УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОЩАДИ ВИДЕОИМПУЛЬСА Российский патент 2002 года по МПК G01R29/00 

Изобретение относится к области измерения характеристик видеоимпульсов, точнее к измерению площадей видеоимпульсов, поступающих во времени в виде пакетов, и может найти применение, например, в приборах масс-спектрометрии при молекулярных исследованиях или в устройствах энергоспектрометрии при ядерных исследованиях.

Существующие детекторы ядерного излучения формируют на выходе сигнал в виде токового видеоимпульса, полный заряд (площадь) которого пропорционален энергии регистрируемой частицы. Аналогично при поступлении ионного пакета на детектор масс-спектрографа на его выходе вырабатывается видеоимпульсы, площади которых (суммарный электрический заряд) являются мерой количества различных молекул, составляющих исследуемое вещество, а их временное (внутрипериодное) положение определяет молекулярный состав (спектр масс) последнего.

На основании сказанного очевидно, что актуально решение задачи оценки площадей видеоимпульсов случайной формы. При этом используемые алгоритмы оценки включают в себя вычисление функционала, практически осуществляющееся устройством, преобразующим значения оцениваемых площадей входных видеоимпульсов в величины амплитуд других импульсов, отличающихся от них по форме и снимаемых с его выхода. Измерение же амплитуды (одного конкретного параметра импульса) является простой и широко распространенной задачей, обычно осуществляемой хорошо известными устройствами - осциллографом, аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Известно устройство-аналог [1] , называемое токовым интегратором, представляющее собой операционный усилитель с отрицательной емкостной обратной связью, которое позволяет преобразовать площадь входного видеоимпульса, ограниченную временем его существования, в амплитуду выходного.

Недостатком данного устройства является то, что оно пригодно для обработки только одиночных (поступающих редко во времени) импульсов и не годится для измерений параметров видеоимпульсов, поступающих во времени в виде пакетов, что характерно для задач спектрометрии. В последнем случае временной интервал между приходящими импульсами может быть очень мал и их может поступить очень много, что быстро вводит в насыщение технически реализуемый интегратор, в силу ограниченности его динамического диапазона, и не позволяет произвести обработку всех составляющих пакет импульсов.

За прототип взято устройство [2] для определения площади видеоимпульса, называемое интегратором со сбросом, выполненное в виде интегратора, параллельно интегрирующей емкости которого подсоединен электронный ключ для сброса накопленного электрического заряда за время действия очередного входного импульса, при этом ключом управляет генератор стробирующего импульса, входящий в состав устройства. Ключ и генератор составляют узел, задающий время обработки сигнала. Описанное устройство способно преобразовывать значения площадей отдельных входных видеоимпульсов в величины амплитуд выходных, но для пакетов импульсов его существенным недостатком является недостаточная разрешающая способность, т.к. необходимо знание времени прихода каждого импульса пакета, что не всегда возможно (например, в энергоспектрометрии), кроме того, в данном случае минимальные длительность и скважность импульсов в обрабатываемом пакете ограничены быстродействием реального, технически реализуемого ключа, т.е. существуют принципиальные трудности в применении данного устройства в спектрометрии, где обычно с детектора снимаются пакеты наносекундных видеоимпульсов малой скважности. Дополнительным недостатком подобного устройства является искажения формы выходных импульсов, амплитуду которых необходимо измерять, приводящие к увеличению погрешности измерения. Эти искажения связаны с частичным прохождением импульсного сигнала управления на выход ключа.

Задачей, которую решает предлагаемое изобретение, является повышение разрешающей способности устройства при обработке пакетов видеоимпульсов.

Эта задача решается тем, что в известном устройстве для определения площади видеоимпульса, включающем узел, задающий время обработки полезного сигнала, соединенный с входом интегратора, выход которого соединен с измерителем амплитуды импульса, согласно формуле изобретения упомянутый узел, задающий время обработки, состоит из элемента задержки, усилителя-инвертора и сумматора, вход элемента задержки и первый вход сумматора подключены к входу устройства, выход элемента задержки подключен к входу усилителя-инвертора, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а выход сумматора подключен к сигнальному входу интегратора.

Сущность изобретения состоит в том, что предложенная структура устройства реализует режим скользящего интегрирования входных сигналов за конечное время, определяемое величиной временной задержки. Подобный режим является инвариантным во времени и, следовательно, не зависит от моментов прихода обрабатываемых импульсов и от их длительности и скважности. Кроме того, отсутствие необходимости в ключе исключает возникновение дополнительных погрешностей при измерении площадей импульсов.

Как ясно из вышеизложенного, вычисление требуемого функционала, преобразующего площади входных видеоимпульсов в амплитуды выходных, должен осуществлять интегратор с конечным временем интегрирования, определяемым максимально возможной длительностью наблюдаемых импульсов.

Для того чтобы показать, что предлагаемая структура устройства реализует собой интегратор с конечным временем интегрирования, заметим, что последний, как любая линейная система, полностью характеризуется импульсной характеристикой h(t-s), имеющей в данном случае вид прямоугольного видеоимпульса. В этом случае результат воздействия входного сигнала на предлагаемое устройство теперь можно записать в виде интеграла свертки

где y(t) - амплитуда выходного сигнала в момент окончания входного импульса (значение его площади);
x(s) - входной импульс;
τ - длительность входного импульса (время интегрирования).

При преобразовании в формуле (1) использовались стробирующие свойства прямоугольного импульса.

Из (1) видно, для любого значения t получаемая на выходе функция является значением интеграла от входного воздействия за прошедшие τ секунд, что и объясняет название "интегратор с конечным временем интегрирования".

Из (1) также видно, что алгоритм обработки входных видеоимпульсов состоит из задержки входного сигнала, взаимного вычитания задержанного из незадержанного входного сигнала и интегрирования полученной разности. Данные операции и реализуют предлагаемое устройство. Известно, что операторы задержки и интегрирования являются инвариантными во времени, поэтому их последовательное соединение будет также обладать этим свойством.

Для реализации описанного алгоритма (интегрирования с конечным временем интегрирования) в предлагаемое устройство введены элемент задержки, усилитель-инвертор, компенсирующий затухание сигнала в элементе задержки, аналоговый сумматор и интегратор, причем все активные элементы выполняются на базе операционных усилителей.

Так как предлагаемая система реализует режим скользящего интегрирования с конечным временем, то накопления сигнала на емкости интегратора не происходит, и обнуления в процессе функционирования системы не требуется. Подобное устройство обеспечивает преобразование в реальном масштабе времени всех приходящих внутри пакета видеоимпульсов, например, снимаемых с выходов детекторов ядерного излучения или масс-спектрометров (импульсы тока при этом необходимо преобразовать в импульсы напряжения с помощью известных преобразователей), независимо от их количества и формы, в импульсы напряжения, значения амплитуд которых равны отсчетам площадей исходных сигналов, т.е. осуществляют обработку пакетов видеоимпульсов по мере их временной развертки.

В прототипе неидеальность технически реализуемых ключей приводит к появлению ошибок интегрирования, при этом переходные процессы запирания и отпирания ключа сопровождаются импульсами в выходной цепи, совпадающими с полярностью управляющего сигнала и пропорциональными ему по величине. Минимальные длительности времени включения и выключения ключа, а также стадии разрядки конденсатора в прототипе, зависящие от его емкости и внутреннего сопротивления включенного электронного ключа, не могут быть достаточно малыми, что не позволяет производить обработку импульсов малой (порядка десятков наносекунд) длительности, следующих с большой частотой (десятки мегагерц), т. е. разрешающая способность устройства - прототипа оказывается недостаточной. А именно такие пакеты видеоимпульсов характерны для процессов в масс-спектрометрии и для ядерных исследований. В прототипе также возникают существенные проблемы в формировании строб-импульсов в силу случайности времени появления принимаемых импульсов, а предлагаемое устройство лишено этих недостатков.

Если для периодических пакетов импульсов, характерных для масс-спектрометрии, и возможно создать многоканальную систему обработки, в которой под каждую периодическую последовательность импульсов, площадь которых оценивается, отводится отдельный схемотехнический канал, состоящий из интегратора со сбросом, формирователя строб-импульса с ключом и измерителя амплитуды, то вес и размеры такой установки будут слишком значительными при потребности в обработке больших пакетов импульсов, что практически исключает возможность ее использования.

В энергетической же спектрометрии в силу случайности момента появления регистрируемого импульса подобное построение устройства просто исключено.

Предлагаемое устройство изображено на чертеже, где
1 - элемент задержки;
2 - усилитель-инвертор;
3 - сумматор;
4 - интегратор;
5 - измеритель амплитуды.

Устройство работает следующим образом. На его вход (на вход элемента задержки 1 и на первый вход сумматора 3) поступают видеоимпульсы (токовые видеоимпульсы предварительно преобразуют в импульсы напряжения с помощью известных преобразователей, а импульсы напряжения преобразования не требуют). Усилитель-инвертор 2 имеет коэффициент передачи, компенсирующий амплитудное затухание сигнала, вносимое элементом задержки 1. Элемент задержки 1 должен обеспечивать задержку импульсов на время, не меньшее максимальной длительности приходящих импульсов. Сумматор 3 с инвертирующим усилителем 2 представляют собой схему вычитания сигнала. На выходе элемента задержки 1 каждый видеоимпульс пакета имеет временной сдвиг, определяемый элементом задержки. Затем импульс поступает через инвертирующий усилитель 2 на второй вход сумматора 3. На выходе сумматора 3 формируется сигнал, равный разности прямого и задержанного импульсов, который поступает на сигнальный вход интегратора 4, и затем с его выхода - на измерительное устройство 5.

Пример. Для примера было создано устройство для оценки площадей токовых видеоимпульсов, поступающих с детектора времяпролетного масс-спектрометра МГ-21. При этом для преобразования токовых импульсов с детектора в импульсы напряжения, к выходу детектора был подключен преобразователь ток/напряжение, реализованный на малошумящем широкополосном операционном усилителе AD 829. Элемент задержки представлял собой высокочастотный кабель РК-50 длиной 5 м, обеспечивающий задержку порядка 50 нс. Усилитель-инвертор, компенсирующий затухание сигнала в элементе задержки, а также суммирующий и интегрирующий усилители реализованы на базе широкополосного операционного усилителя AD 811. Для измерения выходного сигнала использовался осциллограф С1-99. С выхода детектора, разрешение которого обеспечивало формирование импульсов длительностью не более 50 нс, поступал сигнал в виде периодических пакетов токовых видеоимпульсов, максимальное количество которых в пакете могло достигать значения 1024. При этом длительности импульсов в пакете могли составлять от 10 нс в начале до 50 нс в конце, а расстояние между соседними импульсами составляло от 2,5 мкс в начале до 50 нс в конце, т.е. скважность реально могла изменяться от 250 до 1. Наблюдения на осциллографе показали уверенное выполнение предлагаемым устройством своих функций при поступлении на его вход видеоимпульсов описанной выше формы (преобразование отсчетов площадей всех входных токовых импульсов случайной формы в значения амплитуд выходных импульсов), то есть повышение разрешающей способности по сравнению с прототипом. При этом не наблюдались дополнительные искажения выходного сигнала и импульсные помехи, снижающие точность измерения. Анализ сигналов на осциллографе показал также, что предлагаемая система не ухудшает временное разрешение детектора.

При подключении вместо осциллографа АЦП АД 9050 с системой цифровой обработки сигнала была показана возможность измерения спектра масс с необходимой точностью. Например, спектральный анализ эталонной газовой смеси, состоящей из 27% углекислого газа и 73% азота, продемонстрировал уверенное измерение двух спектральных пиков со среднеквадратическим отклонением в 0,02%.

По наблюдению автора прототип не мог обеспечить обработку в реальном времени всех вышеописанных пакетов импульсов в связи с недостаточным быстродействием работы ключа. При этом частичное прохождение управляющего импульсного напряжения на выход устройства приводило к дополнительным погрешностям измерений.

Таким образом видно, что предлагаемое устройство решает поставленную задачу повышения разрешающей способности при преобразовании, с необходимой точностью, значений площадей входных видеоимпульсов, например, реально формируемых детекторами, используемыми в масс-спектрометрии или энергоспектрометрии, в отсчеты амплитуд выходных видеоимпульсов и может найти широкое применение при создании масс-спектрометров и энергоспектрометров, а также в других областях техники.

Литература
1. Х. Шмидт. Измерительная электроника в ядерной физике, Москва, Мир, 1989, с.25-26.

2. Ю.Г. Сосулин. Теоретические основы радиолокации и радионавигации, Москва, Радио и связь, 1992 г., с. 158-159.5

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения характеристик видеоимпульсов. Технический результат, заключающийся в повышении разрешающей способности устройства для определения площади видеоимпульса, достигается путем того, что устройство содержит узел, задающий время обработки полезного сигнала, соединенный с входом интегратора, выход которого соединен с измерителем амплитуды импульса, причем упомянутый узел, задающий время обработки сигнала, состоит из элемента задержки, усилителя инвертора и сумматора, вход элемента задержки и первый вход сумматора подключены к входу устройства, выход элемента задержки подключен к входу усилителя-инвертора, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а выход сумматора подключен к сигнальному входу интегратора. 1 ил.

Устройство для определения площади видеоимпульса, включающее узел, задающий время обработки полезного сигнала, соединенный с входом интегратора, выход которого соединен с измерителем амплитуды импульса, отличающееся тем, что упомянутый узел, задающий время обработки сигнала, состоит из элемента задержки, усилителя-инвертора и сумматора, вход элемента задержки и первый вход сумматора подключены к входу устройства, выход элемента задержки подключен к входу усилителя-инвертора, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а выход сумматора подключен к сигнальному входу интегратора.