一种应用于MCA中的高速高精度峰值保持器PKD01 核辐射

forsuccess

摘要：高性能峰值保持在核脉冲信号处理过程中具有重要的意义。结合实际X射线探测器输出脉冲特点，利用了一种运用跨导型运算放大器的PKD01峰值保持芯片，该芯片具有通频带宽、响应速度快、峰值保持精度高、线性好等一系列优点，经过实际测量，可以准确的对脉冲信号进行峰值保持。
关键词：PKD01；峰值保持器；X射线

    在核辐射频谱测量的过程中，多道脉冲幅度分析是必要的手段，随着科技的不断发展，多道脉冲幅度分析器都采用数字化分析方法，这就需要对模拟量进行数字化采样即A／D转换。在A／D转换过程中，必然会要求被转换的模拟信号在整个转换过程中保持不变，否则，A／D转换结果将变得没有意义。特别对于一些频率较高的信号，信号的变化速度快，A／D转换从启动到转换结束的这一时间段不一定跟的上信号变化的速度，所以会导致转换精度失真。为了解决这一问题，可以通过提高ADC的性能来应对，但只是一味的提高ADC的性能，就会使得生产成本的增加；利用峰值保持的方法，在满足需要的前提下，降低了ADC的成本，可以提高性价比。
    对于核探测器输出的信号来说，都是一些随机离散的窄脉冲信号，必须使用高性能的峰值保持电路才可以使得ADC的采样精度得以保证，本文使用AD公司生产的PKD01峰值保持器对探测器输出X射线信号进行峰值保持，以提供平稳直流输出至ADC进行模数转换。

1 PKD01芯片功能特点和工作模式
1．1 PKD01的功能特点
    PKD01封装采用DIP-14，引脚排列如图1所示。

    PKD01芯片采用独特的跨导式运算放大器，所以它具有通频带宽、响应速度快、峰值保持精度高、线性好等优点。并且通过选择适当的外部保持电容，可以对瞬变峰值脉冲的信号进行快速、准确的检测并保持峰值脉冲信号，直到RST复位信号的到来，才会对保持信号清除。这样，PKD01峰值保持器就解决了一般峰值保持电路的弊端，解决了一般峰值保持电路通频带窄、线性差、峰值保持时间受保持电容的影响大等问题，用以保证后端ADC采样的精确度。
1．2 PKD01的工作模式
    PKD01通过控制RST和管脚对其工作模式进行切换。表1给出了PKD01的几种不同工作模式状态。

    在以上几种不同的工作模式下，PKD01可以构成以下几种不同功能的工作电路，分别是无增益不改变信号极性电路、有增益不改变信号极性电路、无增益改变信号极性电路以及有增益改变信号极性电路。
    对于无增益不改变信号极性的电路来说，输入信号通过增益放大器+IN输入，启动信号将会以每次峰值出现时使得芯片进入保持模式，芯片对峰值进行保持，直到下一个最大值出现替代现有值。在RST信号到来时，将清除输出信号。有增益不改变信号极性的电路，需要在输入端反馈段接适当阻值的电阻，通过调节电阻阻值的大小来调节输出信号的增益。对于需要对输入信号的极性改变的电路来说，输入信号通过增益放大器的-IN端输入，有增益无增益与前两种电路模式一致。2 应用电路
本文中使用PKD01对X射线信号进行峰值保持，首先对输入的X射线信号进行一定的分析。图2为实测的X射线探测器输出信号，从图2可以看出，X射线探测器输出的信号频率很高，大概在330 kHz，并且信号是一个负脉冲信号，其峰值也是一个负值，脉冲峰值高度大约在200 mV左右。

    通过对X射线探测器输出信号的特征分析，本文中选取PKD01有增益改变信号极性的电路来对探测器输出信号进行峰值保持处理。如图3所示。

  选择1000 pF的电容作为PKD01的峰值保持电容，并且利用4个胆电容构成了电源滤波电路，用来消除电源的纹波干扰，用以提高峰值检测的精度，3个滑动变阻器的使用，可以随时对芯片性能进行调节。RST和引脚用来控制PKD01芯片是工作在峰值检测模式还是峰值保持模式，直至RST信号的到来才会清除输出。图4为PKD01的峰值保持时序控制电路。

    通过下面的一个比较器对输入信号的延迟与输入信号相比较的结果，用以判定此时信号是否处于上升阶段。位于图4上方的比较器主要作用是提供一个低阈值，即门槛电压，使得低于此门槛的输入不能通过，用以滤除噪声，通过调滑动变阻器VR1的阻值，可以提供不同的门槛电压。使用DSP的一个通用数字I／O口为两个D触发器提供复位信号。当DSP提供复位信号时，D触发器Q输出为0，输出为1，此时RST为1，为1，即PKD01工作在复位模式。随后，DSP通过I／O口输出高电平，这样输入信号大于门槛电压的时候，比较器就会输出一上升沿使得D触发器Q的输出为1，的输出为0；没到达峰值的情况下，下面的比较器没有上升沿输出，则第二个D触发器Q的输出还是0，的输出为1，此时RST为0，为0，PKD01处于峰值检测模式。当峰值来临时，下面的比较器有上升沿输出，第二个D触发器Q的输出为1，的输出为0，此时RST为0，为1，PKD01工作在峰值保持模式。

3 调试结果
    图5为PKD01对NaI(T1)探测器输出的X射线脉冲信号的有增益改变极性峰值保持的结果。从图中我们可以看出，PKD01对脉冲进行了翻转操作，并且对原信号进行了放大，从跟踪到对信号峰值的保持用时很短，输出平稳。

5 结束语
    PKD01采用独特的跨导式运算放大器，使其具有通频带宽、响应速度快、峰值保持精度高、线性好等一系列优点。特别是对于X射线等核脉冲信号而言，它们的瞬变性使得一般的保持电路无法精准的对峰值进行保持。所以，PKD01可以方便的实现脉冲峰值的保持。