多道脉冲幅度分析仪

数字核谱仪的优点
• 理想性。不同信号的探测器输出核信息是 不同的，但是同一种型号的核探测器输出 的核信息特征是已知的，通过适当的数字 信号处理后，可以从采集到的数字核信号 滤除带有的噪声提取出较理想的核信息。
数字核谱仪的优点
• 灵活性。在模拟核谱仪电子系统中，信号 处理是由不同的硬件来完成，而在数字核 谱仪系统中，可以通过较少的必要硬件配 合信号处理软件，实现各种功能和任务。 同时在测量过程中可根据被测对象、测量 目的、探测器的不同，方便快速地改变数 字处理算法，满足新的测量要求。使得系 统的适应性显著提高。
研究内容
• 1、探测器信号的模拟处理。包括信号滤波，极—零相消， 积分成形，剔除干扰，抑制噪声，程控放大等。
• 2、高速、高分辨率的A/D数据采集。对成形放大后的模拟 信号量化成数字信号，在高采样率，高分辨率采集系统中 确保数据的正确性。
• 3、FPGA数字信号处理。运用FPGA平台设计硬件寻峰处 理算法，稳定可靠。主要包括数据寻峰、多道计数、多道 存储、数据通信。
FPGA的基本特点
• 采用FPGA设计特定功能的ASIC电路，而且用户 不需要投片生产，就能得到合用的芯片。
• FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试 样片。
• FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚，满足系统 门需求。
• FPGA是ASIC电路中开发费用最低、设计周期最 短、风险最小的器件之一。
国内外发展现状
• 国内目前还没有成形的，面向商业的数字式核能 谱测量产品，但是一些大学和科研机构对数字式 能谱测量仪的研制也进行深入研究。四川大学物 理科学与技术学院在 ADC 前端的滤波成形、脉冲 成形、数字核能谱获取等方面有相关文献报告； 清华大学工程物理系也在这些技术上进行了深入 研究；第二炮兵工程学院对辐射信号的数字分析、 脉冲堆积判别、基线估计等方面做了相关的研究。 成都理工大学核技术与自动化工程学院采用曲线 拟合等方法对数字核信号进行处理，并研制了基 于 FPGA 的数字核谱仪。
总体设计分析
• 多道脉冲幅度分析仪系统分为硬件部分和软件部分。系统硬件部分主 要包括：电源模块、FPGA数据处理模块、MCU控制模块、液晶屏显 示模块、放大成形模块、程控增益模块、A/D采集模块和UART协议 通信模块。系统软件部分主要包括：Atmega128单片机软件设计、 FPGA硬件电路设计以及基于VC的上位机程序设计，
核能谱测量系统
• 图中模拟信号的获取与处理部分，就是将核辐射探 测器输出的各种电信号，经过滤波，成形，放大等 处理，尽可能不失真地保持探测器输出信号所携带 的核信息。为了提高测量精度，需要将信号数字化， 把有用的模拟信号变成数字系统能够接收的二进制 数据，然后由数据获取和处理部分进行数据分析处 理，最后将分析处理的结果结合计算机软件分析得 到能谱信息。
设计报告要求
• “多道脉冲幅度分析仪的设计与实现”研 究内容
研究内容
• 本课题的研究任务是设计一套多道脉冲幅度分析 仪，根据核辐射能量的强弱与转换的电压脉冲信 号的最大幅度成正比的原理，通过对电压脉冲信 号的获取与处理实现核辐射能谱测量。对核探测 器输出信号先进行模拟处理，成形为满足高计数 采样的高斯型波形。然后数字化并进行寻峰处理、 峰值计数、多道存储，最终得到其能量谱，将能 量谱数据传输到PC上位机实现能谱分析，能谱分 析主要针对能量谱的最高峰，重点区总和，重点 区净面积，各通道能量大小，能量分布情况等。
• FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，满足低功 耗市场需求，可以与CMOS、TTL电平兼容。目 前FPGA的制造工艺能够达到26nm。
HDL硬件描述语言
• HDL是一种国际通用的描述数字电路和系 统的硬件描述语言，用它不仅可以表示逻 辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字 逻辑系统所完成的逻辑功能。在EDA工具 的支持下，可以快速的实现设计者的设计 思想， Verilog HDL和VHDL是世界上最为 流行的两种硬件描述语言
• 3.3V电源以及1.5V电源模块，我们选择了低压差 线性稳压器TPS73633、TPS73615，该芯片由TI 公司推出，其压差典型值仅为75mV，电路简单， 性能特别优秀。其输入电压范围为1.7V—5.5V， 具体电路如图所示。
电源模块
电源模块
设计报告要求
• “多道脉冲幅度分析仪的设计与实 现”FPGA数据处理模块
硬件描述语言有不同于其他软件语言的特点
• 功能的灵活性，HDL支持从门级、开关级、RTL、行为级 等不同抽象层次的电路进行描述，并支持不同抽象层次描 述的电路组合为一个电路模型，用硬件描述语言设计数字 电路系统是一种贯穿于设计、综合和仿真的方法
• HDL支持高层次的设计抽象，可应用于设计复杂的数字电 路系统，使用硬件描述语言可以在非常抽象的层次上对电 路进行描述，将繁琐的实现细节交由EDA工具辅助完成， 实现自顶向下的层次化设计。
• 4、VC上位机设计。运用VC++ 6.0集成开发环境，设计基 于MSComm控件的串口通信上位机，并设计算法实现能 谱的分析和变换。
设计报告要求
• “多道脉冲幅度分析仪的设计与实现”总 体设计与分析
总体设计分析
• 核能谱测量系统 • 核能谱测量系统通常由核辐射探测器和核
电子测量系统两部分组成，而核电子测量 系统包括模拟信号的获取与处理，模数变 换，数据量的获取和处理以及PC机软件分 析四个部分组成如图所示。
国内外发展现状
• 到 20 世纪 90 年代早期， ADC器件、可编 程逻辑器件、DSP 技术迅猛发展，核信号 数字处理技术的研究再次活跃起来， XIA、 ORTEC、CANBERRA 和 Amptek 等公司 都对数字多道分析仪的实际应用做了大量 研究。从 1997 年的第一批数字式多道分析 仪产品面向商业化，到目前己经推出了多 套同功能产品，而且其指标逐步提高
国内外发展现状
• 早在 1973 年，荷兰 Philip 实验室的 H.KOENAN 等人采用数字滤波器对核信号进行处理。设计了 横向数字滤波器，将核信号成形为梯形脉冲，并 且设计了一套基于数字滤波器的 X 射线能谱测量 系统。但是鉴于当时硬件水平的限制，系统结构 复杂、功耗大、成本高。同时由于当时的 ADC 器 件的局限，系统的死时间相当大。所以，该数字 式核能谱测量系统不论在性能、结构方面都没能 超越当时的模拟式系统。但是，具有重大意义的 是，它证明了数字化核测量系统的可行性，为后 来的数字化核仪器的发展提供了有利的依据。
Southwest university of science and technology
多道脉冲幅度分析仪的设计与实现
The Design and implementation of the multichannel pulse height analyzer
题目研究背景及意义
• 核能谱测量技术是一门综合性很强新兴技 术，综合了电子技术、核探测技术、计算 机技术等多个学科。目前，它已经成为物 质成分分析的重要手段之一，在医学、地 质学、生物学、环境学、化学、考古学等 学科扮演愈来愈重要的角色。
设计报告要求
• “多道脉冲幅度分析仪的设计与实现”研 究背景与意义
题目研究背景及意义
• 在核辐射测量中，入射粒子的能量和核探 测器输出的脉冲信号幅度成正比，通过测 量脉冲信号的幅度就能够分析出辐射能量。 因此，在核能量测量中脉冲幅度测量技术 非常重要的课题。
题目研究背景及意义
• 能谱的获取、分析也是核分析方法中最重 要的手段之一，通过对辐射源能谱的获取 和分析可以直接或间接地得到辐射物质的 结构、组成元素的种类以及含量等重要信 息。
题目研究背景及意义
• 然而，传统的获取能谱的核谱仪，主要是 以电子学器件对核信号进行放大成形、基 线恢复、堆积判弃和脉冲信号峰值保持为 特点的模拟核谱仪。近年来，高速、高分 辨率的模数转换器件、各种数字化器件迅 猛发展。为新一代数字化系统的诞生奠定 了坚实的基础，以数字信号处理器对多道 脉冲幅度进行提取和分析为特点的数字化 核谱仪成为了可能.
数字核谱仪的优点
• 抗干扰性。数字化的核信息在传输、处理 过程中不会因为外界环境影响而引入额外 的噪声与干扰。
• 更多功能的实现。由于数字信号处理器不 断的发展，其计算、处理、存储能力会更 加强大，那么就可以对核信息进行多参数 提取。
国内外发展现状
• 国外的数字核谱仪早在 20 世纪 90 年代末 已经商业化了，然而我国的数字核谱仪的 研制和应用仍处于初级阶段。
的处理。
设计报告要求
• “多道脉冲幅度分析仪的设计与实现”总 体结构
系统硬件的总体结构
• 根据系统总体设计得到的结论，系统在硬 件结构上分为以下八大模块：电源模块、 FPGA数据处理模块、MCU控制模块、液 晶屏显示模块、成形滤波模块、程控增益 模块、高速A/D采集模块，UART协议通信 模块
多道脉冲幅度分析仪硬件系统框图
辐射源
滤波成形
核辐射 探测检出：
能量信息 强度信息
前
置
放
线性放大
大
ATmega128 程控放大
数据获取
AD9226 数据采集
信号差分 驱动
FPGA 数据处理 数字寻峰 多道计数 数据传输
上位机 实时监测
系统关键技术
• 1、RC微分滤波成形与RC积分滤波成形的电路设 计；
• 2、信号放大器如何实现增益线性可调； • 3、信号差分驱动及其A/D采集电路的设计； • 4、FPGA的硬件寻峰算法设计； • 5、FPGA与PC机的数据通信，数据包收发； • 6、MSComm控件的使用以及OnComm事件消息
数字核谱仪的优点
• 优越性。为了实现核信号的最优化处理， 数字式多道脉冲幅度分析仪器可以根据探 测信号的不一样而选择不一样的处理算法。 从而能准确地提取核信息。
数字核谱仪的优点