2 多道脈衝幅度分析器硬體設計
2.1 脈衝線性主放大器
多道脈衝幅度分析器由甄別電路、控制電路、取樣保持電路、模數轉換電路、arm嵌入式系統組成，其控制核心為嵌入式系統。它的基本功能是按輸入脈衝的幅度分類計數。多道脈衝幅度分析器將能夠分析的脈衝幅度範圍分成多個幅度間隔，幅度間隔的個數就是脈衝幅度分析器的道數，幅度間隔的寬度就是脈衝幅度分析器的道寬。
道數越多，幅度分布分析的越精細，各個道的計數相應減少，需要測量的時間就要加長，硬體電路也隨之複雜。因此，不應盲目追求道數。通常要求，在幅度峰的半寬度範圍內應有5～10道。
對於採用nai探測器的多道能譜儀，由於它的能量解析度比較差，往往128道至256道就能滿足測量要求。而對於半導體探測器，則需要1024~8196道。本文使用半導體探測器並採用12位ad轉換器，共有4096道，但採用並道的方式來顯示1024道。
主放大器應放在前置放大電路和甄別電路之間，但需要增益調節來補償核輻射探測器輸出脈衝幅度的變化。由於探測器輸出的脈衝訊號幅度比較小(為幾十毫伏至幾百毫伏)，脈衝寬度比較窄，因此。為了能進行訊號幅度分析，實現能譜測量，通常需要用脈衝線性放大器將脈衝訊號進行幅度的線性放大與脈衝成形。
針對脈衝特點，要求放大器具有以下技術指標特性：
首先是放大倍數應按放大器的輸入脈衝幅度和所要求的輸出幅度來確定。因為前放輸出的電脈衝訊號幅度一般可以調至幾百毫伏左右，而放大器輸出脈衝幅度在1～5v範圍內，所以其放大倍數應在10倍左右，考慮到前置放大器輸出的訊號幅度有差異，其放大倍數應可除錯。
其次是放大器的頻頻寬度。由於前放輸出的脈衝寬度會受有關電路影響，一般為幾個μs，因此，要求放大器的頻頻寬度為1～2mhz。
第三是放大器的雜訊。考慮到來自前放的訊號幅度比較小，要求選用的放大器的輸入雜訊應盡可能的小。一般地，選用低雜訊的運算放大器元件可以有效減少電路內部固有的雜訊。
另外，諸如放大器的輸入阻抗、抗計數過載、放大器的穩定性、功耗等，在電路設計和除錯時也應予以考慮。由於α脈衝訊號通過整形後大概有1~2個微秒的脈衝寬，γ脈衝訊號通過整形後大概有3～5個微秒的脈衝寬，所以，在選用運算放大器時，要考慮到運放的轉換速度。本系統的運算放大器選用ca3140，該器件具有輸入阻抗高、雜訊低、功耗小、溫漂小等特點。
2.2 峰值檢測電路
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訊號時序，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。
由於核輻射探測器輸出的脈衝訊號幅度和入射粒子的能量成正比，因此，測量這些脈衝的幅度，就可以知道輻射的能量。可見，脈衝幅度測量技術在核能譜測量中是乙個重要的問題。甄別電路需要解決三個與訊號相關的資訊：
一是超過閾值訊號的資訊;二是過峰時間資訊，即啟動adc轉換的時間資訊;三是adc完成轉換的時間資訊。甄別電路中也存在三個關鍵問題，研究中要予以注意：
首先，由於放大器輸出的α和γ射線脈衝寬度比較窄(約1μs到5μs)，而本系統選用的adc轉換速度為10μs，所以，要對脈衝訊號峰值進行峰值展寬。取樣保持電路要求取樣速度快，以使保持時間能達到adc取樣時間指標。
其次，由於脈衝訊號的隨機性，為了防止訊號來的過密而引起漏計，本系統採用10μs轉換速度的adc，所以，從理論上分析，如果兩個訊號相隔10μs內，則會引起漏計。而由於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**量而定)，甚至更多，也就是說，實際訊號出現這種情況的機率很少，所以，可以忽略這個問題。
另外，還要解決訊號過密而引起的幅度訊號錯誤紀錄，而高能區的訊號也可能被誤計為低能區的訊號，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訊號雜訊，可通過設定閉值將訊號中能量小於閥值的雜訊去。峰值通過後，提供資訊給控制電路;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訊號，以使控制電路處於工作狀態，當脈衝訊號到達多道脈衝幅度分析器後，由甄別電路進行甄別，並在過峰值後，將峰值通過的時間資訊提供給控制電路;此後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，同時進行相應的資料處理;中斷完畢，再由微控制器發訊號使控制電路重新處於工作狀態。
取樣開始時，先由arm通過控制74hc74來啟動a/d，然後，使u2a的rd和u2b的rd及sd端輸出高電平，控制電路處於接收訊號狀態。當訊號上公升沿的能量低於設定的閉值電壓時，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。當訊號上公升沿的能量高於設定的閉壓值時，u2a的clk端為高電壓，輸出端5腳輸出高電平，啟動u2b。
當脈衝沒有達到峰值時，比較器u1b的同相輸入端電壓低於反相輸入端電壓，6端輸出低電壓，當過峰後，6端輸出高電平，r/c輸出低電平以啟動a/d轉換。轉換完畢後，由arm重新控制a/d進行下乙個脈衝訊號的採集。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，並將轉換結果反饋給微控制器。多道脈衝幅度分析器主要用於快速、高精度地對輸入的核脈衝訊號進行取樣，並將脈衝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衝幅度分析器的關鍵部件，其效能的好壞直接影響整個系統的能量解析度和轉換精度等引數。
綜合對多道脈衝幅度分析器的adc晶元的主要效能(如轉換速度，功耗，轉換精度)等考慮，本系統選用ad公司的ad7994，並在實際工作中採用「並道」的方法，每4道並作l道，則道寬非線性即可降低至原來的1/4。這種方法可降低由於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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