Hình thành xung

Kênh chậm của DPP ñược tối ưu hóa cho các phép ño biên ñộ xung chuẩn xác.

Khuếch ñại tinh 2.5k 2.5k 460Ω 3nF Ngõ ra PA Ngõ vào ADC Khuếch ñại lặp lại Khuếch ñại thô Bộ lọc cao qua 3.2 µs 900Ω 6.8nF Dịch DC ngõ vào

20

Kênh này dùng ñể tạo dạng xung hình thang cân, có dạng xung ngõ ra ñiển hình ñược chỉ trong hình 1.9. Dạng xung này cung cấp tỷ số tín hiệu trên tạp âm gần tối ưu cho nhiều ñầu dò. Liên quan ñến các dạng tương tự truyền thống, xung hình thang cân cung cấp tạp âm ñiện tử thấp hơn và ñồng thời làm giảm chồng chập xung. Thời gian tăng/giảm và thời gian phân giải của khe ñỉnh ñược ñiều chỉnh trên nhiều bước. Bộ khuếch ñại bán Gauss có thời gian hình thành xung τ, thời gian ñạt ñỉnh 2.2τ có thể so sánh ñược với hàm thực hiện dạng xung hình thang cân có cùng thời gian ñạt ñỉnh. Một DPP nào ñó với thời gian ñạt ñỉnh 2.4 µs sẽ gần tương ñương với việc hình thành xung bán Gauss có thời hằng 1 µs.

Sự thay ñổi thời gian ñạt ñỉnh là một yếu tố quan trọng nhằm tối ưu hóa cấu hình hệ thống. Thời gian ñạt ñỉnh ngắn nhất sẽ cực tiểu hóa DT, dẫn ñến tốc ñộ dữ

liệu ra/vào cao, song tạp âm lại tăng ở thời gian lấy ñỉnh ngắn [85]. Việc xác lập tối ưu phụ thuộc vào ñầu

dò kể cả PẠ Tạp âm của ñầu dò có giá trị cực tiểu

Hình 1.9: Đáp ứng xung ñược tạo ra bởi hệ thiết bị số [55]. ở một số vị trí lấy ñỉnh, gọi là ‘góc tạp âm’. Nếu thời gian ñạt ñỉnh dài so với tốc ñộ ñếm xung vào, xung chồng chập sẽ xảy rạ Khi thời gian tăng từ PA dài hơn thời gian ñạt ñỉnh, các xung ngõ ra sẽ bị méo bởi ñộ hụt biên ñộ; và lúc ñó phải mở rộng ñỉnh hình thang nhằm cải thiện phổ.

1.4.2.4b. Kênh nhanh

Vệt số 3 phía trênbiểu diễn ngõ vào ADC, vệt số 2 biểu thị ngõ ra tạo dạng tín

21

hiệu của kênh nhanh, và vệt số1 (ñáy) biểu thị ngõ ra logic ñể ñếm các sự kiện kênh nhanh. Kênh nhanh của DPP ñược tối ưu hóa ñể phát hiện các xung chồng chập trong ‘kênh chậm’. Kênh nhanh ñược dùng cho logic chống chồng chập, và ñể xác ñịnh tốc ñộ ñếm xung vào thực (nhằm hiệu ñính các sự kiện mất mát ở thời gian chết của kênh chậm). Kênh nhanh cũng tạo dạng hình thang cân, song thời gian ñạt ñỉnh có thể là 100 ns hoặc 400 ns. Hình 1.10-trái chỉ ra các dạng xung ño ñược với thời gian ñạt ñỉnh 100 ns, các xung tách biệt sẽ ñược ñếm trong kênh nhanh và các xung không tách biệt (phía phải) sẽ không ñược ñếm.

1.4.2.5. Mạch hồi phục ñường cơ bản (BLR)

Biên ñộ xung cần ño thường liên quan ñến ñường cơ bản (BL). Mọi thăng giáng ngẫu nhiên hoặc thay ñổi có tính hệ thống trong BL sẽ làm suy giảm chất lượng phép ño biên ñộ xung. Thông thường, BL ñược giả ñịnh là ‘zero’, nhưng ñây là một khái niệm không tường minh, vì ‘ñất’ ñơn thuần chỉ biểu trưng mốc tham chiếu trong các phép ño thế. Nếu BL thay ñổi theo thời gian lẫn tốc ñộ ñếm, hoặc bất cứ tham số nào khác, sự méo dạng sẽ xuất hiện trong các phép ño, làm trôi phổ và kéo theo ngưỡng sẽ thay ñổị Trên thực tế, ñộ dịch BL xảy ra theo tốc ñộ ñếm.

Do hàm truyền của DPP có ñáp ứng xung hữu hạn (FIR) [80] nên sau khi xung truyền qua ñường ống xử lý, hàm truyền không tác ñộng ñến ngõ ra dẫn ñến ñộ ổn ñịnh BL ñược nâng lên rõ rệt ở các tốc ñộ ñếm caọ DPP không thiết lập ñường cơ bản DC ở tất cả mọi tốc ñộ ñếm và trên thực tế một vài sự dịch chuyển theo tốc ñộ ñếm là quan sát ñược.

1.4.2.6. Tác vụ chọn lựa xung 1.4.2.6ạ Ngưỡng 1.4.2.6ạ Ngưỡng

DPP sử dụng ngưỡng ñể nhận dạng xung và ngưỡng ñược xác lập trên mức tạp âm. Cả hai kênh nhanh và chậm ñều có các ngưỡng ñộc lập của chúng. Tạp âm trong kênh nhanh thường cao hơn nên việc xác lập ngưỡng trên mức tạp âm là tốt nhất, và vì vậy ngưỡng sẽ khác nhau trong hai kênh. DPP dùng ngưỡng kênh chậm ñể nhận dạng các sự kiện ñược cộng vào phổ lưụ Ngưỡng kênh chậm tương ñương với bộ phân biệt ngưỡng dưới (LLD). Ngưỡng kênh nhanh cũng hoạt ñộng như LLD và ñược dùng cho một số tác vụ: (1) Tốc ñộ sự kiện vượt ngưỡng nhanh là

22

phép ño tốc ñộ ñếm xung vào (ICR) của DPP; (2) Logic loại bỏ chồng chập (PUR) nhận dạng các sự kiện chồng chập trong kênh chậm nhưng ñược tách trong kênh nhanh; (3) Việc phân biệt thời gian tăng (RTD) sử dụng biên ñộ tín hiệu kênh nhanh ñể ño dòng tại thời ñiểm ban ñầu của xung. Việc xác lập ngưỡng thích hợp là rất quan trọng ñể DPPxử lý tín hiệu có hiệu quả cao.

1.4.2.6b. Chống chồng chập (PUR) cho DPP

Nhiệm vụ của logic chống chồng chập (PUR) là phải xác ñịnh xem hai tương tác xảy ra quá gần nhau theo thời gian dẫn ñến xuất hiện như một xung ñơn có biên ñộ bị méọ Mạch chống chồng chập cho bộ xử lý xung số sử dụng hệ thống ‘nhanh- chậm’, trong ñó các xung ñược xử lý bởi kênh hình thành nhanh ñồng thời với kênh chậm hơn (kênh chính), cả hai kênh ñều thuần số.

Hình 1.11: Các tín hiệu biểu thị tác vụ thực hiện chống chồng chập.

Mặc dù về nguyên tắc kỹ thuật là tương tự như mạch hình thành xung truyền thống, mạch chống chồng chập và thời gian chết của DPP trong nhiều cách hoạt ñộng là khác nhau, kéo theo việc thực hiện nhiệm vụ sẽ hiệu quả hơn ở các tốc ñộ ñếm caọ Trước hết, sự ñối xứng của xung tạo dạng cho phép DT và khoảng chồng chập ngắn hơn. Thứ hai, không có DT kết hợp với việc số hóa và thu nhận ñỉnh.

Hình 1.11-trái biểu diễn hai sự kiện tách biệt nhau nhỏ hơn thời gian tăng của tín hiệu hình thành xung, trong khi hình 1.11-phải biểu diễn hai xung tách biệt nhau lớn hơn thời gian tăng. Trong hình 1.11-trái, ngõ ra là tổng của hai xung và các sự kiện ñược ñánh giá là bị chồng chập, tuy rằng ngõ ra của APP là tách biệt. Đối với xung gần tam giác, hiệu ứng chồng chập chỉ xảy ra khi hai sự kiện ñược tách biệt

23

nhỏ hơn thời gian ñạt ñỉnh, trong trường hợp ñó ñỉnh ñơn ñược quan sát cho hai sự kiện. Thời khoảng giữa hai sự kiện ñược sử dụng trong DPP cho cả thời gian chết và chống chồng chập là tổng của thời gian tăng và thời gian phân giải khe cạnh ñỉnh [69], [82], [83]. Nếu hai sự kiện xảy ra trong khoảng thời gian này và việc chống chồng chập bị cấm, giá trị chồng chập ñơn sẽ thuộc phổ. Nếu có tác vụ chống chồng chập và hai sự kiện ñược tách biệt lớn hơn ñộ phân giải cặp xung kênh nhanh và nhỏ hơn thời khoảng giữa hai sự kiện này, cả hai ñều bị loại bỏ. Các sự kiện vượt quá ngưỡng trong kênh nhanh luôn lật trạng thái logic chống chồng chập.

1.4.2.7. Khóa xóa và phân biệt thời gian tăng

Về tổng thể, bộ MCA số hoạt ñộng giống như MCA truyền thống, ngoại trừ việc ngõ vào ñã ñược số hóạ MCA phát hiện biên ñộ ñỉnh của dạng xung ñã hình thành nhờ dùng mạch dò ñỉnh số. Nếu logic chọn lựa này cho biết xung có hiệu lực, MCA tăng giá trị và lưu vào ô nhớ tương ứng biên ñộ ñỉnh. DPP ño phổ, ñếm sự kiện suốt thời gian thu nhận (ACQT). ACQT là thời gian thực trôi qua và suốt thời khoảng ñó dữ liệu ñược truyền [23], [66]. Xung nhịp ACQT bị ngắt theo khoảng sự kiện nhất ñịnh, bao gồm việc truyền dữ liệu trên tuyến dẫn nối tiếp và các chu kỳ xóạ Tốc ñộ ñếm thực ñược tính thông qua ACQT thực tế hơn là thời gian truyền dữ liệụỞ các tốc ñộ ñếm cao, TRP sẽ xóa nhiều lần nên ACQT sẽ ngắn hơn trong mỗi lần truyền và thời gian này ñược hiển thị cùng với các số ñếm chậm và nhanh. Tất cả hệ thống phổ kế hạt nhân ñều biểu diễn DT liên quan ñến mỗi tương tác của bức xạ [42], [67], [82]. Sau mỗi tương tác, tồn tại một khoảng thời gian mà nếu xung xuất hiện trong thời khoảng ñó sẽ không phát hiện ñược nên không ñóng góp vào các số ñếm ngõ rạ Do thời gian xuất hiện của xung là ngẫu nhiên nên luôn tồn tại xác suất ñể các xung xảy ra trong khoảng DT này, và vì vậy tốc ñộ ñếm ngõ ra (Rout) ño bởi hệ thống luôn thấp hơn tốc ñộ ñếm ngõ vào (Rin). Khi xác ñịnh ñược DT, các mất mát về số ñếm ñược hiệu chỉnh bổ sung. Đặc trưng DT của bộ DPP khác với ñặc trưng DT của các hệ thống tương tự truyền thống rất ñáng kể:

+ DT/xung của bộ DPP sẽ thấp hơn DT/xung của bộ APS. Không có DT liên quan ñến việc thu nhận ñỉnh và DT theo mỗi xung giảm nhiều do FIR của sự hình thành tín hiệụ

24

Vào Ra

Trễ

+

-

+ Sử dụng kênh nhanh ñể trực tiếp xác ñịnh Rin, từ ñó ñộ chuẩn xác của phương pháp này tốt hơn nhiều so với khi dùng các ñồng hồ thời gian thực.

+ Đánh giá DT của hệ nhờ so sánh tốc ñộ ñếm trong các kênh nhanh và chậm. DPP có nhiều bộ ñếm ñược khởi phát và dừng ở cùng thời ñiểm như ñã dùng ñể ghi phổ gồm: bộ ñếm kênh nhanh ghi tất cả các sự kiện kênh nhanh vượt ngưỡng nhanh và lưu vào phổ, có các bộ SCA cùng ngưỡng xác lập, kể cả logic chọn xung (PUR, RTD, v.v …).

1.4.3. Mô hình thuật toán DSP dùng trong thiết kế bộ ghi-ño bức xạ

1.4.3.1. Giới thiệu

Các thuật toán ñệ quy ñể hình thành xung và xử lý xung theo thời gian thực trong các phép ño chiều cao xung ñã ñược phát triển và trình bày trong công trình [87] và các kết quả liên quan quá trình ñộng theo ñúng chế ñộ thời gian thực ñã ñược ñề cập trong [89]. Tín hiệu vi phân từ PA dạng hàm mũ ñược khuếch ñại và số hóạ Dữ liệu số hóa ñược khử tích chập sao cho ñáp ứng xung của mạch cao qua ñược loại bỏ. Xung ñã khử tích chập ñược xử lý bằng bộ lọc

số bất biến theo thời gian (time- invariant) cho phép tổng hợp các dạng tam giác hoặc hình thang. Giả ñịnh rằng xung hàm mũ ñược số hóạ Tín hiệu này có thể thu ñược nhờ lấy vi phân tín hiệu từ bộ CSP hoặc bộ RFT có mạch bù trừ P-Z.

Hình 1.12: Đơn vị kết hợp tác vụ làm chậm- thuật toán trừ.

Cách thức này cho phép loại trừ ñộ dịch DC và khuếch ñại các xung ngắn dạng mũ ñể ñộ phân giải của ADC lấy mẫu có thể ñạt mức tốt nhất với giả ñịnh rằng thuật toán xử lý tín hiệu bậc ngõ vào ñã số hóạ Khi ngõ ra của CSP ñược số hóa trực tiếp, ñộ phân giải số của bộ xử lý phụ thuộc vào ñặc trưng tạp âm của tín hiệu và số mẫu ñược số hóa trong cửa sổ lấy trung bình trượt (MA). Do khả năng ñáp ứng phù hợp với các ứng dụng theo thời

gian nên việc sử dụng thuật toán hình thành kiểu số ñược quan tâm áp dụng và cho phép tổng hợp dạng xung hình thang/

tam giác. Hình 1.13: Bộ khử tích chập mạch cao qua kiểu số.

r(n) Số hóa ACC Mv(n) p(n) Σ HPD C R τ = CR M ≈τ/T CLK – 0.5 M TCLK v(n) + + MUL

25

1.4.3.2. Bộ tạo dạng xung số (DPS) hình thang

Thuật toán ñệ quy biến ñổi xung hàm mũ ñã số hóa v(n) sang xung hình thang cân s(n) ñược cho như sau:

, ( ) ( ) ( ) ( ) ( ), k l d n =v n −v n−k −v n l− +v n− −k l (1.10) , ( ) ( 1) k l( ), 0, p n = p n− +d n n≥ (1.11) , ( ) ( ) k l( ), r n = p n +Md n (1.12) ( ) ( 1) ( ), 0, s n =s n− +r n n≥ (1.13)

ở ñó v(n), p(n), và s(n) bằng zero với n < 0. Tham số M chỉ phụ thuộc vào thời hằng phân rã τ của xung hàm mũ và chu kỳ lấy mẫu Tclk của bộ số hóa và ñược cho bởi:

( ) 1 exp clk / 1 .

M = T τ − − (1.14)

Đối với các giá trị τ/Tclk > 5, pt. (1.14) có thể ñược xấp xỉ như sau: M = τ / Tclk – 0.5.

Pt. (1.10) có thể ñược diễn ñạt như một chuỗi hai thủ tục giống nhau cho bởi tập phương trình: ( ) ( ) ( ), k d n =v n −v n−k (1.15) , ( ) ( ) ( ). k l k k d n =d n −d n l− (1.16)

Đơn vị thực thi thuật toán của pt. (1.15) hoặc pt. (1.16) ñược phác họa trong hình 1.12, gọi là ñơn vị trừ-làm chậm (DS), và khối ñó chứa hai thành phần cụ thể là ñường trễ lập trình ñược và bộ trừ. Rõ ràng rằng thuật toán cho bởi pt. (1.10) thực thi ñược bằng cách nối tiếp hai ñơn vị DS lần lượt có ñộ sâu của ñường ống là k và

l. Khoảng thời gian của sườn tăng (giảm) ở dạng hình thang ñược cho bởi giá trị k và l và khoảng rộng của khe ñỉnh phẳng hình thang ñược cho bởi giá trị tuyệt ñối của ñộ sai phân giữa k và l (abs(l – k)). Thành phần quan trọng nhất của bộ tạo dạng số hình thang là ñơn vị tiến hành các tác vụ cho bởi các pt. (1.11) và (1.12). Thuật toán ñược xác ñịnh bởi các phương trình này sẽ khử tích chập ñáp ứng của bộ lọc cao qua CR. Nói cách khác, nếu xung hàm mũ ñược lấy mẫu có thời hằng phân rã τ áp tới ngõ vào của ñơn vị như vậy, ñáp ứng xung là tín hiệu bậc. Đơn vị HPD cũng có thể ñược sử dụng như mạch số bù trừ P-Z. Vì cả hai mạch ñều là các hệ tuyến bất biến theo thời gian nên ñáp ứng liên kết hai ñơn vị theo cấu trúc nối tiếp là

26 r(n) Số hóa ACC MUL M1v(n) p(n) Σ HPD C R τ2 = CR M1 = [exp(TCLK/τ1 – 1)]-1 M1 TCLK v(n) τ1 τ2 + ñộc lập với thứ tự kết nối [88]. Từ ñó, ảnh hưởng của xung phân rã hàm mũ ngõ vào bị loại khi xác lập tham số M như là

hàm của thời hằng phân rã tín Hình 1.14: Cấu hình HPD như bộ bù trừ P-Z số. (pt. (1.14)) và dạng mạch số bù trừ P-Z trong hình 1.14. Khối cấu trúc cuối của DPS hình thang là bộ cộng thực thi thuật toán ñược cho bởi pt. (1.13), nằm ở vị trí sau cuối trong dây chuyền xử lý. Độ phân giải số của bộ cộng này phải ñủ lớn ñể tích lũy giá trị số của dữ liệu ngõ ra lớn nhất có thể. Khi dùng các khối cấu trúc ñã mô tả như trên, tác giả của công trình [88] xây dựng mô hình cho DPS hình thang/tam giác.

Mô hình này có ADC lấy mẫu và bộ xử lý tốc ñộ caọ Tất cả các tham số của tín hiệu tạo dạng ñược ñiều khiển thuần số. Sơ ñồ khối DPS hình

Hình 1.15: Sơ ñồ bộ DPS hình thang/tam giác. Ở ñó: DLn - bộ làm chậm, ∑n - bộ cộng/trừ, ACCn - bộ cộng, MULn - bộ nhân, DSi - bộ trừ và trễ. thang ñược biểu diễn trong hình 1.15. Khi tín hiệu vào là hàm bậc, ñơn vị HPD ñược bỏ qua; lúc ñó dữ liệu số sau hai toán hạng làm chậm-trừ ñược áp trực tiếp tới bộ cộng ngõ rạ Để bộ DPS nhận tín hiệu vào kiểu hàm mũ hoặc bậc, một phiên bản của ñơn vị HPD ñã ñược sử dụng. Dữ liệu ngõ vào bộ nhân và bộ cộng ghép kênh ñược nhân bởi hai thừa số m1 và m2tương ứng. Khi tín hiệu ngõ vào là xung hàm mũ, mối quan hệ giữa các hệ số nhân m1 và m2ñượccho bởi:

1/ 2 ,

m m =M (1.17)

ở ñó m2 là tham số xác ñịnh CG bằng số của DPS và M ñược cho bởi pt. (1.14). Khi tín hiệu ngõ vào là hàm bậc, hệ số m2bằngzero và CG số ñược xác ñịnh bởi thừa số nhân m1. CG số thay ñổi ñược bằng chương trình cho phép làm thích ứng dải dữ liệu ngõ ra DPS với bộ nhớ ña kênh. Hình 1.16 biểu diễn cấu hình thuật toán về ñáp ứng của DPS cho xung hàm mũ.