基于DSP的X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

X 射線是由高能電子在物質(zhì)中作減速運(yùn)動(dòng)或由原子內(nèi)層軌道電子的躍遷產(chǎn)生的，所以穿透性很強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于射線檢測(cè)、介質(zhì)識(shí)別等多個(gè)方面。在射線能量一定時(shí)，X射線輻射強(qiáng)度的衰減程度只與所穿過(guò)的介質(zhì)有關(guān)，即X射線穿透不同介質(zhì)時(shí)，透射的強(qiáng)度不同。所以，可以通過(guò)對(duì)探測(cè)到的X 射線強(qiáng)度分析從而進(jìn)行介質(zhì)設(shè)別的相關(guān)研究。

X 射線的探測(cè)是通過(guò)探測(cè)器接收到射線穿透物質(zhì)后射線的強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本文采用NaI(Tl)晶體與光電倍增管組成的閃爍探測(cè)器以用于X射線的探測(cè)，探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度與透射的射線強(qiáng)度成正比，所以對(duì)脈沖信號(hào)幅度的分析也就為介質(zhì)識(shí)別提供了重要的信息，本文選用高速DSP 芯片TMS320F2812 作為主控制器來(lái)完成脈沖信號(hào)幅度的分析與處理。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

閃爍探測(cè)器探測(cè)到的X射線強(qiáng)度一般比較微弱，需要經(jīng)過(guò)放大、濾波、峰值保持等預(yù)處理后，再使用DSP對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換、脈沖幅度分析、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及與上位機(jī)之間的通信，最終繪制出一條有關(guān)X射線強(qiáng)度的譜線圖。X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由5部分構(gòu)成：前置放大電路、濾波電路、主放大電路、峰值保持電路、DSP主控電路，其總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)各組成部分的設(shè)計(jì)

2.1 前置放大電路的設(shè)計(jì)

前置放大電路是整個(gè)前級(jí)預(yù)處理電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在未屏蔽的條件下，透射的X射線一般處在變壓器電磁輻射、工頻干擾、背景輻射等背景噪聲中，要想從強(qiáng)大的背景噪聲中提取出攜帶識(shí)別介質(zhì)信息的X射線強(qiáng)度，就需要整個(gè)X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很高的性能，而前置放大電路又是前級(jí)預(yù)處理電路前端重要的組成部分，所以本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的前置放大電如圖2所示。差分運(yùn)算放大器具有很高的共模抑制比，可抑制各種共模干擾引入的誤差。

圖2所設(shè)計(jì)的電路由3個(gè)基本運(yùn)算放大器組成，其中運(yùn)放A1、A2組成同相并聯(lián)輸入第一級(jí)放大，以提高放大器的輸入阻抗和增益，A3為差動(dòng)放大，作為放大器的第二級(jí)。整個(gè)電路的共模抑制比取決于第一級(jí)放大電路中A1 和A2 的對(duì)稱程度，第二級(jí)放大電路的共模抑制比取決于差動(dòng)運(yùn)放A3 的閉環(huán)增益以及電阻的匹配精度。由圖2 可算出前置放大電路的輸出電壓為Uo當(dāng)Ui1=Ui2 時(shí)，R2 中電流為零，故輸出電壓Uo=0.可見(jiàn)，電路放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。

2.2 濾波電路的設(shè)計(jì)

由于噪聲與信號(hào)同時(shí)放大，不利于后續(xù)放大電路的工作，所以信號(hào)在經(jīng)過(guò)前置放大電路放大后需要進(jìn)行濾波。為了保證X射線探測(cè)的精確性，可在前置放大電路之后設(shè)計(jì)由壓控電壓源二階高通濾波和二階低通濾波電路串聯(lián)組成的帶通濾波電路如圖3所示。

圖3即是所設(shè)計(jì)的帶通濾波電路，它由有源高通和有源低通濾波串聯(lián)組成，其帶寬范圍為100 kHz~1 MHz.高通和低通濾波的運(yùn)算放大器選用具有高精度、低偏置、低功耗的雙運(yùn)放芯片LM358.根據(jù)有源濾波電路的快速設(shè)計(jì)理論，可得到高低通濾波器的各個(gè)參數(shù)。

高通濾波器的帶內(nèi)增益為1,截止頻率為100 kHz,高通濾波器的各個(gè)參數(shù)為：C1=C2=800 pF,R1=R2=20 kΩ;低通濾波器的帶內(nèi)增益為1,截止頻率為1 MHz,低通濾波器的各個(gè)參數(shù)為：C3=C4=1 nF,R3=R4=160 Ω。

2.3 主放大電路的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)前置放大和帶通濾波處理后的信號(hào)仍然比較微弱，其中最大的脈沖幅度約為400 mV且為負(fù)脈沖，由于后續(xù)ADC 電路的輸入范圍為0~3.3 V,因此脈沖信號(hào)在送入ADC 電路之前還需進(jìn)一步放大，所設(shè)計(jì)的主放大電路如圖4所示。

由圖4所示，主放大電路采用具有低噪聲、寬帶寬、高精度的單運(yùn)放芯片OP37組成電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，為使后端A/D轉(zhuǎn)換電路具有較為理想的輸入信號(hào)，主放大電路的電壓放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為6~8 倍，因此圖中各個(gè)電阻的參數(shù)設(shè)計(jì)為：R1=25 kΩ，R3=30 kΩ，R4=200 kΩ，R2采用標(biāo)稱阻值為10 kΩ的可調(diào)電位器。此外，為了避免電路中的毛刺使放大電路的輸出超過(guò)ADC的輸入電壓范圍，在主放大電路的輸出端設(shè)計(jì)了雙向限幅電路，當(dāng)主放大電路的輸出高于UMax 時(shí)，二極管D1 導(dǎo)通，此時(shí)輸出電壓被限制在UMax;當(dāng)主放大電路的輸出低于UMin時(shí)，二極管D2 導(dǎo)通;選擇合適的UMax 和UMin,可以把輸出電壓鉗制在0~3.3 V,滿足A/D轉(zhuǎn)換電路輸入電壓的范圍要求。