulsu bipolarnego i przesuwania punku przejścia przez zero ku dolnemu zagięciu opadającego zbocza impulsu. W skrajnym przypadku nadmiernej redukcji sałej czasowej filru ampliuda ujemnego przerzuu może nawe spaść poniżej poziomu szumów, dyskwalifikując ym samym przydaność meody. Środkiem zaradczym jes wówczas dwukrone różniczkowanie, realizowane prakycznie bądź w konwencjonalnym układzie kaskady filrów pasywnych (CR), bądź w układzie na liniach opóźniających (L). 5

13 Rysunek 9 ukazuje na le ypowej konfiguracji filru (CR) -(RC) proces formowania impulsu bipolarnego. Przedsawione w znormalizowanej formie diagramy wyznaczono dla impulsu wejściowego o nasępujących paramerach: V i max = V, n = 0. s oraz o = 50s. Warości sałych czasowych wszyskich rzech członów filru przyjęo idenyczne: RC = s s Rys. 9. Ilusracja formowania impulsu bipolarnego w filrze (CR) -(RC) (Numeracja przebiegów impulsów wiąże je z punkami ich pomiaru w układzie filru) Sysemy filracji współczesnych wzmacniaczy spekromerycznych zawierają z reguły dwie (rózniczkujące) pasywne sekcje górnoprzepusowe oraz rozbudowany (całkujący) dolnoprzepusowy filr akywny. Umożliwiają one w konsekwencji formowanie zarówno impulsów unipolarnych jak i bipolarnych, przekazywanych równocześnie na oddzielne gniazda wyjściowe wzmacniacza Meoda szybkiego przejścia przez zero Podsawę ej meody sanowi echnika formowania impulsów na liniach opóźniających, zaadapowana przez Ormana [] do prądowego rybu odbioru sygnału z deekora scynylacyjnego. Na rysunku 30 przedsawiono schema blokowy układu dyskryminaora pracującego według ej meody, oraz diagram ilusrujący sposób formowania impulsu bipolarnego. R A +WNC I a i a x L Z 0 L Z 0 r i = Z 0 ZC i imp s Rys. 30. Ilusracja meody szybkiego przejścia przez zero: a) uproszczony schema układu dyskryminaora, b) znormalizowane przebiegi sygnałów w punkcie węzłowym x prądowy impuls wyjściowy foopowielacza impuls odbiy w linii wypadkowy impuls bipolarny 6

14 Prądowy impuls wyjściowy foopowielacza i a (), przy dosaecznie dużych warościach rezysancji R A oraz pojemności sprzęgającej C, kierowany jes do niskoimpedancyjnego obwodu formującego. W obwodzie ym rozdziela się symerycznie na dwie gałęzie zawierające linie opóźniające o idenycznych impedancjach falowych Z 0 : szeregową linię ransmisyjną L, obciążoną dopasowaną rezysancją r i = Z 0, oraz zwarą linią równoległa L. Czas opóźnienia linii L usala się w zależności od warości paramerów czasowych impulsu prądowego, a w szczególności czasu narasania n i sałej czasowej opadania. Określa go warunek n < < (96) Bipolarny impuls wyjściowy i o ( ) jes formowany w procesie sumowania składowej pierwonej i opóźnionej składowej odbiej impulsu wejściowego. Jeśli zaniedbać dyspersję czasową srumienia elekronów w foopowielaczu, przebieg wyjściowego impulsu prądowego sanowi przeskalowaną replikę, generowanego w scynylaorze impulsu świelnego, opisaną zależnością [0] i a ( ) A exp exp (97) Przyjmijmy dla wygody, że paramer A uwzględnia również rozdział impulsu prądowego na dwie gałęzie, wiążąc ym samym wyrażenie (97) z przebiegami prądów do nich wpływających. W konsekwencji impuls odbiy w zwarej linii L przyjmie posać ia A exp exp H (98) Pierwszą część wypadkowego impulsu, zawarą w przedziale < 0 > opisuje równanie (97) ze zmienionym znakiem. rugą naomias, w obszarze >, odwzorowuje równanie (99) i o A exp exp exp exp (99) Sąd w prosej procedurze analiycznej orzymujemy warość współrzędnej punku przejścia przez zero, kórą oznaczymy symbolem T FC. exp T FC ln (00) exp Uzyskana formuła ukazuje explicie zależność momenu przejścia przez zero od sałych czasowych narasania i zaniku impulsu pierwonego, a akże od czasu propagacji w linii L, nie wykazuje jednak uzależnienia T FC od ampliudy impulsu. Innymi słowy dokumenuje niezmienniczość T FC względem ampliudy w warunkach niezmiennej funkcji kszału impulsu. Nieokreśloność czasu przejścia przez zero T FC w rozważanym przypadku spowodowana jes głównie flukuacjami sygnału prądowego. W procedurze jej wyznaczenia skorzysamy więc z uprzednio wyprowadzonych formuł (79) i (9) adapując je odpowiednio do prądowego rybu pracy układu. 7

15 W wyniku prosych przekszałceń orzymujemy S T FC (0) d ia PROG d Podobnie jak w dyskryminaorach sałofrakcyjnych flukuacje sygnału mogą być źródłem fałszywych pobudzeń deekora przejścia przez zero również w ej meodzie. Prose środki zapobiegawcze, polegające w isocie na odpowiednim podniesieniu progu dyskryminacji, okazują się u jednak nie wysarczające, zwłaszcza w odniesieniu do impulsów niewiele przewyższających poziom progowy, kiedy o pojawiają się dodakowe, zależne od ampliudy, sysemayczne błędy pomiaru czasu zdarzenia (iming errors). Na gruncie analizy ich źródeł Wieber i Lefevre [03] opracowali układ eksrakcji informacji czasowej o poziomie ych błędów poniżej 0. ns w zakresie dynamiki ampliud ponad 00:. Rysunek 3 przedsawia uproszczony schema blokowy ej konfiguracji oraz sylizowane (dla większej wyrazisości) przebiegi sygnałów prądowych ilusrujące zasadę jej działania. Niosący informację czasową V n Poziom idenyfikacji L 3 ns REG.PROGU ZC i bipol A L i bipol i pied i b-p ZC WY -T i pied n- n LE GP Poziom dyskr. ZC i b-p pied WY - A REG.PROGU LE V o Rys. 3. Układ eksrakcji informacji czasowej według Wiebera i Lefevre a prądowy impuls bipolarny i bipol, formowany jes w obwodzie anodowym foopowielacza na linii skracającej L. Jes on sumowany z sygnałem piedesału i pied kszałowanym w obwodzie osaniej dynody ( n ) w kaskadzie dwóch bloków funkcjonalnych: dyskryminaorze wspomagającym (LE), określanym według auorów mianem dyskryminaora rozpoznającego, oraz generaorze piedesału (GP). la uniknięcia fałszywych pobudzeń deekora przejścia przez zero jego próg dyskryminacji usawiony jes na poziomie przewyższającym ampliudę flukuacji. o ej wysokości (w zadanym inerwale) sygnałem piedesału podnoszony jes impuls bipolarny, dzięki czemu jego przejście przez poziom progowy odpowiada w czasie ściśle pierwonemu przejściu przez zero. Jak o ukazano na diagramach sygnałów, sygnał piedesału generowany jes z pewnym opóźnieniem względem począku impulsu informacyjnego. Czas ego opóźnienia regulowany jes pośrednio poprzez regulację poziomu progowego dyskryminaora rozpoznającego, naomias długorwałość impulsu piedesału pied dobierana jes w zależności od rozciągłości czasowej impulsu bipolarnego. Odpowiedź deekora przejścia przez zero odbierana jes z wyjścia oznaczonego na schemacie symbolem WY -T. Na drugie wyjście (WY-A) przekazywany jes sygnał z przedosaniej dynody ( n- ) do sysemu analizy ampliudowej. 8

16 Meoda dyskryminacji sałofrakcyjnej na ylnej krawędzi impulsu. WE STR R +_ K WY V i max V R Sygnał wejściowy Sygnał wydłużony a) R b) T C Rys. 3. Meoda sałofrakcyjnej dyskryminacji na krawędzi ylnej impulsu a) schema blokowy układu b) sygnały wejściowe komparaora Koncepcja ej meody zrodziła się w laboraoriach firmy ORTEC [88], [04]. W isocie jes ona modyfikacją meody konwencjonalnego przejścia przez zero, polegającą na przyjęciu w miejsce sałego, zerowego poziomu odniesienia, poziomu zależnego od ampliudy impulsu wejściowego. Tak pomyślany poziom referencyjny usalany jes w pomocniczym obwodzie zawierającym subkukład wydłużający (STR) oraz dzielnik rezysorowy (R R ). Konfigurację układu działającego według ej meody pokazano na rysunku 3, ilusrującym również przebiegi sygnałów: wejściowego i referencyjnego. Jak ławo zauważyć, poziom referencyjny wyznacza ampliuda impulsu formowanego w obwodzie pomocniczym. Sanowi ona ściśle określoną frakcję V R ampliudy impulsu wejściowego V i max, podykowaną sopniem aenuacji dzielnika f. R VR f Vi max Vi max (0) R R Obydwa sygnały porównywane są w konwencjonalnym komparaorze (K), kórego odpowiedzią jes impuls skokowy wykorzysywany w dalszych (pominięych na schemacie) blokach funkcjonalnych do formowania impulsu logicznego niosącego informację o czasie aparaurowym T C. Omawiana meoda, podobnie jak meoda konwencjonalnego przejścia przez zero, charakeryzuje się niezależnością od ampliudy impulsu, oczywiście pod warunkiem sałości funkcji kszału impulsu. Wobec podniesienia poziomu komparacji meoda jes wolna od efeku fałszywych pobudzeń szumowych (flukuacyjnych). Nado, zrównanie poziomów nasępuje znacznie wcześniej niż o ma miejsce w meodzie konwencjonalnego przejścia przez zero, co profiuje znaczącym skróceniem czasu marwego. Zapewnia również lepszą rozdzielczość czasową ( T ) dzięki generalnie większej sromości krawędzi opadającej impulsu na założonym poziomie komparacji. odajmy, że minimalizację rozmycia szumowego daje się osiągnąć przez aki dobór współczynnika aenuacji, aby porównywane przebiegi przecinały się w punkcie przegięcia krawędzi opadającej impulsu wejściowego. 9

17 3.3.. Układy eksrakcji informacji o odległości zdarzeń. Termin zdarzenie w rozdziale ym będziemy wiązać dla wygody nie ylko z odpowiedziami deekorów na wymuszenia radiacyjne ale również z sygnałem inicjującym proces radiacyjny. W akiej konwencji, z merologicznego punku widzenia, możemy formalnie wyróżnić dwa rodzaje zdarzeń: referencyjne (począkowe) i informacyjne (końcowe). odajmy, że przedmioem pomiaru jes inerwał czasowy T dzielący aką parę zdarzeń. Eksrahowana informacja o odległości czasowej zdarzeń T może sanowić osaeczny rezula działań pomiarowych (jak np. pomiar średniego czasu życia jądrowych sanów wzbudzonych) bądź eż może sanowić jeden z kilku paramerów niezbędnych do wyznaczenia wielkości docelowej (jak np. wyznaczenie energii neuronów meodą pomiaru czasu przelou). Ogólnie rzecz biorąc, wielorakość eksperymenów fizyki jądrowej deerminuje przedział warości mierzonych inerwałów czasowych w szerokim zakresie submikrosekundowym (od 0-6 s. do 0 - s.) [4]. Ten obszar będzie więc przedmioem naszego zaineresowania. Zauważmy, że wyznaczany dysans czasowy dzielący obydwa zdarzenia obciążony jes w oczywisej konsekwencji nieoznaczonością ich współrzędnych czasowych. Sąd eż dla esymacji jego warości średniej niezbędny jes odpowiednio liczny zbiór rezulaów pomiarów jednoskowych. Zespół działań insrumenalnych prowadzących do uworzenia akich zbiorów i ich prezenacji w formie rozkładów czasowych częsości zdarzeń określane jes ogólnie mianem spekromerii czasowej, a służący emu celowi zesaw aparaurowy spekromerem czasowym. Jego zasadniczym blokiem funkcjonalnym jes analizaor czasu Analizaory ego rodzaju, podobnie jak uprzednio omówione analizaory ampliudy, realizowane są jako układy jednokanałowe względnie wielokanałowe. Najprosszą konfigurację jednokanałowego analizaora czasu sanowi konwencjonalny, dwuwejściowy układ koincydencyjny* ), pracujący w reżymie koincydencji opóźnionych. Ilusruje ją schemaycznie rysunek 33. WE INF WE REF L op UW MW REJ W jego zacienionym polu schemaowym zawaro podzespoły funkcjonalne układu koincydencyjnego: układ wybierający (UW ) oraz monowibraor (MW). Pierwszy z nich, z chwilą równoczesnego (w przedziale czasu rozdzielczego układu R ) pobudzenia na obu wejściach i, generuje odpowiedź o ampliudzie zależnej w ogólnym przypadku od ampliud pobudzeń. rugi subukład (MW) pełni funkcję czasowo-ampliudowego normalizaora sygnału wyjściowego układu koincydencyjnego. Regulowany człon opóźniający (L) w obwodzie sygnału odniesienia pozwala doprowadzić do koincydencji obu sygnałów, informacyjnego i referencyjnego na wejściach i członu wybierającego. Syuacja aka zachodzi dla op spełniającego warunek T op (T+ R ). W konsekwencji przypadki akie będą rejesrowane przez sowarzyszony z układem koincydencyjnym licznik (REJ). Ich średnią częsość Rys. 33. Schema blokowy jednokanałowego analizaora czasowego f i wyznacza sosunek liczby zarejesrowanej zliczeń N i do czasu ich akumulacji T AK w liczniku. la sporządzenia hisogramu zależności f i T i należy zaem wykonać odpowiednio liczną serię pomiarów jednoskowych dla różnych warości opóźnienia op, pok- *) Problemayka układów koincydencyjnych jes przedmioem osobnego rozdziału monografii 30

18 rywając równomiernie przedział spodziewanych inerwałów czasu T i. Na podsawie uzyskanych rezulaów, w odrębnych procedurach wykreślany jes spekrogram inerwałów czasowych oraz dokonywana esymacja warości średniej i jej średniego odchylenia sandardowego. Zauważmy nado, że czas rozdzielczy R układu jes ożsamy z szerokością kanału pomiarowego analizaora T CH, a jego warość zależy od długorwałości impulsów wejściowych oraz inercyjności układu wybierającego. Jednokanałowe analizaory czasu obarczone są podobnymi niedogodnościami jak ego rodzaju analizaory ampliudy. Większość ich rozwiązań układowych związana jes z echniką lampową. Zaniechamy przeo przyaczania konkrenych przykładów odsyłając czyelnika do reprezenaywnego wykazu odnośnej lieraury przedmiou zamieszczonego w [05], ym bardziej, że prakycznie zosały one zupełnie wypare przez sysemy wielokanałowe z konwersją sygnału Techniki chronoronowe W rozwoju meod pomiaru bardzo krókich inerwałów czasowych znaczącą rolę odegrała koncepcja chronoronu [06],[07], kóra sała się podsawą do konsrukcji wielokanałowych analizaorów czasu w echnice koincydencji opóźnionych. la wyjaśnienia zasady działania ego rodzaju urządzenia skorzysamy z przedsawionego na rysunku 34 schemau blokowego. WE- WE- R 0 A A L A A A A R 0 T MWST MW MW MW MW MW STR STR STR STR STR G G G G G WE PC MIX Rys. 34. Uproszczony schema blokowy chronoronu wg Nedermeyera [06] Sygnały ograniczające mierzony inerwał czasowy wprowadzane są przeciwsobnie do wspólnej, koncenrycznej linii opóźniającej, odpowiednio na wejścia WE- i WE-. Propagując wzajemnie ku sobie w linii (z właściwą dla niej prędkością v), spoykają się w określonym jej punkcie x zależnym od ich dysansu czasowego, dając w efekcie superpozycji impuls wypadkowy o większej ampliudzie. W szczególnym przypadku, współczesności impulsów wejściowych, punk ich spokania znajduje się dokładnie po środku długości linii. Sanowi on geomeryczny odpowiednik zera skali czasowej chronoronu. ługość linii dobierana jes sosownie do założonego zakresu pomiarowego. zielące ją, równomiernie rozmieszczone, odczepy umożliwiają moniorowanie propagujących w niej impulsów. Celowi emu służy zespół bloków funkcjonalnych zawierających: wielosopniowy wzmacniacz impulsowy (A), układ wydłużający (STR), bramkę liniową (G), oraz monowibraor (MW). Odebrany z odczepu sygnał, po wzmocnieniu jes przerzymywany w układzie srechera (STR) do momenu zadziałania sowarzyszonego monowibraora odczyującego (MW), w warunkach zamknięej bramki 3

19 ransmisyjnej (G),. Wedy o na przeciąg czasu, zadany długością generowanego przezeń impulsu T, zosaje owara bramka (G), przekazując za pośrednicwem miksera (MIX) sygnał z układu srechera do rejesraora oscyloskopowego. Monowibraory odczyujące san srecherów połączono w szeregowy łańcuch, w kórym każdy kolejny sopień regeneracyjny pobudzany jes krawędzią ylną impulsu generowanego w sopniu poprzedzającym. W en sposób okno czasowe (o szerokości T) moniorowania odczepów linii przemieszcza się sekwencyjnie skokami co T. Sygnał sarowy, inicjujący proces odczyu, formowany jes w dodakowym monowibraorze (MW ST ) zapięym na wejściu linii opóźniającej. Uruchamia on równocześnie generaor podsawy czasu w oscyloskopie pomiarowym. Na le powyższego opisu funkcjonalnego jawi się podsawowy wymóg, sanowiący zarazem isoę koncepcji chronoronu, a mianowicie warunek. aby T >>. Sosunek ych wielkości deerminuje sopień ekspansji skali czasowej układu. Jak wspomnieliśmy, na osnowie oryginalnej koncepcji chronoronu konsruowano wielokanałowe analizaory czasu z indywidualnymi rejesrami liczby zliczeń. Kowalski [36] klasyfikuje ego rodzaju układy w dwu grupach: a) z pojedynczą linią opóźniającą i liniowym mieszaniem sygnałów b) z dwoma liniami opóźniającymi w układzie koincydencji opóźnionych. Konfiguracja wersji pierwszej sanowi zmodyfikowaną replikę srukury opisanego wyżej chronoronu, w kórej rozbudowane układy moniorowania odczepów linii opóźniającej zasąpiono dyskryminaorami progowymi (), a sysem rejesracji oscyloskopowej zespołem indywidualnych przeliczników (L). Jej uproszczony schema blokowy przedsawiono na rysunku 35. Progi dyskryminaorów usalono na poziomie przewyższającym nieco ampliudę LINIA TR. WE- R0 R0 WE- L L L L L Rys. 35. Schema blokowy analizaora czasu z jedną linią opóźniającą pojedynczego impulsu. Zależnie od dysansu dzielącego impulsy wejściowe, wzajemne ich nałożenie pojawi się na odpowiednim odczepie linii opóźniającej, powodując w efekcie przekroczenie zadanego progu dyskryminacji, a w konsekwencji zarejesrowanie akiego zdarzenia w liczniku ego kanału pomiarowego. rugą wersję ilusruje schemaycznie rysunek 36. W wersji ej, na komplemenarnych odczepach dwóch linii (z przeciwsobnym biegiem sygnałów) zapięe są układy koincydencyjne (K) z przynależnymi im licznikami (L). Bezpośrednie sumowanie sygnałów zasąpiono LINIA R0 WE- R0 LINIA WE- K K K K K L L L L L Rys. 36. Schema blokowy analizaora czasu w dwoma liniami opóźniającymi [08] 3

20 w ym rozwiązaniu operacją logiczną dokonywaną w dodakowym członie funkcjonalnym szybkim układzie koincydencyjnym. Konfiguracje wielokanałowych analizaorów, sanowiące zwielokronienie srukur jednokanałowych, obarczone są szeregiem ograniczeń naury echnicznej i niedogodności eksploaacyjnych, redukujących prakycznie liczbę kanałów pomiarowych zaledwie do kilkunasu. Ograniczenia e zosały przełamane przez Lefevre a i Russela [09] w oryginalnym układzie chronoronu z noniuszem radykalnie modyfikującym konfigurację z dwoma liniami opóźniającymi. Zasadę jego działania omówimy korzysając, z przedsawionego na rysunku 37, uproszczonego schemau funkcjonalnego. Ławo na nim zauważyć dwie isone modyfikacje: IMP START IMP STOP L L 300 ns B3 99 ns UK [+] REJ. AR. Rys. 37. Schema funkcjonalny chronoronu z noniuszem B 3 - nadrzędny układ bramkujący UK - szybki układ koincydencyjny - brak odczepów na liniach opóźniających, - jeden ylko punk moniorowania spokań impulsów szybki układ koincydencyjny. Obie linie o minimalnie różniących się opóźnieniach ransmisyjnych i, włączono w pęle sprzężenia zwronego sowarzyszonych, nieinwerujących wzmacniaczy bramkowanych, worząc wspólnie z nimi generaory pierścieniowe (recyrkulaory) [0]. Impulsy wejściowe START i STOP, wyznaczające mierzony inerwał czasu, iniekowane są do cenralnych węzłów przynależnych im wzmacniaczy (parz rys.39). Z zasady meody noniuszowej, wynika podsawowy wymóg τ > τ (03) Auorzy meody uzupełnili go arbiralnym warunkiem ograniczającym zakres pomiarowy τ > T (04) Rozwinięcie procesu cyrkulacji impulsu sarowego może zaem nasąpić dopiero z chwilą pojawienia się w drugim obwodzie impulsu STOP. Sysem wzajemnych uzależnień pracy obu recyrkulaorów (oznaczony symbolicznie na rysunku siecią połączeń) konroluje przebieg procesu. W szczególności, za każdym pełnym obiegiem impulsu w orze sygnału STOP, wysyła impuls do rejesru adresowego (nie ukazanej na schemacie) pamięci hisogramującej. Wobec założonych, różnych czasów propagacji w liniach opóźniających, za każdym obiegiem zmniejsza się odległość czasowa cyrkulujących w nich impulsów o sałą warość równą różnicy = (τ τ ), deerminującej w isocie szerokość kanału pomiarowego. la sprowadzenia ego dysansu czasowego do zera wymagana jes odpowiednia liczba obiegów N impulsu nadążającego STOP. Gdy o nasąpi, szybki układ koincydencyjny (UK) blokuje dalszy obieg sygnałów. Jego impuls wyjściowy (zgodnie z procedurą dodawania jedynki ) przekazywany jes nado do rejesru danych pamięci hisogramującej i rejesrowany w kanale określonym numerem osaniego obiegu, czyli liczbą N. 33

21 Relację między liczbą obiegów N a warością mierzonego inerwału czasowego T opisuje oczywisa zależność T N (05) ilusrująca efek, dokonywanej przez układ, konwersji analogowo-cyfrowej. Omówiony wyżej proces kodowania cyfrowego ilusruje rysunek 38, sanowiący zarazem graficzne objaśnienie, wykorzysywanej w ym układzie, meody noniuszowej. START REC- STOP REC- T T = N T = N KOINCYENCJA KONIEC CYKLU POMIAROWEGO Rys. 38. Ilusracja meody noniuszowej W polu diagramów można wyróżnić dwa obszary. Pierwszy o rozciągłości T można nazwać srefą recepcji sygnałów informacyjnych, drugi naomias o szerokości T srefą komparacji faz. Maksymalny zasięg pierwszej srefy, czyli zakres pomiarowy analizaora, jes zdeerminowany warością okresu recyrkulacji impulsu sarowego τ. Całkowiy czas cyklu pomiarowego T sanowi naomias dominujący składnik czasu marwego. Wynosi on: T T T T N T T (06) ( ) ( ) Równanie powyższe ukazuje explicie efek ekspansji skali czasowej. Wyraża go mianowicie współczynnik proporcjonalności wiążący T i T, zwany ogólnie współczynnikiem rozciągania skali i oznaczany zazwyczaj symbolem k T. def T kt (07) T ) Przy warościach okresów cyrkulacji podanych na schemacie układu (τ =300 ns i τ =99 ns) współczynnik en wynosił więc k T = 300. W uzupełnieniu opisu funkcjonalnego, na rysunku 39 pokazano zapowiedziany uprzednio schema srukury recyrkulaora sygnału sarowego. Wzmacniacz regeneracyjny sanowi kaskadę dwóch sopni () i (3) na lampach elekronowych z emisją wórną ypu EFP60. (Symbolami S, S, oraz A oznaczono odpowiednio siaki serujące, siaki ekranujące, dynody i anody ych lamp). Impuls sarowy wprowadzany jes w węzłowym punkcie sprzężenia międzysopniowego, za pośrednicwem idenycznego sopnia (). Blokadę oru ( 34

22 ransmisyjnego wzmacniacza zrealizowano w układzie bramkującym B. Na jego symbolu graficznym srzałkami oznaczono kierunek wymuszanych zmian poencjału wyjściowego. L do U. K. WE START S S A S S S 3 A B K A z UKŁAU B3 do RECYRK. STOP - [] z RECYRK. STOP - [B] Rys. 39. Schema blokowy układu recyrkulaora sygnału sarowego Zasygnalizowano również schemaycznie ważniejsze połączenia z pozosałymi blokami funkcjonalnymi chronomeru, w ym z analogicznym recyr-kulaorem oru sygnału STOP, Układ Lefevre a i Russela wykorzysuje echnikę noniuszową w jej czysej formie, sąd eż zwany jes częso chronoronem ściśle-noniuszowym (ang. rue-vernier chronoron) [09], []. Trzeba eż podkreślić, że na gruncie ej echniki, prócz ekspansji czasowej układ dokonuje bezpośrednio przemiany analogowo-cyfrowej mierzonego inerwału czasowego. Waro u jeszcze przypomnieć, że nazwę chronoron przyporządkowano wyłącznie układom dokonującym ekspansji skali czasowej w sysemie linii opóźniających. Alernaywą wielokanałowego analizaora chronoronowego jes układ zaproponowany rzy laa wcześniej przez Coini ego i Gai ego [], [3]. Jes on również zaliczany do kaegorii układów noniuszowych [36], [05], [4]. Koncepcję ego układu ilusruje, przedsawiony na rysunku 40, uproszczony schema blokowy. f = 0.0 MHz 00 khz START OSC. ZC MIX LPF ZC STOP OSC. f = 0. MHz L START STOP TAC WY V o MAX Rys. 40. Schema blokowy analizaora inerwałów czasowych wg. Gai ego Impulsy wejściowe START i STOP, niosące informację o rozciągłości mierzonego inerwału czasu T wzbudzają balisycznie w odpowiednich obwodach rezonansowych (OSC.) i (OSC.) łumione drgania harmoniczne o nieznacznie różniących się częsoliwościach drgań własnych (f i f ). odajmy, że założenia (03) i (04) muszą być w ym przypadku odniesione do częsoliwości obu oscylaorów. Przybierają więc posać: f f oraz f (08) T 35

23 Generowane w en sposób sygnały zachowują pierwoną informację o inerwale T we wzajemnym, począkowym przesunięciu fazowym. Są one nasępnie przewarzane w mieszaczu iloczynowym (MIX); w omawianej realizacji diodowym, podwójnie zrównoważonym modulaorze pierścieniowym [5],[6], a z jego odpowiedzi w filrze dolnoprzepusowym (LPF) wydzielana jes składowa różnicowa. Jak wykażemy, informację o T przejmuje z kolei współrzędna ZC pierwszego przejścia przez zero przez składową różnicową. Przyjmując jako począkowy (zerowy) punk odniesienia czasowego momen pobudzenia drugiego oscylaora (OSC.) - STOP, równania opisujące oba przebiegi oscylacyjne przyjmą odpowiednio posać V A sin (09) B V sin (0) gdzie: T () zaś i oznaczają pulsacje obu drgań ( = f ), a funkcje A() i B() uwzględniają ich zanikanie (łumienie). Prose działania algebraiczne prowadzą do wyrażenia opisującego przebieg sygnału różnicowego uzyskanego w procesie mieszania i filracji przebiegów V () i V (). V R C cos T () Pozwala ono wyznaczyć isony dla meody związek między współrzędną czasową przejścia przez zero ZC a mierzonym inerwałem T, a w dalszej konsekwencji współczynnik ekspansji (rozciągania) skali czasowej analizaora k T. Przepisując równanie () dla akiego przypadku (j. kładąc = ZC oraz V R ( ZC ) = 0) orzymujemy skąd wynika, że oraz T ZC (3) ZC k T f T (4) f f f (5) f f W skonsruowanym przez Auorów układzie prooypowym warości częsoliwości drgań własnych oscylaorów wynosiły odpowiednio: f = 0 MHz oraz f = 0. MHz. Uzyskano więc w efekcie 00-krone rozciągnięcie skali czasowej zakresu pomiarowego, przesuwające jego górną granicę z poziomu 50 ns do warości 5 s. Bezpośrednim rezulaem operacji na sygnałach harmonicznych jes impuls wyjściowy deekora przejścia przez zero, markujący momen ( ZC ) wyrównania ich faz. Jak pamięamy, począek ego procesu deerminuje wiodąca krawędź impulsu STOP. Ta para impulsów jes wykorzysywana do formowania wyniku indywidualnego pomiaru. W omawianym układzie przebiega ono w cyklu dwusopniowym, na kóry składa się konwersja czas-ampliuda, oraz konwersja analogowo-cyfrowa. Na schemacie blokowym uwidoczniono jedynie pierwszy sopień oznaczony symbolem TAC (ang. Time-o-Ampliude Converer). W najprosszej realizacji proces przemiany ego rodzaju dokonywany jes w układzie ładowania pojemności akumulującej prądem o sałej warości w zadanym inerwale czasu *). Począek konwer- *) Problemayka a będzie rozwinięa w dalszej parii monografii. 36

24 sji TAC inicjuje impuls START, odpowiadający pierwonemu impulsowi STOP włączona do ej gałęzi linia opóźniająca (L) kompensuje opóźnienie ransmisyjne w obwodzie (LPF) (ZC). Koniec procesu konwersji czas-ampliuda wymusza impuls STOP odbierany z wyjścia deekora przejścia przez zero (ZC). W wyniku konwersji TAC informacja o mierzonym inerwale czasowym T zosaje przejęa przez ampliudę impulsu wyjściowego V o MAX ego subukładu. Kolejna przemiana w nieuwidocznionym na schemacie przeworniku analogowo-cyfrowym (AC) wielokanałowego analizaora ampliudy (MCA) lokuje ę informację (w cyfrowo zakodowanej formie) w odpowiednim kanale jego pamięci hisogramującej. Formalnie impulsy START i STOP można wykorzysać wpros do bramkowania impulsów zegarowych w orze rejesru adresowego pamięci hisogramującej, względnie przelicznika, realizując w en sposób cyfrowe odwzorowanie wielkości mierzonej; pełne wykorzysanie możliwości wielokanałowego analizaora ampliudy pozwala jednak uzyskać dodakowe rozciągnięcie skali czasowej zesawu. Układy zaprojekowane w echnice lampowej zgodnie a nauralnym posępem echnicznym były replikowane w echnice półprzewodnikowej. Tyułem przykładu odnoujmy ego rodzaju rozwiązanie Barona i Kinga [] opare na wykorzysaniu komercyjnie dosępnych modułów logicznych. Na rysunku 4 przedsawiono jego uproszczony schema blokowy. L TR 0 START T REJESTR TR04S OR 0 FC C 0 TR04S STOP T REJESTR L TR 0 Rys. 4. Uproszczony schema blokowy digiizera inerwału czasowego wg. [] ( wszyskie moduły logiczne produkcji f-my EG&G Inc.) Czyelnik ławo doparzy się zbieżności konfiguracyjnej z chronoronem Lefevre a i Russela. Zwróćmy zaem uwagę na pewne odmienności. oyczą one po pierwsze generaorów pierścieniowych, w kórych echnikę odświeżania (działaniem wzmacniaczy) cyrkulujących impulsów zasąpiono echniką ich regeneracji. Po wóre, impulsy zliczane w rejesrach odbierane są z wejść a nie wyjść recyrkulaorów, wobec czego liczba impulsów N R zliczanych w każdym rejesrze przewyższa o liczbę elemenarnych przedziałów kwanowania. Po rzecie wreszcie, układ wyposażono w dwa rejesry zliczające impulsy wyjściowe obu recyrkulaorów, dzięki czemu zapewniono możliwość pomiaru w eoreycznie nieograniczonym zakresie. W zależności od relacji między warością mierzonego inerwału T a okresem wyróżnia się dwa charakerysyczne przypadki: T < oraz T > (6) Pierwszy sanowił jedno z założeń oryginalnego układu Lefevre a i Russela, a jego skukiem była równość N = N = N (7) 37