基于S3C2440的多道脈沖幅度分析器硬件設計

摘要傳統的以單片機為核心的多道脈沖幅度分析器集成度低、軟硬件設計難度大、系統升級困難。文中介紹了一種以高性能32位嵌入式處理器S3C2440處理為核心的多道脈沖幅度分析器的硬件設計方案，電路主要包括甄別電路、峰值擴展電路、控制電路和A／D轉換電路。甄別電路通過(guò)設定閾值去除低能噪聲信號，峰值檢測電路進(jìn)行輸入信號的峰位檢測和峰值擴展，A／D轉換電路實(shí)現輸入信號的模擬-數字量的轉換?？刂齐娋_控制了整個(gè)電路的工作時(shí)序。測試表明，該系統具備良好的微分非線(xiàn)性和積分非線(xiàn)性、速度快、穩定性好、可用于實(shí)際工作。
關(guān)鍵詞多道脈沖幅度分析器；S3C2440；峰值檢測

多道脈沖幅度分析器是核輻射測量?jì)x器的一個(gè)重要組成部分，它將被測量的脈沖幅度范圍平均分為n個(gè)幅度間隔，然后測量輸入脈沖在每一個(gè)幅度間隔內的計數值，最后得到輸入信號的脈沖幅度和相對應計數的關(guān)系曲線(xiàn)。傳統的多道脈沖幅度分析器多是以51系列單片機為核心電路系統。由于單片機的處理能力有限，因此這種儀器需要上位機的軟件支持。這種上、下位機的設計方式也限定了系統的功能，影響了系統的穩定性與實(shí)時(shí)性。此外，單片機系統的低集成度也導致了系統設計難度大，系統升級困難。文中提出了一個(gè)基于32位ARM 9核的S3C2440處理器的多道脈沖幅度分析器設計方案。該設計可以對核信號進(jìn)行采集、分析、處理與顯示，是一個(gè)高集成度、高精度、低功耗、低成本的多道脈沖幅度分析系統。

1 系統總體硬件結構
系統設計方案如圖1所示，硬件電路主要由甄別電路、峰值檢測電路、A／D轉換電路和S3C2440外圍擴展電路組成。系統工作原理：從核探測器輸出的核脈沖信號分為兩路。一路進(jìn)入甄別電路，該電路對信號的波形進(jìn)行選擇，通過(guò)設定輸入脈沖的閾值電壓，達到消除低能噪聲的目的。另一路信號進(jìn)入峰值擴展電路，該電路檢測峰值到來(lái)時(shí)刻，并且對脈沖的波峰進(jìn)行展寬和保持到能適應A／D轉換時(shí)間的寬度?？刂齐娐房刂普麄€(gè)硬件電路的工作時(shí)序，精確啟動(dòng)A／D轉換。信號A／D轉換完成后，S3C2440使用中斷方式讀取轉換結果，將轉換結果作為地址值，并使該地址的計數值加1。一個(gè)輸入脈沖信號處理完畢后，S3C2440發(fā)出門(mén)控信號使控制電路恢復到初始狀態(tài)，以等待下一個(gè)脈沖的到來(lái)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測量后，即可以得到信號的脈沖一幅度曲線(xiàn)。S3C2440外圍接口電路的觸摸屏可以實(shí)現整個(gè)系統的控制和操作。LCD顯示屏用來(lái)顯示能譜曲線(xiàn)以及數據處理結果。數據信息可選存儲在USB設備中，以供計算機的后續處理。

2 主要硬件電路
2．1 甄別電路
甄別電路如圖2所示，采用高速比較器LM311實(shí)現。調節W2電壓分配器，可以設定脈沖的下限閾值。輸入信號從LM311的正輸入端輸入。根據比較器LM311特性：當正輸入端電壓低于相輸入端電壓時(shí)，比較器輸出低電平。反之，當正輸入端電壓高于設定的負向輸入端壓，則輸出高電平。在設計中，通過(guò)調節W2的值，可以設定一個(gè)閾值電壓，只有輸入脈沖高于此閾值電壓時(shí)，輸出端OUTA輸出一個(gè)高電平。
2．2 峰值檢測電路
峰值檢測電路如圖3所示，主要采用放大器CA3140和比較器LM311。峰值檢測電路可以檢測輸入脈沖峰值的到來(lái)時(shí)刻，并將輸入脈沖的峰頂進(jìn)行擴展寬并保持一定時(shí)間，使A／D轉換器能正確地轉換脈沖電壓。

峰值擴展工作原理：初始狀態(tài)模擬開(kāi)關(guān)J1斷開(kāi)，J2導通。輸入脈沖由從放大器正向輸入端輸入，當脈沖信號處于上升沿，并且超過(guò)甄別電路的閾值電壓時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)J1斷開(kāi)，J2斷開(kāi)，二級管D2導通，負反饋回路接通。此時(shí)放大器相當于電壓跟隨器，其輸出端的電壓等于輸入端的電壓，并且給電容C9充電。等輸入信號到達峰值后下降時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)J1導通，J2斷開(kāi)，以防止短時(shí)間內過(guò)多的信號在電容C22上堆積，導致電路不能進(jìn)行峰值擴展。放大器的反向端電壓大于正向電壓，輸出負信號，二極管D2截止，負反饋回路斷開(kāi)。此時(shí)電容C9上的電壓為峰值電壓。由于二極管的反向電阻和放大器的輸入阻抗都較大，電容C9不能通過(guò)二極管D2放電，實(shí)現了峰值擴展的目的。二極管D1和電阻R5對輸出的負信號的幅度進(jìn)行一定了的限制，保證了放大器及整個(gè)峰值保持電路穩定的工作。最后輸入信號通過(guò)放大器U6進(jìn)入A／D轉換器。等后續的A／D轉換結束后，本電路復位，模擬開(kāi)關(guān)J1斷開(kāi)，J2導通，使電容C9快速放電，等待下一個(gè)脈沖信號到來(lái)。
峰位的檢測工作原理：在比較器U4中，輸入脈沖Vin從LM311負向輸入端輸入，峰值擴展輸出的信號Vpeak從LM311的正向輸入端輸入。由于Vpeak是輸入脈沖Vin經(jīng)過(guò)峰值擴展電路延時(shí)后的信號，因此，開(kāi)始時(shí)刻，Vin>Vpeak，此時(shí)輸出端輸出低電平。一旦輸入脈沖的峰值到來(lái)，則VinVpeak，此時(shí)LM311輸出高電平。