ungelöst Linearität von Puls-Amplituden zwischen Output und Input

[beldowsk]

Hallo,

im anliegenden LTspice-Schema finden sich 2 Versionen eines PMT-Adapters. Aufgabe der Adapter ist es, die Pulse, die von einem Photomultiplier (PMT) kommen so in die Länge zu ziehen, das man das Signal mit einer Soundkarte digitalisieren kann. Das Signal direkt aus dem PMT ist zu schnell (hochfrequent) für eine Soundkarte.

Das obere Schema entspricht einem Open-Hardware-Projekt von Theremino.com. Es arbeitet gut zusammen mit einer ganzen Reihe von Szintillationsdetektoren. Ich habe nun aber einen Detektor der Pulse liefert, die sehr viel höher und dafür kürzer sind. Der original PMT-Adapter kann diese Signale nur sehr schlecht verarbeiten. Drum habe ich mich an einer Variante versucht, um diesen Mangel auszugleichen.

Beide Adapter existieren in Hardware. Bei den Soundcart Scope Bildern ist zu berücksichtigen, das Kanal 1 in grün den modifizierten Adapter (im LTspice-Schema unten) zeigt, der mit dem Gain des Audio-Interfaces um 3dB verstärkt wurde, während Kanal 2 um 3dB abgeschwächt wurde.

Aus einer 15 Minütigen Aufzeichnung mit Audacity habe ich für beide Adapter einen parallelen Puls herausgeschnitten. Sie können im LTspice-Schema als wav1 und wav2 zum Vergleich eingebunden werden.

Das anliegende Histogramm zeigt im Vergleich die Probleme. Der Originaladapter schiebt die x-Achse zusammen, der modifizierte Adapter streckt sie etwas zu weit. Das ist vor allem in der rechten Histogrammhälfte zu sehen.

Nun mein LTspice-Problem:
Ich möchte auswerten ob das Verhältnis der Maximalamplituden von unterschiedlichen Pulsen am Eingang auch bei den Pulsen am Ausgang erhalten geblieben ist. Eine Zeitverzögerung oder eine Verstärkung oder Abschwächung interessieren mich dabei nicht. Ich will nur wissen ob bzw. in welchem Bereich die Maximalamplitude eines Pulses im Output linear zum Input ist.
Wie mach ich das?

Gruß Andreas

 

[spicer]

Sorry, dass da keine Antwort kommt.
Ich selber bin eher der Digitale.
RusiS könnte ev helfen.
Aber der ist seit 13.5. offline.
Hoffentlich nichts ernstes...

 

[spicer]

Antwort von chatGPT:

chatGPT:
@spicer, In LTspice können Sie das Verhältnis der Maximalamplituden von Eingangs- zu Ausgangspulsen auswerten, indem Sie die entsprechenden Signale analysieren und mit den eingebauten Messfunktionen arbeiten. Hier ist eine Schritt-für-Schritt-Anleitung, wie Sie vorgehen können:

1. **Simulation einrichten:**
- Stellen Sie sicher, dass Ihr Schaltkreis korrekt aufgebaut ist und dass die Pulse am Eingang richtig definiert sind. Zum Beispiel könnten Sie eine Pulsquelle (Voltage Source) verwenden und die Eigenschaften des Pulses (PULSE-Parameter) entsprechend einstellen.

2. **Transienten-Analyse durchführen:**
- Konfigurieren Sie eine Transienten-Analyse für einen ausreichend langen Zeitraum, um alle relevanten Pulse zu erfassen.

3. **Messfunktionen nutzen:**
- Verwenden Sie die .MEAS (Measure) Anweisung, um die Maximalwerte der Pulse zu messen. Sie können dies tun, indem Sie auf die Schaltfläche `.op` klicken und dann `.meas` auswählen, oder indem Sie die Anweisung direkt in die Schaltplanansicht eingeben.
- Beispiel für eine .MEAS-Anweisung:
```
.meas TRAN MaxInput MAX V(Eingangssignal)
.meas TRAN MaxOutput MAX V(Ausgangssignal)
```
- Ersetzen Sie `Eingangssignal` und `Ausgangssignal` durch die tatsächlichen Knotennamen oder Bezeichnungen in Ihrem Schaltplan.

4. **Messergebnisse vergleichen:**
- Nachdem die Simulation abgeschlossen ist, werten Sie die Log-Datei aus, in der die Ergebnisse der .MEAS-Anweisungen aufgeführt sind.
- Um das Verhältnis der Maximalamplituden zu bestimmen, teilen Sie einfach den Maximalwert des Ausgangssignals durch den Maximalwert des Eingangssignals.

5. **Linearitätsbereich prüfen:**
- Wiederholen Sie die Simulation mit verschiedenen Eingangspulsen, um zu sehen, ob das Verhältnis konstant bleibt. Wenn das Verhältnis für alle Pulse gleich bleibt, ist das System in diesem Bereich linear.

6. **Graphische Analyse (optional):**
- Sie können auch den Waveform Viewer verwenden, um die Maximalwerte visuell zu vergleichen. Rechtsklicken Sie auf die Wellenform und wählen Sie "Add Trace...", um das Ausgangssignal hinzuzufügen. Benutzen Sie die Cursor-Funktion (Klick auf das Wellenform-Symbol mit dem Cursor), um die Maximalwerte abzulesen.

7. **Automatisierung (optional):**
- Wenn Sie viele verschiedene Pulse testen möchten, könnten Sie Skripte oder die "Step"-Funktion verwenden, um die Parameter der Pulsquelle systematisch zu variieren und die Simulationen automatisch durchzuführen.

Beachten Sie, dass LTspice in einigen Fällen nicht direkt die Funktion bietet, Verhältnisse von Maximalwerten zu vergleichen, aber mit den oben genannten Schritten können Sie die benötigten Messungen durchführen und die Berechnungen manuell oder mit einem externen Programm wie Excel oder MATLAB durchführen.


vor 1 Minute

 

[beldowsk]

Hallo,

ich hatte ein paar Tage andere Verpflichtungen und konnte der chatGPT-Antwort noch nicht folgen.

Das anliegende Schema hat zu meinem Startbeitrag weiter Änderungen erfahren. Der linke Teil, bis einschließlich PMT_C3 befindet sich in der Beschaltung des Photomultipliers in einem Szintillationsdetektor.

Zur LTspice-Simulation: Mit einer Hochspannungsquelle (Spannungsquelle HV) und einer Signalquelle (Stromquelle I1) an der Anode fließt Hochspannung auch über die Signalquelle ab. Der Versuch dem mit einer Diode zu begegnen half nicht. Nun sitzt ein 4,7nF-Kondensator zwischen Signalquelle und GND, nur so bleibt die max. Hochspannung an der Anode erhalten. Dennoch ist unklar, ob meine Signalquelle so richtig (der Realität ungefähr entsprechend) in das Schema eingebaut ist.

Der Hersteller des PMT benennt als max. Strom für die Anode 100µA. Ich habe dafür Mal 67µA vorgegeben und dann einen Lastwiderstand PMT_RL zu 150kΩ so bestimmt, dass in der Simulation die Amplitude am Output unter 1V liegt.

Zur Hardware: Beim Messen hatte ich zunächst viele übersteuerte Pulse. Ich musste den Gain meines USB-Audio-Interfaces (steinberg UR22C, 192kHz, 32Bit) mit dem Input-Poti um 12dB zurücknehmen. In einer 15-Minuten-Aufzeichnung hatte die größte Amplitude -1,019dB. Aus dieser Aufzeichnung habe ich mir einen einzelnen Puls herausgeschnitten (Adapter_V6_Puls_-1_176dB.wav), er lässt sich nun in die Simulation als Referenz einlesen. Er hat nach Audacity eine Maximalamplitude von -1,176dB, nach LTspive 880mV. Aber mit den 12dB sind das dann ja ca. 3,47V. Viel mehr als ich nach der LTspice-Simulation erwartet habe.

Da die Amplitude der Stromquelle gegeben ist, kann ich nun ja nur mit Trise und Tfall der PULSE-Funktion spielen. Wenn ich das aber übertreibe, dann wird die Zeit zwischen Pulsbeginn und Pulsmaximum zu groß.
Wo kann ich in der Simulation noch etwas ändern, um sie der Realität besser anzupassen?

Außerdem weiß ich aus anderen Versuchen, das der Adapter bei Output-Amplituden über 3V in den Bereich der Nicht-Linearität kommt.

Wie kann ich mein Schema so verändern, das die Verstärkungsleistung abnimmt, aber die Signalcharakteristik erhalten bleibt?

Und gleich noch eine Frage: Wie bekomme ich von LTspice die Zeit bei der die Maximalamplitude des Pulses liegt?

Gruß Andreas

 

[beldowsk]

Hallo,

ich konnte gestern Abend ein paar Messungen mit einem Tektronix TDS 3032, 300 MHz, 2,5 GS/s machen. Dafür hatte ich für den Lastwidertstand (PMT_RL) 6,6kOhm, 20kOhm und 150kOhm eingesetzt.

Spannungsabfall über den Lastwiderstand im Divider

Messung RL [kOhm] Ch1 [V/Div] Pegel [V] Amplitude [V] Zeit [us/Div] Probe
1 20 10 40,4 50 1 keine
2 6,6 10 40,4 42 1 Uraninit
3 20 20 47,2 48 1 Uraninit
4 20 20 47,2 48 1 Uraninit
5 150 20 49,6 52 2 Uraninit
6 150 20 49,6 52 2 Uraninit
7 150 20 49,6 56 10 Uraninit

sowie die Spannung am Divider-Output

Messung RL [kOhm] Ch1 [V/Div] Pegel [V] Amplitude [V] Zeit [us/Div] Probe
8 20 5 -28,8 -32 1 Uraninit
9 20 5 -28,8 -32 1 Uraninit
10 20 5 -28,8 -32 1 Uraninit
11 150 5 -29,4 -32 1 Uraninit
12 150 5 -29,4 -32 1 Uraninit
13 150 5 -29,4 -32 1 Uraninit
14 150 5 -29,4 -32 1 Uraninit
15 6,6 5 -24,7 -27 0,4 Uraninit
16 6,6 5 -24,7 -27 0,4 Uraninit
17 6,6 5 -24,7 -27 0,4 Uraninit
18 6,6 5 -24,7 -27 0,4 Uraninit

Die Ergebnisse der LTspice-Simulation sind doch recht weit weg von der Realität. Allein durch die Veränderung der Parameter für die PULSE-Option der Stromquelle bekomme ich das nicht zur Deckung. Jedenfalls nicht wenn der Strom aus der Anode unter 100uA bleiben soll.

Nun ist die große Frage: Worin unterscheiden sich mein LTspice-Schema und meine Hardware so gravierend?

Mir springt dazu leider nichts ins Auge?! Eigentlich schafft sich meine Hardware Strom und Spannung die sie nach LTspice garnicht haben könnte. Ist es denkbar, das so etwas durch eine kalte Lötstelle auf einer der Platinen (Divider oder Adapter) entsteht?

Gruß Andreas

 

[spicer]

Könnte mir vorstellen, dass so hochfrequente Anwendungen nur schon wegen der Felder zwischen den Leitungen in der Praxis anders ausfallen als in der virtuellen Simulation...

ZBsp meine %-Uhr. Ich nutzte einen fertigen Quartz-Chip. Den nackten Quartz selbst auf die Platine zu setzen ergab eine ganz andere Frequenz.

 

[beldowsk]

Hallo,

Frequenzverschiebungen und Störsignale (50Hz-Brummen, Senderempfang, ...) sind eine Sache, aber so viel mehr Spannung?!

Spannungsabfall am Lastwiderstand:
PMT_RL=6,6k -> Soll 0,37V -> Ist 42V
PMT_RL=20k -> Soll 0,95V -> Ist 50V
PMT_RL=150k -> Soll 3,36V -> Ist 56V
Spannung am Output:
PMT_RL=6,6k -> Soll 0,84V -> Ist 27V
PMT_RL=20k -> Soll 0,91V -> Ist 32V
PMT_RL=150k -> Soll 3,20V -> Ist 32V

Oder hab ich was falsch gemacht? Der Schieber am Tastkopf stand auf 10x und nicht auf 1x, am Oszilloskop hatte ich die "Tastkopfeinstellung" von 1x auf 10x verändert.

Problematisch an den Messung ist natürlich, das ich nicht für jeden gemessenen Puls das selbe keV-Ereignis im Detektor hatte. Ich hatte auch leider nicht so viel Zeit, um lange auf ein "wirklich hohes" Zerfallsereignis zu warten. Ich hab nur den Pegel für den Trigger so hoch eingestellt, das ab und an ein Puls getriggert wurde.

Bei der Messung des Spannungsabfalls am Lastwiderstand habe ich Tastkopf und Erde direkt am Lastwiderstand angebracht. Da sowohl HV-Netzteil, als auch PMT-Adapter mit Batterien/Akkus betrieben werden, hatte ich auch keine Angst vor Erdschlüssen.

Gruß Andreas

 

[beldowsk]

Hallo,

ich hab nun per Simulation die Linearität von 2 PMT-Adaptern untersucht.

Die Verstärkung habe ich mit den Werten der beiden kleinsten Amplituden festgelegt.

Überrascht war ich von den Ergebnissen des Adapters mit 2 BC237-Transistoren. Der Output soll den Bereich bis +1V abdecken. Bei 1V liegt die rel. Abweichung bei ca. 7,5%.

Das sieht beim Adapter mit 2 OpAmps doch sehr viel besser aus.

Ich will versuchen, das Ganze auch mit der Hardware nachzuvollziehen.

Gruß Andreas