核电子学习题解答

第一章

1.1 核电子学与一般电子学的不同在哪里？以核探测器输出信号的特点来说明。

在核辐射测量中，最基本的特点是它的统计特性、非周期性、非等值性，核电子学分析这种信号，经处理得到有用的信息。

?t/?1.4 当探测器输出等效电流源io(t)?I0e时，求此电流脉冲在

探测器输出回路上的输出波形并讨论R0C0<<τ的情况。

V0(s) = I0(s)·[R0∥(1/sc)]

= I0[1/(s+1/τ)]·[R0(1/sc0)/( R0+(1/sc0)) =( I0/ c0)·{1/[(s+1/τ) (s+1/ R0 c0)]} ∴

tt???I0R0R0C0?V0(t)?e?e?R0C0??1?tt?????IRR0C000???e?e????RC??00???? ??当R0 c0<<τ时，τ－R0 c0≈τ

t???tR0C0?V0(t)?I0R0?e?e?∴

???? ?

0?t?T??/T ，求输出电压V(t)。 t?T?01.5 如图，设i(t)??

Q?11?Ts?Q1?e?TsI(s)???e??T?sss?T11H(s)?cs?1

?Q?1?e?TsQ?1Q?1?TsV(s)???e 11cTscTs?cTs???Q?Q??t/?Q??V(t)?s?t??s?t?????e?e???cTcTcT

?t?T?s?t???1.6 表示系统的噪声性能有哪几种方法？各有什么意义？输入端的噪声电压是否就是等效噪声电压？为什么？ ENV ENC ENN ENE η (FWHM)NE 不是

1.7 设探测器反向漏电流ID=10-8A，后级电路频宽为1MHz,计算散粒噪声相应的方根值和相对于ID的比值。

diD2?2ID?e?df?5.66?10?11A

diD2?5.66?10?3 ID

1.8 试计算常温下（设T=300K）5MΩ电阻上相应的均方根噪声电压值（同样设频宽为1MHz），并与1MHz能量在20pF电容上的输出幅值作比较。

4kTdv?di?R?df?R2?2.88?10?5V

R22212 E?CV∵

2∴V

?2E/C?0.126V

1.9

求单个矩形脉冲f（t）通过低通滤波器，RC=T，RC=5T，及RC=T/5，时的波形及频谱。

t

U ?0?V0(t)??1?e?(t?T/2)/RC?(1?e?T/RC)e?(t?T/2)/RC?

t?T/2?T/2?t?T/2t?T/2

1.10 电路中，若输入电压信号Vi（t）=δ（t），求输出电压信号V0（t），并画出波形图，其中A=1为隔离用。

1sVo(s)??211RC?1?R?R??s??scscsc??1scR

s由

?s???2?1??t?e??t，得：

t1?t??RCV0(t)??1??e

RC?RC?

22221.12 设一系统的噪声功率谱密度为Si(?)?a?b/??c/?，当此

噪声通过下图电路后，求A点与B点的噪声功率谱密度与噪声均方值。

对A点：

?RCj?RCh1(?)?, h1(?)?2 1?j?RC1???RC?2222222a???b??c??2SA(?)?Si(?)?h1(?)?221???

噪声均方值：

1Vo?2?21?????h1(?)?Si(?)d?21?2?

?????a2?2?2?b2?2?c2?2?d? 221???对B点：

a2?2?2?b2?2?c2?2?1Si(?)?h(?)?，22 1??2?21???RC?a2?2?2?b2?2?c2?2?SB(?)?Si(?)?h2(?)?1??2?2211?????2

?a2?2?2?b2?2?c2?2??1???2222?

噪声均方值：

1Vo2?2?1?2?

?????h2(?)?Si(?)d?

2222???a2?2?2?b2?2?c2?2????1????d?

第二章

2.1 电荷灵敏前置放大器比电压灵敏前置放大器有什么优点？为什么把反馈电容称为积分电容，作用是什么？

优点：VOM稳定性高，能用高能量分辨能谱系统 Cf起积分作用，当A很大时，Cif?Ci?(1?A)Cf Ci 2.2 试对下图典型的电荷灵敏前置放大器电路在输入冲击电流I(t)=Q·δ(t)时， RfCfi(t)Vo (t)A1 （1）求Vo(t)的一般表达式 （2）当Cf=1pF, Rf=109Ω时，画出大致波形并与Rf→∞时作比较。 （1） ???1?Q?1VO?s???Q?Rf//?????1?sCC∵ff???s?RCff????? ??QV?t??e∴OCf（2） ?tRfCf RfCf=109×10-12=10-3(S) 2

V(t) t -Q/Cf 10-3 ∞ 2.4 一个低噪声场效应管放大器，输入等效电容Ci=10pF，输入电阻Ri=1MΩ，栅极电流IG=0.1μA，跨导gm=1mA/V，Cgs<

输入电阻热噪声：

2diRi24kT?dfRi

Ig噪声：

diIg?2eIgdfdVT2沟道热噪声：

8kT?df3gm2

2∴

dini?diRi?diIg???Ci?dVT222

4kT82kT?df?2eIgdf???Ci?dfRi3gm

2.6 分析快电荷灵敏前置放大器， （1） 画出简化框图

（2） 分别计算电荷和能量变换增益；

（ω=3.6ev/电子空穴对，e=1.6×10-19库仑） （3） 估算电路的开环增益 （gm=5mA/V, A3=0.98） （4） 估算该前放的上升时间 （Ca=5pF, Ci=5pF）

（2）ACQ=1/Cf=1×1012 V/C ACE=e/(Cfω)=44.4 mv/Mev （3）A0=gmR6/(1-A3)=3000

（4）tr0=2.2RaCa/(1+A0F0)=2.2Ca(Ci+Cf)/gmCf=13.2 ns

2.7 讨论电荷灵敏、电压灵敏、电流灵敏三种前置放大器的特性，各适于哪方面的应用，为什么？

电流灵敏前放输出快，对输出电流信号直接放大，常用作快放大器，但相对噪声较大，主要适用于时间测量系统。电荷灵敏前放和电压灵敏前放用于能谱测量系统，电荷灵敏前放比电压灵敏前放输出电压稳定性高，可用在能量分辨率较高的系统。

第三章

3.1 试论述放大器在核物理实验中的作用，对各个性能指标应如何协

调考虑？

放大器在核物理实验中主要有放大和成形作用。，且必须保持探测器输出的有用信息。 对各个性能指标应从能量测量和时间测量分别考虑。

3.2 谱仪放大器的幅度过载特性含义是什么？计数率过载含义是什么？二者引起的后果有何区别？

幅度过载：

信号超出线性范围很大时，放大器一段时间不能正常工作， 后果：不能工作的死时间存在

计数率：

放大器中由于计数率过高引起脉冲幅度分布畸变 后果：峰偏移和展宽

3.3 试说明能否通过反馈来减少干扰和噪声对放大器的影响？用什么方法可以减少干扰和噪声对放大器的影响？

不能。用同向接法。用双芯同轴电缆把信号送到差分放大器。

3.4 试分析和讨论下面两个谱仪放大节电路，指出在电路中采取了什么措施，目的是什么？

3.12 高能量分辨率和高计数率谱仪放大器是如何来消除峰堆积现象的？加入堆积拒绝电路是否可以使谱仪放大器的计数率提高很多？为什么？

加入堆积拒绝电路来消除

不能使计数率提高很多，但能保证谱型更加明显，是以牺牲计数率为代价的。

3.13 快电压放大器和快电流放大器各有什么特点？他们和谱仪放大器相比有什么不同？

快电压放大器放大速度比快电流放大器要慢一些，但从稳定性来讲要好一些，信号匹配方式为并联。

快电流放大器的分布电容的影响较小，放大速度可以很快，信号匹配为串联。 快放大器与谱仪放大器并无原则差别，只是在指标上有所不同。

3.14 试分析图示的快放大节电路特点。

+Ec500C1KC247T1Vi50T20.8--8T3510VoC10.8-8-Ec T1为共射极放大，有射极电阻。 T2，T3为共集电极射极跟随器。 C为自举电容。 C1相位补偿。 3.15 使用电阻式弱电流放大器要注意些什么问题？ 缩短测量时间可以减小零点偏移引起的误差，但是测量时间的减小和灵敏度的提高互相制约。当放大器与信号源用屏蔽电缆连接时，由于电缆电容较大，测量时间就会变得很长。 2 1第四章

4.1 在图4.1.3的集成电路脉冲幅度甄别器中，若VH=0V，VL=－2.6V，R2=510Ω，R3=5.1Ω，R4=100Ω，求滞后电压？

VHY

R4//R2??VH?VL??42mVR3?R4//R2

4.2在图4.2.8参考电压运算器中，若VT=5.00V，VW=0.50V，求非对称和对称时的上阈电平、下阈电平、道宽及道中心。

非对称：

11V?VT?2.5V VU??VT?VW??2.75V，L221道宽VU?VL?VW?0.25V

21道中心?VU?VL??2.625V

2

对称：

VU?1?VT?VW??2.75V，VL?1?VT?VW??2.25V 22道宽VU?VL?VW?0.5V

1道中心?VU?VL??2.5V

2

4.3 在一个线性放电型模数变换器中，若保持电容CH=1500pF，恒定电流I=100μA，时钟频率2MHz，若输入信号幅度为5.00V。 1． 求出该模数变换器的道数m、道宽和变换系数。

2． 若时钟频率为100MHz，其它参量不变，求道数、道宽和变换

系数及输出m。 T0=1/F,

（1）m??tCHV??150 2T0IT03IT0H??33.3mV/道 CHCHP??30道/V IT0（2）同理，代入F=100mHZ, m=7500，H=0.667mV/道，P=1500道/V 4.7 下图是一个实际的模拟展宽器的原理电路图，试画出各点波形。 A2A1Vi(t)V1(t)DVc(t)Vo(t)CHTVF TitleSizeA4Date:File:23N12-C:\\

4.10 脉冲幅度甄别器的功能是什么？

脉冲幅度甄别器是将输入模拟脉冲转换成数字逻辑脉冲输出的一种装置。理想的脉冲幅度甄别器具有以下功能：

当一个输入脉冲的幅度超过一定的阈电平时，则输出一个数字脉冲，而与输入脉冲的幅度、上升时间、宽度等参数无关。若输入脉冲的幅度低于给定的阈电平则无输入脉冲。

4.11 简述用集成电路比较器构成的脉冲幅度甄别器的工作原理。

集成电路脉冲幅度甄别器由电压比较器接成交流耦合施密特电路而构成。脉冲信号接到电压比较器的反向输入端，，而同向端加上阈电平VT。比较器的输出信号经过电容反馈到同相端，为正反馈连接方式。 平时，甄别器输出处于高电平，当输入信号的幅度超过与阈电平时，甄别器触发，输出电压跳变，从高电平到低电平，幅度为两者之差。

4.12 脉冲幅度甄别器的主要指标是什么？

主要指标： 1．输入灵敏度 2．稳定性

3．涨落或阈模糊区

4．输出脉冲的幅度、宽度 5．甄别阈范围

6．速度（响应和恢复的快慢）

4.13 通常如何解决单道分析器中的定时误差问题？

最直接的办法是：

延迟下甄别器的输出脉冲，再拉宽上甄别器的输出脉冲，从而使得作为反符合信号的Vu`可完全禁止下甄别器的Vl`输出。

4.14 试画出单道脉冲幅度分析器的一种结构方框图，说明原理。

4.15 单道分析器的主要指标是什么？

单道主要指标: 1．动态范围 2．线性

3．八小时稳定性 4．温度系数

5．双脉冲分辨时间

6．最高计数率 7．输入脉冲要求

8．输出脉冲为正极性

4.16 单道分析器的主要用途有哪些？

单道脉冲幅度分析器每测一个能谱需逐点改变阈值，费时费力，误差大，但结构简单，价格便宜。

可以选择感兴趣的幅度范围或选一定的能量范围信号作为校正信号，仍有广泛的应用。

4.18 什么是ADC的道宽？什么是ADC的变换系数？它们之间有什么关系？

道宽：单位道数之间的电压幅度。 变换系数：单位幅度可变换成的道数 二者成倒数关系

4.26 线性放电型ADC和逐次比较型ADC各有什么优缺点？

线性放电型，电路简单，道宽一致性好，便于生产，但变换时间较大，而且随着道数的增多，变换时间也会增加。

逐次比较型，变换速度快，易于生产，功耗低，价格低，但道宽一致性较差。

4.28 什么是ADC的零道阈或偏置，有何实际意义？

偏置或零道阈是指模数变换器的零道所对应的输入信号幅度。引入偏置一方面可以节省存储区，另一方面可以把感兴趣的幅度谱扩大到最大道数范围进行测量，从而提高分辨率。

4.29 ADC的积分非线性和微分非线性是如何定义的？

积分非线性：

INL???ApimaxAmax?100%

微分非线性：

DNL??

hi?HHmax?100%

第五章

5.1 前沿定时中，若输入信号前沿为线性变化，达峰时间tM=2.0ns，最大幅度VM=10V，阈值VT=0.1V。求输入信号幅度从0.1V变到10V时的定时误差。

VTVTtM?0.02ns tL1?tM?2ns，tL2?V2MV1M∵

?t12?tL1?tL2

V2M?V1M?t12?VTtM?1.98ns ∴V1MV2M

5.3 前沿定时中，设输入信号前沿线性增长，上升时间1.0ns，阈值约0.1V。输入信号上升时间变化为±0.2ns，幅度从0.1V变到10V，求前沿定时误差。

?tMmaxtMmin?t?VT???ViminVimax

??1.20.8????0.1????1.192?ns?

?0.110??5.4 前沿定时中，设输入信号为v(t1)?V1?1?e?t/??，阈值为VT。

1． 如果输入信号幅度从V1min变到V1max，而时间常数τ不变，求

前沿定时的定时误差。

2． 如果输入信号幅度V1不变，而时间常数从τ

前沿定时的定时误差。

3． 如果输入信号的幅度和时间常数同时如（1.），（2.）中的变化，

求前沿定时的定时误差。

min

变到τ

max，求

?V1max?V1min?t??1.

?V1maxV1min??V1? ?VT?t???max??min? 2.V1??max?min??t?VT??? 3.

VV1max??1min

5.7 设起停型时幅变换器的充电电容C为200pF，充电电流I=10mA。求起始信号和停止信号之间的时间间隔为50ns时，时幅变换器的输出幅度为多少伏？

∵Δt=50ns

∴Vo(t)=(I/C)·Δt=5(V)

5.9 一个起停型时幅变换器，恒定电流的最大值为8mA，最小充电电容为100pF，最小输出幅度为0.1V。求这个时幅变换器能测量的最小时间间隔为多少？

∵Vo(t)=(I/C)·Δt

CVmin(t)?1.25(ns) ∴?t?I

5.11 由起停型时幅变换器和多道脉冲幅度分析器组成一个时间多道分析器。时幅变换器中恒定电流I为1mA，变换电容C为100pF，多道脉冲幅度分析器道数为1000道，最大分析范围为10V。求这个时间多道分析器能测量的最小时间间隔是多少？

∵Vmin(t)=1000/10=0.1(V) ∴?t?

CVmin(t)?1(ns)

I第六章

6.1 设有六级十进制计数单元构成定标器的计数电路，当输入信号计数率n=105/s时，第一级十进制单元的计数率损失δ1=1%。求： 1． 输入计数率n=106/s时的δ1值

2． 若第六级十进制计数单元最高计数率f6max=105Hz，该机的计数

损失δ6为多少？

h????1%

1?n?1???710?105

??1?10%1????6?0.1%

nmax???fmax

6.2 线性率表如下图所示。在计数率n=105/s时，输出电压相对统计偏差σv/Vo为10%，C1=200pF，R=50k，C=0.02μF。若n减小为102/s，要求保持输出电压值和相对统计偏差不变，R值也不变，求出C1和C的数值。

?v?Vo2RCn，oV?nRCV1i

5

2

由于σv，Vo保持不变，n从10/s减小为10/s，

∴C=0.02μF×100=20μF

C1=0.2μF

6.3 试说明多道分析器三种基本数据获取方式的特点。画出PHA,MCS方式简单的工作流程图。

（1）PHA 图6.2.6 指定道址内容加1。 （2）MCS 图6.2.13

按时间顺序测量各段时间间隔内的计数，依次把测量结果存入各个道的存储单元内，如同多个定标器在各段时间内进行计数测量。 （3）LIST

幅度---时间，波形记录。

6.5 一个8192道分析器，每道最大计数容量为106，用每片存储容量4k×8位存储器芯片构成多道分析器的数据存储器，问至少需要多少片？它需要多少根地址线？

8192?10?6?250000(片)

4?1024?82x?8192?106

?x?33(根)

6.10 多参数谱数据获取方式与单参数谱数据获取方式上有何区别？如何实现多参数谱数据获取？

多参数谱获取方式需同时测量多个相关联事件中的多个参量的概率分布。 获取方式主要有三种：事件记录方式，数字窗方式，联合存贮方式。

6.11 分布式处理系统有何特点？

分布式处理系统的主要特点是子系统中的处理机分担了主计算机所必须进行的实时处理任务，这就使系统具有更高的工作效率。

6.12 CAMAC系统由哪些基本特征？它给出了哪些方面的标准规定？

特征： 1）它是用于实现信息与数字之间的相互转换，而不是用于进行脉冲信号的放大、成形等信号处理。

2）它具有简单的指令系统。

3）它具有“双面向特征”的接口作用。

4）它带有一个具有广泛功能的数据传输通道----机箱总线。

标准规定：

规定了插件之间以及插件和计算机之间的信息传送方式，包括对机箱总线、机箱控制器、机箱总线对功能插件的要求都有详尽的规范。

6.13 什么是NIM数字数据总线标准？NIM/GPIB插件有什么特点？

1964年美国NIM委员会首次公布了NIM插件的技术规范，这是一个相当成功的仪器模块化标准，它的最初目的是使功能插件阵列组装成核仪器系统的过程变得容易一些。在NIM标准中，只规定了机械特征、电源电压、信号标准和一个42芯的后面板联接器。

NIM/GPIB功能插件中原有NIM插件的功能依然保留。NIM/GPIB功能插件的机械尺寸、电源、信号标准和42芯联接器都符合NIM标准，只有与现在技术规范无抵触的一些特征才可以增加。

6.14 在GPIB总线上信息交换采用“三线握手”技术，它有什么特点？

它保证了讲者设备只有在全部听者设备已准备好接收数据时，才会向数据总线发送有效数据，而且一直保留这组数据到所有听者设备全部收到数据时才予以撤销；而听者方面，不论他们的速度相互有否差异，都将在全体准备完毕，并收到“数据有效”信号后，才从数据总线上接收一组已经稳定的有效数据。这个通讯过程是严格可靠和准确无误的，它允许在GPIB总线上“快”和“慢”设备能够同步地操作。

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