基于LPC1764的多道脈沖幅度分析器的電路設(shè)計(jì)

摘要：為解決核輻射測(cè)量的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于ARM Cortex—M3內(nèi)核的LPC1764處理器、CPLD和高速A／D轉(zhuǎn)換等芯片構(gòu)造多道脈沖幅度分析器的電路系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用CPLD對(duì)高速A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)脈沖甄別和尋峰；使用LPC1764實(shí)現(xiàn)分類(lèi)計(jì)數(shù)和統(tǒng)計(jì)并將結(jié)果通過(guò)USB上傳到計(jì)算機(jī)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，能夠滿足高速實(shí)時(shí)測(cè)量的需求。
關(guān)鍵詞：脈沖幅度分析器；CPLD；ARM；實(shí)時(shí)測(cè)量

0 引言
在核輻射測(cè)量中，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，通過(guò)測(cè)脈沖信號(hào)的幅度就可以知道入射射線的能量。多道脈沖幅度分析器的基本原理是將脈沖幅度范圍平均分成n(多道脈沖幅度分析器的道數(shù))個(gè)幅度間隔，通過(guò)將模擬脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成與其幅度對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，對(duì)落在各個(gè)幅度間隔內(nèi)的脈沖分別計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的累積，就可得到核輻射探測(cè)器輸出的脈沖幅度的分布曲線。
目前多道脈沖幅度分析器實(shí)現(xiàn)方法多種多樣，本文介紹一種基于直接采樣分析脈沖波形的多道技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，該方法使用基于第二代ARM Cortex-M3內(nèi)核的LPC1764處理器與CPLD相結(jié)合控制A／D采樣、脈沖幅度甄別和計(jì)數(shù)等工作，并通過(guò)USB 2．0接口將測(cè)量結(jié)果上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。該方法采用12位高精度高速A／D轉(zhuǎn)換芯片，采樣速率40 MHz，由于充分利用了CPLD的功能，該方法具有分析速度快、精度高、沒(méi)有分析死區(qū)等特點(diǎn)，而且使用的芯片少、體積小、可靠性高、性價(jià)比高。

1 多道脈沖幅度分析器的總體設(shè)計(jì)
多道脈沖幅度分析器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

核探測(cè)器探測(cè)到輻射信號(hào)后輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，由于探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)并不是理想的指數(shù)信號(hào)，而是存在信號(hào)堆積、過(guò)零下沖、隨機(jī)噪聲等現(xiàn)象，需經(jīng)模擬前端進(jìn)行模擬處理，包括信號(hào)濾波、極-零相消、積分成形、剔除干擾、抑制噪聲、放大等。經(jīng)模擬前端處理后的信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成波形數(shù)據(jù)交給CPLD完成脈沖的甄別和尋峰處理，再通知單片機(jī)獲取峰值數(shù)據(jù)，根據(jù)峰值進(jìn)行分類(lèi)計(jì)數(shù)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間積累后將分類(lèi)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果通過(guò)USB接口上傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行能譜顯示和分析處理。
多道脈沖幅度分析器的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，其中硬件設(shè)計(jì)包括模擬前端、A／D轉(zhuǎn)換電路、CPLD電路、單片機(jī)電路、USB接口電路和電源電路的設(shè)計(jì)；軟件包括CPLD程序、單片機(jī)程序和計(jì)算機(jī)的能譜分析軟件設(shè)計(jì)。

2 模擬前端及A／D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
模擬前端及A／D轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，核探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)極零相消電路后送入低噪聲運(yùn)放OPA843進(jìn)行放大，整形后送入A／D轉(zhuǎn)換芯片AD9224，AD9224在40 MHz時(shí)鐘的控制下持續(xù)不斷地對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)直接送CPLD進(jìn)行處理。其原理如圖2所示。
A／D轉(zhuǎn)換電路采用Analog Devices公司的AD9224。AD9224是一款12位高精度高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由+5 V模擬電壓供電，+3 V或+5 V數(shù)字電壓供電；片內(nèi)提供參考電壓和高性能的采樣保持放大器；采樣速率40 MHz，輸入信號(hào)可以采用單端輸入也可以采用差分輸入。本設(shè)計(jì)采用單端輸入直流耦合方式，輸入信號(hào)范圍為0～4 V。