CN203249696U - 单光子探测器死时间控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种单光子探测器死时间控制装置，包括主控模块、雪崩信号甄别模块、D触发器脉冲整形模块、D触发器分频模块和门控模块；其特征在于：主控模块与D触发器脉冲整形模块电连接并将第一死时间控制信号输出给D触发器脉冲整形模块；D触发器脉冲整形模块与门控模块电连接并输出第二死时间控制信号给门控模块；门控模块与雪崩信号甄别模块电连接并将同步使能信号输出给雪崩信号甄别模块；雪崩信号甄别模块、D触发器脉冲整形模块和D触发器分频模块依次电连接；D触发器分频模块与主控模块电连接并输出光子探测信号给主控模块。本实用新型稳定可靠、响应速度快。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于高速率光信号探测的单光子探测器的死时间控制器，尤其涉及一种单光子探测器死时间控制装置。
背景技术
单光子探测器死时间控制是指在APD探测到一个光信号后由死时间控制电路产生两路控制信号使门控电路和雪崩信号处理电路进入非使能状态，此时单光子探测器是不会产生任何探测计数的。在经过一段死时间后，死时间控制电路又会产生两路控制信号来使能门控电路和雪崩信号处理电路，此时单光子探测器又进入正常工作状态。换句话说，单光子探测器就是利用雪崩光电二极管（APD）的雪崩效应使光电流得到倍增的高灵敏度的检测器。现有的单光子探测器电路部分基本是由门控电路和雪崩信号处理电路组成的，并且采用死时间控制电路抑制后脉冲效应造成的暗记数。随着单光子探测技术的发展，人们对单光子探测器的探测速率要求也越来越高。目前单光子探测器的后处理电路的速率也正亟待提高。在后处理电路中，死时间控制电路对探测器的探测速率和探测效率的影响也非常大，传统的死时间控制电路响应速度慢，不能满足高探测速率的要求。因此非常需求一种能适用于高探测速率的死时间控制电路。传统的死时间控制电路方案如图1所示，即传统的死时间控制过程，其过程是在光信号引发APD管雪崩后，雪崩信号处理电路会把微弱的雪崩信号甄别出来再经过一系列的处理后送至主控芯片FPGA，然后再由FPGA产生两路死时间控制信号，一路用于控制门控电路，另一路用于控制雪崩信号处理电路(虚线框部分)。图2是传统的死时间控制雪崩信号处理电路简图，其中第一死时间控制信号正是由FPGA产生的，这里省略了死时间控制信号2，其原理同第一死时间控制信号，也是由FPGA产生输出。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种稳定可靠、响应速度快的单光子探测器死时间控制装置。
为实现上述技术目的问题，本实用新型采取的技术方案为：单光子探测器死时间控制装置，包括主控模块、雪崩信号甄别模块、D触发器脉冲整形模块、D触发器分频模块和门控模块；其特征在于：主控模块与D触发器脉冲整形模块电连接并将第一死时间控制信号输出给D触发器脉冲整形模块；D触发器脉冲整形模块与门控模块电连接并输出第二死时间控制信号给门控模块；门控模块与雪崩信号甄别模块电连接并将同步使能信号输出给雪崩信号甄别模块；雪崩信号甄别模块、D触发器脉冲整形模块和D触发器分频模块依次电连接；D触发器分频模块与主控模块电连接并输出光子探测信号给主控模块。
与现有技术相比，本实用新型的优点分析如下：
1、如图3和图4所示，把同步使能信号加在了雪崩信号甄别比较器上，而不是在D触发器1上。因为当光信号和门控脉冲同时加到APD管时，APD管真正开始雪崩的时间是不确定的，它可能出现在门脉冲宽度时间内的任何时刻，这就使得送入甄别比较器的雪崩信号在一定时间范围上抖动，若比较器未加使能控制，那么比较器输出的脉冲也将是抖动的，因为其宽度只有几百皮秒的窄脉冲。在高速率光信号探测时，这种抖动将会严重导致计数错误。本实用新型采用的解决方法是通过示波器观察雪崩信号脉冲重叠区，然后将同步使能信号在时间上对齐到该重叠区，那么比较器的将只会在同步使能信号上升沿到来时输出，这样输出信号将会是一个脉冲前沿稳定的信号。
2、从图3和图4中可以很直观地看到，本实用新型的死时间控制信号的产生也是有别于传统电路的。传统的做法是必须在最终的主控芯片FPGA检测到探测信号后才产生两路死时间控制信号分别送到门控电路和雪崩信号处理电路。很显然当发生雪崩信号甄别输出后会经过一个比较大的延时探测器才会进入非使能状态，可想而知，在高速率光信号探测时一个雪崩信号产生后电路还没来得及进入非使能状态（死时间状态），下一个雪崩过程就已经被触发了，这时最终的主控芯片的计数就难以避免后脉冲产生的暗计数的影响，探测器的暗计数也将大大增加。本实用新型电路中的做法是当比较器产生雪崩甄别输出信号到D触发器1，D触发器1更新输出后就立即将其中一路输出信号作为死时间控制信号2送至门控电路使门控电路进入非使能状态。从图3和图4中我们可以知道，当D触发器1响应了一个雪崩甄别输出信号后，即使下一个雪崩信号到来D触发器2也不会更新输出，就是说此时雪崩信号处理电路其实也已经进入非使能状态了，这时只有当主控芯片输出第一死时间控制信号给 D触发器2使其产生置位，雪崩信号处理电路才会再次进入使能状态。很明显本新型电路是在检测到雪崩信号甄别输出后就能立即使探测器进入非使能状态，不像传统电路必须在最终的主控芯片FPGA检测到探测信号后才反过来输出死时间控制信号使探测器进入非使能状态。相同的是两种方案都是在FPGA在计满一个死时间值T后就输出死时间控制信号来重新使能探测器。
3、传统电路中都需要D触发器进行RC电路复位整形才能使得脉冲宽度达到要求。我们知道RC电路复位有其固有的缺点，在高速率信号传输时由于RC电路会快速充放电，这很可能带来复位不良问题，电路可靠性不高。本实用新型则是采用D触发器分频的方式来得到足够大的脉冲宽度的，并且使得此时的探测计数方式变成了每发生一次电平翻转即表示得到一个探测计数。分析图3和图4可知输出高低电平的脉冲宽度是大于或等于死时间值的，这意味着探测计数使用的时间是包含在探测器电路本身必须的死时间内的，并没有额外占用时间轴，不像传统电路每次探测计数都单独占用了一个计数脉冲的时间。所以说本新型电路能够可靠有效地适用于高速率光信号探测。
总之，本单光子探测器死时间控制装置稳定可靠、响应速度快的单光子探测器死时间控制装置。
附图说明
图1为现有技术中死时间控制电路方框示意图。
图2为现有技术中传统的死时间控制雪崩信号处理电路示意图。
图3为本实用新型的电路方框示意图。
图4为本实用新型的电路示意图。
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。
具体实施方式
实施例1
参见图3和图4，本单光子探测器死时间控制装置，包括主控模块、雪崩信号甄别模块、D触发器脉冲整形模块、D触发器分频模块和门控模块；其特征在于：主控模块与D触发器脉冲整形模块点连接并将第一死时间控制信号输出给D触发器脉冲整形模块；D触发器脉冲整形模块与门控模块电连接并输出第二死时间控制信号给门控模块；门控模块与雪崩信号甄别模块电连接并将同步使能信号输出给雪崩信号甄别模块；雪崩信号甄别模块、D触发器脉冲整形模块和D触发器分频模块依次电连接；D触发器分频模块与主控模块点连接并输出光子探测信号给主控模块。
本单光子探测器死时间控制装置在信号处理方法上有比较大的改进，首先，本单光子探测器死时间控制装置避免了利用D触发器的RC整形方式；再次，同步使能信号加在了雪崩信号甄别比较——采用了更小封装的单电源供电的高速比较器——上，而不是加在D触发器上；最后，最终的探测信号的输出不是通过D触发器整形方式，而是通过D触发器分频方式，使得输出计数变成每次检测到电平发生翻转即表示得到一个光子探测计数，而不是传统的以每次检测到一个脉冲信号表示得到一个光子探测计数。
本实施例中，如图3和图4所示，把同步使能信号加在了雪崩信号甄别比较器上，而不是在D触发器1上。因为当光信号和门控脉冲同时加到APD管时，APD管真正开始雪崩的时间是不确定的，它可能出现在门脉冲宽度时间内的任何时刻，这就使得送入甄别比较器的雪崩信号在一定时间范围上抖动，若比较器未加使能控制，那么比较器输出的脉冲也将是抖动的，因为其宽度只有几百皮秒的窄脉冲。在高速率光信号探测时，这种抖动将会严重导致计数错误。本实用新型采用的解决方法是通过示波器观察雪崩信号脉冲重叠区，然后将同步使能信号在时间上对齐到该重叠区，那么比较器的将只会在同步使能信号上升沿到来时输出，这样输出信号将会是一个脉冲前沿稳定的信号。
从图3和图4中可以很直观地看到，本实用新型的死时间控制信号的产生也是有别于传统电路的。传统的做法是必须在最终的主控芯片FPGA检测到探测信号后才产生两路死时间控制信号分别送到门控电路和雪崩信号处理电路。很显然当发生雪崩信号甄别输出后会经过一个比较大的延时探测器才会进入非使能状态，可想而知，在高速率光信号探测时一个雪崩信号产生后电路还没来得及进入非使能状态，即死时间状态，下一个雪崩过程就已经被触发了，这时最终的主控芯片的计数就难以避免后脉冲产生的暗计数的影响，探测器的暗计数也将大大增加。本实用新型电路中的做法是当比较器产生雪崩甄别输出信号到D触发器，D触发器更新输出后就立即将其中一路输出信号第二作为死时间控制信号送至门控电路使门控电路进入非使能状态。从图3和图4中我们可以知道，当D触发器响应了一个雪崩甄别输出信号后，即使下一个雪崩信号到来D触发器也不会更新输出，就是说此时雪崩信号处理电路其实也已经进入非使能状态了，这时只有当主控芯片输出第一死时间控制信号给 D触发器使其产生置位，雪崩信号处理电路才会再次进入使能状态。很明显本新型电路是在检测到雪崩信号甄别输出后就能立即使探测器进入非使能状态，不像传统电路必须在最终的主控芯片FPGA检测到探测信号后才反过来输出死时间控制信号使探测器进入非使能状态。相同的是两种方案都是在FPGA在计满一个死时间值T后就输出死时间控制信号来重新使能探测器。
传统电路中都需要D触发器进行RC电路复位整形才能使得脉冲宽度达到要求。我们知道RC电路复位有其固有的缺点，在高速率信号传输时由于RC电路会快速充放电，这很可能带来复位不良问题，电路可靠性不高。本实用新型则是采用D触发器分频的方式来得到足够大的脉冲宽度的，并且使得此时的探测计数方式变成了每发生一次电平翻转即表示得到一个探测计数。分析图3和图4可知输出高低电平的脉冲宽度是大于或等于死时间值的，这意味着探测计数使用的时间是包含在探测器电路本身必须的死时间内的，并没有额外占用时间轴，不像传统电路每次探测计数都单独占用了一个计数脉冲的时间。所以说本新型电路能够可靠有效地适用于高速率光信号探测。
总之，本单光子探测器死时间控制装置稳定可靠、响应速度快的单光子探测器死时间控制装置。
Claims (1)
1.一种单光子探测器死时间控制装置，包括主控模块、雪崩信号甄别模块、D触发器脉冲整形模块、D触发器分频模块和门控模块；其特征在于：主控模块与D触发器脉冲整形模块电连接并将第一死时间控制信号输出给D触发器脉冲整形模块；D触发器脉冲整形模块与门控模块电连接并输出第二死时间控制信号给门控模块；门控模块与雪崩信号甄别模块电连接并将同步使能信号输出给雪崩信号甄别模块；雪崩信号甄别模块、D触发器脉冲整形模块和D触发器分频模块依次电连接；D触发器分频模块与主控模块电连接并输出光子探测信号给主控模块。
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