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(gè)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(shí)測量多個(gè)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(gè)幅度間隔，從而把模擬脈沖信號轉(zhuǎn)化成與其幅度對應(yīng)的數(shù)字量，稱之為“道址”。在存儲器空間里開辟一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)，在該數(shù)據(jù)區(qū)中有2n個(gè)計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器對應(yīng)一個(gè)道址。控制器每收到一個(gè)道址，控制器便將該道

2、址對應(yīng)的計(jì)數(shù)器加1，經(jīng)過一段時(shí)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(gè)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(jìn)行模一數(shù)轉(zhuǎn)換，并將其轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)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?核輻射探測器和嵌入式系統(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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果;另一方面將存儲的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并直接顯示譜線，或者通過計(jì)算機(jī)接口送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和譜線顯示

3、。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2-2所示。脈沖信號在通過甄別電路和控制電路時(shí)，甄別電路給出脈沖的過峰信息，并啟動A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路對脈沖信號峰值幅度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在片上Flash中，由微控制器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。峰值檢測電路峰值檢測電路根據(jù)實(shí)際需求可分為兩種類型: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(jìn)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(gè)脈沖是l,us脈沖寬，那么我們至少在l,us內(nèi)進(jìn)行大于10次以上的ADC轉(zhuǎn)換值，然后再對這些值

4、進(jìn)行處理，得到一個(gè)最大值，認(rèn)為這個(gè)值是峰值，接著這個(gè)值與我們設(shè)定的闡值進(jìn)行比較，如果是大于閉值，那么我們認(rèn)為是一個(gè)脈沖峰值，否則，認(rèn)為是干擾噪聲，我們丟棄這個(gè)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(shí)候，峰值檢測電路給出過峰時(shí)間信息，啟動ADC轉(zhuǎn)換。難點(diǎn)在于這個(gè)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(zhǔn)確性、可靠性等優(yōu)點(diǎn)。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

5、、開發(fā)周期、開發(fā)成本等實(shí)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(gè)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(jì)算機(jī)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(yīng)的數(shù)字信號，這個(gè)數(shù)字代表一個(gè)道地址，以道地址作為存儲器的地址碼來一記錄脈沖個(gè)數(shù)。各道地址的計(jì)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)LPC214

6、2。下面將分別加以介紹。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(guān)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(shù)在能譜測量中是一個(gè)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(shí)序?qū)δM開關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制。控制電路必須和甄別電路的時(shí)序嚴(yán)格結(jié)合起來，才能完成信號峰值的檢測。甄別電路由兩個(gè)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

7、檢測功能。U1A作為閉值比較器用以信號脈沖檢測，當(dāng)U1A的同相輸入端電壓高于反相輸入端的電壓(閩值電壓)時(shí)，U1A的12端輸出為高電平，認(rèn)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(dāng)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。控制電路的主要功能是響應(yīng)脈沖檢測電路的上升沿輸出信號、響應(yīng)過峰檢測電路的上升沿輸出信號以及響應(yīng)微處理器的復(fù)位、置位信號，控制模擬開關(guān)MAX4O66，從而完成對A/D讀入/轉(zhuǎn)換狀態(tài)的控制。控制電路由D

8、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(dá)多道脈沖幅度分析器后，由甄別電路進(jìn)行甄別，過峰后將峰值通過的時(shí)間信息提供給控制電路;.控制電路啟動模數(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(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取、處理和存儲工作，同時(shí)，將GATE門重新復(fù)位為O，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(zhǔn)備接收下一個(gè)脈沖信號這樣，就完成了對一個(gè)脈沖信

9、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。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(shí)間要求。采用峰值展寬電路對脈沖進(jìn)行展寬和保持，使峰值保持足夠長的時(shí)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CA3140放大器、開關(guān)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(gè)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(guān)二極管對電容充電，同時(shí)由CA3140放大器增強(qiáng)驅(qū)動能力，以便后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換器的準(zhǔn)確采樣。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

10、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(zhǔn)確地對輸入的核脈沖信號進(jìn)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(yīng)的存儲器中進(jìn)行加1運(yùn)算，即完成一個(gè)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(gè)關(guān)鍵部件，其性能好壞直接影響著整個(gè)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(gè)方面綜合考慮，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)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(gè)8路的10位ADC轉(zhuǎn)換器，但經(jīng)過多次試驗(yàn)證明:利用其自身的

11、ADC模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，微處理器不能進(jìn)入相應(yīng)的A/D中斷服務(wù)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(dá)不到要求。若采用外部ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，微處理器就能進(jìn)入相應(yīng)的A/D中斷服務(wù)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(yīng)的A/D中斷服務(wù)程序方案。這不僅提高了微處理器的執(zhí)行效率，同時(shí)使系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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

12、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5V的范圍。模擬量輸入范圍的降低，對于整個(gè)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(jià)比高和新的模擬量輸入范圍等優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮，本系統(tǒng)的ADC選用了ADS774芯片。在本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，我們利用ADS774獨(dú)特的輸入電阻網(wǎng)絡(luò)，將其模擬量輸入范圍設(shè)置為單極性O(shè)到+5V范圍。由于內(nèi)部采樣電容陣列的輸入范圍為O到+3.3V，而ADS774的模擬輸入必須轉(zhuǎn)換為這個(gè)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BIPOFF

13、雙極性補(bǔ)償調(diào)整端進(jìn)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。DBO一DBn與微處理器的I/0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(jìn)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2位轉(zhuǎn)換結(jié)果。4. 1多道脈沖幅度分析器設(shè)計(jì)

14、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(jì)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(gè)幅度間隔，幅度間隔的個(gè)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，幅度分布分析的越精細(xì)，各個(gè)道的計(jì)數(shù)相應(yīng)減少，需要測量的時(shí)間就要加長，硬件電路也隨著復(fù)雜，因此，不應(yīng)盲目追求道數(shù)。通常，要求在幅度峰的半寬度范圍內(nèi)應(yīng)有5-10道，對于采用NaI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

15、要求。對于半導(dǎo)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(bǔ)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(jìn)行信號幅度分析，實(shí)現(xiàn)能譜測量，需要脈沖線性放大器將脈沖信號進(jìn)行幅度的線性放大與脈沖的成形。脈沖放大器的主要技術(shù)指標(biāo)有: 1.放大倍數(shù):應(yīng)按放大器的輸入脈沖幅度和所要求的輸出幅度來確定。因?yàn)榍胺泡敵龅碾娒}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 -5V范圍內(nèi)，所以放大倍數(shù)應(yīng)在10倍左右，考慮到前置放大器輸出的信號幅度有差異性

16、，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(guān)電路影響，一般為幾個(gè)us，因此，要求放大器的頻帶寬度為1 -2MHz 3.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(yīng)盡可能的小。選用低噪聲的運(yùn)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(jì)數(shù)過載、放大器的穩(wěn)定性、功耗等在電路設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)也應(yīng)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(fù)脈沖)。由于脈沖信號通過整形后大概有1-2個(gè)微秒的脈沖寬，脈沖信號通過整形后大概有3-5個(gè)微秒的脈沖寬，所以在選用運(yùn)算放大器時(shí)要考慮

17、到運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速度。本系統(tǒng)運(yùn)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(diǎn)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 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:20mV -5000mV，線性優(yōu)于5%輸出噪聲:1mV;工作電壓:正負(fù)12V;工作電流:6. 2mA 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(shí)序，控制電路是根據(jù)甄別電路的時(shí)序?qū)δM開關(guān)、ADC

18、轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制。控制電路必須跟甄別電路的時(shí)序嚴(yán)格結(jié)合在一起，才能完成峰值檢測的任務(wù)。 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(guān)系，測量這些脈沖的幅度，就可以知道輻射的能量?？梢?，脈沖幅度測量技術(shù)在核能譜測量中是一個(gè)重要的問題。 甄別電路需要解決三個(gè)與信號相關(guān)的信息: 超過閾值信號信息; 過峰時(shí)間信息，即啟動ADC轉(zhuǎn)換的時(shí)間信息; ADC完成轉(zhuǎn)換時(shí)間信息。 甄別電路中存在以下三個(gè)關(guān)鍵問題，研究工作中要予以注意: 由于放大器輸出的和射線脈沖寬度比較窄(約l,us到5s)，本系統(tǒng)選用的ADC轉(zhuǎn)換速度為2,us，最快采樣時(shí)間是5s，所以對脈沖信號峰值要進(jìn)行峰值展寬。采樣保持電路要

19、求采樣速度快，保持時(shí)間能達(dá)到ADC采樣時(shí)間指標(biāo)。 由于脈沖信號的隨機(jī)性，防止信號來的過密而引起漏計(jì)。本系統(tǒng)采用2s轉(zhuǎn)換速度的ADC，所以從理論上分析，如果兩個(gè)信號相隔2s內(nèi)，則會引起漏計(jì)，由于CPU處理速度等問題的存在，實(shí)際上這個(gè)時(shí)間間隔可能長3-10倍，即6s -50s之間(根據(jù)CPU處理速度及代碼量而定)，甚至更多。實(shí)際信號出現(xiàn)這種情況幾率很少，所以可以忽略這個(gè)問題。 要解決由于信號過密，引起的幅度信號錯(cuò)誤紀(jì)錄。高能區(qū)的信號可能被誤計(jì)為低能區(qū)的信號，容易引起低能計(jì)數(shù)偏大高能計(jì)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

20、設(shè)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。控制電路的主要功能是完成對A/D讀入/轉(zhuǎn)換狀態(tài)的控制?？刂齐娐酚?4LS74觸發(fā)器構(gòu)成，74LS74的特性如表4一1所示。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(dá)多道脈沖幅度分析器后，由甄別電路進(jìn)行甄別，過峰值后將峰值通過的時(shí)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(shí)使控制電路轉(zhuǎn)入不工作狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理; 中斷完畢，單片機(jī)發(fā)信號使控制電路重新處于工作狀態(tài) 采樣開始時(shí)，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(dāng)信號上升沿的能量低于設(shè)定的閉值電壓時(shí)，U201B的CLK端為低電壓，此時(shí)，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(dāng)信號上升沿的能量高于設(shè)定的閉壓值時(shí)，U201B的CLK端為高電壓，輸出端9腳輸出高電平