Journal of Optics Applications April 2013, Volume 2, Issue 2, PP.14-18
The SPE of PMTs Obtained from Data Acquisition of Oscilloscope in Win-XP Guorui Huang 1, 2, Yuzhen Yang1,2, Zhe Ning2,3, Zaiwei Fu2,4, Xiangdong Ruan1,Yuekun Heng2, Xiangcui Lei2, 3, Sen Qian 2 1. College of Physical Science and Technology, Guangxi University, Nanning 540003, China 2. Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 4. Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China #Email: qians@ihep.ac.cn
Abstract In reaction to the common oscilloscopes (Agilent, Tektronix, Lecroy, RIGOL, etc.), a system of data acquisition in oscilloscope with multi-function has been successfully developed in this paper by means of calling the oscilloscope driver subVI as well as performance function subVI in the Win-XP based on the LabVIEW8.0 software framework to compile the underlying software and UI (user interface) software. This system combined with the offline software is capable to realize these functions, such as charge integral, time measurement, waveform measurement and storage. The performance of the oscilloscope on data acquisition is studied in details with the comparison between the system and single photoelectron spectrum (SPE) of PMT R5912 measured by VME system. Keywords: Oscilloscope; DAQ; LabVIEW; SPE
利用基于 Win-XP 环境的示波器数据获取系统测 量 PMT 的单光电子谱* 黄国瑞 1,2 杨玉真 1,2 宁 哲 2,3 付在伟 2,4 阮向东 1 雷祥翠 2,3 衡月昆 2 钱 森 2 1.广西大学物理科学与工程技术学院，广西 南宁 530004 2.中国科学院高能物理研究所，北京 100049 3.中国科学院大学，北京 100049 4. 上海核工程研究设计院，上海 200233 摘
要：针对常见型号的示波器（Agilent、Tektronix、Lecroy、RIGOL 等），在 Win-XP 系统中，基于 LabVIEW 8.0 软
件框架，编译其底层软件和用户界面软件，通过调用示波器的驱动程序子 VI 和功能函数子 VI，成功开发了多功能示波 器取数系统。结合离线软件处理，该系统可以实现电荷积分、时间测量、计数、波形测量和波形图存储功能。通过对比 此系统与 VME 系统测量的 R5912 光电倍增管的单光电子谱，此款示波器取数系统的性能得到了详细研究。 关键词：示波器；数据获取；LabVIEW；单光电子谱
引言 粒子探测器可以分为探测器和数据读出与获取系统两部分。探测器主要用于把探测到的粒子信号转换 成电信号，而数据获取系统则是把电信号转换成数字量并进行存储。常用的数据读出系统有多道分析器[1]、 *
基金资助：国家自然科学基金面上项目：新型微通道板光电倍增管研制(A050506) - 14 -
CAMAC 系统[2]、VME 系统[3]、或者多个系统的联合测试系统[4]。这些数据读出系统一般需要 NIM 机箱及 相应的 NIM 插件对信号进行相应的处理，比如：对信号的放大、延时、扇入扇出和门产生等处理，增加了 系统复杂度和费用。 随着示波器的不断发展，示波器的波形采样率和垂直分辨率得到很大提高，目前波形采样率已经达到 120GS/S，垂直分辨率达到 12 位，使得示波器波形分析成为可能。研究人员应用波形分析方法研究了 TOF 系统的时间分辨率，得到较好的结果[5]。 我们在 WinXP 环境中基于 LabVIEW 开发了一款基于示波器的数据获取系统，该系统使用一般工程类实 验室必备的示波器和计算机，在不增加硬件条件下就可以实现数据获取。结合离线软件，该系统可以实现 电荷积分、时间测量、计数、波形测量和波形图存储的功能。软件框架基于 LabVIEW8.0[6]实现，分为底层 软件和用户界面软件，通过调用示波器的驱动程序子 VI 和功能函数子 VI 实现全部功能，所以该数据获取 系统具有操作简单、可移植性和普适性的特点。
1 数据获取系统 系统的底层软件和用户界面软件都是基于 LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)软件开发 的。LabVIEW 集成了 RS-232、RS-485、GPIB 和 VXI 硬件通讯协议的全部功能，为硬件和数据采集卡的驱 动和数据获取编程带来了极大方便[7]。同时，可以采用调用动态链接库.dll 文件、或者可执行文件.exe 文件 的方式，实现与其他科学数据分析软件（ROOT[8]和 MATLAB[9]）的联合编程，完善数据获取系统功能。
1.1 程序框架 本系统的主要流程如图 1 所示，首先选择示波器，把程序定位到对应的示波器驱动程序上。然后初始化 示波器配置。通过功能函数选择相应的数据获取模块，进入循环采集示波器数据的状态，并保存数据到缓 冲区。直到设定时间或者按下停止按钮结束循环，完成数据获取并保存缓冲区的数据到指定格式的文件。
1.2 程序编译 本系统要实现对示波器数据获取，通过离线软件实现电荷积分(QDC)、时间测量(TDC)、计数(Scaler)、 波形采样和波形保存功能。为测试软件的普适性，我们选择多款常见示波器：Agilent DSO7054A 示波器与 U2702A 模块示波器、Tektronix TDS3014C 示波器、Lecroy wavepro 7100 示波器和 RIGOL DS1302CA 示波 器，对不同示波器的控制与获取的数据进行对比测试。
图 1 程序流程图
图 2 VI 层次结构图
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为了简化程序、增强程序的可读性和移植性，我们把程序分为三个层次的函数模块，每个模块负责相 应的功能。然后把各模块编写成子 VI，主程序通过调用各模块子 VI 实现模块的有机结合，完成程序的各种 功能。数据获取系统的 VI 层次结构如图 2，第一层 VI 是用户主程序 VI，连接在它下面的 VI 都是被调用的 子 VI。子 VI 可以分为两类，一类是功能函数子 VI，另一类是示波器驱动程序子 VI，前者需要依据不同的 需求来编译，后者可以在示波器供应商官方网站或者 NI 公司官方网站下载[10]。 1.2.1
示波器驱动程序子 VI
在 NI 公司网站可以下载大多数示波器的驱动程序。从 NI 公司下载到的驱动程序子 VI 包括了 VISA 打 开、VISA 写入、VISA 读取和 VISA 关闭。实现 VISA 打开和 VISA 关闭的部分分别放在循环取数部分的前 面和后面，这样提高程序运行效率和减少冗余时间。 1.2.2
功能函数子 VI
功能函数子 VI 主要包括：电荷积分 QDC.VI、时间测量 TDC.VI、计数记录 Scaler.VI、波形采样 WaveMeasure.VI、波形保存 WaveSave.VI 和数据保存 path.VI 等。 QDC.VI 对波形进行电荷量转换，电荷量可以用公式 1 计算得。
∑v
i
Q=
i
R
Δt
(1)
其中，R 为示波器的匹配电阻 50 Ω，Vi 是第 i 个采样点的幅度，Δt 是采样点的时间宽度。 TDC.VI 是测量两个信号的时间间隔。两个信号分别输入到示波器的两个通道，然后计算两个信号过阈 的时间间隔。不同的阈值导致时间分辨率不同，如果需要精确测量时间，就得修正信号幅度对时间测量引 起的偏差 [11]。 Scaler.VI 是对波形信号计数，设定一个阈值，如果波形信号大于阈值则计数，如果波形信号小于阈值 则忽略。Measure.VI 是测量波形信号各种信息量，包括上升时间、下降时间和峰峰值等。波形保存 VI 设置 波形保存与否，以及波形保存数量。
2 PMT 单光电子谱测量 光电倍增管(PMT)的单光电子谱可以用于研究 PMT 的增益、能量分辨率和时间分辨率[12]。单光电子谱 的获得不仅与 PMT 本身性能有关，而且也与测量系统有关。由于 PMT 的单光电子谱电荷量很小，所以数 据获取系统需要有更高的电荷量分辨率才能得到较清晰的单光电子谱[13]。
图 3 R5912 PMT 在(a)1700V 和(b)1800V 高压下不同数据获取系统测得的单光电子谱
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实验装置使用精密脉冲发生器驱动发光二极管(LED)照亮光电倍增管光阴极，脉冲频率为 1kHz，占空 比为 0.001%，光电倍增管输出信号作为测量信号。脉冲发生器的同步输出信号经过微分电路和低阈甄别器 作为触发信号或开门信号。调节 LED 的驱动电压，直到光电子峰计数与电子学台阶计数比为 1:9 时得到典 型的单光电子谱[12,14,15]。 图 3 是在 1700V 和 1800V 高压下不同示波器与 VME 数据获取系统测得的 PMT R5912 单光电子谱。有 阴影的是 VME 系统测得单光电子谱，其它谱图是不同型号的示波器系统测得。由于不同数据获取系统事例 率的差异，决定了相同采样时间获取的数据计数不同，为方便直观对比数据，以 VME 数据获取系统的单光 电子谱峰值为基准，将其他示波器数据获取系统的数据进行归一化处理，结果如图 3 所示。 VME 数据获取系统的数据经过严格刻度，与 PMT 的标准高压-增益曲线一致[13]。从图 3 我们可以看 到，不同示波器与 VME 数据获取系统测得的单光电子谱的单光电子峰基本吻合，电子学台阶峰有所展宽以 及峰位都稍微左移。这可能是示波器的垂直分辨率只有 8 位，因此电压值的测量误差偏大，导致对应的 PMT 增益偏大。
3 示波器数据获取系统性能对比 为了更好的研究示波器数据获取系统与 VME 系统测得的单光电子谱性能，我们用双高斯函数对单光电 子谱进行拟合并把拟合结果汇总于表 1。 表 1 不同数据获取系统参数和对应的单光电子谱参数 高压 V
增益 107
峰谷比 P/V
σSPE
1700
1.79
3.65
51.9
1800
2.64
3.75
79.8
Agilent DSO7054A
1700
2.05
2.80
56.5
1800
3.02
3.56
82.8
Agilent U2702A
1700
2.03
2.53
63.1
1800
3.01
3.41
89.1
Tektronix TDS3014C
1700
2.08
3.25
55.4
1800
3.05
4.00
87.9
RIGOL DS1302CA
1700
2.10
3.25
58.2
1800
3.06
3.71
92.2
数据获取系统
VME
采样率 GS/S
带宽 MHz
波形捕获率 wfms/S
事例率 Hz
-
-
-
517
4
500
100000
26.3
1
200
100000
18.0
1.25
100
3600
1.76
2
300
2000
30.1
从表 1 可以看到示波器测得的增益都比 VME 测得的增益大，各示波器测得的增益基本一致；VME 系 统测得的单光电子峰分辨率(σSPE)稍微比示波器测得结果好；VME 测量系统的计数率达到 517 Hz，而示波器 取数系统的最高计数率只有 30.1 Hz。VME 系统与示波器取数系统之间的差异，主要是由于示波器的垂直分 辨率低和数据传输速率低引起的。 在尝试不同的方法优化程序后，示波器数据获取系统的事例率提高基本没有得到改善。 Tektronix TDS3014C 示波器是用网口与 PC 机相连，其它示波器是通过 USB 接口与 PC 机相连。测量时示波器的时基 为 2ns/div，从不同示波器获取的波形的采样点数各不相同，Agilent DSO7054A 是 1000 点，Agilent U2702A 是 20 点，Tektronix TDS3014C 是 10000 点，RIGOL DS1302CA 是 600 点。一个波形数据点越多示波器与 PC 机传输数据量就越大，事例率就越小；波形数据点少重建出来的波形失真比较大，测量精度差。因而在实 际测量中根据需要的测量精度与事例率选择合适的示波器。对于 PMT 单光电子谱测量建议采用 RIGOL DS1302CA 示波器，而对于时间测量则建议使用 Tektronix TDS3014C。 - 17 -
4 结论 应用 LabVIEW 程序开发了一种多功能示波器数据获取系统，该系统具有普遍适用性。应用该系统测量 了 R5912 光电倍增管的单光电子谱，并与 VME 系统测得的单光电子谱进行比较。结果表明两者测得的单光 电子谱的单光电子峰基本上是一样的，说明基于示波器的数据获取系统可以满足测试要求。在实际测量中 根据测量精度与事例率选择合适的示波器，这样可以节约测量时间和满足测量精度。示波器数据获取系统 的低计数率无法满足高计数率测量。
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【作者简介】 黄国瑞（1986-），男，壮族，硕士研究
杨玉珍（1989-），女，汉族，硕士研究
生，主要从事闪烁体性能研究。2010 年
生，主要从事光电倍增管性能研究。2011
广西大学物理科学与工程技术学院攻读
年广西大学物理科学与工程技术学院攻读
硕士研究生。
硕士研究生。
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