4.3: Limpieza de señales y conteo de eventos

La manera en que un instrumento maneja las señales depende de lo que se esté midiendo, por lo que no podemos desarrollar aquí un solo modelo que se aplique a todos los instrumentos. En términos generales, sin embargo, es probable que un instrumento incluya uno o más de los siguientes: la capacidad de limpiar la señal sin procesar y convertirla en una forma que podamos analizar; la capacidad de contar eventos en forma binaria; la capacidad de convertir información binaria en una información digital; y la capacidad de convertir entre señales digitales y analógicas. En esta sección cubriremos los dos primeros de estos temas.

Limpieza de una señal

Supongamos que nuestro instrumento está diseñado para contar eventos discretos, tal vez un contador Geiger que detecta la emisión de\(\beta\) partículas, o un fotodiodo que detecta fotones. Aunque un recuento de partículas dependiente del tiempo es una señal digital, la señal bruta (una tensión) probablemente consiste en pulsos digitales superpuestos sobre una señal de fondo que contiene ruido, como se ve en la Figura\(\PageIndex{1}\). La señal total, por lo tanto, está en forma analógica.

Figura\(\PageIndex{1}\). La señal bruta (voltaje) para un experimento en el que nos interesa contar el número de eventos en un periodo de tiempo definido. En este caso, hay cinco pulsos discretos, dos de los cuales se superponen parcialmente entre sí. Los pulsos individuales se superponen sobre una señal de fondo que muestra una modesta cantidad de ruido aleatorio.

Para limpiar esta señal queremos lograr dos cosas: eliminar el ruido y asegurar que se cuente cada pulso. Una manera sencilla de lograr esto es establecer una señal de umbral y usar un amplificador operacional seguidor de voltaje (ver Capítulo 3) para establecer todas las tensiones por debajo del umbral a un valor lógico de 0 y todas las tensiones por encima del umbral a un valor lógico de 1. Como se ve en la Figura\(\PageIndex{2}\), la elección de la tensión umbral debe elegirse cuidadosamente si queremos resolver pulsos poco espaciados y discriminar contra el ruido. Tenga en cuenta que los pulsos en forma de pico se convierten en pulsos rectangulares.

Figura\(\PageIndex{2}\). Dos intentos de limpieza de los datos de la Figura\(\PageIndex{1}\). En la parte superior, establecer el voltaje umbral a 5 resulta en un conjunto libre de ruido de pulsos rectangulares que están bien separados entre sí. Establecer el umbral a 0.5 voltios fusiona los dos pulsos separados en momentos entre 1.0 y 1.5 en un solo pulso y captura una serie de picos de ruido entre tiempos de 1.5 y 2.0, y entre tiempos de 2.5 y 3.0.

Contador de pulsos binarios

Para contar los pulsos en la Figura\(\PageIndex{2}\) podemos enviarlos a través de un contador de pulsos binarios (BPC). La figura\(\PageIndex{3}\) muestra cómo funciona un contador de este tipo. En este caso, el BPC cuenta con tres registros, cada uno de los cuales puede estar en un estado lógico de 0 o 1. Con tres registros, nos limitamos a contar no más que\(2^3 = 8\) pulsos; un BPC más útil tendría más registros. Podemos tratar los pulsos como ingresar al BPC desde la derecha. Cuando un pulso ingresa a un registro, voltea cada registro de 1 a 0 o de 0 a 1, deteniéndose después si primero voltea un registro de 0 a 1. Por ejemplo, el segundo pulso voltea el registro más a la derecha de 1 a 0 y el registro medio de 0 a 1; debido a que el registro medio inicialmente estaba en 0, el conteo de este pulso llega a su fin.

Figura\(\PageIndex{3}\). Operación de un contador de pulsos binarios que muestra cómo responden los contenidos de tres registros a la medición de cinco pulsos.