一种多道脉冲幅度分析器的实现方案

引言

　　多道脉冲幅度分析器不仅能自动获取能谱数据，而且一次测量就能得到整个能谱，因此可大大减少数据采集时间，与此同时，其测量精度也显着提高。自从20世纪50年代以来，多道脉冲幅度分析器发展迅速，现在已成为获取核能谱数据的通用仪器。

　　多道分析任务是将被测量的脉冲幅度范围平均分成2n个幅度间隔，然后测量幅度在每一个幅度间隔内的输入脉冲个数，最后得到输入信号的脉冲幅度分布曲线。其测量采用的是计算机技术中的A/D模数变换及数据存储技术。

　　在计算机的存储器中开辟一个数据缓冲区，数据缓冲区内有2n个计数器，每一个脉冲幅度间隔在数据缓冲区内部有一个对应的计数器。多道脉冲幅度分析时，可在微处理器的控制下，将被分析的脉冲信号首先送往模数变换器，经A/D变换形成一个代表脉冲幅度的数字量(道址)。然后用微处理器将该数字量变换成所对应的计数器地址。并使该地址对应的计数器内容加一(反映该道计数加一)。这样，经过一段时间的测量，存储器内计数器缓冲中各计数器计数的多少就可反映输入脉冲的幅度分布。

　　1 多道脉冲幅度分析器结构

　　一台完整的核地球物理仪器通常可分为两部分：核辐射探测器和嵌入式系统。而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，或通过计算机接口送给计算机进行数据处理和谱线显示。

　　本文介绍的多道脉冲幅度分析器的设计结构框图如图1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转换电路则可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，然后由微控制器进行相应的数据处理。

　　2 多道脉冲幅度分析器硬件设计

　　2.1 脉冲线性主放大器

　　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，其控制核心为嵌入式系统。它的基本功能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的道宽。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，硬件电路也随之复杂。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，往往128道至256道就能满足测量要求。而对于半导体探测器，则需要1024~8196道。本文使用半导体探测器并采用12位AD转换器，共有4096道，但采用并道的方式来显示1024道。

　　主放大器应放在前置放大电路和甄别电路之间，但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，因此。为了能进行信号幅度分析，实现能谱测量，通常需要用脉冲线性放大器将脉冲信号进行幅度的线性放大与脉冲成形。针对脉冲特点，要求放大器具有以下技术指标特性：

　　首先是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，而放大器输出脉冲幅度在1～5V范围内，所以其放大倍数应在10倍左右，考虑到前置放大器输出的信号幅度有差异，其放大倍数应可调试。

　　其次是放大器的频带宽度。由于前放输出的脉冲宽度会受有关电路影响，一般为几个μs，因此，要求放大器的频带宽度为1～2MHz。

　　第三是放大器的噪声。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。一般地，选用低噪声的运算放大器组件可以有效减少电路内部固有的噪声。

　　另外，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予以考虑。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。本系统的运算放大器选用CA3140，该器件具有输入阻抗高、噪声低、功耗小、温漂小等特点。