基于線性放電法的多道脈沖幅度分析器設計

周能，鄧可晴，莊文英

(1.中國科學院 聲學研究所 噪聲與振動重點實驗室，北京 100190； 2.上海合煦信息科技有限公司，北京 100102；3.北京信息科技大學 信息管理學院，北京 100192)

通訊作者： 鄧可晴(1992-)，女，項目負責人及研發(fā)團隊骨干，北京信息科技大學企業(yè)管理專業(yè)碩士學位，現(xiàn)主要從事數(shù)理統(tǒng)計應用技術、互聯(lián)網(wǎng)+產(chǎn)品技術研發(fā)等相關領域的研究工作。Email：965381918@qq.com

0 引言

多道伽馬能譜儀可以測定待測樣品或區(qū)域的鉀、鈾、釷等天然放射性核素含量，還可以測定銫(137)、碘(131)等人工核素含量，廣泛應用于基礎地質研究、礦產(chǎn)能源資源勘查、地質填圖、化學元素分析和考古等研究方面[1]，還應用于環(huán)境監(jiān)測與評價、核事故應急監(jiān)測、生物醫(yī)學和室內(nèi)裝修檢測等人命安全方面，還大量應用于國防工業(yè)和工農(nóng)業(yè)各部門[2]。

對于研究核輻射這樣的統(tǒng)計物理現(xiàn)象，多道脈沖幅度分析器是不可缺少的有效設備，因此，開展多道脈沖幅度分析器設計研究，高分辨率地獲取各種核素及其含量大小，對核科學和核工程等研究意義重大，它是射線測量必不可少的工具。

最早出現(xiàn)的多道甄別器式多道脈沖幅度分析器，分析器元件數(shù)量大，道數(shù)不能很多，道寬的均勻性和穩(wěn)定性很差，現(xiàn)在已經(jīng)很少采用。近代的多道脈沖幅度分析器絕大多數(shù)采用模擬—數(shù)字變換原理，這種多道脈沖幅度分析器將輸入脈沖按脈沖幅度大小以一定規(guī)律(道寬)成比例地變換成數(shù)碼(即能量道址)，并按此能量道碼將該輸入脈沖的計數(shù)存儲到存儲器中。按照脈沖分析方法，多道脈沖幅度分析基本分為3種類型：線性放電法，專用A/D法和高速A/D法。隨著計算機技術和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了基于FPGA系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)和微控制器等多類別的多道脈沖幅度分析器[3]，高集成度、低功耗器件的應用有助于降低多道脈沖分析器的功耗，并有利于其小型化。

專用A/D采樣法是利用峰值保持電路，將脈沖信號的峰值保持住，利用高精度的A/D轉換芯片獲得脈沖峰值信息[4-5]，以此獲得多道伽馬能譜數(shù)據(jù)。這種方式存在的主要問題是：由于A/D轉換芯片自身存在的非線性，容易使所測譜數(shù)據(jù)道寬不均勻(微分線性差)，必然使能譜數(shù)據(jù)中帶來比較大的系統(tǒng)誤差，影響能譜分辨能力和分析結果的精度。為了減少道寬不均勻性，通常需要在電路中增加道寬均勻器，即采用移道的辦法使道寬均勻化[6-7]。

高速A/D脈沖幅度分析法是利用高速A/D采集和配套數(shù)字信號處理程序搭建的數(shù)字脈沖分析器[8-9]。高速A/D將脈沖信號按相同的頻率進行能譜全譜或脈沖全峰采集，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理，分析出核脈沖信號的峰值，從而得到能譜數(shù)據(jù)，減少了復雜的模擬電路；同時數(shù)字化處理靈活性強和抗干擾性好，脈沖通過率高。

線性放電法是利用峰值保持電路形成與輸入射線脈沖能量成正比的電壓信號，利用恒流源對不同幅度的電壓信號進行等速度的放電，放電時間與電壓信號幅度成正比，通過時鐘計數(shù)直觀地獲得射線脈沖信號所在的能量道址，即可獲得伽馬能譜數(shù)據(jù)。線性放電法突出優(yōu)點就是道寬均勻性好，能譜數(shù)據(jù)積分線性和微分性好，有效減少了系統(tǒng)道寬不均勻帶來的微分非線性差等問題。近年來，利用現(xiàn)代的FPGA等數(shù)字化處理技術[10]，完成有效信號判斷、邏輯控制、計數(shù)、比較和存貯，提高了運行效率和可靠性，實現(xiàn)基于線性放電法的多道脈沖幅度分析，有效克服了過去用該方法造成的系統(tǒng)死時間比較長的缺點。

本文以現(xiàn)代電子技術為基礎，通過線性放電法工作原理、脈沖幅度分析器組成和工作流程時序的介紹，充分展示出基于線性放電法的多道脈沖幅度分析器的最新設計理念，為研制出新型多道脈沖幅度分析器提供技術方法。

1 線性放電法工作原理

線性放電法模數(shù)變換在20世紀50年代初首次用于核電子學[11-12]。近年來，盡管電子元器件已經(jīng)發(fā)展到集成電路，現(xiàn)成的模數(shù)轉換器越來越精密，也非常方便使用。但線性放電法國內(nèi)外許多脈沖幅度分析器至今仍在采用，因其道寬一致性好，微分線性好，一直備受青睞。

圖1為線性放電法脈沖幅度分析器的工作原理。在V1輸入端出現(xiàn)脈沖時，輸入信號使展寬器中的保持電容CH充電到等于其幅度V；當輸入信號下降時，二極管截止，CH上仍保留V的電壓，形成脈沖峰值保持。在保持一段時間后，控制信號3接通S，電容CH由恒定電流I放電，線性放電速度為I/CH。在控制信號3接通開關S的同時，控制信號3打開計數(shù)門，時鐘信號4通過與計數(shù)門G送至道址寄存器。當CH線性放電到零，線性放電(模數(shù)年轉換)結束，控制信號立即關閉開關S，同時，關閉計數(shù)門G，使時鐘信號不能通過計數(shù)門G送至道址寄存器。整個放電時間T為：

圖1 線性放電法模數(shù)轉換原理Fig.1 The principle of analog-to-digital conversion of linear discharge method

T=CH·V/I，

(1)

式中：T為放電時間，單位s；CH為保持電容容量，單位μF；V為脈沖峰值幅度，單位V；I為恒定電流放電電流，單位A。

從接通開關S起到CH放電完畢這一段時間內(nèi)，同時讓周期為T0的時鐘輸出，所獲得的脈沖數(shù)m為：

m=T/T0=CH·V/(I·T0)，

(2)

式中：m為T時間內(nèi)的脈沖數(shù)，單位個；T0為參考脈沖周期，單位s。

在變換時間T內(nèi)的時鐘脈沖數(shù)m(取整數(shù))即是能譜道址(有時直接用作計數(shù)的地址碼)，所以m就是輸入脈沖應記入的道址。由圖1可見，輸入信號V1越大，線性放電的時間T越長，道數(shù)m就大，反之亦然。

變換系數(shù)P：

P=Δm/ΔV=CH/(I·T0)，

(3)

式中：P為單位脈沖電壓的道數(shù)，單位道/V；ΔV為脈沖電壓變化量，單位V；Δm為脈沖電壓變化ΔV下的道數(shù)變化量，單位道。

道寬H，單位V/道，表示為：

H=ΔV/Δm=I·T0/CH。

(4)

由于電容CH能保持輸入脈沖幅度以便進行模數(shù)轉換，所以常被稱為保持電容或記憶電容。改變電容CH或改變線性放電電流I和T0時鐘周期，都能改變道寬。

在實際儀器里，T0的穩(wěn)定性不難做到好于10-5～10-6，放電斜率(速度)的非線性偏差可以做到不大于0.1%，線性放電法模數(shù)轉換的道寬一致性可以做到好于1%，同時溫度等變化對各道的影響基本相同，所以這種方法有相當好的道寬一致性。比起現(xiàn)成的A/D轉換芯片，道寬的一致性要高近一個數(shù)量級，也就保證了能譜測量有更好的能量分辨能力和更高的測量精度。

2 線性放電法脈沖幅度分析器設計

線性放電法脈沖幅度分析器主要包括：線性門、上下閾甄別電路、信號有效性檢測和判斷電路、信號展寬器、峰值檢測器、快/慢放電判斷電路、自動放電電路、恒流源放電電路、道址計數(shù)器及寄存器和相應道址脈沖自動累加器等。圖2為線性放電法脈沖幅度分析器設計框圖。

圖2 線性放電法脈沖幅度分析器設計框Fig.2 Design block diagram of pulse amplitude analyzer of linear discharge method

2.1 信號有效性檢測和判斷電路

脈沖幅度分析器分析的信號幅度有一定的范圍，無效的信號將要占用分析器工作時間，產(chǎn)生不必要的死時間，降低了測量效率，甚至產(chǎn)生更多的漏計脈沖。因此，在啟動分析器之前需要對脈沖信號進行檢測和判斷，只有滿足要求的脈沖信號才進行幅度分析。

脈沖信號有效檢測和判斷由圖2中的上下閾甄別、信號有效性和有無信號判斷等。當信號幅度位于設定的上下甄別閾之間，同時經(jīng)過符合(反符合)判斷為非同時出現(xiàn)的信號，才啟動變換，這樣就剔除了那些過大或過少等無用信號的分析過程，尤其上大量的噪聲，避免由它們引起大量的死時間。當剔除無用信號不啟動變換時，接通快慢放電電路把保持電容CH上的充電電荷快速泄放干凈，時刻準備著接收有用信號。

2.2 峰值展寬器與保持

在線性放電法脈沖幅度分析器中，輸入信號通過線性門后，需給保持電容CH充電到信號的峰值，需要利用展寬器把峰頂?shù)某掷m(xù)時間展寬以便進行幅度—時間變換。

峰值展寬器由圖2中的運放A和電容CH、二級管等組成，在脈沖輸入時，電容CH被充電到脈沖的峰值電壓Vc(V)，當脈沖峰值過后電壓下降時二極管截止，CH上的電壓基本保持不變，這就實現(xiàn)了展寬的目的。

當輸入脈沖寬度比充電時間小，在信號作用期間，CH電壓就充不到峰值Vc，這將引起誤差；脈沖峰值過后，CH上的電壓也不是保持不變，同樣引起誤差。因此，選擇電容CH時，既希望CH小些以便充電時間快，又希望CH大些以便保持電壓下降少，通常電容CH的數(shù)值取幾百至上千pF。為使輸入脈沖峰值與Vc間有很好的線性關系，需選擇正向內(nèi)阻很小的二極管。

2.3 峰值檢測器

在脈沖信號峰值過后，即保持電容CH上已“保持”了信號的峰值電位后，脈沖信號開始下降時，峰值檢測器檢測到該下降信號后立即給出充電完畢的觸發(fā)信號，該觸發(fā)信號經(jīng)過后沿整形延時發(fā)出啟動轉換信號4(如圖2)，在信號有效時啟動電容CH放電開始轉換；同時發(fā)出系統(tǒng)忙信號給線性門，使線性門關閉(開頭倒向14)，阻止隨后的輸入信號干擾變換過程。

2.4 恒流源

在線性放電法的脈沖幅度分析器中，對補展寬后的電容CH電壓Vc進行線性放電，需要一個恒定電流I，產(chǎn)生這個恒定電流的電路即恒流放電電路或恒流源。

由式(1)可見，放電電流I的不穩(wěn)定將引起放電時間T的變化，這將使同一幅度脈沖進入不同的道址。如果最高道址為4 000道，允許由于I的不穩(wěn)定造成的道址變化小于半道，這就要求放電時間T的相對變化小于0.5/4 000，即：

ΔT/T<(0.5/4000)=1.25×10-4，

這樣就要求放電電流的穩(wěn)定度ΔI/I<(1.25×10-4)，由此可見，對恒流放電電路的穩(wěn)定度要求很高。

同時，恒流電路兩端電壓有比較大變化時，流過恒流放電電路的電流應保持不變，否則將使分析器產(chǎn)生比較大的非線性。由式(4)可得，如果要求道寬一致性好于0.1%，即在不同的輸入脈沖幅度時，恒流放電電路的電流變化應好于0.1%。

2.5 線性門

在線性放電法的脈沖幅度分析器中，為了系統(tǒng)正處于分析(忙狀態(tài))或正在進行充放電時，不再讓輸入信號進入分析器而實行占用封鎖，不影響正在進行的脈沖幅度分析及相關處理工作，需要通過線性門來控制信號的輸入，即相當于一個數(shù)控“開關”。目前，通常采用集成模擬開關來實現(xiàn)線性門。

如圖2所示，當線性門開門時，應保證輸入信號線性通過，即輸出信號幅度和輸入信號幅度成線性關系，傳輸系數(shù)為某一常數(shù)。當系統(tǒng)正處于幅度分析(忙狀態(tài))、或正在進行充放電時，此時，線性門關門，將信號輸入端接地，傳輸系數(shù)為零。

2.6 道址計數(shù)器

道址計數(shù)器由圖2中的基準時鐘、道址計數(shù)器、道址寄存器和計數(shù)自動加1啟動邏輯、自動累加計數(shù)等組成，它是記錄線性放電期間所采集的基準時鐘脈沖數(shù)，該時鐘脈沖數(shù)即為輸入脈沖信號的道址，隨后按照該道址自動啟動對道址中的計數(shù)進行加1，獲得累加后的計數(shù)。

具體工作過程為：當啟動保持電容CH開始放電的同時啟動道址計數(shù)器，對輸入的基準時鐘進行計數(shù)。當電容CH放電結束的同時停止道址計數(shù)器的計數(shù)，此時的計數(shù)即為輸入脈沖的道址，并在控制信號驅使下存入道址寄存器。

計數(shù)自動加1啟動后，先按道址寄存器的道址讀出存貯器的原計數(shù)，將原計數(shù)自動加1后，再按原道址寫入存貯器中，實現(xiàn)了計數(shù)的自動累加。

2.7 道寬調(diào)節(jié)

我們知道，多道脈沖分析器的道寬越小，表示對信號的分類越細，所以道寬小到什么程度是模數(shù)變換器的精度標志。

在進行能譜測時，道寬取多大合適，要看使用何種探測器和進行何種物理測量而定。道寬小分得細，但對同樣的輸入信號幅度范圍，變換后的道數(shù)就多，成倍地增加了轉換時間和數(shù)據(jù)處理工作量；同時，對于同樣的輸入信號計數(shù)率，道寬小時分到每一道的計數(shù)就低，反而增加了統(tǒng)計漲落誤差，需要通過延長測量時間來減小誤差；另外，道寬小要求模數(shù)變換器的穩(wěn)定性高和道邊界干擾小。因此，在實際應用時，應在譜數(shù)據(jù)能夠正確反映譜的真實形狀前提下，盡量使用大道寬。一般情況下，在峰的半高寬內(nèi)，有5～10道就夠了[13]。

由式(4)H=I·T0/CH可知，改變保持電容的容量CH和線性放電的電流I，或改變基準時鐘周期T0，都是可以改變道寬H。改變模擬電路參數(shù)的容量CH和電流I，實際上都是改變線性放電的斜率來調(diào)節(jié)道寬。為了保證峰值保持穩(wěn)定可靠地工作，通常情況下只采用改變放電電流I的方式來調(diào)節(jié)道寬，并要求不同道寬之間放電電流I要保持精確的整數(shù)倍數(shù)。改變基準時鐘T0能夠容易地實現(xiàn)道寬的調(diào)整，一般采用同一時鐘分頻方式來改變T0，并能獲得道寬間的精確比例，道寬的改變對模數(shù)變換器的零點沒有影響。

2.8 轉換偏置調(diào)節(jié)

實際測量時，線性放電不是完全放到電Vc=0 V，而是只對幅度大于某一數(shù)值Vos(offset)的譜感興趣，可以將模數(shù)變換器的零點從0 V調(diào)到Vos，這時所測譜的第0道對應于幅度等于Vos處，稱之為轉換偏置調(diào)節(jié)。采用偏置的方式可以使分析器的有限道數(shù)用于分析幅度大于Vos的某一段譜數(shù)據(jù)，縮短了分析時間，節(jié)省了存貯空間。

偏置調(diào)節(jié)主要由甄別ADC offset及控制電路組成(如圖2)。甄別ADC offset為一電壓比較電路，當線性放電的電壓下降到預設的偏置電壓Vos時，比較電路輸出發(fā)生翻轉，發(fā)出停止模數(shù)轉換命令，模數(shù)轉換結束。當分析器處于快慢放電時，同樣也停止模數(shù)轉化等工作。

偏置設置有2種方式：一種是利用高穩(wěn)定的基準電源，通過分壓調(diào)節(jié)來提供偏置電壓Vos；另一種是數(shù)字設置，按照所設起始道址通過DAC(數(shù)模)來設置偏置電壓Vos，此種方式可以適時地進行偏置調(diào)節(jié)，設置準確，使用方便。

3 線性放電法脈沖幅度分析器工作過程

脈沖幅度分析器工作簡化邏輯時序圖如圖3，位于上下甄別閾之間且有效的輸入脈沖信號(曲線1)通過線性門進入展寬器A，給峰值保持電容CH充電。在脈沖信號峰值到達時，保持電容CH上已“保持”了脈沖信號的峰值電位Vc(曲線3)。

當脈沖信號峰值過后出現(xiàn)電壓下降時，展寬器輸出信號(曲線2)，峰值檢測器檢測到該信號，發(fā)出充電完畢的標志信號(曲線4)，其正跳變沿觸發(fā)啟動變換信號。啟動變換信號(曲線5)的后沿啟動恒流放電的同時開始時鐘(曲線7)計數(shù)，并在此時給出關門信號(曲線12)，使線性門關閉(開頭倒向14)，阻止隨后的輸入信號干擾變換過程。

一旦電容CH電壓(Vc)線性放電完畢(此時Vc=Vos)(如曲線3)，充放標志(曲線4)給出停止轉換信號，此時道址脈沖停止計數(shù)，其計數(shù)值即為該次輸入脈沖信號的道址(曲線8)。隨后在存貯命令控制信號(曲線9)驅使下存入道址寄存器，并迅速啟動計數(shù)自動加1命令(曲線10)，先按道址讀出存貯器的原計數(shù)，將原計數(shù)自動加1后，再按原道址寫入存貯器中，實現(xiàn)了計數(shù)的自動累加，此時關閉計數(shù)自動加1命令(曲線10)，并發(fā)出結束取址命令(曲線11)。以上工作結束后，系統(tǒng)給出不忙狀態(tài)，并接通線性門，關閉存貯命令，等待下一個有效脈沖的到來。

所以，在一般情況下，控制器要滿足下述3個條件后才給出啟動變換信號5：

1) 信號峰值已經(jīng)通過。保證保持電容已充電到信號峰值。

2) 信號幅度在有用范圍內(nèi)(上、下閾間)。避免無用信號占用變換時間。

3) 信號有效。

在滿足上述條件后，控制器隨后給出啟動變換信號5，使“放電標志”觸發(fā)器置1，產(chǎn)生允許線性放電信號6，使恒流源開關接通，保持電容CH線性放電，同時置系統(tǒng)為忙狀態(tài)。

4 影響脈沖幅度分析器技術指標主要因素

4.1 影響模數(shù)轉換穩(wěn)定性的主要因素

影響模數(shù)轉換穩(wěn)定性的主要因素是保持電容CH的容量、恒流源電流I和時鐘周期T0。這就要求高穩(wěn)定電容器、高穩(wěn)定恒流源和石英時鐘電路。另外，即使線性門和展寬器的傳輸系數(shù)接近1，由于存在傳輸系數(shù)的不穩(wěn)定性，也會使變換系數(shù)不穩(wěn)定。

4.2 引起積分非線性的主要因素

多道分析器的道址m和道位置A的關系曲線m=f(A)叫模數(shù)變換特性或幅度響應。理想的脈沖幅度響應為過原點的一條直線m=pA。但實際上，脈沖幅度響應并不是過原點的一條直線，而是如圖4所示的一組實測點組成的曲線mc=f(A)，與幅度響應為線性的m=pA+m0之間存在著偏差，即實測脈沖幅度積分的非線性，表示實測幅度響應與理想幅度響應的偏差程度[14]。實測幅度的積分線性度越好，意味著在觀測的能量范圍內(nèi)，脈沖幅度響應的線性度越好，脈沖幅度的分析也就越準確。

圖3 脈沖幅度分析器工作簡化邏輯時序Fig.3 Simplified logic timing diagram of pulse amplitude analyzer work

圖4 實測幅度響應與最佳幅度響應Fig.4 Measured amplitude response and best amplitude response

模數(shù)變換的積分線性主要決定于線性門、展寬器和進行阻抗隔離緩沖器的積分線性，也和恒流源的恒流程度有關。但是，模數(shù)變換器的積分線性只取決于它的模擬變換器，和數(shù)字電路無關。

4.3 引起微分非線性的主要因素

模數(shù)變換的微分非線性是指各道道寬偏離平均值的程度。其偏離的因素有如下幾點：模擬電路的非線性引起的道寬不一致性；數(shù)字電路干擾引起的道寬不一致性；隨機干擾引起的道寬不一致性[15]。

4.4 變換速度的限制

線性放電法模數(shù)變換器的變換速度主要取決于線性放電時間T。因為：

T=mT0,

道址m越大，所需的放電時間T越長。特別是道址很多時，這種影響更加明顯。

5 總結

多道伽馬能譜儀是天然、人工放射性核素測定的必備設備，多道脈沖幅度分析是多道伽馬能譜儀的核心，它決定了對核素的分辨能力和分析精度。本文從線性放電法入手，介紹了基于線性放電法的多道脈沖幅度分析器的工作原理，給出了各組成單元電路的設計思路和方法，并系統(tǒng)地介紹了多道脈沖幅度分析的工作過程。主要內(nèi)容為：

1) 介紹了基于線性放電法脈沖幅度分析器的工作原理。給出了線性放電法獲取脈沖幅度和能譜道址的方法，以及能譜道寬計算方法和影響因素，指出該方法的優(yōu)越性。

2) 詳細描述了脈沖幅度分析器的設計思路和設計方法。分別介紹了信號有效性檢測和判斷、峰值展寬器與保持、峰值檢測器、恒流源、線性門、道址計數(shù)器、道寬調(diào)節(jié)以及轉換偏置調(diào)節(jié)等分析器8個重要組成部分的設計方法，給出了設計依據(jù)、設計思路和可實施的方案。

3) 系統(tǒng)地介紹了脈沖幅度分析器的工作過程。從脈沖信號輸入開始直至脈沖自動計數(shù)的完成，全流程地向讀者介紹了分析器的工作過程，詳細地給出了分析器工作的邏輯時序圖，為讀者開展該分析器的設計奠定基礎。

4) 比較概要地介紹影響脈沖幅度分析器技術指標的主要因素。分別從影響模數(shù)轉換穩(wěn)定性、引起積分非線性、引起微分非線性和變換速度限制等4個方面介紹了影響脈沖幅度分析器的主要因素，為讀者下一步設計提供參考。

總之，讀者可基于文中給出的線性放電法設計脈沖幅度分析器的工作原理、設計方法和工作邏輯時序圖等，再結合現(xiàn)代高科技技術，就可以研制出道寬均勻度好、微分非線性出色、分辨核素能力更強的現(xiàn)代新型多道脈沖分析器，獲得能量分辨率更好、測量精度更高的伽馬能譜數(shù)據(jù)，更好地為核科學、核工程、地質、石油、化學分析、材料科學、環(huán)境科學和生物醫(yī)學等服務。