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- UID
- 1029342
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- 男
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摘要
传统的以单片机为核心的多道脉冲幅度分析器集成度低、软硬件设计难度大、系统升级困难。文中介绍了一种以高性能32位嵌入式处理器S3C2440处理为核心的多道脉冲幅度分析器的硬件设计方案，电路主要包括甄别电路、峰值扩展电路、控制电路和A／D转换电路。甄别电路通过设定阈值去除低能噪声信号，峰值检测电路进行输入信号的峰位检测和峰值扩展，A／D转换电路实现输入信号的模拟-数字量的转换。控制电精确控制了整个电路的工作时序。测试表明，该系统具备良好的微分非线性和积分非线性、速度快、稳定性好、可用于实际工作。
关键词
多道脉冲幅度分析器；S3C2440；峰值检测
多道脉冲幅度分析器是核辐射测量仪器的一个重要组成部分，它将被测量的脉冲幅度范围平均分为n个幅度间隔，然后测量输入脉冲在每一个幅度间隔内的计数值，最后得到输入信号的脉冲幅度和相对应计数的关系曲线。传统的多道脉冲幅度分析器多是以51系列单片机为核心电路系统。由于单片机的处理能力有限，因此这种仪器需要上位机的软件支持。这种上、下位机的设计方式也限定了系统的功能，影响了系统的稳定性与实时性。此外，单片机系统的低集成度也导致了系统设计难度大，系统升级困难。文中提出了一个基于32位ARM 9核的S3C2440处理器的多道脉冲幅度分析器设计方案。该设计可以对核信号进行采集、分析、处理与显示，是一个高集成度、高精度、低功耗、低成本的多道脉冲幅度分析系统。
1 系统总体硬件结构
系统设计方案如图1所示，硬件电路主要由甄别电路、峰值检测电路、A／D转换电路和S3C2440外围扩展电路组成。系统工作原理：从核探测器输出的核脉冲信号分为两路。一路进入甄别电路，该电路对信号的波形进行选择，通过设定输入脉冲的阈值电压，达到消除低能噪声的目的。另一路信号进入峰值扩展电路，该电路检测峰值到来时刻，并且对脉冲的波峰进行展宽和保持到能适应A／D转换时间的宽度。控制电路控制整个硬件电路的工作时序，精确启动A／D转换。信号A／D转换完成后，S3C2440使用中断方式读取转换结果，将转换结果作为地址值，并使该地址的计数值加1。一个输入脉冲信号处理完毕后，S3C2440发出门控信号使控制电路恢复到初始状态，以等待下一个脉冲的到来。经过一段时间的测量后，即可以得到信号的脉冲一幅度曲线。S3C2440外围接口电路的触摸屏可以实现整个系统的控制和操作。LCD显示屏用来显示能谱曲线以及数据处理结果。数据信息可选存储在USB设备中，以供计算机的后续处理。
2 主要硬件电路
2．1 甄别电路
甄别电路如图2所示，采用高速比较器LM311实现。调节W2电压分配器，可以设定脉冲的下限阈值。输入信号从LM311的正输入端输入。根据比较器LM311特性：当正输入端电压低于相输入端电压时，比较器输出低电平。反之，当正输入端电压高于设定的负向输入端压，则输出高电平。在设计中，通过调节W2的值，可以设定一个阈值电压，只有输入脉冲高于此阈值电压时，输出端OUTA输出一个高电平。
2．2 峰值检测电路
峰值检测电路如图3所示，主要采用放大器CA3140和比较器LM311。峰值检测电路可以检测输入脉冲峰值的到来时刻，并将输入脉冲的峰顶进行扩展宽并保持一定时间，使A／D转换器能正确地转换脉冲电压。
峰值扩展工作原理：初始状态模拟开关J1断开，J2导通。输入脉冲由从放大器正向输入端输入，当脉冲信号处于上升沿，并且超过甄别电路的阈值电压时，模拟开关J1断开，J2断开，二级管D2导通，负反馈回路接通。此时放大器相当于电压跟随器，其输出端的电压等于输入端的电压，并且给电容C9充电。等输入信号到达峰值后下降时，模拟开关J1导通，J2断开，以防止短时间内过多的信号在电容C22上堆积，导致电路不能进行峰值扩展。放大器的反向端电压大于正向电压，输出负信号，二极管D2截止，负反馈回路断开。此时电容C9上的电压为峰值电压。由于二极管的反向电阻和放大器的输入阻抗都较大，电容C9不能通过二极管D2放电，实现了峰值扩展的目的。二极管D1和电阻R5对输出的负信号的幅度进行一定了的限制，保证了放大器及整个峰值保持电路稳定的工作。最后输入信号通过放大器U6进入A／D转换器。等后续的A／D转换结束后，本电路复位，模拟开关J1断开，J2导通，使电容C9快速放电，等待下一个脉冲信号到来。
峰位的检测工作原理：在比较器U4中，输入脉冲Vin从LM311负向输入端输入，峰值扩展输出的信号Vpeak从LM311的正向输入端输入。由于Vpeak是输入脉冲Vin经过峰值扩展电路延时后的信号，因此，开始时刻，Vin>Vpeak，此时输出端输出低电平。一旦输入脉冲的峰值到来，则Vin<Vpeak，此时LM311输出高电平。 |
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