Procesadores de pulsos digitales. Teoría de funcionamiento

Los procesadores de pulsos digitales se utilizan ampliamente en la instrumentación nuclear y son la base de la mayoría de los sistemas que vende Amptek. Un procesador de pulsos digitales realiza las mismas funciones que un amplificador/controlador analógico, pero tiene ventajas de rendimiento efectivas que han llevado a su adopción generalizada en aplicaciones donde se requieren simultáneamente el menor ruido y las mayores tasas de conteo. Aunque las funciones de un procesador de pulsos digitales son las mismas que las de un controlador analógico, la implementación es diferente y algunos de los conceptos y la terminología son diferentes. El propósito de esta nota de aplicación es comparar el controlador analógico y digital, ayudar a los usuarios a comprender los procesadores digitales y explicar sus ventajas y desventajas.

Diagramas simplificados

Las figuras 1 y 2 muestran esquemas simplificados de un amplificador-formador analógico y digital , respectivamente. Ambos tienen el mismo detector y circuitos preamplificadores sensibles a la carga. En ambos casos, el preamplificador produce una señal de salida que consta de pequeños pulsos (pasos) con una amplitud de milivoltios. En ambos casos, los pulsos del preamplificador se diferencian de modo que se pueda medir el paso de voltaje. Un integrador (también llamado filtro de paso bajo) mejora la relación señal-ruido. En ambos casos, los pulsos de salida se digitalizan y los histogramas de las amplitudes de los pulsos se almacenan en la memoria. Estos elementos clave son los mismos en ambos sistemas.

Figura 1. Diagrama esquemático de un modelador de pulsos analógico simple (con modelador CR-RC2)

Figura 2. Diagrama simplificado de un procesador de pulsos digitales “ideal”

Antes de pasar a un estudio más detallado del funcionamiento de un procesador de pulsos digitales, es necesario familiarizarse con los términos básicos utilizados en electrónica nuclear; la Figura 3 muestra una ilustración de un pulso unipolar.

Figura 3. Ilustración de una forma típica de pulso unipolar

La duración del pulso es el tiempo durante el cual la amplitud del pulso no es cero. Debido a la dificultad de definir el valor exacto de la amplitud "cero", se suele definir como FWHM (ancho completo a la mitad del máximo), el tiempo durante el cual la amplitud del pulso es mayor o igual a la mitad de la altura del pico.

Altura de pico : altura del pulso medida desde el pico hasta la línea base. Tiempo de pico : tiempo necesario para dar forma al pulso desde la línea base hasta el pico, relacionado con la constante de tiempo del amplificador de forma.

Línea base : valor de voltaje en ausencia de un pulso de un evento detectado. En electrónica nuclear, la altura del pulso se mide en relación con la línea base, que no necesariamente tiene que ser cero.

Estabilizador de línea de base (BLS): su tarea es fijar el punto de referencia de la amplitud del pulso independientemente de las variaciones de temperatura y tiempo de los componentes electrónicos y los efectos de la alta tasa de conteo (desplazamientos dinámicos en los condensadores de separación y microcalentamiento de las etapas de entrada de los amplificadores operacionales).

Consideremos ahora el diagrama funcional del formador de pulsos. El sistema analógico que se muestra en la Fig. 1 es inferior al formador de pulsos que se muestra en la Fig. 5 (izquierda). El diferenciador es un filtro RC de paso alto. El frente pasa a través del preamplificador y luego el voltaje decae exponencialmente hasta el original (línea base) con una constante de tiempo T _diff . El integrador es un filtro de paso bajo con un tiempo de respuesta de T _int . Hay muchos tipos de amplificadores-formadores (semi-gaussianos, pseudo-gaussianos, cuasi-triangulares, etc.), que utilizan diferentes filtros de paso bajo, las formas de pulso de diferentes amplificadores-formadores se muestran en la Figura 4.

Figura 4. Ilustración de formas de pulso obtenidas a partir de diferentes amplificadores-formadores. Cada uno de ellos tiene una constante de tiempo de formación constante de 1 µs, pero los integradores (filtros paso bajo) utilizan diferentes funciones de transferencia.

Propiedades generales:

RC-CR: Muy simple de implementar, pero generalmente tiene un rendimiento deficiente, es decir, ruido, tiempo muerto y estabilidad.

• Bipolar: la reducción de pulso permite una buena estabilidad de la línea base, es fácil de implementar, pero tiene una larga duración de pulso y, como consecuencia, un gran valor de tiempo muerto y características de ruido deficientes.
• Semigaussiano y pseudogaussiano: implementados mediante filtros activos (pares de polos complejos). Cuando se utilizan con generación de línea base activa, ofrecen un buen rendimiento con componentes analógicos.
• Cuasi-triangular: también se implementa mediante filtros activos en componentes analógicos. Es una función de transferencia muy cercana a la "ideal" para un rendimiento óptimo, pero relativamente compleja.
• Trapezoidal: implementado mediante procesamiento digital. También muy cercano al ideal, tiene una respuesta de impulso finita y un mayor rendimiento a altas tasas de conteo.

Los amplificadores de modelado más sofisticados que utilizan un par de polos complejos mixtos tienen un retorno rápido a la línea base con una forma más simétrica. Normalmente, la forma del pulso se aproxima mediante una gaussiana con una característica de tiempo de modelado t. El tiempo pico es de aproximadamente 2,2 t, con una duración comparable de la mitad del voltaje máximo, pero la cola persiste durante un tiempo más largo. Un generador de línea base (BLR) produce una línea base a partir de la cual se mide cada pico. Sin un BLR, la corriente alterna del diferenciador caería a altas tasas de conteo, ya que la salida de CC debe ser cero. El pico analógico se detecta y el circuito captura la amplitud del pico, que luego se digitaliza. Esta única muestra digital representa un pulso, por lo que el ADC debe ser lineal, pero no necesariamente muy rápido, ya que solo digitaliza una muestra del pulso.

En el sistema digital “ideal” que se muestra en la Fig. 2, la señal del preamplificador se digitaliza directamente mediante un convertidor A/D rápido. Se trata de un uso diferencial de un circuito diferenciador discreto. La señal se envía a un filtro paso bajo, que integra la salida del diferenciador. Los dos bloques etiquetados como “proceso” representan los algoritmos que se aplican a las señales de entrada y que distinguen un procesador digital de otro. El filtro paso bajo más común produce una forma de onda triangular en la salida. Los pulsos trapezoidales también se sintetizan fácilmente, al igual que las formas más complejas como un “pico”. Los valores ya están digitalizados, por lo que el pico digital detectado se envía a una memoria de histograma. La memoria de histograma funciona como en un analizador de amplitud multicanal tradicional. Cuando se produce un pulso con un valor pico determinado, se incrementa el contador en la celda de memoria correspondiente. El resultado es una matriz que contiene, en cada celda, el número de eventos con el valor de pulso correspondiente. Este espectro de energía es la salida principal del procesador. La salida del integrador también se puede enviar a un DAC, de modo que el usuario puede ver los pulsos en un osciloscopio, pero el sistema no tiene que generar una forma de onda de pulso analógica. El modelador de pulsos se muestra en la figura 5 (derecha).

Fig. 5 Izquierda: Formas de pulsos en un formador de pulsos analógico. Corresponden a un formador cuasi-triangular que utiliza polos complejos que son los más cercanos a un triángulo. Derecha: Formas de pulsos en un procesador de pulsos digital con formas triangulares y trapezoidales.

Procesador digital real

Un procesador digital real tiene varias diferencias clave con respecto a uno "ideal". Además, debido al rango dinámico, no es práctico digitalizar directamente la salida del preamplificador. Cada salida del preamplificador tiene un paso, de amplitud de milivoltios, que se mueve a lo largo de una línea base que puede ser de varios voltios y cambiar con el tiempo. El paso debe digitalizarse a 10 a 14 bits, y simplemente no hay ningún ADC que combine la precisión del rango dinámico de salida del preamplificador con la velocidad necesaria. Por lo tanto, la salida del preamplificador se pasa a un prefiltro analógico, que permite digitalizar el paso con precisión. Se utilizan varios enfoques diferentes para eliminar la línea base y amplificar el paso antes de la digitalización. Además, existen varias implementaciones del diferenciador, desde el filtro de paso bajo o el integrador hasta la lógica de detección de picos.

Conclusión: Ventajas y desventajas del filtrado digital

El procesador digital tiene varias ventajas clave , que se enumeran aquí y se explican a continuación. El procesador de pulsos digitales tiene un mejor rendimiento (bajo nivel de ruido y alta tasa de conteo al mismo tiempo), mayor flexibilidad para la personalización según la aplicación específica, mejor estabilidad y reproducibilidad.

• Los investigadores llevan mucho tiempo buscando filtros ideales para su uso en electrónica nuclear que proporcionen la mejor relación señal-ruido a una velocidad de conteo determinada. La función de transferencia ideal no se puede producir fácilmente en un circuito amplificador operacional práctico, pero un procesador digital es el que más se acerca a ella.
• No existe tiempo muerto asociado con la detección y digitalización de señales, por lo que el procesador digital tiene un mayor rendimiento que un sistema analógico. Además, debido a que tiene una respuesta de impulso finita, se reducen el aliasing y otros efectos de superposición de pulsos. La ventaja de rendimiento del procesador digital es especialmente notable a altas tasas de conteo.
• En un procesador de pulsos analógico, la mayoría de los parámetros están determinados por resistencias y condensadores. No resulta práctico tener muchos parámetros de configuración diferentes en un sistema analógico. En un sistema digital, es posible tener muchas más constantes de tiempo de modelado, parámetros BLR, etc., de modo que el usuario pueda adaptar fácilmente el sistema a las necesidades de la tarea, mejorando la eficiencia operativa.
• Como un sistema analógico se basa en resistencias y condensadores, su estabilidad está limitada por la constancia de estos componentes y su reproducibilidad por sus errores. En un sistema digital, la estabilidad y la reproducibilidad son mucho mejores porque se establecen a partir de varias fuentes muy precisas, como un oscilador de cuarzo para ajustar la hora.

El procesador digital tiene sus desventajas . En primer lugar, tiende a disipar más potencia: un ADC con la velocidad y precisión adecuadas disipa más potencia que muchos diseños analógicos. En segundo lugar, el diseño es más complejo que un amplificador-modelador analógico.

Ventajas del filtrado digital

Respuesta al impulso finito:

En un modelador analógico, un pulso entrante produce una cola exponencial desde el diferenciador, que tarda una cantidad infinita de tiempo en volver a cero. Esto se denomina "respuesta al impulso infinito" o IIR. La salida es insignificante después de un tiempo finito, pero es distinta de cero durante un largo tiempo, normalmente muchas veces el "ancho" nominal del pulso. Los pulsos posteriores "se asientan" en la cola de los pulsos anteriores. Dado que la salida del filtro de paso alto es CC, la línea base se desplaza a la velocidad de conteo: en un intervalo amplio, el valor medio del pulso es importante y depende de la duración, pero tiene una pequeña amplitud de cola. Por lo tanto, se produce un aliasing y la línea base desplaza la salida IIR del diferenciador analógico. El aliasing es un evento en el que dos o más pulsos se superponen en el tiempo (Figura 6).

Figura 6. Ilustración de la superposición de pulsos

Este gráfico muestra cinco incidentes que ocurren en intervalos de tiempo aleatorios, ya que la desintegración nuclear es un proceso aleatorio. Los pulsos individuales están resaltados por las líneas negras, mientras que los puntos azules representan la suma de los pulsos superpuestos que se midieron. El primer pulso, a la izquierda, está aislado en el tiempo y su amplitud se mide a la altura correcta. Los dos siguientes se superponen parcialmente, con una silla de montar entre los picos. Se registrarán dos pulsos y el primero tendrá la altura de pulso correcta, pero la amplitud del segundo pulso se medirá incorrectamente. Una superposición de dos pulsos donde no hay silla de montar entre los picos aparece como un solo pulso (no se pueden resolver) con la altura incorrecta. Si las dos superposiciones ocurren lo suficientemente cerca en el tiempo, la amplitud resultante es la suma de los pulsos individuales.

En un modelador digital, la respuesta a un pulso es una respuesta de diferenciador rectangular: la respuesta se vuelve cero después de k pulsos. Tiene una "respuesta de impulso finita" (FIR), lo que significa que cualquier entrada tiene efecto cero después de una cantidad finita de tiempo. Esta es la principal diferencia con un modelador analógico. Lo que sucede en la entrada del DPP da como resultado un cero en la salida después de un cierto período de tiempo. Esto mejora en gran medida la eficiencia del DPP a altas tasas de conteo, reduce el aliasing y el desplazamiento de la línea base, etc.

Restauración de superficie plana

En un modelador analógico, el preamplificador proporciona un ascenso rápido y una parte superior plana de la señal que se está procesando. El diferenciador deja pasar el pulso, pero luego comienza a decaer inmediatamente. Si el frente sube lentamente, su tiempo de modelado disminuye exponencialmente y los pulsos no alcanzan la amplitud completa, como se muestra en la Figura 7 (izquierda). Cada detector de rayos X tiene un tiempo de recolección de carga, pero el tiempo de modelado del pulso es lo suficientemente largo como para que el tiempo de recolección de carga se pueda ignorar. En un detector planar, como el detector ^{de silicio} Amptek de 6 mm2 , los electrones (huecos) tardan 0,1 (0,3) ms en cruzar 500 mm de región de agotamiento. Dependiendo de la profundidad de penetración de los rayos X, la duración de la corriente producida en el preamplificador es de 0,1 a 0,3 ms. Si se utiliza una forma de pulso con T _flat < 0,3 ms, solo se medirá una fracción de las cargas. La pérdida de altura del pulso con el tiempo de subida se denomina déficit balístico y afecta la resolución cuando el tiempo de subida varía de un pulso al siguiente.

Figura 7. Diagrama esquemático del diferenciador de salida para el modelador analógico (izquierda) y digital (derecha)

En este ejemplo, el tiempo de pico es de 4,8 µm·s, y un tiempo de subida de 500 ns produce una pérdida del 0,5 % de la altura del pulso. El problema se produce porque el "diferenciador" analógico no recibe la función derivada real y, por lo tanto, no forma un flat top. La ventaja del diferenciador digital es que realmente implementa la diferenciación de las derivadas digitales, por lo que se obtiene un flat top real, como se puede ver en la figura 7 (derecha). El frente y el flat top tienen la misma forma que el preamplificador de pulsos. Por lo tanto, el procesador digital está protegido contra el déficit balístico y tiene una duración de flat top varias veces más corta.

En el detector de deriva de silicio (SDD), también hay diferencias en el tiempo de recolección de carga. El mecanismo físico es diferente al del detector planar y el tiempo de ascenso depende de los detalles de la estructura del electrodo, el voltaje está compensado, pero todos los SSD muestran diferentes tiempos de recolección de carga. La Figura 8 muestra las formas de onda obtenidas con el SSD de Amptek. La forma de onda verde muestra el preamplificador, con un tiempo de ascenso de 40 a 200 ns (los pulsos de ascenso lento ocurren cerca del borde exterior de la región eléctricamente activa).

Figura 8. Trazos del osciloscopio que ilustran la medición del tiempo de subida del pulso. El trazo verde muestra la salida del preamplificador, el trazo azul muestra la entrada del ADC y el trazo rosa muestra el canal lento para tiempos de pico de 100 ns y tiempos de pico plano de 50 ns.

Los espectros con el efecto del déficit balístico se muestran en la Figura 9. Estos gráficos se obtuvieron utilizando una fuente de 55Fe con un recuento bajo y sin colimación externa. El gráfico de la izquierda corresponde a T _peak = 0,1 ms y T _flat de 0,025 a 0,2 ms. Un T _flat más largo conduce a un pico más estrecho. El gráfico de la derecha corresponde a T _peak = 0,4 ms y el mismo rango de T _flat . En el caso de un T _{peak más grande, incluso un tiempo de T flat} corto conduce a una disminución del déficit balístico.

Figura 9. Espectros correspondientes a Tpeak = 100 ns (izquierda) y 400 ns (derecha) con DP5 25mm2 Amptek SDD

¿Qué se puede hacer ante el déficit balístico?

• Aumente T _peak y T _flat . Esto mejorará la resolución, pero reducirá la tasa de conteo máxima. Para T _peak > 2 ms, Amptek recomienda T _flat > 0,2 ms porque no tiene un gran impacto en el rendimiento.

• Aumente la tensión de polarización. Esto reducirá el tiempo de subida a la mitad;

• Se debe utilizar un colimador externo. Si el flujo es lo suficientemente alto, es mejor utilizar el Amptek mini-X;

• En principio, se puede utilizar la resistencia térmica del detector para cortar los eventos lentos. Este método se llama colimación electrónica porque reduce eficazmente el área activa;

• Utilice software para gestionar los déficits balísticos en el espectro.

Cubrir

R

La Figura 10 muestra las formas de onda de pulso de salida de tres modeladores de pulso diferentes, todos ajustados para dar el mismo ancho de pulso medido en ancho completo a la mitad del máximo. El trazo rojo muestra la salida del modelador más simple, un RC-CR analógico. El trazo azul muestra la forma de onda de un modelador analógico de alta gama, un amplificador de modelado cuasi-triangular, que utiliza 6 polos de filtrado de paso bajo (tres pares de polos complejos). El trazo negro es de un modelador trapezoidal digital. Lo más importante a tener en cuenta es que, aunque tienen el mismo ancho de pulso en FWHM, el modelador digital no mostrará superposición si los dos pulsos están separados por más de (t _pico + t _plano ). Los dos modeladores analógicos tienen colas exponenciales que son muchas veces el FWHM. Los pulsos que se superponen durante este tiempo se superpondrán.

Figura 10. Gráfico que muestra los pulsos generados en tres formadores de pulsos diferentes. Todos tienen básicamente el mismo ancho de pulso, que está especificado por el FWHM.

El modelador digital tiene dos ventajas. En primer lugar, el modelador digital tiene menos aliasing (incluso con el mismo FWHM). En segundo lugar, el sistema digital tiene un tiempo de aliasing claro: debido a la simetría del pulso, no hay aliasing después de un tiempo fijo. Los modeladores analógicos deben utilizar el rechazo de alias de un intervalo mucho más largo que el tiempo pico. El ancho de banda, es decir, el tiempo muerto, se reduce debido al modelado de pulso, que es más largo en el sistema analógico. Por lo tanto, en comparación con los modeladores analógicos, el sistema digital tiene menos aliasing y un ancho de banda alto.

Existen varios problemas con el rechazo de pileup (PUR). En primer lugar, PUR solo funciona si T _fast < T _peak . En segundo lugar, si T _fast es ligeramente menor que T _peak , no se producirá rechazo de pileup. Por ejemplo, con T peak = 100 ns y T flat = 12 ns, el tiempo muerto real es ~ 140 ns. Con T _fast = 50 ns, la resolución entre un par de pulsos en el canal rápido es ~ 100 ns. En este caso, PUR solo rechaza pulsos con un retraso entre 100 y 140 ns. En tercer lugar, si T _flat < T _fast , el "pico de suma" en realidad no será un pico, sino que tendrá una forma bastante compleja. La Figura 11 ilustra este caso.

Figura 11. El espectro muestra la duración de la parte superior plana al rechazar las superposiciones del histograma de pulso.

Los valores se obtuvieron con T _pico = 0,4 ms. El espectro naranja se obtiene con el rechazo de alias deshabilitado. El espectro relleno de gris muestra PUR habilitado para T flat = 0,2 ms. Los otros espectros se obtienen con valores de T _flat más cortos . El problema del déficit balístico se aborda mejor con T _flat > 100 ns, esto también ayuda a reducir la acumulación de artefactos cuando se habilita el rechazo de alias. Amptek recomienda usar T _flat > 100 ns y T _flat > 200 ns para T _pico > 2 ms aproximadamente para ayudar a reducir estos efectos. El espectro azul es para T _flat = 75 ns. Cuando la duración de flat es más corta que el intervalo de rechazo de alias, los pulsos pueden superponerse entre sí, pero no dan como resultado un pico combinado. El espectro verde y rojo son para T _flat = 25 y 50 ns. El software de análisis de espectro generalmente está diseñado para eliminar correctamente los picos con alias. Para obtener un buen pico general, debe extender la parte superior plana, lo que, por supuesto, reduce el rendimiento.

En el oscilograma (Fig. 12), la forma del pulso es igual a la suma de dos trapecios desplazados en el tiempo. Si dos eventos están separados por más de la duración de la parte superior plana, entonces la amplitud del pico depende linealmente del retraso entre los eventos. Si el retraso es menor que la duración de la parte superior plana, entonces la suma de los valores de los picos se obtiene en el gráfico.

Figura 12. Oscilogramas que muestran superposiciones de pulsos. La traza rosa es la entrada del ADC. La traza azul claro es la salida generada (tiempo pico 2,4 ms). La traza azul es la señal "ICR" que indica que el pulso se detectó en el canal rápido.

Relación señal/ruido

La tarea principal del amplificador espectrométrico es transmitir linealmente los valores de amplitud de las señales procedentes de los detectores de radiación. En este caso, se permite cambiar la forma de las señales. Esto significa que los circuitos de filtrado del amplificador pueden diseñarse de manera que el espectro principal de señales pase a través de ellos y el espectro de ruido se limite tanto como sea posible. En este caso, obtenemos la relación señal-ruido óptima. La señal a la salida del filtro óptimo tiene la forma de dos curvas que se cruzan. Un filtro de este tipo proporciona la mejor relación señal-ruido. Los filtros reales, por regla general, tienen otras características y su relación señal-ruido es peor. Es conveniente comparar filtros utilizando la relación de exceso de ruido K _n.sh = ƞ∞/ ƞ, que muestra cuántas veces ƞ∞ del filtro óptimo supera a ƞ de un sistema dado. Los principales indicadores de diferentes tipos de pulsos se dan en la Tabla 1. Aquí K _n.sh. se calculan bajo la condición de que la intensidad del ruido serial y paralelo sea la misma y la amplitud de la señal de salida esté normalizada a la unidad.

Tabla 1. Factores de exceso de ruido y formas de pulso de algunos circuitos de modelado

Los investigadores han llegado a la conclusión desde hace tiempo de que, para una duración de pulso fija, cuando predomina el ruido serial, la relación señal/ruido óptima la proporciona un pulso en forma de triángulo regular, y en forma de “pico” cuando predomina el ruido paralelo. El ruido serial es el ruido electrónico que surge de los componentes utilizados con el detector. Por regla general, el ruido corresponde a la tensión en el preamplificador y surge principalmente del ruido en el canal de entrada del preamplificador. El ruido paralelo es el ruido electrónico que surge de los componentes conectados en paralelo con el detector. Por regla general, surge principalmente del ruido térmico en el detector y de las resistencias paralelas.

Los modeladores analógicos se aproximan al triángulo, pero un procesador digital tiene una función de transferencia mucho más cercana a este ideal. El nivel de ruido equivalente para un sistema de detección de radiación se caracteriza por los índices de ruido para los generadores de ruido en serie y en paralelo, As y Ap, para un tiempo pico dado t _peak . El ruido se puede escribir:

donde L _leak es la corriente de fuga a través del detector, R _p es la resistencia en paralelo con el detector, C _in es la capacitancia total de entrada, g _m es la admitancia del transistor de efecto de campo y e _peak es el ruido 1/f. El punto clave son los índices de ruido Ap y As, que dependen de los detalles del amplificador del controlador.

La tabla siguiente muestra los índices de ruido y los anchos de pulso FWHM para tres amplificadores de acondicionamiento comunes similares a los que se muestran en la Figura 9. Si el tiempo pico es constante, el trapezoidal y el gaussiano tienen el mismo índice de ruido paralelo, pero el digital tiene un índice de ruido serial más bajo y el gaussiano tiene una duración más larga, lo que genera más aliasing. Hay que tener cuidado en esta comparación, ya que el tiempo pico no es realmente el parámetro clave. En la Figura 9, todos los pulsos tienen el mismo tiempo pico pero diferentes duraciones. Cuanto más largos sean los anchos de pulso, más aliasing se producirá, incluso con el mismo tiempo pico. También existe el problema de encontrar un filtro óptimo que permita calcular el desfase de línea base con un error de ruido mínimo en un intervalo de tiempo finito antes de que aparezca el pulso espectrométrico, almacenarlo y restarlo de la superposición de señal, ruido y desfase de CC. El punto clave es que el procesador de pulso digital con su trapezoide verdadero tiene índices de ruido bajos y un ancho de dominio de tiempo más estrecho que los formadores analógicos comparables. Por lo tanto, reduce simultáneamente el ruido electrónico y el aliasing.

Tabla 2. Índices de ruido y ancho de pulso (FWHM) para tres amplificadores de modelado comunes

Analizador de amplitud de pulso multicanal (MCA). Ancho de banda

En un sistema analógico, existen dos fuentes de tiempo muerto: algunos pulsos pueden perderse (no detectarse) porque (a) los pulsos se superponen en el tiempo o (b) el pico se detecta pero el convertidor digital está ocupado. La mayoría de los analizadores de amplitud multicanal utilizan convertidores analógicos/digitales que tienen una duración de solo microsegundos, pero incluso si los pulsos analógicos no se superponen en el tiempo, el conteo se perderá debido al tiempo muerto del convertidor digital. En un procesador digital, no hay tiempo muerto asociado con el muestreo del pico. La forma de onda del pulso completa ya se ha digitalizado a alta velocidad, digamos 20 MHz. Se necesitarán algunos ciclos de reloj para actualizar la memoria del histograma, pero esto es insignificante. Por lo tanto, un sistema digital no tiene tiempo muerto asociado con el muestreo del pico. Tiene tiempo muerto asociado con el ancho del pulso, como se explicó anteriormente.

Linealidad

En un sistema analógico, la no linealidad del ADC tiene un gran impacto en la no linealidad del sistema. Dado que un analizador de amplitud de pulso multicanal realiza una única medición de altura de pico, cualquier no linealidad en el tamaño de los pasos del ADC dará como resultado mediciones de altura de pulso no lineales. Un enfoque común del ADC para suavizar la no linealidad es agregar números aleatorios al pulso, digitalizarlo y luego restar los números aleatorios. El resultado son varios códigos ADC que se utilizan para medir el voltaje de una única altura de pulso. En un sistema digital, cada altura de pulso es la suma de muchas mediciones ADC diferentes, que básicamente utilizan muchos códigos ADC diferentes. Esto le da al sistema digital una linealidad mucho mejor.

Configurabilidad.

En un procesador de pulsos analógico, la mayoría de los parámetros están determinados por resistencias y condensadores. En un modelador pseudogaussiano, por ejemplo, el tiempo de modelado está determinado por un conjunto de catorce resistencias y condensadores. Un modelador de amplificador analógico con cuatro constantes de tiempo de modelado requeriría cuatro conjuntos diferentes de todos estos componentes. No resulta práctico tener muchos parámetros de configuración diferentes en un sistema analógico.

En un sistema digital, el tiempo de modelado se establece en el número de ciclos de retardo digitales y en el acumulador. Es fácil cambiar entre el modelador de tiempo y el reloj de 20 MHz, el tamaño de paso de 50 ns, lo que proporciona un ajuste muy fino. Estas opciones de procesamiento no son posibles en un circuito analógico. Por ejemplo, algunos procesadores digitales ajustan el tiempo de pico pulso a pulso: si el intervalo entre dos pulsos es pequeño, se utiliza un tiempo de pico corto, lo que agrega un poco de ruido, pero elimina el aliasing y la pérdida de conteo. En un sistema digital, se pueden obtener fácilmente muchos más parámetros y opciones de configuración. Estos parámetros incluyen no solo el tiempo de modelado, sino también los parámetros de recuperación de línea base, los parámetros de rechazo de alias, etc. El sistema digital tiene muchos más parámetros de configuración, por lo que el usuario puede adaptar fácilmente el sistema a las necesidades del problema en cuestión, lo que aumenta la eficiencia del trabajo.

Estabilidad y fiabilidad.

Dado que el sistema analógico se basa en resistencias y condensadores, su estabilidad está limitada por la estabilidad de estos componentes y la reproducibilidad de sus errores. El coeficiente de temperatura de las resistencias y los condensadores provoca el crecimiento y la formación de un gradiente de temperatura. Los errores entre resistencias y condensadores provocan diferencias entre formas de pulso nominalmente idénticas al pasar de una configuración a otra. La precisión de la ganancia suele ajustarse con un potenciómetro y es difícil volver a un ajuste anterior, y también es difícil ajustar con precisión dos sistemas para que coincidan entre sí.

En un sistema digital, la estabilidad y la repetibilidad dependen de unas pocas fuentes muy precisas, como un oscilador de cuarzo para ajustar la hora. En este caso, la deriva de la temperatura es mucho menor y la repetibilidad es mucho mejor. En un sistema digital, donde la ganancia se ajusta digitalmente, se puede volver a los parámetros anteriores con exactitud. Además, la tasa de fallos en los FPGA es muy baja en comparación con la tasa de fallos de muchos componentes discretos, con sus conexiones soldadas.

Conclusión

El procesador digital tiene ventajas inherentes de rendimiento sobre el modelador analógico. Tiene una respuesta de impulso finita, aliasing reducido y desplazamiento de línea base, proporciona un mejor filtrado de ruido (para el mismo ancho de pulso), reduce el déficit balístico y mejora la linealidad, tiene mejor configurabilidad, estabilidad y confiabilidad.

Su principal desventaja es que un ADC rápido consume significativamente más energía que el amplificador operacional y el ADC lento que se utilizan en el controlador analógico. Cuando se requiere el mejor rendimiento, el menor ruido y la mayor tasa de conteo de operaciones, un procesador digital es la mejor solución.