一種多道脈沖幅度分析器的實(shí)現(xiàn)方案

引言

　　多道脈沖幅度分析器不僅能自動(dòng)獲取能譜數(shù)據(jù)，而且一次測(cè)量就能得到整個(gè)能譜，因此可大大減少數(shù)據(jù)采集時(shí)間，與此同時(shí)，其測(cè)量精度也顯著提高。自從20世紀(jì)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(wù)是將被測(cè)量的脈沖幅度范圍平均分成2n個(gè)幅度間隔，然后測(cè)量幅度在每一個(gè)幅度間隔內(nèi)的輸入脈沖個(gè)數(shù)，最后得到輸入信號(hào)的脈沖幅度分布曲線。其測(cè)量采用的是計(jì)算機(jī)技術(shù)中的A/D模數(shù)變換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。

　　在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中開辟一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)有2n個(gè)計(jì)數(shù)器，每一個(gè)脈沖幅度間隔在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)部有一個(gè)對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)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(hào)首先送往模數(shù)變換器，經(jīng)A/D變換形成一個(gè)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(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器地址。并使該地址對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器內(nèi)容加一(反映該道計(jì)數(shù)加一)。這樣，經(jīng)過一段時(shí)間的測(cè)量，存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)數(shù)器緩沖中各計(jì)數(shù)器計(jì)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(tái)完整的核地球物理儀器通?？煞譃閮刹糠郑汉溯椛涮綔y(cè)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(hào)并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果;另一方面將存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并直接顯示譜線，或通過計(jì)算機(jī)接口送給計(jì)算機(jī)進(jìn)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。脈沖信號(hào)在通過甄別電路和控制電路時(shí)，甄別電路給出脈沖的過峰信息，并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路則可對(duì)脈沖信號(hào)峰值幅度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在片上Flash中，然后由微控制器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

　　2 多道脈沖幅度分析器硬件設(shè)計(jì)

　　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(jì)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(gè)幅度間隔，幅度間隔的個(gè)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(xì)，各個(gè)道的計(jì)數(shù)相應(yīng)減少，需要測(cè)量的時(shí)間就要加長(zhǎng)，硬件電路也隨之復(fù)雜。因此，不應(yīng)盲目追求道數(shù)。通常要求，在幅度峰的半寬度范圍內(nèi)應(yīng)有5～10道。對(duì)于采用NaI探測(cè)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(cè)量要求。而對(duì)于半導(dǎo)體探測(cè)器，則需要1024~8196道。本文使用半導(dǎo)體探測(cè)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(yīng)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(bǔ)償核輻射探測(cè)器輸出脈沖幅度的變化。由于探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)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(hào)幅度分析，實(shí)現(xiàn)能譜測(cè)量，通常需要用脈沖線性放大器將脈沖信號(hào)進(jìn)行幅度的線性放大與脈沖成形。針對(duì)脈沖特點(diǎn)，要求放大器具有以下技術(shù)指標(biāo)特性：

　　首先是放大倍數(shù)應(yīng)按放大器的輸入脈沖幅度和所要求的輸出幅度來確定。因?yàn)榍胺泡敵龅碾娒}沖信號(hào)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(yīng)在10倍左右，考慮到前置放大器輸出的信號(hào)幅度有差異，其放大倍數(shù)應(yīng)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(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。考慮到來自前放的信號(hào)幅度比較小，要求選用的放大器的輸入噪聲應(yīng)盡可能的小。一般地，選用低噪聲的運(yùn)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(jì)數(shù)過載、放大器的穩(wěn)定性、功耗等，在電路設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)也應(yīng)予以考慮。由于α脈沖信號(hào)通過整形后大概有1~2個(gè)微秒的脈沖寬，γ脈沖信號(hào)通過整形后大概有3～5個(gè)微秒的脈沖寬，所以，在選用運(yùn)算放大器時(shí)，要考慮到運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速度。本系統(tǒng)的運(yùn)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)。