基于核電子學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)用的模數(shù)變換電路研制

許 珍， 白立新，代 飛

(四川大學(xué)，四川 成都 610064)

多道分析器(MCA，Multichannel analyzer)作為核電子學(xué)的一個(gè)重要組成部分，它將輸入的模擬信號(hào)劃分成若干個(gè)相等的區(qū)間，一次測(cè)量就可以獲得輸入信號(hào)的脈沖幅度譜。它可以完成粒子物理與原子核物理的實(shí)驗(yàn)中對(duì)核反應(yīng)產(chǎn)生的粒子的強(qiáng)度、能量、時(shí)間以及空間位置等信息的分析處理［1-2］，因此多道分析器是一種實(shí)驗(yàn)室常用的核能譜數(shù)據(jù)獲取及處理的實(shí)驗(yàn)儀器，主要實(shí)現(xiàn)核能譜分布的功能。因此非常有必要掌握它的原理。多道幅度分析器一般由模數(shù)轉(zhuǎn)換部分和存儲(chǔ)器部分組成。理解模數(shù)變換的過(guò)程有助于更好的掌握多道分析器的原理。然而現(xiàn)存的教學(xué)儀器一般只能看到PCB(Printed Circuit Board)板或直接封裝NIM(Nuclear Instrument Module)插件中，不能直觀的顯示其電路原理，而且轉(zhuǎn)換結(jié)果一般要配合PC(Personal Computer)軟件才能觀察到，不利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。因此開(kāi)發(fā)了一套能夠直觀理解多道脈沖幅度分析器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理并采用發(fā)光二極管直接觀察其轉(zhuǎn)換結(jié)果的教學(xué)儀器。

1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖1所示信號(hào)經(jīng)過(guò)反向放大1/2后分為兩路，一路進(jìn)入甄別器經(jīng)過(guò)延時(shí)后控制模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行放電;另一路進(jìn)入峰值保持電路，將峰值信息傳輸至ADC(Analog to Digital Converter)，鎖存器將ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果鎖存之后通過(guò)發(fā)光二極管顯示出來(lái)。

圖1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器硬件框圖

1.1 峰值采樣保持電路

脈沖峰值保持電路能夠檢測(cè)并保持輸入脈沖峰值，向A/D(Analog to Digital)轉(zhuǎn)換芯片發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，同時(shí)可以屏蔽低幅度電子學(xué)噪聲［3］。核物理實(shí)驗(yàn)中測(cè)量能譜時(shí)，輸入模擬信號(hào)從進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路到變換出數(shù)字量，都需要一定的時(shí)間。而在此時(shí)間內(nèi)，為了保證轉(zhuǎn)換的精度，必須保持住輸入信號(hào)的電平，而在轉(zhuǎn)換完成后又必須檢測(cè)信號(hào)的變化，以保證分析下一脈沖［4］。

如圖3所示，整個(gè)峰值保持電路的大致工作過(guò)程如下:脈沖信號(hào)到達(dá)后經(jīng)過(guò)放大器U1，該放大器負(fù)責(zé)對(duì)輸入信號(hào)簡(jiǎn)單跟隨及反向并使信號(hào)幅度衰減1/2，再通過(guò)反沖器U2A向保持電容充電，該電容就保持了輸入脈沖的峰值信息。放電過(guò)程中，由U2B將峰值信號(hào)傳輸至ADC中進(jìn)行量化處理，同時(shí)在此過(guò)程中在脈沖被展寬。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后由芯片發(fā)送復(fù)位信號(hào)，保持電容由放電門(mén)控制清零。于是完成了一個(gè)脈沖信號(hào)的峰值采樣工作，進(jìn)入下一個(gè)采樣狀態(tài)。圖2是電路各關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)的脈沖時(shí)序圖，TP1代表輸入信號(hào)反向并衰減1/2后的信號(hào)，TP2為過(guò)峰信號(hào)，輸入信號(hào)幅度大于閾值Vth，采樣保持電路開(kāi)始工作，TP3為峰值保持信號(hào)，TP4為進(jìn)入甄別器信號(hào)，TP5為延遲信號(hào)，啟動(dòng)ADC變換，TP6為控制電容放點(diǎn)的延時(shí)開(kāi)關(guān)信號(hào)。

圖2 模數(shù)變換電路信號(hào)時(shí)序圖

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換硬件電路測(cè)試圖

1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路。為了滿足采樣速率，本文選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是 TI公司生產(chǎn)的 16位高速、高精度ADS8322，該芯片內(nèi)部采用二進(jìn)制逐次比較型模數(shù)變換原理，最高采樣率為500KSPS。在核物理實(shí)驗(yàn)中，一般采用512～1024道，因此文中在設(shè)計(jì)時(shí)只對(duì)高10位轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行顯示。接通芯片片選信號(hào)，峰值采樣保持電路輸出的脈沖信號(hào)ADCIN進(jìn)入模數(shù)變換芯片ADS8322進(jìn)行A/D變換，由 ADS8322進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出的時(shí)序信號(hào)經(jīng)SN74LVT16245鎖存后通過(guò)發(fā)光二極管顯示。

1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)試電路

圖3為顯示在電路板焊接面背面，便于實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中學(xué)生測(cè)試及觀察電路結(jié)構(gòu)的硬件電路測(cè)試原理圖。本電路在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了必要的測(cè)試孔，可供學(xué)生測(cè)試各階段信號(hào)輸出波形，便于理解電路工作過(guò)程。同時(shí)電路轉(zhuǎn)換結(jié)果由發(fā)光二極管顯示，操作簡(jiǎn)單，便于清楚地觀察模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2 ADC測(cè)試結(jié)果

輸入信號(hào)的占空比:0.5

上升沿:1.953 1 μs

信號(hào)頻率為:f=1 MHz

改變輸入信號(hào)幅度，記錄發(fā)光二極管的顯示情況，二極管發(fā)光表示輸出為高電平，記為“1”;二極管不發(fā)光表示輸出為低電平，記為“0”，見(jiàn)表1。

表1 不同輸入信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換結(jié)果

對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，擬合直線為y=178.15x+4.02，ADC 積分非線性為:0.16%。表明該ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果滿足核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

3 能譜測(cè)試

將該電路配合后續(xù)邏輯控制模塊以及PC軟件組成多道分析器，用NaI(Tl)晶體探測(cè)器測(cè)量137Cs，60Co混合源的γ射線能譜，得到能譜圖，如圖4所示。通過(guò)能譜分析得到137Cs源0.662 Mev全能峰能的量分辨率為8.4%，60Co 1.17 Mev、1.33 Mev全能峰的能量分辨率為:5.78%、5.40%，達(dá)到核物理實(shí)驗(yàn)對(duì)能量分辨率的要求。

4 結(jié) 論

圖4 137Cs，60Co的γ射線能譜圖

針對(duì)大學(xué)核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)了一種模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，并在電路板上繪制出電路原理圖，便于學(xué)生理解模數(shù)變換的原理，同時(shí)不需要連接后續(xù)設(shè)備，發(fā)光二極管能夠直觀地顯示出轉(zhuǎn)換結(jié)果。此外，該電路板還能配合后續(xù)邏輯控制模塊以及PC軟件組成多道分析器，在能譜測(cè)量方面效果很好，完全滿足大學(xué)核物理實(shí)驗(yàn)的要求。

［1］劉希民，熊鈺嵐，酈文忠.基于AD7492和P89LPC9000單片機(jī)的4096多道分析器設(shè)計(jì)［J］.蘇州大學(xué)學(xué)報(bào):工科版，2011，31(3):35-38.

［2］陳磊，張凱，楊義軍.單片機(jī)控制數(shù)字光強(qiáng)檢測(cè)計(jì)的設(shè)計(jì)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2009，12:37-40.

［3］丁衛(wèi)撐，王義，方方.一種實(shí)用多道脈沖幅度分析器［J］.核技術(shù)，2012，35(8):630-634.

［4］劉曉佳，朱兆優(yōu)，滿在剛.基于峰值保持器 PKD01的采樣保持電路［J］.電子元器件應(yīng)用，2009，11(12):18-20.