多道脉冲分析器原理与结构

模数转换电路

1.A/D转换器的选择

A/D转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量。对于多道脉冲幅度分析器而言，就是用于快速、准确地对输入的核脉冲信号进行采样编码、将脉冲幅度值转换成微处理器所能处理的数字量。转换后的数字量经过一定处理后作为存储器的道地址码，随之在该道地址码对应的存储器中进行加1运算，即完成一个脉冲的分析转换。

A/D转换电路作为多道脉冲幅度分析器的一个关键部件，其性能好坏直接影响着整个系统的能量分辨率和转换精度等参数。在ADC器件选择上，主要从功耗、分辨率、转换速度和转换精度几个方面综合考虑，根据系统的实际要求选择合理的ADC芯片。

虽然本系统中采用的嵌入式微处理器LPC2142内部集成了一个8路的10位ADC转换器，但经过多次试验证明:利用其自身的ADC模块进行A/D转换后，微处理器不能进入相应的A/D中断服务程序读取转换结果，即使利用查询方式来读取A/D转换结果，其转换精度和速度也达不到要求。若采用外部ADC进行转换时，微处理器就能进入相应的A/D中断服务程序读取转换结果，且转换精度和速度符合系统要求。为此，我们采用了硬件上微控制器外接一块ADC模块软件上，采用中断方式编写相应的A/D中断服务程序方案。这不仅提高了微处理器的执行效率，同时使系统软件设计更加简洁。表5一2列出了几种比较典型的ADC芯片对比参数。

由表5一2对比可以看出，ADS774除了引脚和封装兼容AD1674以及与AD1674具有相同的O到10V模拟量输入范围，可以替代AD1674以外，更具有新的模拟量输入范围:单极性输入还可以连接成0到5V的范围。模拟量输入范围的降低，对于整个便携式系统降低功耗有着非常重要的意义。经过比较论证ADS774具有功耗低、转换速度快、单电源供电、控制简单、性价比高和新的模拟量输入范围等优点，综合考虑，本系统的ADC选用了ADS774芯片。

在本系统的实际应用中，我们利用ADS774独特的输入电阻网络，将其模拟量输入范围设置为单极性O到+5V范围。由于内部采样电容阵列的输入范围为O到+3.3V，而ADS774的模拟输入必须转换为这个范围。具体接法是:ADS774的10V范围输入端悬空，20V范围输入端接地，脉冲输入信号由BIPOFF双极性补偿调整端进入。如图5.4所示。

2.A/D转换器与ARM的连接

ADS774与嵌入式微处理器的连接如图5.5所示。R//C端与控制电路相连，由控制电路控制A/D转换的启、停。BIPOFF端连接峰值保持电路输出的模拟信号。STS状态线申请微控制器中断进行A/D转换结果的读取。DBO一DBn与微处理器的I/0口相连，由于嵌入式微处理器ARMLPC2142具有丰富的I/0资源，所以输出方式采用12位并行输出。本系统中为了进一步提高A/D转换结果的精度，降低道宽的非线性误差，在满足系统要求的前提下，只利用了ADS77412位转换结果的高10位，舍弃了其低2位转换结果。

4. 1多道脉冲幅度分析器设计

多道脉冲幅度分析器是多道数据采集系统的核心部件。多道脉冲幅度分析器由甄别电路、控制电路、采样保持电路、模数转换电路、ARM嵌入式系统组成，控制核心为嵌入式系统。它的基本功能就是按输入脉冲的幅度分类计数。

多道脉冲幅度分析器将能够分析的脉冲幅度范围分成多个幅度间隔，幅度间隔的个数就是脉冲幅度分析器的道数，幅度间隔的宽度就是脉冲幅度分析器道宽。道数越多，幅度分布分析的越精细，各个道的计数相应减少，需要测量的时间就要加长，硬件电路也随着复杂，因此，不应盲目追求道数。通常，要求在幅度峰的半宽度范围内应有5-10道，对于采用NaI探测器的多道能谱仪，由于它的能量分辨率比较差，128道至256道就能满足测量要求。对于半导体探测器，则需要1024-8196道。 4.1.1脉冲线性主放大器

主放大器是放在前置放大电路和甄别电路之间，需要增益调节来补偿核辐射探测器输出脉冲幅度的变化。

由于探测器输出的脉冲信号幅度比较小(为几十毫伏至几百毫伏)，脉冲宽度比较窄，为了能进行信号幅度分析，实现能谱测量，需要脉冲线性放大器将脉冲信号进行幅度的线性放大与脉冲的成形。脉冲放大器的主要技术指标有:

1.放大倍数:应按放大器的输入脉冲幅度和所要求的输出幅度来确定。因为前放输出的电脉冲信号幅度一般可以调至几百毫伏左右，放大器输出脉冲幅度在1 ^-5V范围内，所以放大倍数应在10倍左右，考虑到前置放大器输出的信号幅度有差异性，放大倍数采用可调试。 2.放大器的频带宽度:前放输出的脉冲宽度受有关电路影响，一般为几个us，因此，要求放大器的频带宽度为1 --2MHz

3.放大器的噪声:考虑到来自前放的信号幅度比较小，要求选用的放大器的输入噪声应尽可能的小。选用低噪声的运算放大器元件可以有效减少电路内部固有的噪声。

4.其他，诸如放大器的输入阻抗、抗计数过载、放大器的稳定性、功耗等在电路设计和调试时也应考虑。

脉冲线性主放大器的电路示意图如图4-1和4-2所示(可以接收前放输出的正脉冲或者负脉冲)。由于α脉冲信号通过整形后大概有1-2个微秒的脉冲宽，γ脉冲信号通过整形后大概有3-5个微秒的脉冲宽，所以在选用运算放大器时要考虑到运放的转换速度。本系统运算放大器选用CA3140，它具有输入阻抗高、噪声低、功耗小、温漂小等特点〔19]，主要参数:

》开环增益:100dB;

》输入阻抗:1. 5 X 10120; 》增益带宽乘积:4. 5I4}-Iz ; 》转换速度:9V加s;

》工作温度范围:-55--+125oC

主放大器的主要参数经测试或估算如下: 》放大倍数:5 ---15倍;

》脉冲幅度放大线性范围:20mV --5000mV，线性优于5% 》输出噪声:<1mV; 》工作电压:正负12V; 》工作电流:6. 2mA

4.1.2峰值检测电路

峰值检测电路由甄别电路和控制电路两部分构成，甄别电路的作为检测信号时序，控制电路是根据甄别电路的时序对模拟开关、ADC转换进行控制。控制电路必须跟甄别电路的时序严格结合在一起，才能完成峰值检测的任务。

我们知道，核辐射探测器输出的脉冲信号幅度和入射粒子的能量成正比关系，测量这些脉冲的幅度，就可以知道辐射的能量。可见，脉冲幅度测量技术在核能谱测量中是一个重要的问题。

甄别电路需要解决三个与信号相关的信息: 》超过阈值信号信息;

》过峰时间信息，即启动ADC转换的时间信息; 》ADC完成转换时间信息。

甄别电路中存在以下三个关键问题，研究工作中要予以注意:

》由于放大器输出的α和γ射线脉冲宽度比较窄(约l,us到5μs)，本系统选用的ADC转换速度为2,us，最快采样时间是5μs，所以对脉冲信号峰值要进行峰值展宽。采样保持电路要求采样速度快，保持时间能达到ADC采样时间指标。

》由于脉冲信号的随机性，防止信号来的过密而引起漏计。本系统采用2μs转换速度的ADC，所以从理论上分析，如果两个信号相隔2μs内，则会引起漏计，由于CPU处理速度等问题的存在，实际上这个时间间隔可能长3-10倍，即6μs --50μs之间(根据CPU处理速度及代码量而定)，甚至更多。实际信号出现这种情况几率很少，所以可以忽略这个问题。

》要解决由于信号过密，引起的幅度信号错误纪录。高能区的信号可能被误计为低能区的信号，容易引起低能计数偏大高能计数偏小的问题。

甄别电路和控制电路的原理图见图4-3所示。甄别电路的主要功能是完成过峰检测和去除信号噪声的功能。通过设定闭值，将信号中能量小于阐值的噪声去。峰值通过后，提供信息控制电路。控制电路的主要功能是完成对A/D读入/转换状态的控制。控制电路由74LS74触发器构成，74LS74的特性如表4一1所示。