多道脈沖幅度分析器改進(jìn)研究

范永勝 ， 周淵平 ， 田時(shí)海

（1.四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065；2.綿陽師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，四川 綿陽 621000）3.四川大學(xué) 原子核科學(xué)與技術(shù)研究所，四川 成都 610065）

多道脈沖幅度分析儀是核探測(cè)中的常用儀器，它和CdZnTe等組合成和探測(cè)系統(tǒng)把和脈沖幅度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的道輸以便測(cè)量[1-3]。現(xiàn)在多道脈沖幅度分析技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，在將模擬核脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)及完成讀寫過程的時(shí)間內(nèi)，如有信號(hào)脈沖到來，分析器不予以記錄，從而產(chǎn)生漏計(jì)數(shù)，這一段時(shí)間稱為忙時(shí)間（也有資料稱為死時(shí)間，文中論述時(shí)覺得忙時(shí)間更能準(zhǔn)確表述系統(tǒng)正忙于轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的含義，忙就添加設(shè)備，并行工作，故定義為忙時(shí)間）。

如果能有效地減小其忙時(shí)間，將會(huì)有效地減小漏計(jì)數(shù)的發(fā)生?，F(xiàn)在采用的普遍的方式是采用高速A/D，但高速A/D其價(jià)格很昂貴，從而成本比較高。

1 多道脈沖幅度分析器忙時(shí)間形成原因分析

忙時(shí)間是多道分析器進(jìn)行測(cè)量時(shí)在某一段時(shí)間內(nèi)，漏計(jì)的全部信號(hào)脈沖所占用的時(shí)間。導(dǎo)致忙時(shí)間參數(shù)的主要因素是電路的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間和數(shù)據(jù)存取所占用的時(shí)間[4]，圖1是一個(gè)典型的多道脈沖幅度分析器的框圖。

圖1 幅度-道址變換及改進(jìn)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Amplitude-channel address transform and improved design block diagram

核信息脈沖由端口進(jìn)入，經(jīng)忙門同時(shí)進(jìn)入觸發(fā)器1和幅度積存保持電路。在輸入脈沖持續(xù)期內(nèi)，=0，一直關(guān)閉著幅度衰減開關(guān)，所以輸入脈沖的峰值展寬了。當(dāng)輸入脈沖結(jié)束時(shí)，觸發(fā)器 1 返回初態(tài)，Qˉ0=1，幅度衰減開關(guān)被打開，Q1=1，或控門輸出為0，忙門關(guān)閉，禁止再來的核信息脈沖輸入，確保電路在進(jìn)行A/D變換期間不受干擾。

幅度衰減控制開關(guān)被打開時(shí)刻，幅度Qˉ0積存保持電路開始從峰位通過恒流放電電路放電，放電電流進(jìn)入幅度—脈寬電路，得到與幅度成正比脈寬在進(jìn)入反相放大電路變換成其等寬的數(shù)字脈沖，作為道址脈沖數(shù)控制門的開門信號(hào)。脈沖寬則通過道址脈沖數(shù)就多，反之則少。同時(shí)也用此脈沖繼續(xù)關(guān)閉忙門。

道址碼脈沖產(chǎn)生以后，還需要將輸入的核信息脈沖數(shù)據(jù)寫入到RAM的該道地址內(nèi)，因此要W脈沖的后沿微分觸發(fā)一單穩(wěn)電路，產(chǎn)生寫入脈沖信號(hào)，把數(shù)據(jù)寫入RAM。同時(shí)，用寫入脈沖再繼續(xù)關(guān)閉忙門，直到寫入完成。

從上面的原理分析可以看出，忙時(shí)間主要有3個(gè)方面的時(shí)間組成：1）幅度衰減的過程；2）道址變換的過程；3）道址碼寫入RAM的過程?？梢杂脠D2的波形來表示整個(gè)過程，其中TL為活時(shí)間，TD表示忙時(shí)間，TR表示真時(shí)間[5]。

圖2 多道時(shí)間關(guān)系圖Fig.2 Multi channel time diagram

2 多道脈沖幅度分析器忙時(shí)間的測(cè)量方法

在多道脈沖幅度分析器中，對(duì)忙時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量，可以有效的改進(jìn)系統(tǒng)。我們的設(shè)計(jì)也是基于準(zhǔn)確的測(cè)量。在文獻(xiàn)[3]中，討論了對(duì)忙時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量。其主要原理如圖3所示，將一標(biāo)準(zhǔn)頻率f的信號(hào)輸進(jìn)測(cè)量過程的所有忙時(shí)間區(qū)段內(nèi)，再將進(jìn)入這些區(qū)段內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)總加起來，得到計(jì)數(shù)n，因每個(gè)脈沖的周期時(shí)間為Tk=1/f，則總的忙時(shí)間即為Td=nTk=n/f。在電路的實(shí)現(xiàn)中采用與門和6級(jí)10分頻來進(jìn)行測(cè)量[6]。

在文獻(xiàn)[4]中減少了分頻數(shù)，采用異或門的方式來實(shí)現(xiàn)[7]。

圖3 多道脈沖幅度分析器忙時(shí)間數(shù)字測(cè)量原理圖Fig.3 Multi channel pulse amplitude analyzer busy time digital measurement principle diagram

3 改進(jìn)研究

3.1 改進(jìn)的基本原理

根據(jù)上面的分析，對(duì)忙時(shí)間的貢獻(xiàn)的3個(gè)方面，認(rèn)為主要是前面2個(gè)方面：即幅度衰減的過程和道址變換的過程，而現(xiàn)在的高速RAM使得第3方面的貢獻(xiàn)已經(jīng)很小。

根據(jù)圖2，可以得到圖4的改進(jìn)圖。在圖中可以看到，在兩套系統(tǒng)并行工作的情況下，沒有忙時(shí)間的重疊。在A路進(jìn)入忙時(shí)間的時(shí)候，立刻啟動(dòng)B路進(jìn)行系統(tǒng)脈沖寬度的計(jì)數(shù)。從而使得原來的系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)換的時(shí)候不得不關(guān)閉的忙門顯得不再忙，當(dāng)A路轉(zhuǎn)換完畢的時(shí)候，B路還沒有進(jìn)入忙時(shí)間，所以不會(huì)影響系統(tǒng)的采集信號(hào)?？梢源蟠蟮販p少忙時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的影響。

圖4 多道脈沖幅度分析器改進(jìn)原理圖Fig.4 Schematic diagram of multichannel pulse amplitude analyzer improvement

3.2 設(shè)計(jì)的相應(yīng)改進(jìn)

方法1：采用定時(shí)器方式

為了適應(yīng)兩路采集和切換，采用了圖1的框圖（其中虛框中，A路和B路只是A路多了一個(gè)忙時(shí)間測(cè)量電路，其他完全一樣），首先在忙門前面加一個(gè)受控的切換門，需要在電路中增加文獻(xiàn)[5]或者文獻(xiàn)[6]提到的忙時(shí)間測(cè)量電路，以便給分析器對(duì)不同的物質(zhì)進(jìn)行忙時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)定。另外增加一個(gè)可編程定時(shí)器PIT，PIT的周期由忙時(shí)間切換電路提供，并有計(jì)算機(jī)計(jì)算獲得。定時(shí)器控制切換門的切換。與這兩套電路相配套的存儲(chǔ)電路（寄存器）一必須是兩套，也受定時(shí)器的控制，它們形成的脈沖計(jì)數(shù)靠軟件來進(jìn)行有序的拼接。

在實(shí)際的操作中，需要對(duì)不同的物質(zhì)進(jìn)行預(yù)掃描，以形成一個(gè)相對(duì)符合實(shí)際的一個(gè)忙時(shí)間周期，來控制定時(shí)器，進(jìn)而控制切換門。這樣可以根據(jù)不同的物質(zhì)，形成不同周期的切換控制，增加它的靈活性。

圖5 采用定時(shí)器改進(jìn)方式的工作流程圖Fig.5 Working flow chart of using the timer to improvement ways

方法2：忙門直接控制切換

前面的改進(jìn)是基于對(duì)樣品的預(yù)先掃描，來設(shè)定切換周期，為此要額外的付出一部分時(shí)間。另外一種改進(jìn)的方式，不用定時(shí)器和忙時(shí)間測(cè)量電路，直接把忙門換成切換門，它的切換受控于或門?；蜷T控制信號(hào)同時(shí)也控制存儲(chǔ)電路的切換，以保存數(shù)據(jù)。但這個(gè)切換方式存在的主要問題是，每次采集的數(shù)據(jù)長度長短不一，會(huì)導(dǎo)致后期的數(shù)據(jù)拼接十分困難。

4 誤差分析

核信號(hào)具有統(tǒng)計(jì)漲落的特性[8]，因此在設(shè)計(jì)中采用的周期性切換的方案具有一定的局限性，雖然采用了預(yù)掃描的方式形成周期，具有一定的科學(xué)性，但無法消除統(tǒng)計(jì)漲落的影響。在方法1中，核信號(hào)強(qiáng)的時(shí)候，方法一的周期切換也會(huì)使得一部分漏計(jì)數(shù)。也有可以在預(yù)先掃描的時(shí)候信號(hào)不強(qiáng)，但正是工作的時(shí)候有很強(qiáng)，會(huì)產(chǎn)生較大的漏計(jì)數(shù)；在方法2中，如有時(shí)候核信號(hào)很強(qiáng)，導(dǎo)致方法二切換頻繁；而信號(hào)弱的時(shí)候，切換慢；另外在控制切換開關(guān)的切換過程中任然存在漏計(jì)數(shù)的問題；可以采用以下公式（1）進(jìn)行誤差修正，進(jìn)一步減小漏計(jì)數(shù)。

其中C為總的由于切換引起的漏計(jì)數(shù)脈沖，Ti為計(jì)數(shù)切換的時(shí)間長度，Pi為單位時(shí)間內(nèi)漏計(jì)數(shù)脈沖，N為總的切換次數(shù)，在這里切換時(shí)間是固定的，因此漏計(jì)數(shù)可以計(jì)算；

為了比較，建立了改進(jìn)之前的漏計(jì)數(shù)脈沖計(jì)算公式為（2）。

其中Pc為總的漏計(jì)數(shù)，N為切換次數(shù)；TC為恒流放電時(shí)間，Te為高-寬時(shí)間，Tm為存儲(chǔ)器訪問時(shí)間，而Tc和Te由于核信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，將變得有長有短，這兩個(gè)時(shí)間之和也不固定，導(dǎo)致漏計(jì)數(shù)脈沖無法統(tǒng)計(jì)。

從上面的分析，可以得出結(jié)論，文中的改進(jìn)設(shè)計(jì)在誤差修正方面將更具優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié) 論

文中討論了多道脈沖幅度分析器忙時(shí)間的形成的原因，和測(cè)量的方法。提出了一種改善系統(tǒng)，降低系統(tǒng)忙時(shí)間的有效方案。能夠方便靈活的改變控制系統(tǒng)的切換，減少系統(tǒng)的漏計(jì)數(shù)率。

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