Prosesor pulsa digital. Teori operasi

Prosesor pulsa digital banyak digunakan dalam instrumentasi nuklir dan menjadi dasar sebagian besar sistem yang dijual oleh Amptek. Prosesor pulsa digital menjalankan fungsi yang sama seperti penguat/penggerak analog, tetapi memiliki keunggulan kinerja yang efektif yang telah menyebabkan adopsi yang luas dalam aplikasi yang membutuhkan tingkat kebisingan terendah dan tingkat hitungan tertinggi secara bersamaan. Meskipun fungsi prosesor pulsa digital sama dengan fungsi penggerak analog, implementasinya berbeda dan beberapa konsep serta terminologinya berbeda. Tujuan dari catatan aplikasi ini adalah untuk membandingkan penggerak analog dan digital, untuk membantu pengguna memahami prosesor digital, dan untuk menjelaskan kelebihan dan kekurangannya.

Diagram yang disederhanakan

Gambar 1 dan 2 menunjukkan skema yang disederhanakan dari penguat-pembentuk analog dan digital , masing-masing. Keduanya memiliki detektor dan rangkaian preamplifier peka-muatan yang sama. Dalam kedua kasus, preamplifier menghasilkan sinyal keluaran yang terdiri dari pulsa-pulsa kecil (langkah) dengan amplitudo milivolt. Dalam kedua kasus, pulsa-pulsa preamplifier dibedakan sehingga langkah tegangan dapat diukur. Sebuah integrator (juga disebut filter low-pass) meningkatkan rasio sinyal terhadap derau. Dalam kedua kasus, pulsa-pulsa keluaran didigitalkan, dan histogram amplitudo pulsa disimpan dalam memori. Elemen-elemen kunci ini sama dalam kedua sistem.

Gambar 1. Diagram skematik dari pembentuk pulsa analog sederhana (dengan pembentuk CR-RC2)

Gambar 2. Diagram sederhana dari prosesor pulsa digital “ideal”

Sebelum beralih ke studi lebih rinci tentang pengoperasian prosesor pulsa digital, ada baiknya kita memahami istilah dasar yang digunakan dalam elektronika nuklir; Gambar 3 menunjukkan ilustrasi pulsa unipolar.

Gambar 3. Ilustrasi bentuk pulsa unipolar yang khas

Durasi pulsa adalah waktu saat amplitudo pulsa tidak nol. Karena sulitnya menentukan nilai pasti dari amplitudo "nol", maka biasanya didefinisikan sebagai FWHM (lebar penuh pada setengah maksimum), waktu saat amplitudo pulsa lebih besar atau sama dengan setengah tinggi puncak.

Tinggi Puncak - Tinggi pulsa yang diukur dari puncak ke garis dasar. Waktu Puncak - Waktu yang diperlukan untuk membentuk pulsa dari garis dasar ke puncak, terkait dengan konstanta waktu penguat pembentuk.

Baseline - nilai tegangan saat tidak ada pulsa dari peristiwa yang terdeteksi. Dalam elektronika nuklir, tinggi pulsa diukur relatif terhadap baseline, yang tidak harus selalu nol.

Stabilizer garis dasar (BLS) tugasnya adalah memperbaiki titik referensi amplitudo pulsa tanpa mempedulikan pergeseran suhu dan waktu komponen elektronik serta pengaruh laju penghitungan tinggi (pergeseran dinamis pada kapasitor pemisah dan pemanasan mikro pada tahap masukan penguat operasional).

Mari kita sekarang perhatikan diagram fungsional pembentuk pulsa. Sistem analog yang ditunjukkan pada Gambar 1 lebih rendah daripada pembentuk pulsa yang ditunjukkan pada Gambar 5 (kiri). Diferensiator adalah filter lolos tinggi RC. Bagian depan melewati preamplifier, dan kemudian tegangan meluruh secara eksponensial kembali ke aslinya (garis dasar) dengan konstanta waktu T _diff . Integrator adalah filter lolos rendah dengan waktu respons T _int . Ada banyak jenis pembentuk penguat (semi-Gaussian, pseudo-Gaussian, quasi-triangular, dll.), yang menggunakan filter lolos rendah yang berbeda, bentuk pulsa dari pembentuk penguat yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Ilustrasi bentuk pulsa yang diperoleh dari berbagai penguat-pembentuk. Masing-masing memiliki konstanta waktu pembentukan 1 µs, tetapi integrator - filter low-pass, menggunakan fungsi transfer yang berbeda.

Properti umum:

RC-CR: Sangat mudah diimplementasikan, tetapi secara umum kinerjanya buruk, yaitu noise, dead time, dan stabilitas.

• Bipolar: Penarikan pulsa memungkinkan stabilitas dasar yang baik, mudah diterapkan, tetapi memiliki durasi pulsa yang panjang dan, sebagai akibatnya, nilai waktu mati yang besar dan karakteristik kebisingan yang buruk
• Semi-Gaussian dan Pseudo-Gaussian: Diimplementasikan menggunakan filter aktif (pasangan kutub kompleks). Bila digunakan dengan pembangkitan garis dasar aktif, keduanya memberikan kinerja yang baik menggunakan komponen analog.
• Quasi-Triangular: Juga diimplementasikan menggunakan filter aktif dalam komponen analog. Ini sangat mendekati fungsi transfer "ideal", untuk kinerja optimal, tetapi relatif rumit.
• Trapesium: Diimplementasikan menggunakan pemrosesan digital. Juga sangat mendekati ideal, memiliki respons impuls terbatas dan peningkatan kinerja pada tingkat hitungan tinggi.

Penguat pembentuk yang lebih canggih menggunakan pasangan kutub kompleks campuran memiliki pengembalian cepat ke garis dasar dengan bentuk yang lebih simetris. Biasanya bentuk pulsa didekati oleh Gaussian dengan karakteristik waktu pembentukan t. Waktu puncaknya sekitar 2,2t, dengan durasi yang sebanding dengan setengah tegangan maksimum, tetapi ekornya bertahan untuk waktu yang lebih lama. Generator garis dasar (BLR) menghasilkan garis dasar tempat setiap puncak diukur. Tanpa BLR, arus ac dari pembeda akan turun pada tingkat hitungan yang tinggi, karena keluaran dc harus nol. Puncak analog dideteksi dan rangkaian menangkap amplitudo puncak, yang kemudian didigitalkan. Sampel digital tunggal ini mewakili pulsa, jadi ADC harus linier, tetapi tidak harus sangat cepat, karena hanya mendigitalkan satu sampel pulsa.

Dalam sistem digital "ideal" yang ditunjukkan pada Gambar 2, sinyal preamplifier didigitalkan secara langsung menggunakan ADC cepat. Ini adalah penggunaan diferensial dari rangkaian pembeda diskrit. Sinyal dikirim ke filter low-pass, yang mengintegrasikan keluaran pembeda. Dua blok berlabel "proses" mewakili algoritma yang diterapkan pada sinyal masukan dan yang membedakan satu prosesor digital dari yang lain. Filter low-pass yang paling umum menghasilkan bentuk gelombang segitiga pada keluaran. Pulsa trapesium juga mudah disintesis, seperti bentuk yang lebih kompleks seperti "lonjakan." Nilai-nilai tersebut sudah didigitalkan, sehingga puncak digital yang terdeteksi dikirim ke memori histogram. Memori histogram bekerja seperti pada penganalisis amplitudo multisaluran tradisional. Ketika pulsa dengan nilai puncak tertentu terjadi, penghitung dalam sel memori yang sesuai akan bertambah. Hasilnya adalah larik yang berisi, di setiap sel, jumlah kejadian dengan nilai pulsa yang sesuai. Spektrum energi ini adalah keluaran utama prosesor. Output integrator juga dapat diumpankan ke DAC, sehingga pengguna dapat melihat pulsa pada osiloskop, tetapi sistem tidak harus menghasilkan bentuk gelombang pulsa analog. Pembentuk pulsa ditunjukkan pada Gambar 5 (kanan).

Gbr. 5 Kiri: Bentuk pulsa dalam pembentuk pulsa analog. Bentuk pulsa tersebut sesuai dengan pembentuk kuasi-segitiga yang menggunakan kutub kompleks yang paling dekat dengan segitiga. Kanan: Bentuk pulsa dalam prosesor pulsa digital dengan bentuk segitiga dan trapesium.

Prosesor digital nyata

Prosesor digital yang sesungguhnya memiliki beberapa perbedaan utama dari prosesor "ideal". Selain itu, karena rentang dinamisnya, tidaklah praktis untuk mendigitalkan keluaran preamplifier secara langsung. Setiap keluaran preamplifier memiliki langkah, milivolt dalam amplitudo, yang bergerak sepanjang garis dasar yang dapat berupa beberapa volt dan berubah seiring waktu. Langkah tersebut harus didigitalkan pada 10 hingga 14 bit, dan tidak ada ADC yang menggabungkan ketepatan rentang dinamis keluaran preamplifier dengan kecepatan yang diperlukan. Oleh karena itu, keluaran preamplifier dilewatkan ke pra-filter analog, yang memungkinkan langkah tersebut didigitalkan secara akurat. Beberapa pendekatan berbeda digunakan untuk menghilangkan garis dasar dan memperkuat langkah tersebut sebelum didigitalkan. Selain itu, ada berbagai implementasi pembeda, dari filter low-pass atau integrator, dan logika deteksi puncak.

Kesimpulan: Keuntungan dan Kerugian Penyaringan Digital

Prosesor digital memiliki beberapa keunggulan utama , yang tercantum di sini dan dijelaskan di bawah ini. Prosesor pulsa digital memiliki kinerja yang lebih baik (noise rendah dan tingkat penghitungan tinggi pada saat yang sama), fleksibilitas yang lebih besar untuk penyesuaian dengan aplikasi tertentu, stabilitas dan reproduktifitas yang lebih baik.

• Para peneliti telah lama mencari filter ideal untuk digunakan dalam elektronika nuklir yang memberikan rasio signal-to-noise terbaik pada tingkat hitungan tertentu. Fungsi transfer ideal tidak dapat dengan mudah diproduksi dalam rangkaian penguat operasional praktis, tetapi prosesor digital adalah yang paling mendekati ideal.
• Tidak ada waktu mati yang terkait dengan deteksi dan digitalisasi sinyal, sehingga prosesor digital memiliki throughput yang lebih tinggi daripada sistem analog. Selain itu, karena memiliki respons impuls yang terbatas, aliasing dan efek tumpang tindih pulsa lainnya berkurang. Keunggulan kinerja prosesor digital terutama terlihat pada kecepatan hitungan yang tinggi.
• Dalam prosesor pulsa analog, sebagian besar parameter ditentukan oleh resistor dan kapasitor. Tidak praktis untuk memiliki banyak parameter konfigurasi yang berbeda dalam sistem analog. Dalam sistem digital, dimungkinkan untuk memiliki lebih banyak konstanta waktu pembentukan, parameter BLR, dll., sehingga pengguna dapat dengan mudah menyesuaikan sistem dengan kebutuhan tugas, meningkatkan efisiensi pengoperasian.
• Karena sistem analog dibangun di atas resistor dan kapasitor, stabilitasnya dibatasi oleh kekonstanan komponen-komponen ini, dan reproduktifitasnya dibatasi oleh kesalahannya. Dalam sistem digital, stabilitas dan reproduktifitas jauh lebih baik karena keduanya diatur dari beberapa sumber yang sangat akurat, seperti osilator kuarsa untuk mengatur waktu.

Ada beberapa kelemahan prosesor digital. Pertama, prosesor digital cenderung membuang lebih banyak daya: ADC dengan kecepatan dan akurasi yang sesuai membuang lebih banyak daya daripada banyak desain analog. Kedua, desainnya lebih rumit daripada penguat-pembentuk analog.

Keuntungan penyaringan digital

Respons impuls terbatas:

Dalam shaper analog, pulsa yang masuk menghasilkan ekor eksponensial dari pembeda, yang membutuhkan waktu tak terbatas untuk kembali ke nol. Ini disebut "respons impuls tak terbatas" atau IIR. Output dapat diabaikan setelah waktu terbatas, tetapi bukan nol untuk waktu yang lama, biasanya berkali-kali lipat dari "lebar" nominal pulsa. Pulsa berikutnya "berada" di ekor pulsa sebelumnya. Karena output filter lolos tinggi adalah DC, garis dasar bergeser pada laju hitungan: dalam rentang yang besar, nilai pulsa rata-rata penting dan bergantung pada durasi, tetapi memiliki amplitudo ekor yang kecil. Oleh karena itu, aliasing terjadi, dan garis dasar menggeser output IIR dari pembeda analog. Aliasing adalah peristiwa di mana dua atau lebih pulsa tumpang tindih dalam waktu (Gambar 6).

Gambar 6. Ilustrasi superposisi pulsa

Plot ini menunjukkan lima insiden yang terjadi pada interval waktu acak, karena peluruhan nuklir adalah proses acak. Pulsa individual disorot oleh garis hitam, sedangkan titik biru mewakili jumlah pulsa yang tumpang tindih yang diukur. Pulsa pertama, di sebelah kiri, diisolasi dalam waktu dan amplitudonya diukur pada ketinggian yang benar. Dua pulsa berikutnya tumpang tindih sebagian, dengan pelana di antara puncak. Dua pulsa akan direkam, dan pulsa pertama akan memiliki ketinggian pulsa yang benar, tetapi amplitudo pulsa kedua akan diukur secara tidak benar. Tumpang tindih dua pulsa di mana tidak ada pelana di antara puncak muncul sebagai pulsa tunggal (tidak dapat diatasi) dengan ketinggian yang salah. Jika kedua tumpang tindih terjadi cukup dekat dalam waktu, amplitudo yang dihasilkan adalah jumlah pulsa individual.

Dalam shaper digital, respons terhadap pulsa adalah respons pembeda persegi panjang: respons menjadi nol setelah k pulsa. Ia memiliki "respons impuls terbatas" (FIR), yang berarti bahwa setiap masukan memiliki efek nol setelah jangka waktu terbatas. Ini adalah perbedaan utama dari shaper analog. Apa pun yang terjadi pada masukan DPP menghasilkan nol pada keluaran setelah jangka waktu tertentu. Ini sangat meningkatkan efisiensi DPP pada tingkat hitungan tinggi, mengurangi aliasing dan pergeseran garis dasar, dll.

Restorasi Bagian Atas Datar

Dalam shaper analog, preamplifier menyediakan kenaikan cepat dan puncak datar dari sinyal yang sedang diproses. Diferensiator melewatkan pulsa, tetapi kemudian segera mulai meluruh. Jika bagian depan naik perlahan, waktu pembentukannya berkurang secara eksponensial dan pulsa tidak mencapai amplitudo penuh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7 (kiri). Setiap detektor sinar-X memiliki waktu pengumpulan muatan, tetapi waktu pembentukan pulsa cukup lama sehingga waktu pengumpulan muatan dapat diabaikan. Dalam detektor planar, seperti detektor ^silikon Amptek 6 mm2 , dibutuhkan 0,1 (0,3) ms bagi elektron (lubang) untuk melintasi 500 mm wilayah penipisan. Bergantung pada kedalaman penetrasi sinar-X, durasi arus yang dihasilkan dalam preamplifier adalah dari 0,1 hingga 0,3 ms. Jika bentuk pulsa dengan T _datar < 0,3 ms digunakan, hanya sebagian kecil muatan yang akan diukur. Hilangnya tinggi pulsa dengan waktu kenaikan disebut defisit balistik dan memengaruhi resolusi saat waktu kenaikan bervariasi dari satu pulsa ke pulsa berikutnya.

Gambar 7. Diagram skema pembeda keluaran untuk shaper analog (kiri) dan digital (kanan)

Dalam contoh ini, waktu puncak adalah 4,8 µm detik, waktu kenaikan 500 ns menyebabkan hilangnya tinggi pulsa sebesar 0,5%. Masalah terjadi karena "diferensiator" analog tidak menerima fungsi turunan yang sebenarnya dan karenanya tidak membentuk puncak datar. Keuntungan dari pembeda digital adalah ia benar-benar menerapkan diferensiasi turunan digital, sehingga puncak datar yang sebenarnya diperoleh, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 7 (kanan). Bagian depan dan puncak datar memiliki bentuk yang sama dengan preamplifier pulsa. Oleh karena itu, prosesor digital terlindungi dari defisit balistik dan memiliki durasi puncak datar beberapa kali lebih pendek.

Pada detektor pergeseran silikon (SDD), terdapat pula perbedaan dalam waktu pengumpulan muatan. Mekanisme fisiknya berbeda dari detektor planar dan waktu kenaikan bergantung pada detail struktur elektroda, tegangannya diimbangi, tetapi semua SSD menunjukkan waktu pengumpulan muatan yang berbeda. Gambar 8 menunjukkan bentuk gelombang yang diperoleh dengan SSD Amptek. Bentuk gelombang hijau menunjukkan preamplifier, dengan waktu kenaikan 40 hingga 200 ns (pulsa yang naik perlahan terjadi di dekat tepi luar wilayah aktif elektrik).

Gambar 8. Jejak osiloskop yang mengilustrasikan pengukuran waktu kenaikan pulsa. Jejak hijau menunjukkan keluaran preamplifier, jejak biru menunjukkan masukan ADC, dan jejak merah muda menunjukkan saluran lambat untuk waktu puncak 100 ns dan waktu puncak datar 50 ns.

Spektrum dengan efek defisit balistik ditunjukkan pada Gambar 9. Plot ini diperoleh menggunakan sumber 55Fe pada hitungan rendah dan tanpa kolimasi eksternal. Plot di sebelah kiri sesuai dengan _puncak T = 0,1 ms dan T _datar dari 0,025 hingga 0,2 ms. T datar yang lebih panjang _menghasilkan puncak yang lebih sempit. Plot di sebelah kanan sesuai dengan _puncak T = 0,4 ms dan rentang T _datar yang sama . Dalam kasus _puncak T yang lebih besar , bahkan waktu T _datar yang pendek menyebabkan penurunan defisit balistik.

Gambar 9. Spektrum yang sesuai dengan Tpeak = 100 ns (kiri) dan 400 ns (kanan) dengan DP5 25mm2 Amptek SDD

Apa yang dapat dilakukan terhadap defisit balistik?

• Tingkatkan T _peak dan T _flat . Ini akan meningkatkan resolusi tetapi akan mengurangi laju hitungan maksimum. Untuk T _peak > 2 ms, Amptek merekomendasikan T _flat > 0,2 ms karena tidak memiliki dampak besar pada throughput.

• Tingkatkan tegangan bias. Ini akan mengurangi waktu naik hingga setengahnya;

• Kolimator eksternal harus digunakan. Jika alirannya cukup tinggi, lebih baik menggunakan Amptek mini-X;

• Pada prinsipnya, seseorang dapat menggunakan resistansi termal detektor untuk memutus peristiwa yang lambat. Metode ini disebut kolimasi elektron karena secara efektif mengurangi area aktif;

• Gunakan perangkat lunak untuk menangani defisit balistik pada spektrum.

Hamparan

R

Gambar 10 menunjukkan bentuk gelombang pulsa output dari tiga pembentuk pulsa yang berbeda, semuanya disesuaikan untuk memberikan lebar pulsa yang sama seperti yang diukur pada lebar penuh pada setengah maksimum. Jejak merah menunjukkan output dari pembentuk paling sederhana, RC-CR analog. Jejak biru menunjukkan bentuk gelombang dari pembentuk analog kelas atas, penguat pembentuk quasi-segitiga, menggunakan 6 kutub penyaringan low-pass (tiga pasang kutub kompleks). Jejak hitam berasal dari pembentuk trapesium digital. Hal terpenting yang perlu diperhatikan adalah meskipun mereka memiliki lebar pulsa yang sama pada FWHM, pembentuk digital tidak akan menunjukkan tumpang tindih jika kedua pulsa dipisahkan oleh lebih dari (t _puncak + t _datar ). Dua pembentuk analog memiliki ekor eksponensial yang berkali-kali lipat dari FWHM. Pulsa yang tumpang tindih selama waktu ini akan tumpang tindih.

Gambar 10. Grafik yang menunjukkan pulsa yang dihasilkan dalam tiga pembentuk pulsa yang berbeda. Semuanya pada dasarnya memiliki lebar pulsa yang sama, yang ditentukan oleh FWHM.

Ada dua keuntungan dari digital shaper. Pertama, digital shaper memiliki aliasing yang lebih sedikit (bahkan dengan FWHM yang sama). Kedua, sistem digital memiliki waktu aliasing yang jelas: karena simetri pulsa, tidak ada aliasing setelah waktu yang ditentukan. Analog shaper harus menggunakan penolakan alias pada interval yang jauh lebih lama daripada waktu puncak. Bandwidth, yaitu waktu mati, berkurang karena pembentukan pulsa, yang lebih lama dalam sistem analog. Oleh karena itu, dibandingkan dengan analog shaper, sistem digital memiliki aliasing yang lebih sedikit dan bandwidth yang tinggi.

Ada beberapa masalah dengan penolakan pileup (PUR). Pertama, PUR hanya berfungsi jika T _cepat < T _puncak . Kedua, jika T _cepat sedikit kurang dari T _puncak , tidak akan terjadi penolakan pileup. Misalnya, dengan T puncak = 100 ns dan T datar = 12 ns, waktu mati aktual adalah ~ 140 ns. Dengan T _cepat = 50 ns, resolusi antara sepasang pulsa di saluran cepat adalah ~ 100 ns. Dalam kasus ini, PUR hanya menolak pulsa yang tertinggal antara 100 dan 140 ns. Ketiga, jika T _datar < T _cepat , "puncak total" sebenarnya tidak akan menjadi puncak, tetapi akan memiliki bentuk yang agak rumit. Gambar 11 mengilustrasikan kasus ini.

Gambar 11. Spektrum menunjukkan durasi puncak datar saat menolak tumpang tindih histogram pulsa.

Nilai-nilai diperoleh dengan _puncak T = 0,4 ms. Spektrum oranye diperoleh dengan penolakan alias dinonaktifkan. Spektrum yang terisi abu-abu menunjukkan PUR diaktifkan untuk T flat = 0,2 ms. Spektrum lainnya diperoleh dengan nilai T _flat yang lebih pendek . Masalah defisit balistik paling baik diatasi dengan T _flat > 100 ns, ini juga membantu mengurangi akumulasi artefak saat penolakan alias diaktifkan. Amptek merekomendasikan penggunaan T _flat > 100 ns, dan T _flat > 200 ns untuk _puncak T > 2 ms atau lebih untuk membantu mengurangi efek ini. Spektrum biru untuk T _flat = 75 ns. Ketika durasi flat lebih pendek dari interval penolakan alias, pulsa dapat saling tumpang tindih, tetapi tidak menghasilkan puncak gabungan. Spektrum hijau dan merah untuk T _flat = 25 dan 50 ns. Perangkat lunak analisis spektrum biasanya dirancang untuk menghilangkan puncak alias dengan benar. Untuk mendapatkan puncak keseluruhan yang baik, Anda perlu memperluas bagian atas flat, yang tentu saja mengurangi throughput.

Pada osilogram (Gbr. 12), bentuk pulsa sama dengan jumlah dua trapesium yang digeser dalam waktu. Jika dua kejadian dipisahkan oleh durasi lebih dari puncak datar, maka amplitudo puncak bergantung secara linear pada penundaan antara kejadian. Jika penundaan kurang dari durasi puncak datar, maka jumlah nilai puncak diperoleh pada grafik.

Gambar 12. Osilogram yang menunjukkan tumpang tindih pulsa. Jejak merah muda adalah input ADC. Jejak biru muda adalah output yang dihasilkan (waktu puncak 2,4 ms). Jejak biru adalah sinyal "ICR" yang menunjukkan bahwa pulsa terdeteksi di saluran cepat.

Rasio sinyal terhadap noise

Tugas utama penguat spektrometri adalah mentransmisikan nilai amplitudo sinyal yang datang dari detektor radiasi secara linier. Dalam hal ini, bentuk sinyal dapat diubah. Ini berarti bahwa rangkaian penyaringan penguat dapat dibuat sedemikian rupa sehingga spektrum utama sinyal melewatinya, dan spektrum derau dibatasi semaksimal mungkin. Dalam hal ini, kita mendapatkan rasio sinyal terhadap derau yang optimal. Sinyal pada keluaran filter optimal berbentuk dua kurva yang berpotongan. Filter semacam itu memberikan rasio sinyal terhadap derau terbaik. Filter nyata, sebagai aturan, memiliki karakteristik lain, dan rasio sinyal terhadap deraunya lebih buruk. Akan lebih mudah untuk membandingkan filter menggunakan rasio kelebihan derau K _n.sh = ƞ∞/ ƞ, yang menunjukkan berapa kali ƞ∞ dari filter optimal melebihi ƞ dari sistem tertentu. Indikator utama dari berbagai jenis pulsa diberikan dalam Tabel 1. Di sini K _n.sh. dihitung dengan kondisi bahwa intensitas derau serial dan paralel sama, dan amplitudo sinyal keluaran dinormalisasi menjadi satu.

Tabel 1. Faktor kelebihan kebisingan dan bentuk pulsa dari beberapa rangkaian pembentuk

Para peneliti telah lama menyimpulkan bahwa untuk durasi pulsa tetap, ketika derau serial dominan, rasio sinyal terhadap derau optimum disediakan oleh pulsa dalam bentuk segitiga beraturan, dan dalam bentuk "lonjakan" ketika derau paralel dominan. Derau serial adalah derau elektronik yang muncul dari komponen yang digunakan dengan detektor. Sebagai aturan, derau tersebut sesuai dengan tegangan dalam preamplifier dan muncul terutama dari derau di saluran input preamplifier. Derau paralel adalah derau elektronik yang muncul dari komponen yang terhubung secara paralel dengan detektor. Sebagai aturan, derau tersebut muncul terutama dari derau termal dalam detektor dan resistansi paralel.

Pembentuk analog mendekati segitiga, tetapi prosesor digital memiliki fungsi transfer yang jauh lebih dekat dengan ideal ini. Tingkat kebisingan ekivalen untuk sistem deteksi radiasi dicirikan oleh indeks kebisingan untuk generator kebisingan serial dan paralel, As dan Ap, untuk waktu puncak tertentu t _peak . Kebisingan dapat ditulis:

di mana L _leak adalah arus bocor melalui detektor, R _p adalah resistansi paralel dengan detektor, C _in adalah kapasitansi input total, g _m adalah admitansi transistor efek medan dan e _peak adalah noise 1/f. Poin kuncinya adalah indeks noise Ap dan As tergantung pada detail penguat driver.

Tabel di bawah ini menunjukkan indeks derau dan lebar pulsa FWHM untuk tiga penguat pengkondisian umum yang serupa dengan yang ditunjukkan pada Gambar 9. Jika waktu puncak konstan, trapesium dan Gaussian memiliki indeks derau paralel yang sama, tetapi digital memiliki indeks derau serial yang lebih rendah dan Gaussian memiliki durasi yang lebih panjang, yang menyebabkan lebih banyak aliasing. Kita harus berhati-hati dalam perbandingan ini, karena waktu puncak bukanlah parameter utama. Pada Gambar 9, semua pulsa memiliki waktu puncak yang sama tetapi durasinya berbeda. Semakin panjang lebar pulsa, semakin banyak aliasing yang akan terjadi, bahkan dengan waktu puncak yang sama. Ada juga masalah dalam menemukan filter optimal yang memungkinkan kita menghitung offset garis dasar dengan kesalahan derau minimal dalam interval waktu terbatas sebelum pulsa spektrometrik muncul, menyimpannya, dan mengurangkannya dari superposisi sinyal, derau, dan offset DC. Poin utamanya adalah bahwa prosesor pulsa digital dengan trapesium sebenarnya memiliki indeks derau yang rendah dan lebar domain waktu yang lebih sempit daripada pembentuk analog yang sebanding. Oleh karena itu, secara bersamaan mengurangi derau elektronik dan aliasing.

Tabel 2. Indeks kebisingan dan lebar pulsa (FWHM) untuk tiga penguat shaper umum

Penganalisis amplitudo pulsa multi-saluran (MCA). Bandwidth

Ada dua sumber waktu mati dalam sistem analog: beberapa pulsa mungkin hilang (tidak terdeteksi) karena (a) pulsa tumpang tindih dalam waktu, atau (b) puncak terdeteksi tetapi konverter digital sedang sibuk. Sebagian besar penganalisa amplitudo multisaluran menggunakan ADC yang panjangnya hanya mikrodetik, tetapi bahkan jika pulsa analog tidak tumpang tindih dalam waktu, hitungan akan hilang karena waktu mati konverter digital. Dalam prosesor digital, tidak ada waktu mati yang terkait dengan pengambilan sampel puncak. Seluruh bentuk gelombang pulsa telah didigitalkan pada kecepatan tinggi, katakanlah 20 MHz. Akan ada beberapa siklus jam yang diperlukan untuk memperbarui memori histogram, tetapi ini dapat diabaikan. Oleh karena itu, sistem digital tidak memiliki waktu mati yang terkait dengan pengambilan sampel puncak. Ia memiliki waktu mati yang terkait dengan lebar pulsa, seperti yang dibahas di atas.

Linearitas

Dalam sistem analog, nonlinieritas ADC memiliki dampak besar pada nonlinieritas sistem. Karena penganalisis amplitudo pulsa multisaluran melakukan pengukuran tinggi puncak tunggal, setiap nonlinieritas dalam ukuran langkah ADC akan menghasilkan pengukuran tinggi pulsa nonlinier. Salah satu pendekatan ADC umum untuk menghaluskan nonlinieritas adalah dengan menambahkan angka acak ke pulsa, mendigitalkannya, lalu mengurangkan angka acak tersebut. Hasilnya adalah beberapa kode ADC yang digunakan untuk mengukur tegangan tinggi pulsa tunggal. Dalam sistem digital, setiap tinggi pulsa adalah jumlah dari banyak pengukuran ADC yang berbeda, yang pada dasarnya menggunakan banyak kode ADC yang berbeda. Hal ini memberikan linearitas yang jauh lebih baik pada sistem digital.

Kemampuan konfigurasi.

Dalam prosesor pulsa analog, sebagian besar parameter ditentukan oleh resistor dan kapasitor. Dalam pembentuk pseudo-Gaussian, misalnya, waktu pembentukan ditentukan oleh satu set yang terdiri dari empat belas resistor dan kapasitor. Pembentuk penguat analog dengan empat konstanta waktu pembentukan akan memerlukan empat set yang berbeda dari semua komponen ini. Tidak praktis untuk memiliki banyak parameter konfigurasi yang berbeda dalam sistem analog.

Dalam sistem digital, waktu pembentukan diatur ke jumlah siklus penundaan digital dan dalam akumulator. Mudah untuk beralih antara pembentuk waktu dan jam 20 MHz, ukuran langkah 50 ns, memberikan penyesuaian yang sangat halus. Opsi pemrosesan seperti itu tidak mungkin dilakukan dalam sirkuit analog. Misalnya, beberapa prosesor digital menyesuaikan waktu puncak berdasarkan pulsa demi pulsa: jika interval antara dua pulsa kecil, maka waktu puncak yang pendek digunakan, menambahkan sedikit gangguan, tetapi menghilangkan aliasing dan kehilangan hitungan. Dalam sistem digital, lebih banyak parameter dan opsi konfigurasi dapat diperoleh dengan mudah. ​​Parameter ini tidak hanya mencakup waktu pembentukan, tetapi juga parameter pemulihan dasar, parameter penolakan alias, dll. Sistem digital memiliki lebih banyak parameter konfigurasi, sehingga pengguna dapat dengan mudah menyesuaikan sistem dengan kebutuhan masalah yang dihadapi, meningkatkan efisiensi kerja.

Stabilitas dan keandalan.

Karena sistem analog didasarkan pada resistor dan kapasitor, stabilitasnya dibatasi oleh stabilitas komponen-komponen ini dan reproduktifitas kesalahannya. Koefisien suhu resistor dan kapasitor menyebabkan pertumbuhan dan pembentukan gradien suhu. Kesalahan di antara resistor dan kapasitor menyebabkan perbedaan antara bentuk pulsa yang identik secara nominal saat berpindah dari satu konfigurasi ke konfigurasi lainnya. Akurasi penguatan biasanya diatur dengan potensiometer dan sulit untuk kembali ke pengaturan sebelumnya, dan juga sulit untuk menyempurnakan dua sistem agar saling cocok.

Dalam sistem digital, stabilitas dan pengulangan bergantung pada beberapa sumber yang sangat presisi, seperti osilator kuarsa untuk mengatur waktu. Dalam kasus ini, pergeseran suhu jauh lebih rendah. Pengulangan jauh lebih baik. Dalam sistem digital, di mana penguatan diatur secara digital, Anda dapat kembali ke parameter sebelumnya dengan tepat. Selain itu, tingkat kegagalan dalam FPGA sangat rendah dibandingkan dengan tingkat kegagalan banyak komponen diskrit, dengan koneksi yang disolder.

Kesimpulan

Prosesor digital memiliki keunggulan kinerja yang melekat dibandingkan dengan prosesor analog. Prosesor ini memiliki respons impuls yang terbatas, aliasing dan pergeseran garis dasar yang berkurang, menyediakan penyaringan derau yang lebih baik (untuk lebar pulsa yang sama), mengurangi defisit balistik dan meningkatkan linearitas, memiliki konfigurasi, stabilitas, dan keandalan yang lebih baik.

Kerugian utamanya adalah ADC yang cepat mengonsumsi daya yang jauh lebih banyak daripada penguat operasional dan ADC yang lambat yang digunakan dalam driver analog. Ketika kinerja terbaik, kebisingan terendah, dan operasi laju hitungan tertinggi dibutuhkan, prosesor digital adalah solusi terbaik.