引言
多道脈沖幅度分析器不僅能自動(dòng)獲取能譜數(shù)據(jù),，而且一次測(cè)量就能得到整個(gè)能譜，因此可大大減少數(shù)據(jù)采集時(shí)間,，與此同時(shí),，其測(cè)量精度也顯著提高。自從20世紀(jì)50年代以來(lái),，多道脈沖幅度分析器發(fā)展迅速,，現(xiàn)在已成為獲取核能譜數(shù)據(jù)的通用儀器。
多道分析任務(wù)是將被測(cè)量的脈沖幅度范圍平均分成2n個(gè)幅度間隔,，然后測(cè)量幅度在每一個(gè)幅度間隔內(nèi)的輸入脈沖個(gè)數(shù),，最后得到輸入信號(hào)的脈沖幅度分布曲線,。其測(cè)量采用的是計(jì)算機(jī)技術(shù)中的A/D模數(shù)變換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。
在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中開辟一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)有2n個(gè)計(jì)數(shù)器,，每一個(gè)脈沖幅度間隔在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)部有一個(gè)對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器。多道脈沖幅度分析時(shí),，可在微處理器的控制下,，將被分析的脈沖信號(hào)首先送往模數(shù)變換器，經(jīng)A/D變換形成一個(gè)代表脈沖幅度的數(shù)字量(道址),。然后用微處理器將該數(shù)字量變換成所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器地址,。并使該地址對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器內(nèi)容加一(反映該道計(jì)數(shù)加一)。這樣,，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)量,，存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)數(shù)器緩沖中各計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的多少就可反映輸入脈沖的幅度分布。
1 多道脈沖幅度分析器結(jié)構(gòu)
一臺(tái)完整的核地球物理儀器通?？煞譃閮刹糠郑汉溯椛涮綔y(cè)器和嵌入式系統(tǒng),。而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(lái)自放大器的信號(hào)并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,，同時(shí)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果;另一方面將存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,，并直接顯示譜線，或通過(guò)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,。
本文介紹的多道脈沖幅度分析器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。脈沖信號(hào)在通過(guò)甄別電路和控制電路時(shí)，甄別電路給出脈沖的過(guò)峰信息,，并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,。A/D轉(zhuǎn)換電路則可對(duì)脈沖信號(hào)峰值幅度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在片上Flash中,，然后由微控制器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,。
2 多道脈沖幅度分析器硬件設(shè)計(jì)
2.1 脈沖線性主放大器
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,，其控制核心為嵌入式系統(tǒng),。它的基本功能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的道寬。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(cè)量的時(shí)間就要加長(zhǎng)，硬件電路也隨之復(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(duì)于采用NaI探測(cè)器的多道能譜儀，由于它的能量分辨率比較差,，往往128道至256道就能滿足測(cè)量要求,。而對(duì)于半導(dǎo)體探測(cè)器，則需要1024~8196道,。本文使用半導(dǎo)體探測(cè)器并采用12位AD轉(zhuǎn)換器,，共有4096道，但采用并道的方式來(lái)顯示1024道,。
主放大器應(yīng)放在前置放大電路和甄別電路之間,，但需要增益調(diào)節(jié)來(lái)補(bǔ)償核輻射探測(cè)器輸出脈沖幅度的變化。由于探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度比較小(為幾十毫伏至幾百毫伏),，脈沖寬度比較窄,，因此。為了能進(jìn)行信號(hào)幅度分析,，實(shí)現(xiàn)能譜測(cè)量,，通常需要用脈沖線性放大器將脈沖信號(hào)進(jìn)行幅度的線性放大與脈沖成形。針對(duì)脈沖特點(diǎn),，要求放大器具有以下技術(shù)指標(biāo)特性：
首先是放大倍數(shù)應(yīng)按放大器的輸入脈沖幅度和所要求的輸出幅度來(lái)確定。因?yàn)榍胺泡敵龅碾娒}沖信號(hào)幅度一般可以調(diào)至幾百毫伏左右,，而放大器輸出脈沖幅度在1～5V范圍內(nèi),，所以其放大倍數(shù)應(yīng)在10倍左右，考慮到前置放大器輸出的信號(hào)幅度有差異,，其放大倍數(shù)應(yīng)可調(diào)試,。
其次是放大器的頻帶寬度。由于前放輸出的脈沖寬度會(huì)受有關(guān)電路影響,，一般為幾個(gè)μs,，因此，要求放大器的頻帶寬度為1～2MHz,。
第三是放大器的噪聲,。考慮到來(lái)自前放的信號(hào)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,。一般地,，選用低噪聲的運(yùn)算放大器組件可以有效減少電路內(nèi)部固有的噪聲。
另外,，諸如放大器的輸入阻抗,、抗計(jì)數(shù)過(guò)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)予以考慮。由于α脈沖信號(hào)通過(guò)整形后大概有1~2個(gè)微秒的脈沖寬,，γ脈沖信號(hào)通過(guò)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),，要考慮到運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速度,。本系統(tǒng)的運(yùn)算放大器選用CA3140，該器件具有輸入阻抗高,、噪聲低,、功耗小、溫漂小等特點(diǎn),。
2.2 峰值檢測(cè)電路
峰值檢測(cè)電路由甄別電路和控制電路兩部分構(gòu)成,，甄別電路的作用是檢測(cè)信號(hào)時(shí)序，控制電路則根據(jù)甄別電路的時(shí)序?qū)δM開關(guān),、ADC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(cè)任務(wù),。
由于核輻射探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度和入射粒子的能量成正比，因此,，測(cè)量這些脈沖的幅度,，就可以知道輻射的能量?？梢?，脈沖幅度測(cè)量技術(shù)在核能譜測(cè)量中是一個(gè)重要的問(wèn)題。甄別電路需要解決三個(gè)與信號(hào)相關(guān)的信息：一是超過(guò)閾值信號(hào)的信息;二是過(guò)峰時(shí)間信息,，即啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換的時(shí)間信息;三是ADC完成轉(zhuǎn)換的時(shí)間信息,。甄別電路中也存在三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，研究中要予以注意：
首先,，由于放大器輸出的α和γ射線脈沖寬度比較窄(約1μs到5μs),，而本系統(tǒng)選用的ADC轉(zhuǎn)換速度為10μs，所以,，要對(duì)脈沖信號(hào)峰值進(jìn)行峰值展寬,。采樣保持電路要求采樣速度快,，以使保持時(shí)間能達(dá)到ADC采樣時(shí)間指標(biāo)。
其次,，由于脈沖信號(hào)的隨機(jī)性,，為了防止信號(hào)來(lái)的過(guò)密而引起漏計(jì)，本系統(tǒng)采用10μs轉(zhuǎn)換速度的ADC,，所以,，從理論上分析，如果兩個(gè)信號(hào)相隔10μs內(nèi),，則會(huì)引起漏計(jì),。而由于CPU處理速度等問(wèn)題的存在，實(shí)際上,，這個(gè)時(shí)間間隔可能長(zhǎng)3～10倍,，即在30～100μs之間(根據(jù)CPU處理速度及代碼量而定)，甚至更多,，也就是說(shuō),，實(shí)際信號(hào)出現(xiàn)這種情況的幾率很少，所以,，可以忽略這個(gè)問(wèn)題,。
另外，還要解決信號(hào)過(guò)密而引起的幅度信號(hào)錯(cuò)誤紀(jì)錄,，而高能區(qū)的信號(hào)也可能被誤計(jì)為低能區(qū)的信號(hào),，容易引起低能計(jì)數(shù)偏大而高能計(jì)數(shù)偏小的問(wèn)題。
圖2所示是甄別電路和控制電路的原理圖,。甄別電路的主要功能是完成過(guò)峰檢測(cè)和去除信號(hào)噪聲,，可通過(guò)設(shè)定閉值將信號(hào)中能量小于閥值的噪聲去。峰值通過(guò)后,，提供信息給控制電路;控制電路的主要功能是完成對(duì)A/D讀入/轉(zhuǎn)換狀態(tài)的控制,。控制電路可由74HC74觸發(fā)器構(gòu)成,。
甄別和控制電路具體工作過(guò)程是，先由嵌入式微處理器控制中心給控制電路發(fā)出信號(hào),，以使控制電路處于工作狀態(tài),，當(dāng)脈沖信號(hào)到達(dá)多道脈沖幅度分析器后，由甄別電路進(jìn)行甄別,，并在過(guò)峰值后,，將峰值通過(guò)的時(shí)間信息提供給控制電路;此后由控制電路啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換完畢,，再由嵌入式微處理器控制中心產(chǎn)生中斷,，同時(shí)使控制電路停止工作,，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理;中斷完畢，再由單片機(jī)發(fā)信號(hào)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(guò)控制74HC74來(lái)啟動(dòng)A/D，然后,，使U2A的RD和U2B的RD及SD端輸出高電平,，控制電路處于接收信號(hào)狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)上升沿的能量低于設(shè)定的閉值電壓時(shí),，U2A的CLK端為低電壓,，此時(shí)，U2A的RD和SD端均為高電平,，輸出端5腳保持原來(lái)的低電平不變,。當(dāng)信號(hào)上升沿的能量高于設(shè)定的閉壓值時(shí)，U2A的CLK端為高電壓,，輸出端5腳輸出高電平,，啟動(dòng)U2B。當(dāng)脈沖沒有達(dá)到峰值時(shí),，比較器U1B的同相輸入端電壓低于反相輸入端電壓,，6端輸出低電壓，當(dāng)過(guò)峰后,，6端輸出高電平,，R/C輸出低電平以啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完畢后,，由ARM重新控制A/D進(jìn)行下一個(gè)脈沖信號(hào)的采集,。甄別電路和控制電路的工作流程如圖3所示。
2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果反饋給微控制器,。多道脈沖幅度分析器主要用于快速、高精度地對(duì)輸入的核脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣,，并將脈沖的幅度值轉(zhuǎn)換成微控制器所能夠處理的數(shù)字量,。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路作為多道脈沖幅度分析器的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的能量分辨率和轉(zhuǎn)換精度等參數(shù),。綜合對(duì)多道脈沖幅度分析器的ADC芯片的主要性能(如轉(zhuǎn)換速度,，功耗，轉(zhuǎn)換精度)等考慮,，本系統(tǒng)選用AD公司的AD7994,，并在實(shí)際工作中采用“并道”的方法，每4道并作l道，則道寬非線性即可降低至原來(lái)的1/4,。這種方法可降低由于ADC本身造成的非線性誤差,。其具體電路設(shè)計(jì)見圖4所示。
