多道脈沖幅度分析器不僅能自動(dòng)獲取能譜數(shù)據(jù)，而且一次測(cè)量就能得到整個(gè)能譜，因此可大大減少數(shù)據(jù)采集時(shí)間，與此同時(shí)，其測(cè)量精度也顯著提高。自從20世紀(jì)50年代以來，多道脈沖幅度分析器發(fā)展迅速，現(xiàn)在已成為獲取核能譜數(shù)據(jù)的通用儀器。
多道分析任務(wù)是將被測(cè)量的脈沖幅度范圍平均分成2n個(gè)幅度間隔，然后測(cè)量幅度在每一個(gè)幅度間隔內(nèi)的輸入脈沖個(gè)數(shù)，最后得到輸入信號(hào)的脈沖幅度分布曲線。其測(cè)量采用的是計(jì)算機(jī)技術(shù)中的A/D模數(shù)變換及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)。
在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中開辟一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)有2n個(gè)計(jì)數(shù)器，每一個(gè)脈沖幅度間隔在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)部有一個(gè)對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器。多道脈沖幅度分析時(shí)，可在微處理器的控制下，將被分析的脈沖信號(hào)首先送往模數(shù)變換器，經(jīng)A/D變換形成一個(gè)代表脈沖幅度的數(shù)字量(道址)。然后用微處理器將該數(shù)字量變換成所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器地址。并使該地址對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器內(nèi)容加一(反映該道計(jì)數(shù)加一)。這樣，經(jīng)過一段時(shí)間的測(cè)量，存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)數(shù)器緩沖中各計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的多少就可反映輸入脈沖的幅度分布。
1 多道脈沖幅度分析器結(jié)構(gòu)
一臺(tái)完整的核地球物理儀器通常可分為兩部分：核輻射探測(cè)器和嵌入式系統(tǒng)。而多道脈沖幅度分析器是嵌入式系統(tǒng)的核心部分。多道脈沖幅度分析器一方面采集來自放大器的信號(hào)并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果;另一方面將存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并直接顯示譜線，或通過計(jì)算機(jī)接口送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和譜線顯示。
本文介紹的多道脈沖幅度分析器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。脈沖信號(hào)在通過甄別電路和控制電路時(shí)，甄別電路給出脈沖的過峰信息，并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路則可對(duì)脈沖信號(hào)峰值幅度進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在片上Flash中，然后由微控制器進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。
2 多道脈沖幅度分析器硬件設(shè)計(jì)
2.1 脈沖線性主放大器
多道脈沖幅度分析器由甄別電路、控制電路、采樣保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、ARM嵌入式系統(tǒng)組成，其控制核心為嵌入式系統(tǒng)。它的基本功能是按輸入脈沖的幅度分類計(jì)數(shù)。多道脈沖幅度分析器將能夠分析的脈沖幅度范圍分成多個(gè)幅度間隔，幅度間隔的個(gè)數(shù)就是脈沖幅度分析器的道數(shù)，幅度間隔的寬度就是脈沖幅度分析器的道寬。道數(shù)越多，幅度分布分析的越精細(xì)，各個(gè)道的計(jì)數(shù)相應(yīng)減少，需要測(cè)量的時(shí)間就要加長，硬件電路也隨之復(fù)雜。因此，不應(yīng)盲目追求道數(shù)。通常要求，在幅度峰的半寬度范圍內(nèi)應(yīng)有5～10道。對(duì)于采用NaI探測(cè)器的多道能譜儀，由于它的能量分辨率比較差，往往128道至256道就能滿足測(cè)量要求。而對(duì)于半導(dǎo)體探測(cè)器，則需要1024~8196道。本文使用半導(dǎo)體探測(cè)器并采用12位AD轉(zhuǎn)換器，共有4096道，但采用并道的方式來顯示1024道。
主放大器應(yīng)放在前置放大電路和甄別電路之間，但需要增益調(diào)節(jié)來補(bǔ)償核輻射探測(cè)器輸出脈沖幅度的變化。由于探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度比較小(為幾十毫伏至幾百毫伏)，脈沖寬度比較窄，因此。為了能進(jìn)行信號(hào)幅度分析，實(shí)現(xiàn)能譜測(cè)量，通常需要用脈沖線性放大器將脈沖信號(hào)進(jìn)行幅度的線性放大與脈沖成形。針對(duì)脈沖特點(diǎn)，要求放大器具有以下技術(shù)指標(biāo)特性：
首先是放大倍數(shù)應(yīng)按放大器的輸入脈沖幅度和所要求的輸出幅度來確定。因?yàn)榍胺泡敵龅碾娒}沖信號(hào)幅度一般可以調(diào)至幾百毫伏左右，而放大器輸出脈沖幅度在1～5V范圍內(nèi)，所以其放大倍數(shù)應(yīng)在10倍左右，考慮到前置放大器輸出的信號(hào)幅度有差異，其放大倍數(shù)應(yīng)可調(diào)試。
其次是放大器的頻帶寬度。由于前放輸出的脈沖寬度會(huì)受有關(guān)電路影響，一般為幾個(gè)μs，因此，要求放大器的頻帶寬度為1～2MHz。
第三是放大器的噪聲。考慮到來自前放的信號(hào)幅度比較小，要求選用的放大器的輸入噪聲應(yīng)盡可能的小。一般地，選用低噪聲的運(yùn)算放大器組件可以有效減少電路內(nèi)部固有的噪聲。
另外，諸如放大器的輸入阻抗、抗計(jì)數(shù)過載、放大器的穩(wěn)定性、功耗等，在電路設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)也應(yīng)予以考慮。由于α脈沖信號(hào)通過整形后大概有1~2個(gè)微秒的脈沖寬，γ脈沖信號(hào)通過整形后大概有3～5個(gè)微秒的脈沖寬，所以，在選用運(yùn)算放大器時(shí)，要考慮到運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速度。本系統(tǒng)的運(yùn)算放大器選用CA3140，該器件具有輸入阻抗高、噪聲低、功耗小、溫漂小等特點(diǎn)。
2.2 峰值檢測(cè)電路
峰值檢測(cè)電路由甄別電路和控制電路兩部分構(gòu)成，甄別電路的作用是檢測(cè)信號(hào)時(shí)序，控制電路則根據(jù)甄別電路的時(shí)序?qū)δM開關(guān)、ADC轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制。控制電路必須跟甄別電路的時(shí)序嚴(yán)格結(jié)合在一起，才能完成峰值檢測(cè)任務(wù)。
由于核輻射探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)幅度和入射粒子的能量成正比，因此，測(cè)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(cè)量技術(shù)在核能譜測(cè)量中是一個(gè)重要的問題。甄別電路需要解決三個(gè)與信號(hào)相關(guān)的信息：一是超過閾值信號(hào)的信息;二是過峰時(shí)間信息，即啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換的時(shí)間信息;三是ADC完成轉(zhuǎn)換的時(shí)間信息。甄別電路中也存在三個(gè)關(guān)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(tǒng)選用的ADC轉(zhuǎn)換速度為10μs，所以，要對(duì)脈沖信號(hào)峰值進(jìn)行峰值展寬。采樣保持電路要求采樣速度快，以使保持時(shí)間能達(dá)到ADC采樣時(shí)間指標(biāo)。
其次，由于脈沖信號(hào)的隨機(jī)性，為了防止信號(hào)來的過密而引起漏計(jì)，本系統(tǒng)采用10μs轉(zhuǎn)換速度的ADC，所以，從理論上分析，如果兩個(gè)信號(hào)相隔10μs內(nèi)，則會(huì)引起漏計(jì)。而由于CPU處理速度等問題的存在，實(shí)際上，這個(gè)時(shí)間間隔可能長3～10倍，即在30～100μs之間(根據(jù)CPU處理速度及代碼量而定)，甚至更多，也就是說，實(shí)際信號(hào)出現(xiàn)這種情況的幾率很少，所以，可以忽略這個(gè)問題。
另外，還要解決信號(hào)過密而引起的幅度信號(hào)錯(cuò)誤紀(jì)錄，而高能區(qū)的信號(hào)也可能被誤計(jì)為低能區(qū)的信號(hào)，容易引起低能計(jì)數(shù)偏大而高能計(jì)數(shù)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(cè)和去除信號(hào)噪聲，可通過設(shè)定閉值將信號(hào)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(duì)A/D讀入/轉(zhuǎn)換狀態(tài)的控制。控制電路可由74HC74觸發(fā)器構(gòu)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(fā)出信號(hào)，以使控制電路處于工作狀態(tài)，當(dāng)脈沖信號(hào)到達(dá)多道脈沖幅度分析器后，由甄別電路進(jìn)行甄別，并在過峰值后，將峰值通過的時(shí)間信息提供給控制電路;此后由控制電路啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換完畢，再由嵌入式微處理器控制中心產(chǎn)生中斷，同時(shí)使控制電路停止工作，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理;中斷完畢，再由單片機(jī)發(fā)信號(hào)使控制電路重新處于工作狀態(tài)。
采樣開始時(shí)，先由ARM通過控制74HC74來啟動(dòng)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(hào)狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)上升沿的能量低于設(shè)定的閉值電壓時(shí)，U2A的CLK端為低電壓，此時(shí)，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(dāng)信號(hào)上升沿的能量高于設(shè)定的閉壓值時(shí)，U2A的CLK端為高電壓，輸出端5腳輸出高電平，啟動(dòng)U2B。當(dāng)脈沖沒有達(dá)到峰值時(shí)，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(dāng)過峰后，6端輸出高電平，R/C輸出低電平以啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完畢后，由ARM重新控制A/D進(jìn)行下一個(gè)脈沖信號(hào)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(shù)轉(zhuǎn)換電路
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將轉(zhuǎn)換結(jié)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(duì)輸入的核脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣，并將脈沖的幅度值轉(zhuǎn)換成微控制器所能夠處理的數(shù)字量。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路作為多道脈沖幅度分析器的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的能量分辨率和轉(zhuǎn)換精度等參數(shù)。綜合對(duì)多道脈沖幅度分析器的ADC芯片的主要性能(如轉(zhuǎn)換速度，功耗，轉(zhuǎn)換精度)等考慮，本系統(tǒng)選用AD公司的AD7994，并在實(shí)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(shè)計(jì)見圖4所示。
2.4 ARM微控制器外圍電路設(shè)計(jì)
LPC2134是具有全雙工通信能力的串行外設(shè)接口芯片(SPI)。一個(gè)SPI總線可以連接多個(gè)從器件和多個(gè)主器件，但是在同一時(shí)刻，則只允許有一個(gè)主機(jī)操作總線。本系統(tǒng)利用SPI接口來擴(kuò)展Flash存儲(chǔ)器。Flash存儲(chǔ)器選用ATMEL公司的AT45DB041。ARM與串行Flash芯片AT45DB041的連接電路如圖5所示。
本系統(tǒng)中，ARM工作在主機(jī)方式。由于ARM工作在主機(jī)方式時(shí)，若SSEL引腳為低電平，則將禁止SPIO模塊工作。所以，為了系統(tǒng)可靠的工作，雖然這里該引腳未用，仍需將它通過上拉電阻接在電源上。串行Flash芯片AT45DB041的CS片選端由ARM控制。WP為寫保護(hù)端，若使能，則存儲(chǔ)器的前256頁將不能擦除重寫。由于本系統(tǒng)不需要此功能，因此，此腳直接接高電平。由于微處理器的存儲(chǔ)容量有限且運(yùn)算功能不強(qiáng)，故在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行較復(fù)雜的處理時(shí)，往往需要借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因?yàn)榇型ㄓ嵕哂兴脗鬏斁€少，適合于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用串口來連接計(jì)算機(jī)和微控制器。串口通信的硬件電路如圖6所示。串口信號(hào)TXD和RXD直接和LPC2134的串行口相連接。
3 多道脈沖幅度分析器相關(guān)軟件設(shè)計(jì)
ARM微處理器軟件可采用前/后臺(tái)系統(tǒng)(foreground/background)或超循環(huán)系統(tǒng)(super-loops)設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序是一個(gè)無限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)可完成相應(yīng)的功能，這部分可以看成后臺(tái)行為(background)。中斷服務(wù)程序可處理異步事件、這部分可以看成前臺(tái)行為。后臺(tái)也可以叫做任務(wù)級(jí)，前臺(tái)也叫做中斷級(jí)。時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的關(guān)鍵操作一定是靠中斷服務(wù)來保證的。因?yàn)橹袛喾?wù)提供的信息，要等到后臺(tái)程序運(yùn)行到可以處理這個(gè)信息時(shí)，才能得到處理。這種軟件系統(tǒng)在處理信息的及時(shí)性上，比實(shí)際可以做到的要差。處理信息的及時(shí)性，稱作任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間。最壞情況下的任務(wù)級(jí)響應(yīng)時(shí)間取決于整個(gè)循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間。因?yàn)檠h(huán)的執(zhí)行時(shí)間不是常數(shù)，程序經(jīng)過某一特定部分的準(zhǔn)確時(shí)間是確定的。進(jìn)而，如果程序修改了，循環(huán)的時(shí)序也會(huì)受到影響。程序在進(jìn)行初始化后，將進(jìn)入超級(jí)循環(huán)等待中斷，中斷到來先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)再轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序，處理完畢后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，再返回超級(jí)循環(huán)并繼續(xù)等待中斷。可見中斷處理是程序中比較重要的任務(wù)。
3.1 主函數(shù)程序設(shè)計(jì)流程
整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)軟件程序可采用模塊化設(shè)計(jì)方法，包括C語言和匯編語言兩在模塊。其主程序流程圖如圖7所示。
3.2 A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序
A/D轉(zhuǎn)換完畢后，可由AD7994的BUSY端向ARM申請(qǐng)中斷，ARM開始讀取來自A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)并保存。其程序流程如圖8所示。
AD7994是4通道12位ADC，為了能夠快速處理A/D中斷服務(wù)程序，本系統(tǒng)將A/D中斷設(shè)置為快速中斷。
3. 3 串口通信軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中的串口中斷程序流程圖如圖9所示。
4 仿真調(diào)試
在PROTEUS軟件上進(jìn)行仿真，改變不同的電路參數(shù)，可以觀察波形的變化。
利用函數(shù)發(fā)生器可產(chǎn)生一個(gè)矩形波信號(hào)，然后運(yùn)行仿真程序，以直接讀出各波形。改變電容Cll的值，可以改變輸出波形的幅度。然后調(diào)整不同的輸入信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，并記錄輸出波形的幅度以及波形。波形幅度數(shù)據(jù)如表l所列，其波形仿真圖10所示。
由圖可見，當(dāng)C11的值小于160 pF或大于1.5nF的時(shí)候，波形開始失真。
5 結(jié)束語
本文所設(shè)計(jì)的硬件電路已經(jīng)通過了軟件調(diào)試和仿真，可以達(dá)到預(yù)期的效果。積分電容器的電容值過大過小都不行，在PROTEUS上選擇不同的電容值有較大的優(yōu)勢(shì)。由于CA3140的放大倍數(shù)等于某時(shí)候的最高信號(hào)頻率(為4.5 MHz)，故在輸入信號(hào)頻率較高的時(shí)候，CA3140的放大倍數(shù)將不能接近1，而這會(huì)影響 最后的結(jié)果。所以，為了在高頻輸入時(shí)，系統(tǒng)也能正常工作，可以把CA3140替換成高頻特性比較好的LM6161，這樣可以提高系統(tǒng)的高頻特性。