实验物理中数据获取与管理系统.pptVIP

祝成光 前端电子学 什么是前端电子学? 一般安装在探测器上，将探测器的微弱信号放大、处理形成数字信号的电子学。 前端电子学输出的数字信号经过长距离的电缆或光缆传输到数据存储区域，记录在磁带上，以供离线分析。 前端电子学将直接面对探测器，对于探测器信号的具体特征具有相应的解决方法。 探测器的信号特征 探测器相当于恒流源 探测器将粒子的沉积能量以一定的比例θ转换为信号电荷量。经过必要的修正，这个比例对于特定的探测器应当是常数。 探测器向前端电子学提供的信号电荷形成电流，探测器的输出阻抗一般都很大，这时可以看成一个恒流源。 信号随机性：粒子到达探测器的时间是随机的 由于粒子和探测器相互作用概率的涨落导致的信号幅度随机性 由于粒子到达探测器时间的随机性造成的相邻到达粒子之间间隔的随机性 粒子在探测器中穿越径迹的不同导致的信号宽度（形状）的随机性。 噪音、干扰和信号的共存 探测器和电子线路中的载流子数量上的涨落导致的信号强度的不规则变化称为噪音。 不同的电子学系统公用电源和地，一个系统在电源、信号线阻抗中的电流必然影响其他电子学系统，而且电流在空间引起的电磁场也会形成干扰 噪音来自电子学内部，干扰来自外部，对信号的测量都会造成误差。 因此探测器信号可以归纳为：不可预期的，形状不定的恒流电信号，夹杂着噪音和干扰信号。 对探测器信号的处理 前端电子学对探测器微弱信号的处理包括两大内容： 放大＋甄别（模数转换） 针对我们对信号的关心侧重点，不同处理方法应运而生。 信号的形成时间、幅度、宽度分别表达了不同的探测信息。 利用不同的处理方法将汲取信号的某一个方面的信息而丢掉其他的信息，最全面的方法是能够将整个信号的形状都转化为数字信息，再离线分析，但是这将需要电子学具有极强的信息处理和传输能力。 电荷量的测量－放大 电荷灵敏放大器 电压和电荷具有较好的正比性。 电压灵敏放大器 探测器信号电荷在探测器输出电容、电子学输入电容、分布电容组成的总电容上形成电压，由于这些电容杂散，不稳定因而电压放大的稳定性不好，信噪比不高。 电流灵敏放大器 由于电流信号宽度小，频带宽，而宽频的放大器制作困难约束了它的应用。 电荷量的测量－模数变换 FADC（flash analog digital converter) 从0到最大分割成间隔相等的阈值，信号和每一个阈值一次性比较而找到信号的幅度大小。例如8位的数字化需要FADC具有256个阈值。 逐次比较法 阈值大小依次为1:2:4:8:16……。信号将和和他们之间的组合比较，直到找到最合适的阈值代替信号幅度。 分级FADC 例如，8位数字化分为高4位和低四位，信号先和高四位16个阈值比较，再将高四位对应的信号幅度从信号中减掉，剩余的部分在和低四位16个阈值比较以确定低四位数字。其速度和电子学复杂程度处于上述两者的折中位置。 时间测量－定时甄别：在信号上选取某一点作为时间点。 信号上升沿过阈点：由于噪音和阈值选取导致时间测量的误差称为时间游动（time jetter） 过零定时：信号微分后的0点对应信号的最大值，作为时间点 恒比定时：将信号衰减后，作为阈，如图，两曲线的交点在时间轴上的位置和信号的幅度无关，因而减小幅度造成的误差 恒比定时的特例：当时间延迟和衰减常数都很小时。 定时点和信号幅度和形状都没有关系，是理想状态。 两信号相减得到过零信号，因此恒比定时也是一种过零定时。对于不同的探测器信号，相应的延迟和衰减参数都需要经过精心的调整 时间测量－时间数字变换（TDC) 计数式时间数字变换 带游标的计数式时间数字变换？游标卡尺 时间幅度变换：恒流源对电容充电，在信号时间间隔内形成的电容电压正比于该时间间隔。 波形取样技术 噪音特性: 随机性，并且对时间的平均等于0。 噪声幅值出现的概率符合高斯分布，大的幅值也有其存在的概率。 噪音的均方根可以描述噪音的大小，均方值可以表述为功率谱密度函数的积分。 减小噪音，前端的信号经过后级的放大，因此前级的噪音需要更严格的控制。 采用低噪音元件，低噪音线路－电子学任务 降低电路工作点（工作电压和电流） 降低电路的工作温度 冷端接技术（电子学的输入阻抗由等效电阻代替） 一般说来，探测器的输出电容越大，信噪比越差，前端电子学因而尽量靠近探测器，减小信号线的电容。 对数据的预处理 每次对撞产生的末态粒子仅仅分布在极少数的探测器中，绝大多数探测器没有被击中，因此没有探测数据。 读出前端电子学的数字信号应当舍弃这些信号道，压缩数据量，以减轻数据通道的压力。 探测器数据归一化 探测器信号经前端电子学处理后，存在一定的非线性，相同探测器不同通道的增益也不相同，因此需要对数据进行归一化修正。 这些工作也可以留给离线处理，但是会增加后续电子学和计算机的压力。 两者折衷取决于具体的实验要求