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多道脉冲分析器原理与结构
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2.3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2.3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2.3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5.1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5一1D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P0.2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5.2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5.3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
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:
1.5X10120;
》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。
甄别和控制电路具体工作过程如下:
》嵌入式微处理器控制中心给控制电路发出信号，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，过峰值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;
》模数转换完毕，嵌入式微处理器控制中心产生中断，同时使控制电路转入不工作状态，并进行相应的数据处理;
》中断完毕，单片机发信号使控制电路重新处于工作状态
采样开始时，先由ARM通过控制74LS74来启动A/D，然后，使U201B的CD和U201A的CD及SD端输出高电平，控制电路处于接收信号状态。
当信号上升沿的能量低于设定的闭值电压时，U201B的CLK端为低电压，此时，U201B的CD,SD端均为高电平，输出端9脚保持原来的低电平不变。
当信号上升沿的能量高于设定的闭压值时，U201B的CLK端为高电压，输出端9脚输出高电平，启动U201A。
当脉冲没有达到峰值时，比较器U202A同相输入端电压低于反相输入端电压，12端输出低电压，过峰后，12端输出高电平，R/C输出低电平启动A/D转换。
转换完毕后，由ARM重新控制A/D进行下一个脉冲信号进行采集。
甄别电路和控制电路的工作流程如图4-4所示。
4.1.3模数转换电路
模数转换电路是核数据脉冲幅度分析器的核心电路，它的作用是:
将模拟量转换成数字量，并将转换结果反馈给微控制。
对多道脉冲幅度分析器而言，就是用于快速、高精度地对输入的核脉冲信号进行采样，将脉冲的幅度值转换成微控制器所能够处理的数字量。
模数转换电路作为多道脉冲幅度分析器的关键部件，其性能的好坏直接影响整个系统的能量分辨率和转换精度等参数。
表4-2列出了几种不同A/D芯片的对比参数。
表4-2几种不同A/D芯片参数比较
综合对多道脉冲幅度分析器的ADC芯片的主要性能指示如转换速度，功耗，转换精度等的考虑，本系统选用了ADI公司的AD7994,AD7994是4通道12位低功耗逐次逼近式ADC，通过工IC总线进行数据传输，选择器件地址及接口模式。
最高采样率为188ksps，转换时间为2μs，工作电压提供为+5V单电源，使用外部参考电压4.906V
目前，由于大规模集成电路在制造工艺上的提高，A/D转换器在精度上可以做得很高，其微分非线性有了很大的改善。
因此，在多道脉冲幅度分析器的设计时，选用高精度的12位A/D转换器AD7994，在实际工作中，采用“并道”的办法，每4道并作1道，则道宽非线性即可降低原来的1/4。
这种方法尽可能地降低了由于ADC本身造成的非线性误差。
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