基于LPC2134的多道脈沖 幅度分析器設計

0 引言
核能譜輻射測量技術是一種綜合性很強的技術，是核探測技術、電子技術、計算機技術等多學科相互交叉滲透的產物。具有現場、多元素快速分析等特點。核能譜輻射測量技術已經不僅用于核研究，也在地質學、醫學、環境學、生物學、化學、考古學等學科扮演著越來越重要的角色。由于閃爍記數器、半導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重要問題。
多道脈沖幅度分析器不僅能自動獲取能譜數據，而且一次測量就能得到整個能譜，因此可大大減少數據采集時間，與此同時，其測量精度也顯著提高。自從20世紀50年代以來，多道脈沖幅度分析器發展迅速，現在已成為獲取核能譜數據的通用儀器。
傳統的核地球物理數據采集系統在硬件上大多采用分離元器件以及8位單片機來設計，故其功耗大、設計復雜、存儲數據的內存容量小、數據傳輸速率低并且難于調試；而在軟件設計上也多采用冗長繁瑣的匯編語言來實現，設計效率低、可移植性差、性能難以保證。隨著電子技術的發展，一些新型低功耗集成電路、ASIC集成電路、微處理器技術、計算機技術的不斷引入，使核地球物理數據采集系統的功能日益完善和強大，也為核地球物理數據采集系統向輕便化、智能化、微機一體化以及網絡化等方向發展提供了必要條件。
多道分析任務是將被測量的脈沖幅度范圍平均分成2n個幅度間隔，然后測量幅度在每一個幅度間隔內的輸入脈沖個數，最后得到輸入信號的脈沖幅度分布曲線。其測量采用的是計算機技術中的A／D模數變換及數據存儲技術。
在計算機的存儲器中開辟一個數據緩沖區，數據緩沖區內有2n個計數器，每一個脈沖幅度間隔在數據緩沖區內部有一個對應的計數器。多道脈沖幅度分析時，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變換器，經A／D變換形成一個代表脈沖幅度的數字量(道址)。然后用微處理器將該數字量變換成所對應的計數器地址。并使該地址對應的計數器內容加一(反映該道計數加一)。這樣，經過一段時間的測量，存儲器內計數器緩沖中各計數器計數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構
一臺完整的核地球物理儀器通常可分為兩部分：核輻射探測器和嵌入式系統。而多道脈沖幅度分析器是嵌入式系統的核心部分。多道脈沖幅度分析器一方面采集來自放大器的信號并進行模數轉換，同時存儲轉換結果；另一方面將存儲的轉換結果進行數據分析，并直接顯示譜線，或通過計算機接口送給計算機進行數據處理和譜線顯示。
本文介紹的多道脈沖幅度分析器的設計結構框圖如圖1所示。脈沖信號在通過甄別電路和控制電路時，甄別電路給出脈沖的過峰信息，并啟動A/D轉換。A/D轉換電路則可對脈沖信號峰值幅度進行模數轉換，并將轉換結果存儲在片上Flash中，然后由微控制器進行相應的數據處理。

2 多道脈沖幅度分析器硬件設計
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沖的幅度分類計數。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幅度間隔，幅度間隔的個數就是脈沖幅度分析器的道數，幅度間隔的寬度就是脈沖幅度分析器的道寬。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，硬件電路也隨之復雜。因此，不應盲目追求道數。通常要求，在幅度峰的半寬度范圍內應有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。而對于半導體探測器，則需要1024~8196道。本文使用半導體探測器并采用12位AD轉換器，共有4096道，但采用并道的方式來顯示1024道。