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用ATmega128控制的多道脉冲幅度分析系统

作者:时间:2009-03-25来源:网络收藏

在4兆伏静电加速器工作区域内,需建立大范围的核辐射监测。其中多道是关键。对γ射线探测器输出脉宽信号(1~2µs)的峰值进行采集,其采集速率必须大于1MS/s[1]。
当前类似大都采用C51系列单片机(89C51)作为主器,由于C51系列单片机机器周期为12个时钟周期,工作频率为12MHz时指令执行速率仅为1MIPS,其速度慢的缺点影响了多道系统采集及数据传输速率。
我们设计的这套系统第一大特点,采用系列功能最强大的,取代C51系列单片机,使系统的工作速度提高了数十倍,采集速率可达到5MS/s。第二大特点,为解决与上位机通讯速度慢的问题,采用技术,使数据传输速率达到1Mbit/s。因而,该系统从根本上满足了核电信号要求采集速度高,通信容量大的要求。USB所具有的即插即用、通用性强、易扩展、可靠性高等优点[2]也极大地改善了其使用特性。
1 工作原理及其特点
是AVR系列中功能最强的单片机,运用Harvard结构概念,具有预取指令功能,即程序存储和数据存储具有不同的存储器和总线。当执行某一指令时,下一指令预先从程序存储器中取出,程序执行效率高[3]。ATmega128指令执行的时序图如图1所示。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/173840.htm

其机器周期为1个时钟周期,绝大多数指令为单周期指令,工作频率为16MHz时可达到16MIPS的性能。可产生周期为125ns(频率为8MHz)的方波作为高速模数转换电路的时钟信号,比C51单片机的速度要高20~30倍。
2 ATmega128多道分析系统的结构原理
ATmega128作为核心的多道脉冲分析系统主要由程控放大电路、阈值电路、电路、高速模数转换电路、存储器扩展电路及电路组成。系统结构框图如图1所示

图1 多道分析系统结构框图
γ射线探测器由用(Φ40×40)mm NaI(Tl)晶体,它和PMT(光电倍增管)及前置放大器封
装一体,输出与被探测能量成正比的电压脉冲程控放大后,经阈值电路后进入电路。在ATmega128控制下,完成高速模数转换,送入扩展存储器。待PC机发出读取数据指令,将采集到的数据通过传输给PC机。
2.1 程控放大及阈值电路
程控放大电路采用高速(带宽为170MHz)、低漂移的运算放大器AD9631,通过ATmega128调整具有I2C总线接口X9241M(数字电位器)输出电阻,改变其放大倍率。主要目的是定期测量标准放射源特征峰(如137Cs的特征峰是662keVγ射线的全能峰)的峰位变化―峰位漂移的“道数”,调整其倍率稳定特征峰峰位[4]。
阈值电路由高速精确的电压比较器AD790(响应时间为45ns)、X9241M及基准源组成,ATmega128调整X9241M输出电阻设定其下限阈值电压,剔除探测器输出的低噪声信号。
2.2 与高速模数转换电路
代表γ射线辐射能量的电压脉冲信号非常窄,宽度在1~2µs左右,无法直接进行A/D转换,将其峰值扩展后方可进行量化。由ATmega128控制的峰值保持与高速模数转换电路如图3所示。峰值保持电路由ADG721和AD790组成。ADG721是高速COMS开关,高电平有效,开关闭合需要为24ns,断开需要11ns。


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