多道脉冲分析器原理与结构

多道脉冲分析器原理与结构Final revision by standardization team on December 10, 2020.多道幅度分析器原理在γ能谱测量中，线性脉冲放大器输出的脉冲幅度正比于入射射线的能量。

分析脉冲的幅度就可以了解入射射线的能量，分析脉冲幅度的电路称为脉冲幅度分析器。

其中，只测量一个幅度间隔内脉冲数的脉冲幅度分析器称为单道脉冲幅度分析器；可以同时测量多个幅度间隔内脉冲数的脉冲幅度分析器称为多道脉冲幅度分析器。

多道脉冲幅度分析器的原理框图，如图所示。

它的原理是利用A/D转换将被测量的脉冲幅度范围平均分成2n个幅度间隔，从而把模拟脉冲信号转化成与其幅度对应的数字量，称之为“道址”。

在存储器空间里开辟一个数据区，在该数据区中有2n个计数器，每个计数器对应一个道址。

控制器每收到一个道址，控制器便将该道址对应的计数器加1，经过一段时间的累积，得到了输入脉冲幅度的分布数据，即谱线数据。

这里提到的幅度间隔的个数就是多道脉冲幅度分析器的道数，它由n值决定。

根据上述多道脉冲幅度分析器的原理，可以得出多道脉冲幅度分析器要做的具体工作一方面是把前向通道输出的模拟信号进行模一数转换，并将其转换结果进行处理、存储和显示。

一台完整的核地球物理仪器，常可分为两部分:核辐射探测器和嵌入式系统。

多道脉冲幅度分析器是嵌入式系统的核心部分。

多道脉冲幅度分析器一方面采集来自放大器的信号并进行模数转换，同时存储转换结果;另一方面将存储的转换结果进行数据分析，并直接显示谱线，或者通过计算机接口送给计算机进行数据处理和谱线显示。

图多道脉冲幅度分析器框图多道脉冲幅度分析器的原理结构框图如图2-2所示。

脉冲信号在通过甄别电路和控制电路时，甄别电路给出脉冲的过峰信息，并启动A/D转换。

A/D转换电路对脉冲信号峰值幅度进行模数转换，并将转换结果存储在片上Flash中，由微控制器进行相应的数据处理。

峰值检测电路峰值检测电路根据实际需求可分为两种类型:数字型和模拟型。

数字式峰值检测电路要以高速处理器为核心，结合高速ADC，在采样脉冲的控制下，对信号进行连续测量，得到原始测量数据，再通过一种算法，解算出脉冲峰值信息。

比如我们一个脉冲是l,us脉冲宽，那么我们至少在l,us内进行大于10次以上的ADC转换值，然后再对这些值进行处理，得到一个最大值，认为这个值是峰值，接着这个值与我们设定的阐值进行比较，如果是大于闭值，那么我们认为是一个脉冲峰值，否则，认为是干扰噪声，我们丢弃这个数据。

这就要求我们的CPU有足够的处理速度，ADC有足够快的转换速度。

典型的方案是DSP处理器结合FPGA以及高速ADC。

模拟型峰值检测电路相对就简单多了，只有在脉冲信号到来的时候，峰值检测电路给出过峰时间信息，启动ADC转换。

难点在于这个峰值信息的获取，以及峰值信号的采样保持。

从功能角度考虑，数字型峰值检测电路相对于模拟型峰值检测电路来说，具有更大的灵活性、准确性、可靠性等优点。

但考虑到放大电路输出射线脉冲宽度的本身特性，综合了开发难度、开发周期、开发成本等实际问题，选用了模拟型峰值检测电路方案。

多道脉冲幅度分析器是整个数据采集卡的核心部件，其结构图如图所示。

多道脉冲幅度分析器的作用是将被测量的模拟信号转换成计算机所能识别的数字量，即完成对脉冲幅度的甄别。

其工作原理是:不同幅度的模拟信号转换成对应的数字信号，这个数字代表一个道地址，以道地址作为存储器的地址码来一记录脉冲个数。

各道地址的计数就可以把脉冲的分布情况表现出来。

由于脉冲幅度大小是各元素辐射能量的不同表现，从而得到各元素辐射能量的分布情况。

多道脉冲幅度分析器由甄别电路、控制电路、采样保持电路、模数转换电路以及ARM 嵌入式系统构成，控制核心为嵌入式系统LPC2142。

下面将分别加以介绍。

甄别电路和控制电路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，就可以得到辐射的能量，可见，脉冲幅度测量技术在能谱测量中是一个重要的问题。

在多道脉冲幅度分析器中，通过用甄别电路和控制电路来完成对脉冲幅度的测量。

甄别电路和控制电路的原理图见图所示。

甄别电路的主要功能是完成信号的过峰检测和去除信号噪声等;控制电路则是根据甄别电路提供的信号时序对模拟开关、模数转换进行控制。

控制电路必须和甄别电路的时序严格结合起来，才能完成信号峰值的检测。

甄别电路由两个比较器单元、分压电阻、低漏电容组成。

比较器单元采用LM319，分别完成信号脉冲检测和过峰检测功能。

U1A作为闭值比较器用以信号脉冲检测，当U1A的同相输入端电压高于反相输入端的电压(闽值电压)时，U1A的12端输出为高电平，认为有信号输入。

调节UIA的5端电压，可以控制多道脉冲幅度分析器分析的最小脉冲幅度。

UIB作为峰值检测比较器用以过峰检测，当峰值通过后，U1B的同相输入端电压高于反相输入端电压，U1B的7脚输出端为高电平，给控制电路提供脉冲过峰信息，由控制电路控制ADC的后续工作。

控制电路的主要功能是响应脉冲检测电路的上升沿输出信号、响应过峰检测电路的上升沿输出信号以及响应微处理器的复位、置位信号，控制模拟开关MAX4O66，从而完成对A/D读入/转换状态的控制。

控制电路由D触发器74HC74构成。

74HC74特性如表5一1所示。

表5一1 D触发器74HC74特性表甄别电路和控制电路的具体工作过程如下:微处理器LPC2142通过口给控制电路发出信号，使控制电路处于工作状态;脉冲信号到达多道脉冲幅度分析器后，由甄别电路进行甄别，过峰后将峰值通过的时间信息提供给控制电路;.控制电路启动模数转换;A/D转换完毕后，微处理器控制中心产生中断，进行转换数据的读取、处理和存储工作，同时，将GATE门重新复位为O，使控制电路处于不工作状态;中断完毕后，微处理器LPC2142将GATE门置位为1，使控制电路重新处于工作状态，准备接收下一个脉冲信号这样，就完成了对一个脉冲信号的采集和处理过程，甄别电路和和控制电路的工作流程如图所示。

峰值保持电路一般主放大器的输出脉冲信号的峰顶宽度很窄，不满足A/D转换的时间要求。

采用峰值展宽电路对脉冲进行展宽和保持，使峰值保持足够长的时间，以保证A/D转换过程中峰值的稳定。

峰值保持电路由CA3140放大器、开关二极管、低泄露保持电容等组成，电路图如图所示。

图中，两个跟随器的作用在于阻抗变换，保证信号能够完全、不失真地输入到后级电路。

脉冲信号通过开关二极管对电容充电，同时由CA3140放大器增强驱动能力，以便后续的A/D转换器的准确采样。

模数转换电路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+，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。

如图所示。

D转换器与ARM的连接ADS774与嵌入式微处理器的连接如图所示。

R1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 --2MHz3.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。