基于LPC2134的多道脈沖 幅度分析器設(shè)計(jì)

0 引言
核能譜輻射測量技術(shù)是一種綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，是核探測技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科相互交叉滲透的產(chǎn)物。具有現(xiàn)場、多元素快速分析等特點(diǎn)。核能譜輻射測量技術(shù)已經(jīng)不僅用于核研究，也在地質(zhì)學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、考古學(xué)等學(xué)科扮演著越來越重要的角色。由于閃爍記數(shù)器、半導(dǎo)體探測器等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關(guān)系，因此，測量這些脈沖的幅度，就可以知道輻射的能量。然而，脈沖幅度的測量在核能譜輻射探測中則是一個(gè)重要問題。
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。
傳統(tǒng)的核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在硬件上大多采用分離元器件以及8位單片機(jī)來設(shè)計(jì)，故其功耗大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)存容量小、數(shù)據(jù)傳輸速率低并且難于調(diào)試；而在軟件設(shè)計(jì)上也多采用冗長繁瑣的匯編語言來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)效率低、可移植性差、性能難以保證。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，一些新型低功耗集成電路、ASIC集成電路、微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷引入，使核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能日益完善和強(qiáng)大，也為核地球物理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向輕便化、智能化、微機(jī)一體化以及網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展提供了必要條件。
多道分析任務(wù)是將被測量的脈沖幅度范圍平均分成2n個(gè)幅度間隔，然后測量幅度在每一個(gè)幅度間隔內(nèi)的輸入脈沖個(gè)數(shù)，最后得到輸入信號的脈沖幅度分布曲線。其測量采用的是計(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)字量變換成所對應(yīng)的計(jì)數(shù)器地址。并使該地址對應(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?？煞譃閮刹糠郑汉溯椛涮綔y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)換電路則可對脈沖信號峰值幅度進(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。對于采用NaI探測器的多道能譜儀，由于它的能量分辨率比較差，往往128道至256道就能滿足測量要求。而對于半導(dǎo)體探測器，則需要1024~8196道。本文使用半導(dǎo)體探測器并采用12位AD轉(zhuǎn)換器，共有4096道，但采用并道的方式來顯示1024道。