一種多道脈沖幅度分析器的實現方案
峰值檢測電路由甄別電路和控制電路兩部分構成,甄別電路的作用是檢測信號時序,控制電路則根據甄別電路的時序對模擬開關、ADC轉換進行控制。控制電路必須跟甄別電路的時序嚴格結合在一起,才能完成峰值檢測任務。
由于核輻射探測器輸出的脈沖信號幅度和入射粒子的能量成正比,因此,測量這些脈沖的幅度,就可以知道輻射的能量。可見,脈沖幅度測量技術在核能譜測量中是一個重要的問題。甄別電路需要解決三個與信號相關的信息:一是超過閾值信號的信息;二是過峰時間信息,即啟動ADC轉換的時間信息;三是ADC完成轉換的時間信息。甄別電路中也存在三個關鍵問題,研究中要予以注意:
首先,由于放大器輸出的α和γ射線脈沖寬度比較窄(約1μs到5μs),而本系統選用的ADC轉換速度為10μs,所以,要對脈沖信號峰值進行峰值展寬。采樣保持電路要求采樣速度快,以使保持時間能達到ADC采樣時間指標。
其次,由于脈沖信號的隨機性,為了防止信號來的過密而引起漏計,本系統采用10μs轉換速度的ADC,所以,從理論上分析,如果兩個信號相隔10μs內,則會引起漏計。而由于CPU處理速度等問題的存在,實際上,這個時間間隔可能長3~10倍,即在30~100μs之間(根據CPU處理速度及代碼量而定),甚至更多,也就是說,實際信號出現這種情況的幾率很少,所以,可以忽略這個問題。
另外,還要解決信號過密而引起的幅度信號錯誤紀錄,而高能區的信號也可能被誤計為低能區的信號,容易引起低能計數偏大而高能計數偏小的問題。
圖2所示是甄別電路和控制電路的原理圖。甄別電路的主要功能是完成過峰檢測和去除信號噪聲,可通過設定閉值將信號中能量小于閥值的噪聲去。峰值通過后,提供信息給控制電路;控制電路的主要功能是完成對A/D讀入/轉換狀態的控制。控制電路可由74HC74觸發器構成。

甄別和控制電路具體工作過程是,先由嵌入式微處理器控制中心給控制電路發出信號,以使控制電路處于工作狀態,當脈沖信號到達多道脈沖幅度分析器后,由甄別電路進行甄別,并在過峰值后,將峰值通過的時間信息提供給控制電路;此后由控制電路啟動模數轉換,數模轉換完畢,再由嵌入式微處理器控制中心產生中斷,同時使控制電路停止工作,同時進行相應的數據處理;中斷完畢,再由單片機發信號使控制電路重新處于工作狀態。
采樣開始時,先由ARM通過控制74HC74來啟動A/D,然后,使U2A的RD和U2B的RD及SD端輸出高電平,控制電路處于接收信號狀態。當信號上升沿的能量低于設定的閉值電壓時,U2A的CLK端為低電壓,此時,U2A的RD和SD端均為高電平,輸出端5腳保持原來的低電平不變。當信號上升沿的能量高于設定的閉壓值時,U2A的CLK端為高電壓,輸出端5腳輸出高電平,啟動U2B。當脈沖沒有達到峰值時,比較器U1B的同相輸入端電壓低于反相輸入端電壓,6端輸出低電壓,當過峰后,6端輸出高電平,R/C輸出低電平以啟動A/D轉換。轉換完畢后,由ARM重新控制A/D進行下一個脈沖信號的采集。甄別電路和控制電路的工作流程如圖3所示。

2.3 模數轉換電路
模數轉換電路的作用是將模擬量轉換成數字量,并將轉換結果反饋給微控制器。多道脈沖幅度分析器主要用于快速、高精度地對輸入的核脈沖信號進行采樣,并將脈沖的幅度值轉換成微控制器所能夠處理的數字量。模數轉換電路作為多道脈沖幅度分析器的關鍵部件,其性能的好壞直接影響整個系統的能量分辨率和轉換精度等參數。綜合對多道脈沖幅度分析器的ADC芯片的主要性能(如轉換速度,功耗,轉換精度)等考慮,本系統選用AD公司的AD7994,并在實際工作中采用“并道”的方法,每4道并作l道,則道寬非線性即可降低至原來的1/4。這種方法可降低由于ADC本身造成的非線性誤差。其具體電路設計見圖4所示。
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