多道脈沖分析器原理與結(jié)構(gòu)

1、多道幅度分析器原理在丫能譜測量中，線性脈沖放大器輸出的脈沖幅度正比于入射射線的能量。分析脈沖 的幅度就可以了解入射射線的能量，分析脈沖幅度的電路稱為脈沖幅度分析器。其中，只測量一個幅度間隔內(nèi)脈沖數(shù)的脈沖幅度分析器稱為單道脈沖幅度分析器；可以同時測量多個幅度間隔內(nèi)脈沖數(shù)的脈沖幅度分析器稱為多道脈沖幅度分析器。多道脈沖幅度分析器的原理框圖，如圖2.3所示。它的原理是利用 A/D轉(zhuǎn)換將被測量的脈沖幅度范圍平均分成 2n個幅度間隔，從而把模擬脈沖信號轉(zhuǎn)化成與其幅度對應的數(shù)字量， 稱之為“道址”。在存儲器空間里開辟一個數(shù)據(jù)區(qū)，在該數(shù)據(jù)區(qū)中有2n個計數(shù)器，每個計數(shù)器對應一個道址。控制器每收到一個道址，控制

2、器便將該道址對應的計數(shù)器加1，經(jīng)過一段時間的累積，得到了輸入脈沖幅度的分布數(shù)據(jù)，即譜線數(shù)據(jù)。這里提到的幅度間隔的個數(shù)就是多道脈沖幅度分析器的道數(shù)，它由n值決定。根據(jù)上述多道脈沖幅度分析器的原理，可以得出多道脈沖幅度分析器要做的具體工作一方面是把前向通道輸出的模擬信號進行模一數(shù)轉(zhuǎn)換，并將其轉(zhuǎn)換結(jié)果進行處理、存儲和顯示。一臺完整的核地球物理儀器，?？煞譃閮刹糠郑汉溯椛涮綔y器和嵌入式系統(tǒng)。多道脈沖幅度分析器是嵌入式系統(tǒng)的核心部分。多道脈沖幅度分析器一方面采集來自放大器的信號并 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果；另一方面將存儲的轉(zhuǎn)換結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，并直接顯示譜線，或者通過計算機接口送給計算機進行數(shù)據(jù)處

3、理和譜線顯示。1峰值采樣保持ii甄別電路*控制電略ARM模數(shù)電4路1圖2.3多道脈沖幅度分析器框圖多道脈沖幅度分析器的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖 路時，甄別電路給出脈沖的過峰信息，并啟動 度進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在片上峰值檢測電路峰值檢測電路根據(jù)實際需求可分為兩種類型2-2所示。脈沖信號在通過甄別電路和控制電A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路對脈沖信號峰值幅 Flash中，由微控制器進行相應的數(shù)據(jù)處理。:數(shù)字型和模擬型。數(shù)字式峰值檢測電路要以高速處理器為核心，結(jié)合高速ADC，在采樣脈沖的控制下，對信號進行連續(xù)測量，得到原始測量數(shù)據(jù)，再通過一種算法，解算出脈沖峰值信息。比如我們一個脈沖是l,us脈沖寬，那

4、么我們至少在l,us內(nèi)進行大于10次以上的ADC轉(zhuǎn)換值，然后再對這些值進行處理， 得到 一個最大值，認為這個值是峰值，接著這個值與我們設定的闡值進行比較，如果是大于閉值，那么我們認為是一個脈沖峰值，否則，認為是干擾噪聲， 我們丟棄這個數(shù)據(jù)。這就要求我們的CPU有足夠的處理速度，ADC有足夠快的轉(zhuǎn)換速度。典型的方案是DSP處理器結(jié)合FPGA 以及高速ADC。模擬型峰值檢測電路相對就簡單多了，只有在脈沖信號到來的時候，峰值檢測電路給出過峰時間信息，啟動ADC轉(zhuǎn)換。難點在于這個峰值信息的獲取，以及峰值信號的采樣保持。從功能角度考慮，數(shù)字型峰值檢測電路相對于模擬型峰值檢測電路來說，具有更大的靈活性、準

5、確性、可靠性等優(yōu)點。但考慮到放大電路輸出射線脈沖寬度的本身特性，綜合了開發(fā)難度、開發(fā)周期、開發(fā)成本等實際問題，選用了模擬型峰值檢測電路方案。多道脈沖幅度分析器是整個數(shù)據(jù)采集卡的核心部件，其結(jié)構(gòu)圖如圖2.3所示。多道脈沖幅度分析器的作用是將被測量的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機所能識別的數(shù)字量，即完成對脈沖幅度的甄別。其工作原理是：不同幅度的模擬信號轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字信號，這個數(shù)字代表一個 道地址，以道地址作為存儲器的地址碼來一記錄脈沖個數(shù)。各道地址的計數(shù)就可以把脈沖的分布情況表現(xiàn)出來。由于脈沖幅度大小是各元素輻射能量的不同表現(xiàn)，從而得到各元素輻射能量的分布情況。多道脈沖幅度分析器由甄別電路、控制電路、采樣

6、保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及ARM嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，控制核心為嵌入式系統(tǒng)LPC2142。下面將分別加以介紹。圖23多道脈沖幅度分析器的原理結(jié)構(gòu)框圖7甄別電路和控制電路核輻射探測器輸出的脈沖信號幅度和入射粒子的能量成正比關系，測量這些脈沖的幅度，就可以得到輻射的能量，可見，脈沖幅度測量技術在能譜測量中是一個重要的問題。在多道脈沖幅度分析器中， 通過用甄別電路和控制電路來完成對脈沖幅度的測量。甄別電路和控制電路的原理圖見圖 5.1所示。甄別電路的主要功能是完成信號的過峰檢測和去除信號噪 聲等；控制電路則是根據(jù)甄別電路提供的信號時序?qū)δM開關、模數(shù)轉(zhuǎn)換進行控制?？刂齐?路必須和甄別電路的時序嚴格結(jié)合起來

7、，才能完成信號峰值的檢測。甄別電路由兩個比較器單元、分壓電阻、低漏電容組成。比較器單元采用LM319，分別完成信號脈沖檢測和過峰檢測功能。U1A作為閉值比較器用以信號脈沖檢測，當 U1A的同相輸入端電壓高于反相輸入端的電壓（閩值電壓）時，U1A的12端輸出為高電平，認為有信號輸入。調(diào)節(jié)UIA的5端電壓，可以控制多道脈沖幅度分析器分析的最小脈沖幅度。UIB作為峰值檢測比較器用以過峰檢測，當峰值通過后，U1B的同相輸入端電壓高于反相輸入端電壓，U1B的7腳輸出端為高電平，給控制電路提供脈沖過峰信息，由控制電路控制 ADC的后續(xù)工作。圖5.1峰值檢測電路原理圖控制電路的主要功能是響應脈沖檢測電路的上

8、升沿輸出信號、響應過峰檢測電路的上升沿輸出信號以及響應微處理器的復位、置位信號，控制模擬開關MAX4O66，從而完成對A/D讀入/轉(zhuǎn)換狀態(tài)的控制?？刂齐娐酚蒁觸發(fā)器74HC74構(gòu)成。74HC74特性如表5 一 1所示。表5 一 1 D觸發(fā)器74HC74特性表輸入輸出SDCDCLKDQ./QLHXXHLHLXXLHLLXXHtHtHHtHHLHHtLL HHHLXQiQ甄別電路和控制電路的具體工作過程如下：微處理器LPC2142通過P0.2 口給控制電路發(fā)出信號，使控制電路處于工作狀態(tài)；脈沖信 號到達多道脈沖幅度分析器后，由甄別電路進行甄別， 過峰后將峰值通過的時間信息提供給控制電路；控制電路啟

9、動模數(shù)轉(zhuǎn)換；A/D轉(zhuǎn)換完畢后，微處理器控制中心產(chǎn)生中斷，進行轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)的讀取、處理和存儲工作，同時，將 GATE門重新復位為0,使控制電路處于不工作狀 態(tài);中斷完畢后，微處理器 LPC2142將GATE門置位為1,使控制電路重新處于工作狀態(tài)， 準備接收下一個脈沖信號這樣，就完成了對一個脈沖信號的采集和處理過程，甄別電路和和控制電路的工作流程如圖5.2所示。圖5. 2甄別電路和和控制電路的工作流程圖峰值保持電路一般主放大器的輸出脈沖信號的峰頂寬度很窄，不滿足 A/D轉(zhuǎn)換的時間要求。采用峰值展寬電路對脈沖進行展寬和保持，使峰值保持足夠長的時間，以保證A/D轉(zhuǎn)換過程中峰值的穩(wěn)定。峰值保持電路由CA3

10、140放大器、開關二極管、低泄露保持電容等組成，電路圖如圖5.3所示。圖中，兩個跟隨器的作用在于阻抗變換，保證信號能夠完全、不失真地輸入 到后級電路。脈沖信號通過開關二極管對電容充電，同時由CA3140放大器增強驅(qū)動能力，以便后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換器的準確采樣。圖5. 3峰值保持電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路1.A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇A/D 轉(zhuǎn)換電路的功能是將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量。 對于多道脈沖幅度分 析器而言， 就是用于快速、 準確地對輸入的核脈沖信號進行采樣編碼、 將脈沖幅度值轉(zhuǎn)換成 微處理器所能處理的數(shù)字量。 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量經(jīng)過一定處理后作為存儲器的道地址碼， 隨之 在該道地址碼對應的存儲器中進

11、行加 1 運算，即完成一個脈沖的分析轉(zhuǎn)換。A/D 轉(zhuǎn)換電路作為多道脈沖幅度分析器的一個關鍵部件， 其性能好壞直接影響著整個系 統(tǒng)的能量分辨率和轉(zhuǎn)換精度等參數(shù)。在 ADC 器件選擇上，主要從功耗、分辨率、轉(zhuǎn)換速度 和轉(zhuǎn)換精度幾個方面綜合考慮，根據(jù)系統(tǒng)的實際要求選擇合理的 ADC 芯片。雖然本系統(tǒng)中采用的嵌入式微處理器 LPC2142 內(nèi)部集成了一個 8 路的 10 位 ADC 轉(zhuǎn)換 器，但經(jīng)過多次試驗證明 :利用其自身的 ADC 模塊進行 A/D 轉(zhuǎn)換后，微處理器不能進入相 應的 A/D 中斷服務程序讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，即使利用查詢方式來讀取 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，其轉(zhuǎn)換精 度和速度也達不到要求。 若采用

12、外部 ADC 進行轉(zhuǎn)換時， 微處理器就能進入相應的 A/D 中斷 服務程序讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果， 且轉(zhuǎn)換精度和速度符合系統(tǒng)要求。 為此， 我們采用了硬件上微控制 器外接一塊 ADC 模塊軟件上， 采用中斷方式編寫相應的 A/D 中斷服務程序方案。 這不僅提 高了微處理器的執(zhí)行效率， 同時使系統(tǒng)軟件設計更加簡潔。 表 5 一 2 列出了幾種比較典型的 ADC 芯片對比參數(shù)。由表 5一2對比可以看出， ADS774 除了引腳和封裝兼容 AD1674 以及與 AD1674 具有 相同的 O 到 10V 模擬量輸入范圍，可以替代 AD1674 以外，更具有新的模擬量輸入范圍 :單 極性輸入還可以連接成 0 到

13、 5V 的范圍。模擬量輸入范圍的降低，對于整個便攜式系統(tǒng)降低 功耗有著非常重要的意義。經(jīng)過比較論證 ADS774 具有功耗低、轉(zhuǎn)換速度快、單電源供電、 控制簡單、性價比高和新的模擬量輸入范圍等優(yōu)點， 綜合考慮，本系統(tǒng)的 ADC 選用了 ADS774 -PR丄 芯片。在本系統(tǒng)的實際應用中， 我們利用 ADS774 獨特的輸入電阻網(wǎng)絡， 將其模擬量輸入范圍 設置為單極性 0到+5V范圍。由于內(nèi)部采樣電容陣列的輸入范圍為0到+3.3V，而ADS774的模擬輸入必須轉(zhuǎn)換為這個范圍。具體接法是 :ADS774 的 10V 范圍輸入端懸空， 20V 范圍 輸入端接地，脈沖輸入信號由 BIP0FF 雙極性補

14、償調(diào)整端進入。如圖 5.4所示。2.A/D 轉(zhuǎn)換器與 ARM 的連接ADS774 與嵌入式微處理器的連接如圖 5.5 所示。 R/C 端與控制電路相連，由控制電路 控制A/D轉(zhuǎn)換的啟、停。BIPOFF端連接峰值保持電路輸出的模擬信號。STS狀態(tài)線申請微控制器中斷進行 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。DBO 一 DBn與微處理器的I/O 口相連，由于嵌入式 微處理器 ARMLPC2142 具有豐富的 I/0 資源，所以輸出方式采用 12 位并行輸出。本系統(tǒng)中 為了進一步提高 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度，降低道寬的非線性誤差，在滿足系統(tǒng)要求的前提下， 只利用了 ADS77412位轉(zhuǎn)換結(jié)果的高10位，舍棄了其低

15、2位轉(zhuǎn)換結(jié)果。U3vtciR/C,6* A/D Htrr 卅-SFIXFF 4 A 4 4 4 A5TS=I,M) MM ST 魁 M/D KKHAAD5774圖5. 5 ADS774與嵌入式微處理器的連接圖4. 1多道脈沖幅度分析器設計多道脈沖幅度分析器是多道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部件。多道脈沖幅度分析器由甄別電路、控制電路、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、ARM嵌入式系統(tǒng)組成，控制核心為嵌入式系統(tǒng)。它的基本功能就是按輸入脈沖的幅度分類計數(shù)。多道脈沖幅度分析器將能夠分析的脈沖幅度范圍分成多個幅度間隔，幅度間隔的個數(shù)就是脈沖幅度分析器的道數(shù)，幅度間隔的寬度就是脈沖幅度分析器道寬。道數(shù)越多，幅度分布分析

16、的越精細，各個道的計數(shù)相應減少，需要測量的時間就要加長，硬件電路也隨著復雜， 因此，不應盲目追求道數(shù)。 通常，要求在幅度峰的半寬度范圍內(nèi)應有5-10道，對于采用Nal探測器的多道能譜儀，由于它的能量分辨率比較差，128道至256道就能滿足測量要求。對于半導體探測器，則需要 1024-8196道。4.1.1脈沖線性主放大器主放大器是放在前置放大電路和甄別電路之間，需要增益調(diào)節(jié)來補償核輻射探測器輸出脈沖幅度的變化。由于探測器輸出的脈沖信號幅度比較小（為幾十毫伏至幾百毫伏），脈沖寬度比較窄，為了能進行信號幅度分析， 實現(xiàn)能譜測量，需要脈沖線性放大器將脈沖信號進行幅度的線性放 大與脈沖的成形。脈沖放大

17、器的主要技術指標有：1放大倍數(shù)：應按放大器的輸入脈沖幅度和所要求的輸出幅度來確定。因為前放輸出的電脈沖信號幅度一般可以調(diào)至幾百毫伏左右，放大器輸出脈沖幅度在1 A-5V范圍內(nèi)，所以放大倍數(shù)應在10倍左右，考慮到前置放大器輸出的信號幅度有差異性，放大倍數(shù)采用可調(diào)試。2放大器的頻帶寬度：前放輸出的脈沖寬度受有關電路影響，一般為幾個us,因此，要求放大器的頻帶寬度為 1 -2MHz3放大器的噪聲:考慮到來自前放的信號幅度比較小，要求選用的放大器的輸入噪聲應盡可能的小。選用低噪聲的運算放大器元件可以有效減少電路內(nèi)部固有的噪聲。4其他，諸如放大器的輸入阻抗、抗計數(shù)過載、放大器的穩(wěn)定性、功耗等在電路設計和

18、 調(diào)試時也應考慮。脈沖線性主放大器的電路示意圖如圖4-1和4-2所示（可以接收前放輸出的正脈沖或者負脈沖）。由于a脈沖信號通過整形后大概有1-2個微秒的脈沖寬，丫脈沖信號通過整形后大概有3-5個微秒的脈沖寬，所以在選用運算放大器時要考慮到運放的轉(zhuǎn)換速度。本系統(tǒng)運算放大器選用 CA3140,它具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗小、溫漂小等特點19，主要參數(shù)：開環(huán)增益：100dB;輸入阻抗:1.5 X 10120;增益帶寬乘積 4 5I4-Iz ;轉(zhuǎn)換速度：9V加s;工作溫度范圍:-55-+125OC圖負脈紳線性放大器原理圖主放大器的主要參數(shù)經(jīng)測試或估算如下：放大倍數(shù)：5 -15倍;脈沖幅度放大線性范圍

19、：20mV -5000mV，線性優(yōu)于5%輸出噪聲:1mV;工作電壓：正負12V;工作電流：6. 2mA00 4-2正關中玻性放大器原理圖4.1.2峰值檢測電路峰值檢測電路由甄別電路和控制電路兩部分構(gòu)成，甄別電路的作為檢測信號時序， 控制電路是根據(jù)甄別電路的時序?qū)δM開關、ADC轉(zhuǎn)換進行控制?？刂齐娐繁仨毟鐒e電路的時序嚴格結(jié)合在一起，才能完成峰值檢測的任務。我們知道，核輻射探測器輸出的脈沖信號幅度和入射粒子的能量成正比關系，測量這些脈沖的幅度，就可以知道輻射的能量。可見，脈沖幅度測量技術在核能譜測量中是一個重要的問題。甄別電路需要解決三個與信號相關的信息：超過閾值信號信息；過峰時間信息，即啟動

20、 ADC轉(zhuǎn)換的時間信息；ADC完成轉(zhuǎn)換時間信息。甄別電路中存在以下三個關鍵問題，研究工作中要予以注意：由于放大器輸出的 a和丫射線脈沖寬度比較窄（約l,US至U 5卩S）,本系統(tǒng)選用的 ADC轉(zhuǎn)換速度為2,us，最快采樣時間是 5卩s,所以對脈沖信號峰值要進行峰值展寬。采樣 保持電路要求采樣速度快，保持時間能達到ADC采樣時間指標。由于脈沖信號的隨機性，防止信號來的過密而引起漏計。本系統(tǒng)采用2卩s轉(zhuǎn)換速度的ADC，所以從理論上分析，如果兩個信號相隔2卩s內(nèi)，則會引起漏計，由于CPU處理速度等問題的存在，實際上這個時間間隔可能長 3-10倍，即6卩s -50 s之間（根據(jù)CPU 處理速度及代碼量

21、而定），甚至更多。實際信號出現(xiàn)這種情況幾率很少，所以可以忽略這個 問題。要解決由于信號過密，引起的幅度信號錯誤紀錄。高能區(qū)的信號可能被誤計為低能區(qū)的信號，容易引起低能計數(shù)偏大高能計數(shù)偏小的問題。甄別電路和控制電路的原理圖見圖4-3所示。甄別電路的主要功能是完成過峰檢測和去除信號噪聲的功能。 通過設定閉值，將信號中能量小于闡值的噪聲去。峰值通過后，提供信息控制電路?？刂齐娐返闹饕δ苁峭瓿蓪/D讀入/轉(zhuǎn)換狀態(tài)的控制。控制電路由74LS74觸發(fā)器構(gòu)成，74LS74的特性如表4 一 1所示。表4T Dl發(fā)器的工件狀態(tài)表輸入輸出SDCDCLKQ/QLHXXHLHLXXLHLLXXHtHtHH_寸HH

22、LHHJTLLHHHLX00/Q0甄別和控制電路具體工作過程如下：嵌入式微處理器控制中心給控制電路發(fā)出信號，控制電路處于工作狀態(tài)；脈沖信號到達多道脈沖幅度分析器后，由甄別電路進行甄別， 過峰值后將峰值通過的時間信息提供給控制電路 ；控制電路啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換；模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢，嵌入式微處理器控制中心產(chǎn)生中斷，同時使控制電路轉(zhuǎn)入不工作狀態(tài)，并進行相應的數(shù)據(jù)處理 ；中斷完畢，單片機發(fā)信號使控制電路重新處于工作狀態(tài)采樣開始時，先由 ARM通過控制74LS74來啟動A/D，然后，使U201B的CD和 U201A的CD及SD端輸出高電平，控制電路處于接收信號狀態(tài)。當信號上升沿的能量低于設定的閉值電壓時， U201B的CLK端為低電壓，此時， U201B的CD, SD端均為高電平， 輸出端9腳保持原來的低電平不變。當信號上升沿的能量高于設定的閉壓值時，U201B的CLK端為高電壓，輸出端 9腳輸出高電平，啟動 U201A。當脈沖沒有達到峰值時，比較器 U202A同相輸入端電壓低于反相輸入端電壓，12端輸出低電壓，過峰后，12端輸出高電平，R/C輸出低電平啟動 A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完畢后，由ARM重新控制A/D