核能谱信号放大器脉冲成形电路的设计
《核电子学》课件——脉冲放大器
路与能量谱仪中有所不同。
理论分析表明，当电荷灵敏前置放大器输出的阶跃脉
冲信号被成形为无限宽尖顶脉冲时，可以达到最佳信
噪比。
-----最佳滤波原理
放大节通常由高增益的运算放大器和一个反馈 网络组成，通常采用负反馈方法。
• 不采用一个大的放大单元而采用若干放大节串接的原因： ➢ 谱仪放大器除了放大信号之外还要完成滤波成形的功 能，需要若干级微分和积分电路，这些电路之间一般 要求有隔离节； ➢ 同时由于一个大的放大单元内，加以深度负反馈时很 容易引起自激振荡。
0
=6s =50s
i
20
40
60
80
100
t(s)
危害：可能引起放大器的阻塞。
极零相消技术
在几级串联系统中，常将前级传递函数的极（零）点与后级的零 （极）点相消，这样可以达到改善输出波形，去除下冲的目的。
常用的极零相消电路有下面几种：
Rf Cf
-
R1 vo(t)
iD(t)
A +
vi(t)
C
R2
Rf Cf
(a)电路比较简单，极零相消的调节范围 (0R1C)，没有(c)电路的宽(R1C )。
包含极零相消的无源滤波成形电路
如果1＝2＝，
vo
(t)
Q m!Ci
(t
)m
t
e
u(t)
iD(t)
1 A=1
C1 2
R2 3 m级 A=1
R2 4
Ci Ri
R1
Q1 Ci s 1
谱仪放大器
tz
1
ln
1
ln
1
达到负峰值时间为
负峰值与正峰值之比为 Vm
tm
2 1
ln
1
2
ln
1
Vm
下冲的后沿部分可以用 度过载问题。
V0tຫໍສະໝຸດ Q Cfet f来表示，尽管其值很小，但是尾部拖得很长。会带来幅
三 极零相消微分网络
为了避免这种大幅度过载效应，需设法不产生长尾部的下 冲，这就不能用简单的高通电路来对电荷灵敏放大器输出 信号进行微分，需要选择一个电路，保证微分之后输出为 单极性信号。
放大器基本参量
计数率过载特性：当计数率比较高时所引起的脉
冲幅度分布的畸变称为放大器的计数率过载。谱仪放 大器的计数率特性主要取决于它的滤波器的响应时间， 由滤波器成形的信号越宽，堆积的可能性越大。
上升时间：探测器输出的信号通常有快的前沿和缓
慢的下降后沿，上升时间主要对信号的前沿而言。放 大器的上升时间过大会使信号产生畸变，结果使信号 幅度变小了。如果放大器上升的时间非常小也带来了 一些不利因素，一则电路变得很复杂，二则增加了电 路本身的噪声，因此需要个合理的取舍。
四 堆积判弃电路原理图
结束
谢谢
参考文献： 《核电子学》 《核辐射探测器与核电子学》
！
放大器基本参量
噪声及信号噪声比:放大器输出的信息中，总是
由信号、噪声和干扰组成。噪声是由于前置放大器输 出噪声和放大器输入端自身的噪声所决定。通常考虑 放大器输入端的噪声比前置放大器输出端的噪声小一
个量级就能满足要求。
幅度过载特性：放大器工作有一个线性范围，当
超出线性范围很大时，放大器在一段时间内不能恢复 正常工作，在这段时间内低能的射线信号就不能被正 常放大，从而使测量差生误差，这种现象就称为放大 器的幅度过载也称为放大器的阻塞。
核磁共振测井仪脉冲功率放大电路设计与实现
岩性无关的孔隙度 ，区分毛管束缚水与可动水 ，其 测量 结果 与 骨 架 固 体 含 量 无 关 ，也 不 破 坏 孔 隙 结
构 ，克服 了 以体 积模 型 为基 础 的传 统测 井方 法受 井
眼 、岩性及 地层 水矿 化度 影 响的缺 陷 … 。
量转换器 ，如果要提高效率 ，就应尽量减小功率放 大 电路 的耗散 功 率 以提 高 其 工 作 效 率 。对 于 Ｄ类 功率放大器 ，其工作效率可达 到 ８ ％以上 ，同时 ０ 由于耗 散功 率小 电路 的 发热量 小 ，增加 了电路 的稳
验证 明能满足核磁共振的发射信号的功率要求。
引
言
全桥功 率放 大 电路 的特 性分析
核磁 共振 测井技 术 以核磁 共 振理论 为 基础 ，是
一
种能够直接测量储 层 （ 油层 、气 层、水层 ） 自 由流 体孔 隙度 的测井 方 法 。该 方 法能够 提 供与 岩石
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
实 现这一 功 能 的功率 放大 电路 实质 上是一 个能
半周期的时间 ， 产生脉冲功率信号。脉冲功率信号 经过滤波电路后 ，剩下发射所需的基波信号并送至
线圈。
图 １ 功 率放 大 电路 框 架 图
Ｊ ｒ Ｋ １ ２ Ａｏ ＧＰ ） ・
ＭＯ Ｆ Ｔ驱 动 电路 特 性分 析 ＳＥ
全桥 电路 中功 率场 效应 管 是一种 电压控制 型 开 关 器件 ，原理上 只 要驱 动 电路输 出 的栅 源 电压超 过 阈值 电压则漏 源两 端 导通 ，不需要 考 虑驱 动 电路 的
脉冲时序信号；②在功率源停止发射间隙 ， 接收模 块接 收核 磁共 振 回波信 号 ，这 时功率 源快 速 可靠关
可程控核能谱信号放大器原理
可程控核能谱信号放大器原理
引言
核能谱放大器是能谱测量系统的重要组成部分，其性能直接影响整个能谱测量系统的分辨率。
本文对传统的核能谱信号放大器的不足之处进行了改进。
设计研制一种通用的、放大倍数可程控的核能谱信号放大器，使其能同时适用于X荧光仪，伽玛谱仪等核能谱测量仪器，具有通用性。
该放大器如进一步融合信号采集(A/D转换)技术和数字信号处理(DSP)技术可构成一个功能完备的核能谱信号处理系统。
1 电路基本组成
该电路主要包括滤波成形，程控放大，基线消除等三部分。
其中滤波成形电路包括极零相消，四级巴特沃斯滤波电路，极性选择电路;程控放大电路包括一级20倍放大和12位DAC程控放大电路;基线消除电路包括去除直流电路，反相电路及电压跟随电路，结构框图如图1所示。
核仪器概论教学课件谱仪放大器与多道脉冲分析系统
5.2 基线恢复器
对交流耦合电路，输入信号的频率变化，会引 起输出信号的基线发生偏移。这将会引起谱仪放大 器能量分辨率变坏。因此，高性能的谱仪放大器完 全都是直流耦合。但由此可能导致，放大器前面各 级的直流偏移被放大器放大，而使其输出一个大的 不稳定的直流偏移。
因此需要基线恢复器以消除这种直流偏移，以 确保放大器输出脉冲基线得以恢复。
测出的两个能谱图。从图中可见，无堆积判弃时，
由于信号堆积，大幅度信号的计数大大增加，最 终使得能谱图发生畸变。
计
数
无堆积判弃
有堆积判弃
能量（Kev）
5.4 数字信号处理系统（DSP）（Digital Signal Processor)
性能优越的能谱测量数字信号处理系统（DSP） 是近年来在谱仪制造方面发展起来的新技术。 ORTEC、DSPEC的框图如下：
H ()
ab
H ()
21
0
H ()
1
a b
H()
பைடு நூலகம்
j (1 j)2
（如图中黑实线或虚线）
分析上式：τ增大时，同样|H(ω)|值对应的 ω减少，即H(ω)的频带变窄，曲线向低频方向压
缩。此时，输出噪声中的a噪声将减小，b噪声将 增大。而相反当τ减小时，H(ω)的频带变宽，曲
线向高频方向伸展，但形状和高度不变。此时， 输出噪声中的a噪声将增加，b噪声将减小。因而 滤波器的时间常数τ可能有最佳值τopt。在τ＝ τopt时，总噪声可取得最小值。τopt被称作为 “最佳时间常数”。
基本原理为：
前放输出的模拟信号直接用一个闪电ADC对其 进行快速采样并将其转换成数字量。采样频率要选 择合适，以便使数字量代表的脉冲外轮廓具有合理 的精度。然后将这数字量进行一系列的数字信号处 理。其中包括低通、高通滤波、自动极零调整、基 线恢复、增益细调、数字化稳谱等。前面讲述的线 性脉冲成形放大器中的各种用模拟信号处理方法实 现的功能，如今大部分都能借助于数字信号处理的 办法来实现。
核辐射脉冲信号检测电路设计
核辐射脉冲信号检测电路设计
核辐射脉冲信号检测电路设计
概述：
核辐射脉冲信号检测电路用于检测和测量环境中的核辐射脉冲信号。
该电路主要由前置放大器、滤波器、鉴频器、定时器和计数器等
组成。
前置放大器将微弱的核辐射脉冲信号放大后，滤波器滤除杂散
信号，鉴频器将信号转换为可检测的直流信号，定时器控制计数时间，计数器计量辐射脉冲信号强度，输出结果显示。
具体设计：
1. 前置放大器：选用高灵敏度、低噪声、低功耗的运放，输入
端接有放大器和射线探测器之间的信号接口。
加入高阻抗的输入电路
和适当的反馈电路，以提高增益、减小偏置电流和提高频响特性。
2. 滤波器：为了去除杂散干扰信号，我们需要设计一个低通滤
波器，将高频干扰信号滤除，滤波器采用RC滤波器，降低噪声，同时
保持信号的波形不失真。
3. 鉴频器：通过用一个带通滤波器来“去除”掉高，低频分量，得到一个可以测量的直流信号，鉴频器采用全波整流电路，以将信号
转换为可测量的直流电压，输出电压的大小与输入信号的强度成正比。
4. 定时器：用555芯片作为定时器，控制计数器计数时间，使
计数器能够对辐射信号进行定量测量。
5. 计数器：通过计数器对鉴频器输出的直流电压进行计数，来
对辐射信号的强度进行测量，计数器采用CMOS计数器，可进行高速计数，并具有较高的稳定性和可靠性。
总结：
本设计实现了对核辐射脉冲信号的检测和测量，采用前置放大器、滤波器、鉴频器、定时器和计数器等电路进行信号处理，实现了对辐
射信号的准确测量，具有较高的稳定性和可靠性。
脉冲信号产生电路设计
脉冲信号产生电路设计脉冲信号产生电路是一种常见的电路设计，可以用于产生特定频率和周期的脉冲信号。
本文将介绍脉冲信号产生电路的基本原理、设计流程和实现方法。
一、脉冲信号产生电路的基本原理脉冲信号产生电路的基本原理是利用RC电路的充放电过程来产生脉冲信号。
当电容器充电到一定电压时，电容器会自动放电，这种过程可以产生一个脉冲信号。
通过调整电容器的电容值和电阻的阻值，可以控制脉冲信号的频率和周期。
二、脉冲信号产生电路的设计流程1. 确定脉冲信号的频率和周期：根据实际需求，确定脉冲信号的频率和周期。
2. 选择电容器和电阻：根据脉冲信号的频率和周期，选择合适的电容器和电阻。
3. 计算电容器和电阻的阻值：根据电容器和电阻的选择，计算出它们的阻值。
4. 组装电路：根据计算结果，组装电路。
5. 测试电路：连接电路后，进行测试，检查脉冲信号的频率和周期是否符合要求。
6. 调整电容器或电阻的阻值：如果脉冲信号的频率和周期不符合要求，可以通过调整电容器或电阻的阻值来实现。
三、脉冲信号产生电路的实现方法1. 555定时器电路：555定时器电路是一种常见的脉冲信号产生电路，可以产生稳定的脉冲信号。
它的优点是稳定可靠，适用于大部分应用场合。
2. 门电路：门电路也可以用于产生脉冲信号。
通过组合不同的门电路，可以实现不同的脉冲信号。
3. 基于微控制器的脉冲信号产生电路：基于微控制器的脉冲信号产生电路可以实现更加复杂的脉冲信号，适用于需要实现多种信号的应用场合。
四、总结脉冲信号产生电路是一种常见的电路设计，可以用于产生特定频率和周期的脉冲信号。
通过选择合适的电容器和电阻，以及调整电容器或电阻的阻值，可以实现不同频率和周期的脉冲信号。
在实现脉冲信号产生电路时，可以选择不同的实现方法，根据实际需求选择最适合的方法。
常用的脉冲整形电路
常用的脉冲整形电路1. 引言脉冲整形电路是一种用于改变信号波形的电路，可以将输入的信号进行整形，使其满足特定的要求。
常用的脉冲整形电路有多种类型，包括单稳态多谐振荡器、Schmitt触发器和非线性元件等。
本文将介绍常见的脉冲整形电路及其工作原理、应用场景和设计要点。
2. 单稳态多谐振荡器单稳态多谐振荡器是一种产生指定时间宽度的脉冲信号的电路。
它由一个RC网络和一个比较器组成。
2.1 工作原理当输入信号上升沿到达比较器阈值时，比较器输出高电平，导致RC网络充电。
当RC网络充电至某个阈值时，比较器输出低电平，导致RC网络开始放电。
放电过程中，输出保持低电平直到RC网络完全放电为止。
这样就产生了一个时间宽度固定的脉冲信号。
2.2 应用场景单稳态多谐振荡器常用于数字系统中的时序控制电路，例如产生延时信号、触发信号等。
2.3 设计要点设计单稳态多谐振荡器时，需要确定以下参数：•RC网络的时间常数：决定了脉冲宽度的持续时间。
•比较器阈值：决定了输入信号上升沿触发的时刻。
3. Schmitt触发器Schmitt触发器是一种通过正反馈实现的双稳态非线性元件。
它可以将输入信号的波形进行整形，并产生一个幅值固定的方波输出。
3.1 工作原理Schmitt触发器包含一个比较器和一个正反馈网络。
当输入信号超过比较器阈值上限时，输出被拉高；当输入信号低于比较器阈值下限时，输出被拉低。
在两个阈值之间，输出保持不变。
这样就实现了对输入信号进行整形的功能。
3.2 应用场景Schmitt触发器常用于噪声滤波和数字电路中的数字信号整形。
3.3 设计要点设计Schmitt触发器时，需要确定以下参数：•比较器阈值上限和下限：决定了输入信号被整形为高电平或低电平的阈值。
•正反馈网络的增益：决定了整形后的方波输出的幅值。
4. 非线性元件非线性元件是一种通过非线性特性实现信号整形的电路。
常见的非线性元件有二极管、晶体管和运算放大器等。
4.1 工作原理非线性元件通过其非线性特性对输入信号进行处理。
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损小 。所以， Ｊ 核脉 冲的成形 一般成形为高斯 型（ 高斯 型 ） 形。该 部 分 电路 采 用二 级 准 波 Ｓｌ ｎ Ｋ ｙ ａ ｅ — ｅ 级联组成 的四阶 Ｒ ｌ ｃ积分 电路 ， 电 路 的频率特性完全 由 Ｒ Ｃ参数决定。 于单级 对 ＳＨｎ— ｅ 滤波器， ａｅ Ｋｙ 其传递 函数为 ：
统测量分析方法的缺陷， 中最具代表性 的为 其
ｘ荧 光光 谱仪 ， 该仪 器 目前 已广 泛应 用 于 冶金 、 地质 、 有色 、 建材 、 商检 、 环保 、 生等 各个 领域 ， 卫
而 其 在 Ｒ ｌ Ｒ ｓｉｔ ｎ ｏ ａａｄ Ｕ Ｓ ｂ ｏ Ｓ（ ｅｔｃｉ ｆ Ｈ ｚｒＯ Ｓ ｕ － ｒ ｏ
电路 ， ５ １ ５年 由麻 省理 工学 院林 肯实验 室 的 ９
Ｒ． ．Ｓ Ｈ ｎ和 Ｅ Ｌ Ｋ ｙ提 出。该 电路 采 用部 Ｐ ａｅ ．． ｅ
分 正 反馈 ， 有 较 大 的品 质 因数 。通 常 应 用 于 具 核 脉 冲 的滤 波 成形 电路 ， 以在较 少 的级数 下 可 得 到 质量较 好 的准高斯 波 形 。本 文通 过分 析 核
表示 为 ：
＝ ＝
其 中 ７ ＝ １１ － Ｒ Ｃ。 １
厂— —＿ ｆ 一 ］ ］ ～
一
濑瓣
Ｒ ２
（｝ ２、 蛰
｝ ｌ
｛
！等 Ｉ ≥
—
躲ｊ
ｌ４ ５ Ｒ Ｒ
Ａ ＮＤ Ｇ
一
ｊ 一
两缓ｓｌ ａ ｈ
滤波
图 １ 电路原理 图
１ ２ 极零 相 消 ．
一
单 的微分电路 ， 通过调节 、 为适 当值可消 除下 冲或 上 冲现 象 。 极 零 相消 电路 的传递 函数为 ：
， 、
为 电压 增益 ：
ｒ 为滤波器的截止频率 ：
： — — — ＝ 一
：
其 中 丁 ＝ ２ ２ｒ ＝ Ｒ／ Ｒ ） ２ ２ Ｒ Ｃ ；３ （ ２／ ３ ｃ 。 当恰好可消除下冲现象时， 丁 ＝ 故经 有 ： ｒ， 极零相消后 的信号 ：
其 中 Ｑ为电流脉 冲的电荷量 ， 在频域可以
表示为 ：
， ｓ ＝Ｑ （）
作者简介 ： 张志 勇（９ ０一） 男 ， １９ ， 吉林省 松原 市人 ， 中
国地质大学 （ 京） 球 物理与 信息 技术 学 院本科 北 地
在 读
ｌｏ ３０
由 图 ｌ可得 出前置 放大 器 的传递 函数 频域
第３卷 １
２１ 年 ０１
第 １ 期 １
１ 月 １
核 电子 学 与探 测技 术
Ｎｕ ｌａ ｅ ｔｏ ｉ ｓ＆ Ｄｅ ｅ ｔ ｎ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ｃｅ ｒＥｌ ｃｒ ｎ ｃ ｔｃ ｉ ｃ ｎ ｌ ｇ＂ ｏ
Ｖ０ ． Ｎｏ ｌ １ ３１ ．１
ＮＯ Ｖ
２Ｏ１ １
核 能谱 信 号 放 大 器 脉 冲成 形 电路 的设 计
核脉冲信号的幅度还是信噪 比都不能满足后级
多道 分 析器 的要求 ， 以为 了将 核 探 测 器输 出 所
１ 滤 波成形 电路设计
本 电路 主要包 括前 置 放大 、 极零 相消 、 初级 放 大 以及 ＳＵｎ ｅ 源 积 分 电路 。基 本 原 理 ａｅＫ ｙ有
图如 图 １ 。 １ １ 探 测器 及前 置放 大器 ．
的脉冲幅度信息无失真地传递给后级多道分析 器， 通常在二者之间连接能谱放大器 ， 通过相应
的技术 对信 号处理 并 提高信 噪 比 ， 以满足后
由探测 器 输 出 的 电流 脉 冲 Ｊ ｓ 经 电荷 灵 ｒ ） （
敏前置放大器输出的核信号 （） ｔ是上升沿 时
收稿 日期 ：０ １— ７— ２ ２ １ ０ ０
中 ， 明了该 电路 的可行性和通用性 。 证
关键词 ： 核能谱 ；ａｅ Ｓｌ ｎ—Ｋ ｙ ｌ ｅ 滤波器 ； 高斯成形
中图分类号 ： Ｔ ８ Ｎ７ ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编 号 ： ０ ５ －９４ ２ １ ） １１０ －３ ２ ８ ３ （ ０ １ １－３ ００ ０
随着我国现代化程度的不断提高 ， 对能源 、
＋ ｓ Ｆ
由于前置放大器 的输 出信号有拖尾现象 ， 为 了消除信号脉冲叠加 ， 并使信号宽度变窄 ， 可 采用一级 Ｃ Ｒ微分电路 。而 由于其前沿上升快 后沿下 降非 常慢 ， 在通过微分 电路时可能产生 下冲现象。所 以可 以利用极零相消技术使其中 个零点或极点和另一个极点或零点相抵消 ， 就可以消除下 冲现象 Ｉ 。图 ｌ中的 Ｃ ４ ］ Ｒ为简
张志勇 ， 曾卫华 ， 周舜 铭 ， 贺雅 慧， 李阳子
（ 中国地 质大学 （ 北京 ） 北京 １０ ８ ） ， ００ ３
摘要 ： 通过对核脉冲信号特性 的分析 ， 设计 出一种 基 于 Ｓｌ ｎ—Ｋ ｙ型滤 波器 的核脉 冲成形 电路 ， ａｅ ｌ ｅ 给出了成形电路的原理图 ， 通过软件 仿真 确定最佳 滤波参 数 ， 电路 成功应 用于 ｘ荧 光谱仪 和能谱 仪 该
矿产、 化工 、 环境监测等提出了更 高的要求 ， 而 传统的取样后送往实验室进行一系列分析的方 法， 因需要时间长而不能满足现代 化的分析测 试要求 。能谱分析仪和光谱仪很好地解决 了传
续 电路对信 号 的需求 。
Ｓｌ ｎ—Ｋ ｙ滤 波 器 是 一 种 二 阶 有 源 滤 波 ａｅ ｌ ｅ
间极短 ， 衰落时 间较长的指 数信号。在 电路分 析中可以将核探测器等效为一脉 冲电流源 ¨ ：
￡ｔ （ ）＝Ｑ （） ￡
基 金项 目： 中国地质大学 （ 北京 ） 大学 生创新 性实验
计 划项 目和中央高校基本科研业务 费专项资金 资助
（０１ Ｙ ０４ 。 ２ １Ｙ Ｌ ２ ）
信号的特点 ， 结合最佳滤波器设计的基本原理 ，
设 计 了一种 基 于 Ｓ Ｕ ｎ—Ｋ ｙ滤 波器 的准 高斯 ａｅ ｅ
ｓ ｎｅ）检测 领域应 用 得最 多也最 广 泛 。 ｔ ｃｓ ａ 在 能谱 测量 分 析 中 ， 论 是 探 测 器 输 出 的 无
滤波成形电路 ， 通过电路仿真给出最佳参数。