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上次作业

上次作业. 设有六级十进制计数单元构成的定标器，当输入信号计数率 n=10 5 /s 时，第一级十进制计数单元的计数损失  1 = 1% ，求： 1 ）当输入计数率 n=10 6 /s 时的  1 值； 2 ）若第六级十进制计数单元最高计数率 f 6max =10 5 Hz ，该级的计数损失  6 为多少？ 推导二极管泵电路的输出电压公式，试讨论在不同的条件下如何实现线性和对数的关系。 结合 919 框图，阐述智能缓存器计算机多道的组成和工作原理。. 二极管泵电路. 等电荷电流脉冲的获得.

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Presentation Transcript

  1. 上次作业 • 设有六级十进制计数单元构成的定标器，当输入信号计数率n=105/s时，第一级十进制计数单元的计数损失1=1%，求：1）当输入计数率n=106/s时的1值；2）若第六级十进制计数单元最高计数率f6max=105Hz，该级的计数损失6为多少？ • 推导二极管泵电路的输出电压公式，试讨论在不同的条件下如何实现线性和对数的关系。 • 结合919框图，阐述智能缓存器计算机多道的组成和工作原理。

  2. 二极管泵电路 等电荷电流脉冲的获得 信号负向跳变时，当>5RsC1时，C1上的充电电荷 Q1= C1 V1 输入脉冲过去后，当T->5RsC1时， C1放电到稳态时C1上尚有电压Vo，放电过程中输给C2的电荷为 Q= C1 (V1 -Vo) 由于Vo=nQR 所以

  3. 线性率表的条件： 只有在nRC1<<1或Vo<<V1时，Vo才与n成正比，即VonRC1V1。 对数率表的实现： 当R、C1确定后，随着计数率增大，Vo增大，注入到C2的电荷量减少； 在极高的计数率下，输出Vo趋于饱和电平V1。 在两个量级范围内变换特性大致是对数式的。 将R更换为对数电阻网络可以实现对数率表。

  4. DUAL-POLT DATA MEMORY 16K CHANNELS 12 BITS BATTERY BACKUP MUITICHANNEL BUFFER DUAL-POIT INTERFACE MUTIPLEXER/ROUTER Data memory Inputs SET Signals 1 DIGITAL STABLUZER MICRO PROCECSSOR ADC SAMPLE CHANGER 2 ADC 16k CHANNELS 80186 MICRO- PROCESSOR Program memory 3 RS-232-C ETHERNE PERSONAL COMPUTER 4 Other MCBs PROGRAM MEMORY 512K FLASH DATA MEMORY 512K STATIC PARAMETER MEMORY 256K BATTERY BACKUP • 数据获取部分和存储器等以硬件方式作为独立插件或插卡 • （称为MCB：MultiChannel Buffer）； • 控制和显示由PC机中运行的软件来实现 • （称为MCA Emulation Software）。

  5. 核电子学课程安排 预备知识 信号处理 数据获取 数据处理

  6. 核电子学中的仪器标准

  7. 机械和电气标准：核电子学信号处理设备的插件化、标准化，核电子学仪器在机箱、插件的机械结构、电源标准和信号电平等方面做出了规定.机械和电气标准：核电子学信号处理设备的插件化、标准化，核电子学仪器在机箱、插件的机械结构、电源标准和信号电平等方面做出了规定. • 总线标准：现代计算机技术在核电子学系统的应用，实现数据采集和处理系统的标准化，在信息传输方式、信号传送的硬件和软件方面定了标准。 此处只涉及核科学和技术领域的总线技术

  8. 核电子学中的仪器和总线标准 最早发展起来的核电子学标准，模拟仪器 • NIM(-GPIB)标准： • CAMAC标准 • FASTBUS 标准 • VME-VXI标准 • PCI-PXI标准 • USB标准 核电子学领域的专业总线，没能在其他领域得到推广 工业界的通用总线，近年来广泛应用于核电子学领域

  9. NIM标准 • Nuclear Instrument Module • 最早提出的核电子学插件化的标准。NIM标准是在计算机大量普及前制定的，因此，一般用于模拟信号处理系统。 • 目前，除了前置放大器之外，所有进行模拟信号处理的设备以及模数变换、计数电路等设备，在国内外也都按NIM标准设计和生产。 • NIM标准的确立大大提高了核电子学仪器的机械互换性和电气互换性。

  10. 机箱和插件的尺寸标准化 NIM机箱和插件结构 电源的标准化

  11. NIM信号标准 正逻辑标准：为电压信号，用在中低速逻辑电路（dc到1MHz）。 • 电平标准 输出（必须送出） 输入（必须反应） ‘1’ +4~ +12 V +3~ +12 V ‘0’ +1~ -2 V +1.5~ -2V • 上升时间 10ns~ 100ns 宽度 0.1~1s • 输入阻抗1k输出阻抗 10或50 Output Input (must deliver) (must respond to) Logic 1 +2.4 to +5 V +2 to +5 V Logic 0 0 to +0.4 V 0 to +0.8 V TTL Logic Signals

  12. NIM信号标准 快（负）逻辑标准：为电流信号，流入阻抗为50的负载，用于高速逻辑电路中。 • 电流标准 输出（必须送出） 输入（必须反应） ‘1’ -14~ -18 mA -12~ -36 mA ‘0’ -1~ +1mA -4~ +4 mA • 上升时间 2ns~ 10ns，宽度不重要，前沿触发（在ORTEC插件中信号的典型上升时间为2ns）。 • 输入阻抗、输出阻抗 50 **由于信号的快上升时间，在负的快逻辑信号处理中必须考虑电缆匹配的问题。 Output (must deliver) Input (must respond to) High state –0.81 to –0.98 V(-0.9V) –0.81 to –1.13 V Low state –1.63 to –1.95 V(-1.8V) –1.48 to –1.95 V ECL Logic Signals

  13. NIM信号标准 慢线性信号标准： • 幅度：0~1V 或0~10V； • 上升时间：50ns； • 宽度：0.5~100s； • 输入阻抗、输出阻抗无统一标准，现有插件（ORTEC）中一般为输入阻抗1k，输出阻抗一般有两种：前面板为<1，后面板93 快线性信号标准： • 幅度：0~ -1V，0~ -5V或 0~ -10V； • 上升时间：<50ns； • 宽度：<1s； • 输入阻抗50，输出阻抗很大或<1。

  14. NIM＋GPIB标准 • 为了适应计算机技术的发展，1983年美国 NIM委员会公布了“ NIM+数字数据总线标准” 即NIM＋GPIB标准。 • 是NIM仪器的数字化改良，依据这个新标准所生产的插件又叫CCNIM " Computer Controlled NIM"。计算机通过GPIB总线来控制插件的工作，实现自动化测量和控制。

  15. NIM标准小结 • 最早的核电子学标准 • 机械标准：机箱和插件 • 电气标准：电源和信号 • 模拟设备标准，数字改良标准NIM+GPIB。但这种CCNIM设备比较少。

  16. 随着计算机技术的发展和其在核电子学中的应用，为了实现数据采集和处理系统的标准化，当代的核电子学仪器除了在机箱、插件的机械结构、电源标准和信号电平等方面做出了规定之外，还在信息传输方式、信号传送的硬件和软件方面定了标准。这就是总线标准。随着计算机技术的发展和其在核电子学中的应用，为了实现数据采集和处理系统的标准化，当代的核电子学仪器除了在机箱、插件的机械结构、电源标准和信号电平等方面做出了规定之外，还在信息传输方式、信号传送的硬件和软件方面定了标准。这就是总线标准。

  17. CAMAC标准 Computer Automated Measurement And Control 核电子学仪器中的第一代总线标准 规定了机箱和插件的机械尺寸，供电方式和供电标准外，还在信息传输方式、信号传递的硬件和软件方面也规定了标准。 机械标准、电气标准、总线标准

  18. CAMAC 机箱 数据路：86芯的印制板插座，提供了插件之间的联系，包括电源线、数据线、控制线和状态线。

  19. CAMAC系统的组成 • 由机箱(Crate)和插件(Plug-in Module)组成，插件又分为一般功能组件(Module)和机箱控制器(Crate Controller)。 • 一般功能插件实现一个独立的功能，用若干个插件可以组合成一个较复杂的系统。 • 机箱控制器用来控制机箱内各插件的动作并提供CAMAC数据路与外部计算机之间的通讯接口功能。

  20. CAMAC系统的组成框图举例

  21. FASTBUS 总线标准向高速度、高度灵活方面发展，因此核电子学仪器又发展了新一代总线-快总线（FASTBUS），数据的速度比CAMAC大约快一个量级。“快总线”插件，电路采用ECL组件，功耗较大，机箱散热成了专门问题。

  22. CAMAC总线和FASTBUS总线没有在其它领域得到推广，市场很小，因而不仅成本很高，而且兼容性、开放性、可靠性和可维护性等方面都存在问题。当今，在核科学和技术领域多采用工业界的通用总线。CAMAC总线和FASTBUS总线没有在其它领域得到推广，市场很小，因而不仅成本很高，而且兼容性、开放性、可靠性和可维护性等方面都存在问题。当今，在核科学和技术领域多采用工业界的通用总线。 核科技领域专用总线的退出

  23. 工业通用总线在核科技领域的使用 • VME计算机总线和在其基础上发展的VMEBus模块化仪器总线 • PCI计算机外围设备总线和在其基础上发展的PXI模块化仪器总线 • USB计算机串行总线

  24. VME总线 • 面向高性能微处理机M68XXX开发的系统总线,起源于美国MOTOROLA公司。 • VME总线是一种通用的计算机总线，经过多年的改造升级，基于VME系统的产品遍及了工业控制、军用系统、航空航天、交通运输和医疗等领域，在核电子和高能物理实验领域也已经广泛应用。 • 1987年推出的VXIbus系统是一种用于模块化仪器的总线系统。VXIbus系统具有模块式结构、高速数传、系统组建及使用灵活方便、易于充分发挥计算机效能和标准化程度高等诸多优点，得到迅速发展和推广。

  25. VME 机箱 96芯的插针式插座，提供了插件之间的联系，包括电源线、数据线、控制线和状态线 插件化

  26. 模拟设备NIM系统 VME数据获取系统 专用VME控制单板机 VME 系统

  27. PCI总线和USB总线 • PCI总线： • 1993年， Intel公司，外围设备互连总线 • （Peripheral Component Interconnect-PCI） • 1997年美国NI公司，PXI模块化仪器总线 • USB串行总线： • 1995年， 美国多家公司，高性能串行数据总线（Universal Serial Bus-USB） • 计算机和仪器设备等均配备了USB端口

  28. 核电子学中的仪器标准总结 最早发展起来的核电子学标准，模拟仪器 • NIM(-GPIB)标准： • CAMAC标准 • FASTBUS 标准 • VME-VXI标准 • PCI-PXI标准 • USB标准 核电子学领域的专业总线，没能在其他领域得到推广 工业界的通用总线，近年来广泛应用于核电子学领域 • 重点： • 核电子学仪器标准在哪些方面提出了规范要求？ • 机械标准、电气标准和总线标准 • 几种典型的标准

  29. 仪器的发展 模拟仪器 模数转换出现，数字显示仪器

  30. 智能仪器 个人仪器

  31. 虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。①计算机是载体,②软件是核心③高质量的A/D采集卡及放大器是关键。 虚拟仪器

  32. 网络化仪器

  33. 总结

  34. 幅度甄别 线性放大 滤波成形 堆积判弃 基线恢复 至数据获取和处理系统 探测器 探测器 前置放大器 前置放大器 模数变换 能量信息 时间信息 位置信息 幅度分析 时间分析 时幅变换 时间检出 快放大器 时间数字变换 时间甄别

  35. 探测器的等效电路和输出回路，在复频域对信号和系统进行分析探测器的等效电路和输出回路，在复频域对信号和系统进行分析 • 前置放大器：作用和分类；三种前放的特点（输出幅度与何有关、输出幅度的稳定性等）；如何针对探测器来选择前放的种类。 • 主放大器：作用和分类；滤波成形电路；谱仪放大器的辅助功能（极零相消是重点、基线恢复、堆积判弃只要求概念和作用），谱仪放大器是重点

  36. 脉冲幅度分析： • 幅度甄别器：作用和分类；两种幅度甄别器的区别；单道分析器 • ADC：几种模数转换原理和特点、相关计算

  37. 时间分析： • 四种定时方法 • 符合测量技术：符合电路方框图，符合分辨时间，快慢符合技术 • 延迟技术 • 时间量变换方法：起停型TAC、直接计数型TDC和时间内插技术的基本思想

  38. 数据获取和处理系统： • 计数器：作用和分类；定标器和线性率表 • 多道分析器：智能缓存型计算机多道的组成；多道的数据获取主要方式（PHA、MCS、LIST MODE）

  39. 核电子学仪器标准： NIM标准、CAMAC标准、VME标准

  40. 同轴电缆：阻抗不匹配时的反射分析 • 必须熟悉每个插件对传输波形的改变。即每个插件的输入和输出的典型波形如何？（包括幅度的改变和波形的改变，典型的上升时间和下降时间） • 能够针对物理参数（如能谱、计数、时间分析等）和测量要求（符合测量）搭建相应的核电子学系统

  41. 快计数系统

  42. 慢计数系统

  43. 能谱测量系统

  44. 能谱测量系统

  45. 时间测量系统（符合测量系统）

  46. 实验课 • 计数系统 • 能谱测量系统 • 符合测量系统

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