一種多道脈沖幅度分析器的實(shí)現方案

引言

　　多道脈沖幅度分析器不僅能自動(dòng)獲取能譜數據，而且一次測量就能得到整個(gè)能譜，因此可大大減少數據采集時(shí)間，與此同時(shí)，其測量精度也顯著(zhù)提高。自從20世紀50年代以來(lái)，多道脈沖幅度分析器發(fā)展迅速，現在已成為獲取核能譜數據的通用儀器。

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

　　在計算機的存儲器中開(kāi)辟一個(gè)數據緩沖區，數據緩沖區內有2n個(gè)計數器，每一個(gè)脈沖幅度間隔在數據緩沖區內部有一個(gè)對應的計數器。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首先送往模數變換器，經(jīng)A/D變換形成一個(gè)代表脈沖幅度的數字量(道址)。然后用微處理器將該數字量變換成所對應的計數器地址。并使該地址對應的計數器內容加一(反映該道計數加一)。這樣，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測量，存儲器內計數器緩沖中各計數器計數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構

　　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。而多道脈沖幅度分析器是嵌入式系統的核心部分。多道脈沖幅度分析器一方面采集來(lái)自放大器的信號并進(jìn)行模數轉換，同時(shí)存儲轉換結果;另一方面將存儲的轉換結果進(jìn)行數據分析，并直接顯示譜線(xiàn)，或通過(guò)計算機接口送給計算機進(jìn)行數據處理和譜線(xiàn)顯示。

　　本文介紹的多道脈沖幅度分析器的設計結構框圖如圖1所示。脈沖信號在通過(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轉換。A/D轉換電路則可對脈沖信號峰值幅度進(jìn)行模數轉換，并將轉換結果存儲在片上Flash中，然后由微控制器進(jìn)行相應的數據處理。

　　2 多道脈沖幅度分析器硬件設計

　　2.1 脈沖線(xiàn)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、模數轉換電路、ARM嵌入式系統組成，其控制核心為嵌入式系統。它的基本功能是按輸入脈沖的幅度分類(lèi)計數。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)數就是脈沖幅度分析器的道數，幅度間隔的寬度就是脈沖幅度分析器的道寬。道數越多，幅度分布分析的越精細，各個(gè)道的計數相應減少，需要測量的時(shí)間就要加長(cháng)，硬件電路也隨之復雜。因此，不應盲目追求道數。通常要求，在幅度峰的半寬度范圍內應有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(mǎn)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。

　　主放大器應放在前置放大電路和甄別電路之間，但需要增益調節來(lái)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(jìn)行信號幅度分析，實(shí)現能譜測量，通常需要用脈沖線(xiàn)性放大器將脈沖信號進(jìn)行幅度的線(xiàn)性放大與脈沖成形。針對脈沖特點(diǎn)，要求放大器具有以下技術(shù)指標特性：

　　首先是放大倍數應按放大器的輸入脈沖幅度和所要求的輸出幅度來(lái)確定。因為前放輸出的電脈沖信號幅度一般可以調至幾百毫伏左右，而放大器輸出脈沖幅度在1～5V范圍內，所以其放大倍數應在10倍左右，考慮到前置放大器輸出的信號幅度有差異，其放大倍數應可調試。

　　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?？紤]到來(lái)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部固有的噪聲。

　　另外，諸如放大器的輸入阻抗、抗計數過(guò)載、放大器的穩定性、功耗等，在電路設計和調試時(shí)也應予以考慮。由于α脈沖信號通過(guò)整形后大概有1~2個(gè)微秒的脈沖寬，γ脈沖信號通過(guò)整形后大概有3～5個(gè)微秒的脈沖寬，所以，在選用運算放大器時(shí)，要考慮到運放的轉換速度。本系統的運算放大器選用CA3140，該器件具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗小、溫漂小等特點(diǎn)。