一種多道脈沖幅度分析器的實現(xiàn)方案

引言

　　多道脈沖幅度分析器不僅能自動獲取能譜數(shù)據(jù)，而且一次測量就能得到整個能譜，因此可大大減少數(shù)據(jù)采集時間，與此同時，其測量精度也顯著提高。自從20世紀50年代以來，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。

　　多道分析任務是將被測量的脈沖幅度范圍平均分成2n個幅度間隔，然后測量幅度在每一個幅度間隔內(nèi)的輸入脈沖個數(shù)，最后得到輸入信號的脈沖幅度分布曲線。其測量采用的是計算機技術中的A/D模數(shù)變換及數(shù)據(jù)存儲技術。

　　在計算機的存儲器中開辟一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)有2n個計數(shù)器，每一個脈沖幅度間隔在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)部有一個對應的計數(shù)器。多道脈沖幅度分析時，可在微處理器的控制下，將被分析的脈沖信號首先送往模數(shù)變換器，經(jīng)A/D變換形成一個代表脈沖幅度的數(shù)字量(道址)。然后用微處理器將該數(shù)字量變換成所對應的計數(shù)器地址。并使該地址對應的計數(shù)器內(nèi)容加一(反映該道計數(shù)加一)。這樣，經(jīng)過一段時間的測量，存儲器內(nèi)計數(shù)器緩沖中各計數(shù)器計數(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)

　　一臺完整的核地球物理儀器通?？煞譃閮刹糠郑汉溯椛涮綔y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，或通過計算機接口送給計算機進行數(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計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。脈沖信號在通過甄別電路和控制電路時，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)換電路則可對脈沖信號峰值幅度進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲在片上Flash中，然后由微控制器進行相應的數(shù)據(jù)處理。

　　2 多道脈沖幅度分析器硬件設計

　　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的道寬。道數(shù)越多，幅度分布分析的越精細，各個道的計數(shù)相應減少，需要測量的時間就要加長，硬件電路也隨之復雜。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NaI探測器的多道能譜儀，由于它的能量分辨率比較差，往往128道至256道就能滿足測量要求。而對于半導體探測器，則需要1024~8196道。本文使用半導體探測器并采用12位AD轉(zhuǎn)換器，共有4096道，但采用并道的方式來顯示1024道。

　　主放大器應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，因此。為了能進行信號幅度分析，實現(xiàn)能譜測量，通常需要用脈沖線性放大器將脈沖信號進行幅度的線性放大與脈沖成形。針對脈沖特點，要求放大器具有以下技術指標特性：

　　首先是放大倍數(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，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)應在10倍左右，考慮到前置放大器輸出的信號幅度有差異，其放大倍數(shù)應可調(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受有關電路影響，一般為幾個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。一般地，選用低噪聲的運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、抗計數(shù)過載、放大器的穩(wěn)定性、功耗等，在電路設計和調(diào)試時也應予以考慮。由于α脈沖信號通過整形后大概有1~2個微秒的脈沖寬，γ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)的運算放大器選用CA3140，該器件具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗小、溫漂小等特點。