核電子學與核儀器-課件十五上次課關鍵點本堂課主要內容五、閃電型模數變換器六、模數變換器的主要技術性能及其測量

6.1模數變換器的道寬、零點和積分非線性

6.2模數變換器的微分非線性

6.3計數率特性

6.4道剖面五、閃電型模數變換器為了進一步提高變換速度，隨著大規模集成電路技術的進步，近幾年又發展了一種閃電型模數變換器，簡稱FADC。閃電型模數變換器原理五、閃電型模數變換器閃電型模數變換是高速數字化的重要方法，可用來對波形進行高速取樣，在高能物理實驗中有不少應用。但是，它的微分非線性很差，尤其在高計數率時，可達百分之幾十，所以不適合于精確的能譜測量。閃電型模數變換器的精度每增加1位，所需要的比較器就增加一倍。同時，閃電型模數變換器的性能在很大程度上還取決于這些比較器的靜態、動態特性的一致性。因此實現高精度的閃電型模數變換在技術上還有一定難度。五、閃電型模數變換器為了克服比較器太多的缺點，可用多陣列的方法。這種方法不是用一個并聯比較器陣列，而是分為幾個陣列。雙陣列閃電模數變換器五、閃電型模數變換器雙陣列閃電模數變換器電平示意圖六、模數變換器的主要技術性能及測量6.1模數變換器的道寬、零點和積分非線性幅度響應是模數變換器的一個基本特性。從模數變換器的幅度響應可以求得變換系數、零點和積分非線性。測定模數變換器的幅度響應關鍵在于精確的確定幅度Ai及其相應的道址mi，但是由于模數變換器所變換的信號是在某個道寬大小內的脈沖幅度，所以存在一個道寬大小的誤差。

六、模數變換器的主要技術性能及測量6.1模數變換器的道寬、零點和積分非線性道邊界法

以道址mi為自變量測定對應的信號幅度Ai，一般以各道的下邊界作為該道道址mi所對應的Ai，測得數據就是模數變換特性m=f(A)的結果。實際的道邊界存在噪聲、電源電壓抖動等隨機干擾，所以道邊界是漲落的。六、模數變換器的主要技術性能及測量6.1模數變換器的道寬、零點和積分非線性峰位法

以信號幅度Ai為自變量測定對應的道址mi。其原理是：在脈沖發生器輸出脈沖上疊加一定幅度的白噪聲，使得幅度具有一個分布。這樣的脈沖送到模數變換器中就會進入模數變換器的若干道中，從而使輸出數字具有一個分布。六、模數變換器的主要技術性能及測量6.1模數變換器的道寬、零點和積分非線性峰位法

測量時應該得到對稱的峰形。峰的寬度應該使得0.1Nmax之間有10道左右。六、模數變換器的主要技術性能及測量為了確定峰的確切位置，用線性內插法先確定峰的左邊和右邊計數剛好等于0.1N’max處所對應的道數mb和mh。每道的計數：最大求和數對應mh-1道，峰位mp對應于縱坐標0.5N*max那點的橫坐標再加0.5道。

六、模數變換器的主要技術性能及測量用上述方法可測得道寬的穩定性誤差，包括長時間工作穩定性、溫度穩定性等。長時間穩定性：溫度變化引起的道寬不穩定：道寬不穩定將會引起能譜形狀的變化，一般，影響峰位主要在高道址上。六、模數變換器的主要技術性能及測量6.1模數變換器的道寬、零點和積分非線性峰位法

零點是幅度響應的截距。零點的穩定性誤差與溫度誤差：零點的不穩定會引起能譜峰位的移動。它對低道址的峰位影響較大。六、模數變換器的主要技術性能及測量6.1模數變換器的道寬、零點和積分非線性峰位法

模數變換器的積分非線性：理想值與真實值之間的偏差為：積分非線性為：溫度變化六、模數變換器的主要技術性能及測量計算積分非線性的更精確方法可以用最小二乘法得到最佳擬合直線。實測N個點，可得六、模數變換器的主要技術性能及測量由此可得到積分非線性為：為了簡便，實際工作中往往用近似方法計算。六、模數變換器的主要技術性能及測量6.2模數變換器的微分非線性模數變換器的微分非線性是指各道道寬偏離平均值的程度。各道道寬是一個統計分布。為了測定各道道寬是否一致，利用脈沖幅度概率密度為常數的信號來進行測量，這種信號經過幅度數字變換后，在各道的計數就反映出道寬的均勻性。六、模數變換器的主要技術性能及測量6.2模數變換器的微分非線性通常用周期性滑移脈沖發生器產生幅度線性變化的脈沖序列作為“白譜”信號。滑移脈沖發生器的波形六、模數變換器的主要技術性能及測量6.2模數變換器的微分非線性滑移脈沖發生器的脈沖序列可表示為：單位幅度間隔內的脈沖數：微分非線性DNL為：由各道計數偏差求得的各道道寬的相對偏差為：六、模數變換器的主要技術性能及測量6.2模數變換器的微分非線性模數變換器的微分非線性測量結果如圖所示。溫度變化引起微分非線性的變化，其結果可由下式來決定：以上測量中，應使每道計數具有良好的統計精度，即各道計數要足夠大。但是滑移脈沖發生器的重復頻率有限，因此對于高道數的模數變換器，測量微分非線性需要很長的時間。六、模數變換器的主要技術性能及測量6.2模數變換器的微分非線性實際測量中，模數變換器接受的是隨機脈沖，為了直接了解道寬偏差對于隨機性脈沖測量的影響。可用隨機性滑移脈沖進行測定。隨機滑移脈沖發生器的脈沖序列不是周期性的，而是隨機的，所以各道計數平均值為時，標準偏差為，大于此標準偏差的就是道寬不均勻及漲落的影響。直接從能譜中估計微分非線性的影響

六、模數變換器的主要技術性能及測量6.3計數率特性模數變換器的計數率特性反映了輸入計數率增高時模數變換器特性的變化。通常用所測能譜的峰位移動和分辨率變壞來衡量。模數變換器計數率特性測量框圖六、模數變換器的主要技術性能及測量6.3計數率特性一般，在整個能譜測量系統中，由計數率變化引起峰位移動和分辨率變壞的主要因素是放大器。在計數率高時，放大器產生的脈沖堆積和基線漂移較嚴重，而模數變換器中的直流耦合的影響要比放大器小。在實際系統中要研究的主要是放大器的計數率特性問題。如果要測定模數變換器本身的計數率特性就要求在它前面的電路有比它更好的計數率特性，這通常是很難做到的。六、模數變換器的主要技術性能及測量6.4道剖面道剖面又稱道輪廓，是反映道邊界統計漲落大小的一個技術指標。實際模數變換器由于噪聲、電源電壓漲落等而存在統計漲落，因此道邊界不是一個恒定不變的邊界線。理想道邊界實際道邊界六、模數變換器的主要技術性能及測量6.4道剖面假設道邊界的分布是高斯分布，則道寬同樣是一個高斯分布。對于恒定邊界，則恒定道邊界統計漲落道邊界

六、模數變換器的主要技術性能及測量6.4道剖面道剖面的平坦部分所占的比例常用來衡量模數變換器道寬的性能。若平坦