CN117491745B - 一种脉冲信号的时间及电荷测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲信号的时间及电荷测量方法及装置，其基本思想是通过前端放大成形电路提升探测器输入信号的信噪比并放缓信号前沿，将成形后的信号送入不同阈值的甄别器中得到多路甄别脉冲，采用组合逻辑电路进行多路甄别脉冲信号的合成，合成后的甄别脉冲利用TDC电路测量出脉冲的上升沿及下降沿的时间节点，基于时间节点计算得到时间及电荷信息，上述方案，采用多阈值甄别脉冲合成技术，单路合成脉冲结合TDC技术同时完成高精度时间和电荷测量，节省了多阈值甄别情况下的TDC通道数，无需复杂的硬件电路，降低了资源消耗，具有很好的有效性和实用性，且未引入额外的死时间即可完成时间和电荷的测量，可降低后端数据处理模块的复杂度。

Description

一种脉冲信号的时间及电荷测量方法及装置

技术领域

本发明涉及电路与系统、高精度时间及电荷测量领域，尤其涉及一种脉冲信号的时间及电荷测量方法及装置。

背景技术

高精度时间及电荷测量在粒子物理实验中有至关重要的作用，为还原出入射粒子的能量和径迹，需要实现较高的脉冲到达时间测量和电荷测量的精度。TOT（Time OverThreshold，时间过阈）技术通过阈值电压比较的方法将模拟信号数字化，并通过简单的数字信号处理提取出脉冲所携带的时间和电荷信息。相对于传统的波形数字化的方法，TOT技术无需模拟数字转换电路就可以进行脉冲信息的获取，具有低成本和低功耗的优势。

目前TOT技术在粒子物理实验读出系统中得到广泛应用，常用的一种技术方案为多阈值TOT。传统的多阈值TOT需要多路时间数字转换电路（TDC）去进行脉冲宽度的测量，这样会给后端数据处理模块带来高成本和较复杂的数据处理等问题。因此，需要对相对较低的成本和复杂度下的TOT技术进行研究。

针对多阈值TOT技术的简化，已有方法提出，通过将信号分为多路，每一路信号延迟不同时间后进行甄别，通过一些电路上的逻辑操作将不同延迟时间下的甄别信号按阈值大小进行排列后合成为一路甄别信号，但该方法无法实现太大的信号延迟时间，且会引入额外的测量死时间，对前端探测器的事例率有较高的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种脉冲信号的时间及电荷测量方法及装置，其基本思想是通过前端放大成形电路提升探测器输入信号的信噪比并放缓信号前沿，将成形后的信号送入不同阈值的甄别器中得到多路甄别脉冲，采用组合逻辑电路进行多路甄别脉冲信号的合成，合成后的甄别脉冲利用TDC电路测量出脉冲的上升沿及下降沿的时间节点，基于时间节点计算得到时间及电荷信息，上述方案，在多阈值甄别的情况下仅消耗一路TDC资源，无需引入额外的死时间就可完成时间和电荷的测量，并降低后端数据处理模块的复杂度，相比传统的波形采样和多阈值TOT方法明显降低了功耗，节省了更多的硬件资源，显著降低了成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种脉冲信号的时间及电荷测量方法，包括：

对脉冲信号进行放大成形，获得成形信号；

对成形信号进行不同阈值的甄别处理，获得不同脉宽的甄别脉冲；

将不同脉宽的甄别脉冲合成为一路信号，称为合成脉冲；

对合成脉冲所有边沿到来时间进行测量；

利用测量到的所有边沿到来时间以及对应的阈值，完成脉冲信号的到达时间及电荷信息的提取。

一种脉冲信号的时间及电荷测量装置，包括：

前端模拟电路，用于对脉冲信号进行放大成形，获得成形信号；

不同阈值的甄别器，用于对成形信号进行不同阈值的甄别处理，获得不同脉宽的甄别脉冲；

组合逻辑电路，用于将不同脉宽的甄别脉冲合成为一路信号，称为合成脉冲；

TDC电路，用于对合成脉冲所有边沿到来时间进行测量；

可编程逻辑器件，用于利用测量到的所有边沿到来时间以及对应的阈值，完成脉冲信号的到达时间及电荷信息的提取。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，1）本发明采用多阈值甄别脉冲合成技术，单路合成脉冲结合TDC技术同时完成高精度时间和电荷测量。节省了多阈值甄别情况下的TDC通道数，无需复杂的硬件电路，降低了资源消耗，具有很好的有效性和实用性。2）在进行多阈值脉冲合成时，合成后的单通道脉冲包含合成前脉冲的所有边沿信息，且未引入额外的死时间。该方法具有很高的通用性，不仅可以适用于宇宙线观测实验还可以适用于加速器实验的高精度时间及电荷测量，尤其适用于前端探测器高事例率的高能物理实验读出系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种脉冲信号的时间及电荷测量方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的参考PMT脉冲波形示意图；

图3为本发明实施例提供的一种前端放大成形电路原理示意图；

图4为本发明实施例提供的一种多阈值甄别脉冲合成电路原理示意图；

图5为本发明实施例提供的一种到达时间及电荷面积计算方法；

图6为本发明实施例提供的脉冲信号的时间及电荷测量方法的精度仿真验证图；

图7为本发明实施例提供的脉冲信号的时间及电荷测量方法的精度仿真验证图；

图8为本发明实施例提供的一种脉冲信号的时间及电荷测量装置的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素（如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等），应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

当各类参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。

下面对本发明所提供的一种脉冲信号的时间及电荷测量方法及装置进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例一

本发明实施例提供一种脉冲信号的时间及电荷测量方法，如图1所示，其主要包括如下步骤：

步骤1、对脉冲信号进行放大成形，获得成形信号。

本发明实施例提供的方案，可适用于PMT（Photo Multiplier Tube，光电倍增管）/SiPM（Silicon Photomultiplier，硅光电倍增管）等探测器输出的脉冲信号。

以粒子物理实验中常用的光电倍增管信号的高精度电荷测量及脉冲到达时间测量为例，图2展示了实施例中所使用的参考PMT脉冲波形，其前沿约4 ns。

本发明实施例中，可构建前端模拟电路实现脉冲信号的放大成形，电路可采用四阶的低通滤波电路，运放起到隔离和幅度补偿的作用，图3提供了电路原理图的示例，R为匹配电阻，五级运放的放大倍数依次为A1、A2、A3、A4、A5，RC滤波电路时间常数为R1和C1的乘积记为。

作为举例：选用的运放增益带宽积大于500MHz，匹配电阻R的取值为50Ω，A1取值范围为5~7，A2、A3、A4取值范围为1.2~3，A5取值范围为2~4，取值为10^-8s数量级。

步骤2、对成形信号进行不同阈值的甄别处理，获得不同脉宽的甄别脉冲。

本发明实施例中，设置阈值依次为Vth₁、Vth₂、……、Vth_n的n个甄别器，且Vth₁<Vth₂ <……< Vth_n，成形信号经n个甄别器后，产生n个脉宽不同的甄别脉冲P₁、P₂、……、P_n，第j个甄别脉冲P_j的上升沿到来时间记为tr_j，下降沿到来时间记为tf_j，j=1,2,…,n。

作为举例：可设置n=3，Vth₁的取值范围为0.006V~0.08V，Vth₂的取值范围为0.1V~0.3V，Vth₃的取值范围为0.2V~0.8V。

步骤3、将不同脉宽的甄别脉冲合成为一路信号，称为合成脉冲。

本步骤的优选实施方式如下：对于n个不同脉宽的甄别脉冲P₁、P₂、……、P_n；1）若n为奇数，n=2k+1，k为正整数，对甄别脉冲P_2i进行逻辑非操作，再与甄别脉冲P_2i-1进行逻辑与操作得到信号P_i'，i=1,2,……,k；将信号P_i'与甄别脉冲P_n进行逻辑或操作得到合成脉冲P_finnal；2）若n为偶数，n=2k，k为正整数，对甄别脉冲P_2i进行逻辑非操作，再与甄别脉冲P_2i-1进行逻辑与操作得到信号P_i''，i=1,2,……,k；将信号P_i''进行逻辑或操作得到合成脉冲P_finnal。合成脉冲包含2n个边沿。

作为举例：设置n=3，采用组合逻辑电路进行3路甄别脉冲合成，操作流程如图4所示。3路甄别脉冲P₁、P₂和P₃分别经过对应的逻辑电路，对P₂进行逻辑非操作后再与P₁进行逻辑与操作得到信号P₁'，P₁'与P₃进行逻辑或操作得到脉冲宽度等于P₁的信号P_finnal。P_finnal包含了3个脉冲信号的所有边沿信息，共3个上升沿和下降沿。

步骤4、对合成脉冲所有边沿到来时间进行测量。

如之前所述，合成脉冲由n个不同脉宽的甄别脉冲合成，每一甄别脉冲具有上升沿到来时间与下降沿到来时间，将第j个甄别脉冲的上升沿到来时间记为tr_j，下降沿到来时间记为tf_j，j=1,2,…,n；通过对合成脉冲所有边沿到来时间进行测量，获得n个不同脉宽的甄别脉冲的上升沿到来时间与下降沿到来时间。

步骤5、利用测量到的所有边沿到来时间以及对应的阈值，完成脉冲信号的到达时间及电荷信息的提取。

如图5所示，给出了n=3时的时间和电荷信息的提取过程示意图，考虑到篇幅问题，图5中主要标识了直线与/>。

1）脉冲信号的到达时间的提取。

以时间为横轴（记为t轴），电压为纵轴（记为y轴），建立坐标系，基于两个点坐标(tr₁,Vth₁)、(tr₂,Vth₂)拟合一条直线：

；

其中，表示拟合的一条直线，/>为过阈电压，/>表示过阈时间；/>为斜率，通过两个点坐标进行计算；/>为y轴上的截距，通过一个点坐标与斜率/>进行计算；tr₁表示阈值为Vth₁的甄别器输出的甄别脉冲P₁的上升沿到来时间，tr₂表示阈值为Vth₂的甄别器输出的甄别脉冲P₂的上升沿到来时间。

计算直线与t轴的交点/>，完成脉冲信号的到达时间的提取。

具体的，脉冲信号的到达时间提取公式包括：

；

；

；

其中，为直线/>与t轴的交点，即脉冲信号的到达时间。

2）脉冲信号的电荷信息的提取。

以时间为横轴记为t轴，电压为纵轴记为y轴，建立坐标系，基于阈值和对应甄别脉冲边沿到来时间构建坐标点，(tr₁,Vth₁)、(tf₁,Vth₁)、(tr₂,Vth₂)、(tf₂,Vth₂)、(tr₃,Vth₃)、(tf₃,Vth₃)、……、(tr_n,Vth_n)、(tf_n,Vth_n)，n为甄别脉冲的数目（也即甄别器的数目），Vth_j为甄别脉冲对应的阈值（也即对应甄别器的阈值），tr_j为第j个甄别脉冲的上升沿到来时间，tf_j为第j个甄别脉冲的下降沿到来时间，j=1,2,…,n。

具体来说，Vth_j是甄别器设置的电压阈值，脉冲信号的幅度到达所设阈值时，甄别器会输出一个数字脉冲。数字脉冲的上升沿时刻对应脉冲信号上升沿到达设定阈值的时刻tr_j，数字脉冲的下降沿时刻对应脉冲信号下降沿到达设定阈值的时刻tf_j，即每个阈值Vth_j有两个与之对应的甄别脉冲边沿到来时刻。此处排序是按照Vth_j由小到大，每个Vth_j对应两个边沿到达时刻的规律进行排序，即(tr_j,Vth_j)、(tf_j,Vth_j)、(tr_j+1,Vth_j+1)、(tf_j+1,Vth_j+1)……的顺序。

将阈值相邻，t坐标同为上升沿到来时间或下降沿到来时间的两个点拟合一条直线，也就是说，基于(tr_j,Vth_j)和(tr_j+1,Vth_j+1)两个点或者(tf_j,Vth_j)和(tf_j+1,Vth_j+1)两个点拟合一条直线，除了拟合直线所需的两个坐标点外，剩下的坐标点共得到n-1条直线：

；

其中，为拟合的第i条直线，/>表示第i条直线对应的过阈电压值，/>表示过阈时间，/>为第i条直线的斜率，/>为第i条直线在y轴上的截距。

n-1条直线与直线、以及t轴相交构成了一个封闭图形，计算封闭图形面积作为脉冲信号的波形面积，即完成脉冲信号的电荷信息提取。

具体的，脉冲信号的电荷信息的提取公式包括：

；

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；

其中，为直线/>与t轴的交点，/>为直线/>与t轴的交点，/>表示直线/>与的交点垂直t轴的位置，/>表示交点垂直y轴的位置，/>为脉冲信号的波形面积。

图6~图7展示了本发明提供的上述方案的精度仿真验证结果，在成形信号幅度为450mv~1200mv动态范围内，时间精度好于40ps RMS，电荷精度好于0.5%，相对于传统方案而言，其具有高精度低成本的优点。

本发明实施例提供的方案，与现有的时间及电荷测量方案相比，在更少的硬件设计复杂度情况下，实现了单通道同时完成时间和电荷测量的任务。相对于目前国际上广泛采用的时间电荷测量方案如波形数字化技术、传统多阈值TOT技术等，具有电路结构简单、集成度高、低功耗、可以实现较高精度等特点，应用成本更低，这种时间电荷测量方法可广泛应用于物理实验中大规模信号读出领域，包括宇宙线观测实验探测信号读出、加速器实验探测信号读出、医疗成像领域的PET（Positron Emission Computed Tomography，正电子发射型计算机断层显像）探测信号读出等。

实施例二

本发明还提供一种脉冲信号的时间及电荷测量装置，其主要用于实现前述实施例提供的方法。

如图8所示，该系统主要包括：

前端模拟电路，用于对脉冲信号进行放大成形，获得成形信号；

不同阈值的甄别器，用于对成形信号进行不同阈值的甄别处理，获得不同脉宽的甄别脉冲；

组合逻辑电路，用于将不同脉宽的甄别脉冲合成为一路信号，称为合成脉冲；

TDC电路，用于对合成脉冲所有边沿到来时间进行测量；

可编程逻辑器件，用于利用测量到的所有边沿到来时间以及对应的阈值，完成脉冲信号的到达时间及电荷信息的提取。

该装置中各电路（器件）的主要技术细节在之前的实施例中已经做了详细的介绍，故不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种脉冲信号的时间及电荷测量方法，其特征在于，包括：

对脉冲信号进行放大成形，获得成形信号；

对成形信号进行不同阈值的甄别处理，获得不同脉宽的甄别脉冲；

将不同脉宽的甄别脉冲合成为一路信号，称为合成脉冲；其中，将不同脉宽的甄别脉冲合成为一路信号的方式包括：对于n个不同脉宽的甄别脉冲P₁、P₂、……、P_n；若n为奇数，n=2k+1，k为正整数，对甄别脉冲P_2i进行逻辑非操作，再与甄别脉冲P_2i-1进行逻辑与操作得到信号P_i'，i=1,2,……,k；将信号P_i'与甄别脉冲P_n进行逻辑或操作得到合成脉冲P_finnal；若n为偶数，n=2k，k为正整数，对甄别脉冲P_2i进行逻辑非操作，再与甄别脉冲P_2i-1进行逻辑与操作得到信号P_i''，i=1,2,……,k；将信号P_i''进行逻辑或操作得到合成脉冲P_finnal；

对合成脉冲所有边沿到来时间进行测量；

利用测量到的所有边沿到来时间以及对应的阈值，完成脉冲信号的到达时间及电荷信息的提取；

脉冲信号的到达时间的提取方式如下：

以时间为横轴，电压为纵轴，建立坐标系，基于两个点坐标(tr₁,Vth₁)、(tr₂,Vth₂)拟合一条直线：

；

其中，表示拟合的一条直线，/>为过阈电压，/>表示过阈时间；/>为斜率，通过两个点坐标进行计算；/>为纵轴上的截距，通过一个点坐标与斜率/>进行计算；tr₁表示阈值为Vth₁的甄别器输出的甄别脉冲P₁的上升沿到来时间，tr₂表示阈值为Vth₂的甄别器输出的甄别脉冲P₂的上升沿到来时间；

计算直线与横轴的交点/>，完成脉冲信号的到达时间的提取；

脉冲信号的电荷信息的提取方式包括：

以时间为横轴，电压为纵轴，建立坐标系，基于阈值和对应甄别脉冲边沿到来时间构建坐标点，(tr₁,Vth₁)、(tf₁,Vth₁)、(tr₂,Vth₂)、(tf₂,Vth₂)、(tr₃,Vth₃)、(tf₃,Vth₃)、……、(tr_n,Vth_n)、(tf_n,Vth_n)，n为甄别脉冲的数目，Vth_j为甄别脉冲对应的阈值，tr_j为第j个甄别脉冲的上升沿到来时间，tf_j为第j个甄别脉冲的下降沿到来时间， j=1,2,…,n；

将阈值相邻，横轴同为上升沿到来时间或下降沿到来时间的两个点拟合一条直线，除了拟合直线所需的两个坐标点外，剩下的坐标点共得到n-1条直线：

；

其中，为拟合的第i条直线，/>表示第i条直线对应的过阈电压值，t表示过阈时间，为第i条直线的斜率，/>为第i条直线在纵轴上的截距；

n-1条直线与直线、以及横轴相交构成了一个封闭图形，计算封闭图形面积作为脉冲信号的波形面积，即完成脉冲信号的电荷信息提取。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲信号的时间及电荷测量方法，其特征在于，所述对成形信号进行不同阈值的甄别处理，获得不同脉宽的甄别脉冲包括：

设置阈值依次为Vth₁、Vth₂、……、Vth_n的n个甄别器，且Vth₁< Vth₂ <……< Vth_n，成形信号经n个甄别器后，产生n个脉宽不同的甄别脉冲P₁、P₂、……、P_n，第j个甄别脉冲P_j的上升沿到来时间记为tr_j，下降沿到来时间记为tf_j，j=1,2,…,n。

3.根据权利要求1或2所述的一种脉冲信号的时间及电荷测量方法，其特征在于，所述对合成脉冲所有边沿到来时间进行测量包括：

合成脉冲由n个不同脉宽的甄别脉冲合成，每一甄别脉冲具有上升沿到来时间与下降沿到来时间，将第j个甄别脉冲的上升沿到来时间记为tr_j，下降沿到来时间记为tf_j，j=1,2,…,n；

通过对合成脉冲所有边沿到来时间进行测量，获得n个不同脉宽的甄别脉冲的上升沿到来时间与下降沿到来时间。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲信号的时间及电荷测量方法，其特征在于，脉冲信号的到达时间提取公式包括：

；

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；

其中，为直线/>与横轴的交点，即脉冲信号的到达时间。

5.根据权利要求1所述的一种脉冲信号的时间及电荷测量方法，其特征在于，脉冲信号的电荷信息的提取公式包括：

；

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；

其中，为直线/>与横轴的交点，/>为直线/>与横轴的交点，/>表示直线/>与/>的交点垂直横轴的位置，/>表示交点垂直纵轴的位置，/>为脉冲信号的波形面积。

6.一种脉冲信号的时间及电荷测量装置，其特征在于，用于实现权利要求1~5任一项所述的方法，该装置包括：

前端模拟电路，用于对脉冲信号进行放大成形，获得成形信号；

不同阈值的甄别器，用于对成形信号进行不同阈值的甄别处理，获得不同脉宽的甄别脉冲；

组合逻辑电路，用于将不同脉宽的甄别脉冲合成为一路信号，称为合成脉冲；

TDC电路，用于对合成脉冲所有边沿到来时间进行测量；

可编程逻辑器件，用于利用测量到的所有边沿到来时间以及对应的阈值，完成脉冲信号的到达时间及电荷信息的提取。