一種新的死時(shí)間損失的補償方法及其實(shí)現

摘要：用計數的方法解決脈沖幅度分析器系統的丟峰問(wèn)題，然后根據丟失脈沖的個(gè)數進(jìn)行補償，是解決幅度分析系統中死時(shí)間問(wèn)題的有效方法。本文詳細介紹了這種死時(shí)間損失補償的方法原理及其在實(shí)際中的應用。

關(guān)鍵詞：脈沖幅度分析系統 死時(shí)間

前言

脈沖幅度分析系統是核輻射探測儀器的一個(gè)重要組成部分，它根據模-數轉換原理，把前置電路（傳感器+前放+主放）輸出的模擬信號轉換成與其峰值成比例的數字信息。實(shí)現信號轉換的主要器件是模數轉換器。模數轉換器在信號轉換和存儲器存儲過(guò)程中，前置電路隨后輸出的信號將被丟失。通常，將能區分兩個(gè)脈沖之間的最小時(shí)間間隔稱(chēng)為計數系統的死時(shí)間，對于脈沖幅度分析系統而言，死時(shí)間主要取決于模數轉換器的轉換時(shí)間和存儲器的存儲時(shí)間之和。一種做法是累計每個(gè)計數的死時(shí)間，然后通過(guò)延長(cháng)測量時(shí)間來(lái)補償因死時(shí)間而造成的計數損失。這種死時(shí)間損失補償方法會(huì )因死時(shí)間的累計不準等原因造成很大誤差，同時(shí)，當計數率不大，模數轉換器轉換速度足夠快時(shí)，計數基本不丟失的情況下，死時(shí)間仍然存在，此時(shí)的死時(shí)間損失補償顯然是不合理的。為此，我們采用了一種新的死時(shí)間損失補償方法，可以有效地克服以上弊端。

方法原理

常用的計數系統死時(shí)間特性模型有兩種：擴展型響應和非擴展型響應。這些模型體現了理想化的死時(shí)間特性，實(shí)際計數系統的響應往往很類(lèi)似于這兩者中的一種模型。假定在計數系統“活時(shí)間”內發(fā)生的每個(gè)真事件跟隨一個(gè)固定的死時(shí)間τ，在死時(shí)間內的真事件雖然不被計數，但跟隨丟失事件再擴展了另一個(gè)周期為τ的死時(shí)間，稱(chēng)為擴展型響應死時(shí)間。假定在計數系統“活時(shí)間”內發(fā)生的每個(gè)真事件跟隨一個(gè)固定的死時(shí)間τ，在這個(gè)死時(shí)間內發(fā)生的真事件將會(huì )丟失且對計數系統特性無(wú)任何影響，稱(chēng)為非擴展型響應死時(shí)間。

脈沖幅度分析系統的死時(shí)間是非擴展型死時(shí)間，因為一個(gè)脈沖引起計數后的分辨時(shí)間內又有脈沖進(jìn)入系統不會(huì )引起計數，但也不會(huì )進(jìn)一步引起死時(shí)間的增加。死時(shí)間的修正公式為：

N0=N/(1-Nτ)

其中，N0為單位時(shí)間內進(jìn)入系統的脈沖總數；N為記錄到的計數率；τ為系統死時(shí)間；Nτ的物理意義是單位時(shí)間內死時(shí)間之和。事實(shí)上，脈沖幅度分析系統的死時(shí)間固然是系統的一個(gè)重要的技術(shù)指標，但計算死時(shí)間的最終目的是為了對死時(shí)間損失進(jìn)行補償，如果采用延長(cháng)測量時(shí)間的方法對死時(shí)間進(jìn)行補償，在延長(cháng)的測量時(shí)間內又會(huì )產(chǎn)生新的死時(shí)間，這顯然對死時(shí)間的修正不利。為此，我們采用了脈沖個(gè)數補償方法，即對在測量過(guò)程中累計的死時(shí)間內丟失的脈沖個(gè)數進(jìn)行補償。設n0為測量時(shí)間內進(jìn)入系統的脈沖總數；n為測量時(shí)間內記錄到的計數，新的死時(shí)間損失的補償方法就是采用對丟失的脈沖個(gè)數（即n0-n）進(jìn)行補償的方法。具體做法是：用單片機的T1計時(shí)器對前置電路輸出的脈沖個(gè)數進(jìn)行累計計數，得n0；同時(shí)在單片機程序中（也可采用單片機的計數器）對模數轉換器轉換的脈沖個(gè)數進(jìn)行累計計數，得n；當設定的測量時(shí)間到達的瞬間，二者之差即為系統丟失脈沖個(gè)數（即n0-n），此時(shí)系統繼續工作，當模數轉換器再轉換了n0-n個(gè)脈沖后，系統停止工作并顯示測量時(shí)間到，從而實(shí)現死時(shí)間損失的補償。

很顯然，這種脈沖個(gè)數補償方法同樣適用于擴展型死時(shí)間的補償修正。

硬件設計

圖1為系統的控制電路，也可視為輸入信號的緩沖電路，用來(lái)甄別信號的上升沿，提供輸入信號的峰值信息。其中：電容C1是信號峰值的保持電容；二極管D1保證C1采集的是輸入信號峰值，防止其跟隨輸入信號的下降而變化；U1:A是信號起始判斷比較器，其反向端接入一參考電壓0.5V，正相端接輸入信號；U1:B是信號峰值幅度判斷比較器，其反向端接電容C1，正相端接輸入信號，在信號的上升沿階段，反相端的電壓總是比正相端電壓低0.3V；兩個(gè)比較器的輸出端A、B及C點(diǎn)波形如圖2所示。C點(diǎn)提供了信號上升沿信息，用于控制后續的峰值保持電路；U1:A實(shí)際上是一個(gè)閾壓判別比較器，小于0.5V的信號被認為是噪聲，C點(diǎn)不提供控制信息，ADC不予轉換，因此U1:A 的輸出端A可以作為信號總計數的輸入端，接到單片機的T1計時(shí)器（即P3.5腳)。

軟件設計

與死時(shí)間損失補償有關(guān)的單片機軟件的設計主要涉及以下幾個(gè)模塊：

（1）計時(shí)模塊。采用單片機的T0計時(shí)器實(shí)現系統測量計時(shí)，此模塊實(shí)際是計時(shí)器T0的溢出中斷服務(wù)程序。

（2）信號總計數累加模塊。采用單片機的T1計時(shí)器實(shí)現系統信號總計數，此模塊實(shí)際是計數器T1的溢出中斷服務(wù)程序。

（3）ADC轉換的脈沖個(gè)數累加模塊。對A/D的轉換采取中斷查詢(xún)方式，ADC的狀態(tài)口STATUS作為單片機的INT0的外部中斷源，每完成一次A/D轉換，外部中斷0服務(wù)程序便讀取ADC的轉換結果，并寫(xiě)入內存，同時(shí)，ADC轉換的脈沖個(gè)數加1?？梢?jiàn)，ADC轉換的脈沖個(gè)數累加模塊實(shí)際上是外部中斷0服務(wù)程序的一部分。

與死時(shí)間的計算有關(guān)的軟件實(shí)現流程圖見(jiàn)圖3?？刂婆_將測量時(shí)間Ts送入脈沖幅度分析系統并啟動(dòng)測量，前置電路的脈沖進(jìn)入分析系統，計時(shí)器T0開(kāi)始計時(shí)（假設計時(shí)時(shí)間為T(mén)n），計數器T1開(kāi)始記錄進(jìn)入系統的總的脈沖個(gè)數（n0），ADC每轉換一個(gè)脈沖，n加1。當測量時(shí)間到達即Tn=Ts時(shí)，計數器T1停止計數，此時(shí)的n0為在設定測量時(shí)間Ts內進(jìn)入分析系統的總的脈沖個(gè)數，如果此時(shí)的n0與ADC已轉換的脈沖個(gè)數n相等，則表示系統無(wú)丟峰現象，死時(shí)間為0；否則，ADC需再轉換n0-n個(gè)脈沖，以補償丟失的脈沖。

結語(yǔ)

成都理工學(xué)院研制的CD-10型便攜式X熒光全譜測量?jì)x中的峰值幅度分析系統，最初采用傳統意義上的死時(shí)間計算方法，由于計時(shí)參考脈沖周期（0.25μs）與ADC每次轉換的時(shí)間（8μs）處于同一個(gè)數量級等原因，使得死時(shí)間計算不準；采用新的死時(shí)間計算方法后，該峰值幅度分析系統能準確反映系統的死時(shí)間，提高了儀器的精確性。該方法同樣適用于其他信號峰值幅度分析的場(chǎng)合，具有較大的推廣應用價(jià)值。