基于LPC2134的多道脈沖 幅度分析器設(shè)計(jì)

0 引言
核能譜輻射測(cè)量技術(shù)是一種綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，是核探測(cè)技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科相互交叉滲透的產(chǎn)物。具有現(xiàn)場(chǎng)、多元素快速分析等特點(diǎn)。核能譜輻射測(cè)量技術(shù)已經(jīng)不僅用于核研究，也在地質(zhì)學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、考古學(xué)等學(xué)科扮演著越來(lái)越重要的角色。由于閃爍記數(shù)器、半導(dǎo)體探測(cè)器等核輻射探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度和入射粒子的能量成正比關(guān)系，因此，測(cè)量這些脈沖的幅度，就可以知道輻射的能量。然而，脈沖幅度的測(cè)量在核能譜輻射探測(cè)中則是一個(gè)重要問(wèn)題。
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。
傳統(tǒng)的核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在硬件上大多采用分離元器件以及8位單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)，故其功耗大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)存容量小、數(shù)據(jù)傳輸速率低并且難于調(diào)試；而在軟件設(shè)計(jì)上也多采用冗長(zhǎng)繁瑣的匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)效率低、可移植性差、性能難以保證。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，一些新型低功耗集成電路、ASIC集成電路、微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷引入，使核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能日益完善和強(qiáng)大，也為核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向輕便化、智能化、微機(jī)一體化以及網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展提供了必要條件。
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。