第5章多道脉冲幅度分析系统
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基于ARM处理器的多通道脉冲幅度分析系统设计
度 分 析 器 的 控 制 核 心 ，其 主 要 任 务 要 完 成 ：启 动 Ａ Ｄ转 换 ；处 理 Ａ Ｄ 换 的 ／ ／转
ｌ 断【 入ｊ 中＂ ｛ 务 Ｉｆ
Ｉ
态 ，从 而使得 峰值 得 以保持 。
＋ｌ Ｖ ２
ｌ女 Ａ 转 ｆ 取 ／ 搬， ｉ Ｄ 【 ＿
Ｉ
以Ａ Ｄ￣ 换 ／ ＃ 为 地』： 《 ｒ １， Ｉ １ ｊ 该 地 址 的 数村 仃 ｆ 儿 数 她 ｌ ｔ ｝
结 果 。在整 个 软件 的 设计 中 ，采 用嵌
入 式 操 作 系 统 ￣ ／ Ｓ Ｉ和 Ｌ Ｃ ２ ０ Ｃ Ｏ —Ｉ Ｐ ２ １ 结
合 进 行软 件 设计 。应 用 ￣ ／ Ｓ Ｉ进 行 ＣＯ —Ｉ 开 发 ，具 有 提 高 系 统 的 实 时 响 应 速
Ｕ
－ － ，－
泛使 用 ，给 用 户现 场测 试 带来 了很 大
的方 便 。而 多 道脉 冲 幅度 分 析 器 是 Ｘ 荧光 仪最 关 键 的组 成 部分 ，它可 以根 据Ａ Ｄ转 换 的原 理 ，把 探测 到 的 脉 冲 ／ 信号 转换 成 对 应其 峰 值 幅度 的 数字 信 息 ，然后 由后 续 电路 完 成 分 类 工 作 。 它 的准 确性 和 灵敏 度 直接 影 响 到仪 器 的测 量精 度 。本 文介 绍 以Ａ ＲＭ７ Ｄ Ｔ ＭＩ 处理 器 为核 心 的 多道 脉 冲幅 度分 析 器 的设 计方 法 。
１
图１ 多通 道 脉 冲 幅 度 分 析 器 的基 本 构 成 图
峰值 宽度 ，如 图２ 所示 。 中Ｂ
峰 值 幅
度 ，最 后 通 过 ＡＤ转 换 和３ 位 微 处 理 ／ ２ 器Ｌ Ｃ ２ ０ 其模 拟量 转换 成数字 量 。 Ｐ ２ １将
ｌ 断【 入ｊ 中＂ ｛ 务 Ｉｆ
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态 ，从 而使得 峰值 得 以保持 。
＋ｌ Ｖ ２
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Ｉ
以Ａ Ｄ￣ 换 ／ ＃ 为 地』： 《 ｒ １， Ｉ １ ｊ 该 地 址 的 数村 仃 ｆ 儿 数 她 ｌ ｔ ｝
结 果 。在整 个 软件 的 设计 中 ，采 用嵌
入 式 操 作 系 统 ￣ ／ Ｓ Ｉ和 Ｌ Ｃ ２ ０ Ｃ Ｏ —Ｉ Ｐ ２ １ 结
合 进 行软 件 设计 。应 用 ￣ ／ Ｓ Ｉ进 行 ＣＯ —Ｉ 开 发 ，具 有 提 高 系 统 的 实 时 响 应 速
Ｕ
－ － ，－
泛使 用 ，给 用 户现 场测 试 带来 了很 大
的方 便 。而 多 道脉 冲 幅度 分 析 器 是 Ｘ 荧光 仪最 关 键 的组 成 部分 ，它可 以根 据Ａ Ｄ转 换 的原 理 ，把 探测 到 的 脉 冲 ／ 信号 转换 成 对 应其 峰 值 幅度 的 数字 信 息 ，然后 由后 续 电路 完 成 分 类 工 作 。 它 的准 确性 和 灵敏 度 直接 影 响 到仪 器 的测 量精 度 。本 文介 绍 以Ａ ＲＭ７ Ｄ Ｔ ＭＩ 处理 器 为核 心 的 多道 脉 冲幅 度分 析 器 的设 计方 法 。
１
图１ 多通 道 脉 冲 幅 度 分 析 器 的基 本 构 成 图
峰值 宽度 ，如 图２ 所示 。 中Ｂ
峰 值 幅
度 ，最 后 通 过 ＡＤ转 换 和３ 位 微 处 理 ／ ２ 器Ｌ Ｃ ２ ０ 其模 拟量 转换 成数字 量 。 Ｐ ２ １将
基本测量电路第八节多道脉冲幅度分析器
多阈式多道：采用多个单道并列；极大的浪费器件，并且随着道的增加更加浪费；
多道脉冲幅度分析器，采用了ADC（模拟数字转换器），将输入的每一个脉冲的幅值进行ADC转换，得到的数字量（叫道址，它也就反映了脉冲的幅值大小） ，然后将相同道址（脉冲幅值）的脉冲进行分类，可得到道址-计数率分布曲线，即多道能谱。
……
……
（道址）
道址
5s脉冲个数
八、Cs-137的能谱—0.662MeV
（计数率）
5s钟计数
道址m 幅度V 能量E
Ba-137 X射线峰
Cs-137 γ射线康普顿坪
Cs-137 γ射线反散射峰
Cs-137 γ射线 全能峰（光电峰）
FWHM
m0 V0 E0
三、解决的办法使用多道
四、多道的体实现方法
输入脉冲
ADC
4位的存储器
地址
数据
0000
0000
0010
0000
0001
0000
1101
1111
1110
0000
0000
0000
1101
相应的地址内容加1， 表示有一个脉冲的幅值是1101
……
……
（道址）
道址
5s脉冲个数
若最大转换的数字量为1024（210），则称为1024道分析器
六、ADC的结构——比较器来自通过过零比较器判断线性放电是否将电容CH上的电压放到了0，如果放到了0，则表示放电结束。控制线性门打开。
六、ADC的结构——数字量m的产生
线形放电开始，把与门打开，基准频率 f0 通过与门输出脉冲，等到过零比较器产生输出信号，则关闭与门。则与门打来的时间 T 即为放电的时间，与输出脉冲的个数 m 成正比。
核物理基础与核医学仪器课件：04-核医学射线测量仪器
条件：
输入的脉冲幅度大于预定的电压（阈值）
作用：
鉴别粒子能量是否大于阈值
5、 脉冲幅度分析器 构成：
两个电压幅度比较器
输入：
各种幅度的脉冲信号
输出：
恒定幅度的脉冲信号
条件：
输入脉冲幅度在下阈值和上阈值之间
作用：
分析粒子能量是否在能量窗内
上阈
电压
下阈
A
B
C
输入信号
输出信号 下阈 计 数 率
上阈
电压或能量
探测器
铅
铅
活度相对比较
准直器+固体闪烁探测 半影区 器+脉冲幅度分析器...衰减的影响
射线散射的影响
计数率特性
• 体内测量例1：甲状腺摄131I功能试验
• 患者空腹口服131I溶液2~10μCi，服后继续禁食1小时；于口服131I溶 液后4、6、24小时用γ射线探测仪测定甲状腺部位放射性计数。同 时需取与病人等量的131I配制标准源，并测定室内放射性本底计数。 按以下公式计算摄131I率，描绘吸碘功能曲线
液体闪烁计数器 医用核素活度计 比较
样品
晶体 光电倍增管 井型闪烁探测器
• 体外样品测量（2）
• 活度相对比较，如RIA • 井型闪烁探测器+脉冲幅
度分析器+...（ +自动换 样机构）
• 探测效率高
• 晶体、核素
• 注意事项
• 样品体积和位置 • 样品活度（？）
3、体内测量（in vivo）
• 基本要求 – 探测效率高 – 稳定性好 – 易于操作
• 可变因素 – 光电倍增管的供电高压 – 放大器的放大倍数 – 脉冲幅度鉴别器的阈值 – 脉冲幅度分析器的阈值和道宽
输入的脉冲幅度大于预定的电压（阈值）
作用：
鉴别粒子能量是否大于阈值
5、 脉冲幅度分析器 构成：
两个电压幅度比较器
输入：
各种幅度的脉冲信号
输出：
恒定幅度的脉冲信号
条件：
输入脉冲幅度在下阈值和上阈值之间
作用：
分析粒子能量是否在能量窗内
上阈
电压
下阈
A
B
C
输入信号
输出信号 下阈 计 数 率
上阈
电压或能量
探测器
铅
铅
活度相对比较
准直器+固体闪烁探测 半影区 器+脉冲幅度分析器...衰减的影响
射线散射的影响
计数率特性
• 体内测量例1：甲状腺摄131I功能试验
• 患者空腹口服131I溶液2~10μCi，服后继续禁食1小时；于口服131I溶 液后4、6、24小时用γ射线探测仪测定甲状腺部位放射性计数。同 时需取与病人等量的131I配制标准源，并测定室内放射性本底计数。 按以下公式计算摄131I率，描绘吸碘功能曲线
液体闪烁计数器 医用核素活度计 比较
样品
晶体 光电倍增管 井型闪烁探测器
• 体外样品测量（2）
• 活度相对比较，如RIA • 井型闪烁探测器+脉冲幅
度分析器+...（ +自动换 样机构）
• 探测效率高
• 晶体、核素
• 注意事项
• 样品体积和位置 • 样品活度（？）
3、体内测量（in vivo）
• 基本要求 – 探测效率高 – 稳定性好 – 易于操作
• 可变因素 – 光电倍增管的供电高压 – 放大器的放大倍数 – 脉冲幅度鉴别器的阈值 – 脉冲幅度分析器的阈值和道宽
基于USB2.0新型分时多道脉冲幅度分析系统研制
的能 谱 变化 进 行 实 时测 量 ， 得 一 系列 短 时间 获 段 内 的分 时能 谱 ， 而 了解 和 掌握 核 反应 过 程 从
在时间轴上的变化关系。 与传统多道相 比， 分时多道在设计上有了 巨大的改进 ， 集成度更高， 速度更快 ， 体积更小 ， 其 结构 为一个 单宽 ＮＩ 插件 ， 用 ＮＩ 电源 ， Ｍ 使 Ｍ
究工 作 的认 识 。
’
１ 系统设计
１ １ 工作原 理 ．
分 时多道 原理 框 图如 图 １所 示 ， 时 多道 分
使 用分 时 多道 系 统 ， 对 聚 变 反应 过 程 中 可
需要硬件 和软件协 同工作 ， 硬件部分主要完成 数据 的实时采集 、 处理和传输 。软件主要完成 多道 参 数 设 置 、 采集 定 时 以及 数 据 的实 时显 示 和后续处理。图中主要是硬件部分原理框图。
并 且把 加一后 的数据存 储 在 双 口 Ｍ 中 。当
首次实现分时谱测量、 传输和多窗 口显示
同时进 行 ， 测谱 时 间不丢失 ； 首 次采 用 双 口 Ｒ ＡＭ 构 造 乒 乓 结 构 ， 现 实
上位机发出的“ 分时时间到” 信号， 分时多道通
过 ＵＳ ２０ 口把双 口Ｒ Ｍ 中存储的数据传 Ｂ． 接 Ａ 给 上位 机 ， 由上 位 机完 成 数 据 的显 示 和后续 处
第３ Ｏ卷
２１ ００年
第６ 期
６ 月
核 电子 学与探 测 技术
Ｎｕ ｌ ｒＥ ｅｔｏ ｉ ｃｅ ｌｃｒｎｃ ａ ｓ＆ Ｄｅｅｔ ｎＴｅｈ ｏｏ ｙ ｔｃｉ ｃ ｎ ｌｇ ｏ
Ｖ０． Ｏ Ｎ０ ６ １３ ．
Ｊｎ ２ ０ ｕ已 ０１
基 于 ＵＳ ２ ０新 型 分 时 多道 脉 冲 Ｂ． 幅 度 分 析 系统 研 制
多道脉冲幅度分析仪
数据存储
软件支持将采集到的数据存储为 多种格式，如文本文件、Excel文 件等，方便用户随时调用和备份 数据。
数据处理与分析
01
02
03
数据预处理
对采集到的数据进行滤波、 去噪等预处理操作，以提 高数据质量。
特征提取
从处理后的数据中提取出 各种特征参数，如峰值、 峰-峰值、平均值等。
统计分析
对提取出的特征参数进行 统计分析，如计算均值、 标准差等，以评估信号的 特性。
宇宙射线研究
多道脉冲幅度分析仪还可用于测量宇宙射线中的粒子能量，研究宇宙射线的起源 和传播机制。
医学影像技术
医学成像
多道脉冲幅度分析仪在医学影像技术中用于测量放射性同位素 发出的能量分布，从而生成医学图像，如PET（正电子发射断层 扫描）图像。
放射性药物研发
通过多道脉冲幅度分析仪的测量结果，可以评估放射性药物 的活性和效果，为放射性药物的研发提供支持。
06 优缺点分析
优点
高效性
精确性
多道脉冲幅度分析仪能够同时记录多个通 道的信号，提高了信号采集的效率。
多道脉冲幅度分析仪具有高精度的模数转 换器，能够将模拟信号转换为数字信号， 提高了信号分析的精确度。
可扩展性
灵活性
多道脉冲幅度分析仪具有多个通道，可以 根据需要增加或减少通道数量，具有很好 的可扩展性。
信号
01
信号输出是将处理后的数字信号以适当的方式呈现给用户的过 程。
02
输出方式可以是图形、表格、数据等多种形式，用户可以根据
需要选择合适的输出方式。
输出结果应准确、清晰、易于理解，方便用户进行后续的分析
03
和处理。
03 硬件结构
输入模块
软件支持将采集到的数据存储为 多种格式，如文本文件、Excel文 件等，方便用户随时调用和备份 数据。
数据处理与分析
01
02
03
数据预处理
对采集到的数据进行滤波、 去噪等预处理操作，以提 高数据质量。
特征提取
从处理后的数据中提取出 各种特征参数，如峰值、 峰-峰值、平均值等。
统计分析
对提取出的特征参数进行 统计分析，如计算均值、 标准差等，以评估信号的 特性。
宇宙射线研究
多道脉冲幅度分析仪还可用于测量宇宙射线中的粒子能量，研究宇宙射线的起源 和传播机制。
医学影像技术
医学成像
多道脉冲幅度分析仪在医学影像技术中用于测量放射性同位素 发出的能量分布，从而生成医学图像，如PET（正电子发射断层 扫描）图像。
放射性药物研发
通过多道脉冲幅度分析仪的测量结果，可以评估放射性药物 的活性和效果，为放射性药物的研发提供支持。
06 优缺点分析
优点
高效性
精确性
多道脉冲幅度分析仪能够同时记录多个通 道的信号，提高了信号采集的效率。
多道脉冲幅度分析仪具有高精度的模数转 换器，能够将模拟信号转换为数字信号， 提高了信号分析的精确度。
可扩展性
灵活性
多道脉冲幅度分析仪具有多个通道，可以 根据需要增加或减少通道数量，具有很好 的可扩展性。
信号
01
信号输出是将处理后的数字信号以适当的方式呈现给用户的过 程。
02
输出方式可以是图形、表格、数据等多种形式，用户可以根据
需要选择合适的输出方式。
输出结果应准确、清晰、易于理解，方便用户进行后续的分析
03
和处理。
03 硬件结构
输入模块
多道脉冲幅度分析器改进研究
ａｐｏｅｔｏｒｄ ｃ ｕｙｔ ｆ ｈ ｙｔｍ， ｈ ｓ ｕ ｓ ｎｉ ｌ ｒｄ ｃ ａａｅｏ ｅｃｕ ｔ ｆｈ ｕｓ ｃｕｅ ｙｔｅｂ ｓ ｒｊｃ ｔ ｅｕ ｅｂ ｓ ｍｅ ｅｓｓ ｉ ｏｔ ｅ ｔｕ ｂｔ ｔｌ ｕｅｌ ｋ ｇ ｆｈ ｏ ｎ ｏ ｔｅｐ ｌ ａ ｓｄｂ ｕｙ ｓ ａ ａｙ ｅ ｅ ｔ ｅ ｈ ｔ ｅ Ｓｍｕｔ ｅｕ ｎ ｙｉ ｍａ ｒ ａｔ ｆ ｒ ｒ ｅ ｅｎｔｅｉｐｏｅ ｙｔ ｎ ｅａｔａ ｓｓ ｍ ｗ ｉ ｅｓｒ ｇ ｔｅ ｉ ． ｉ ｌ ｎ ｏｓａａ ｓ ｊ ｃ ｒｏ ｅｒ ｔ ｅ ｒｖｄｓｓ ｍ ａ ｄｔ ｃｕｌ ｙｔ ｈｌ ｍ ａｕｉ ； ｈ ｍ ａ ｌ ｓ ｏｆ ｏ ｏｂ ｗ ｈ ｍ ｅ ｈ ｅ ｅ ｎ ｐｏｅｔｏａｈｅｅｃｓｗｔ ａ ｍ ｌ ｃｎ ｅｉｎ ａｄｆ ｘ ｌ ａ ｄ Ｏ ｎ ｒｊｃ ｔ ｃ ｉ ｏｔ ｉ ａ ， ｏ ｖｎｅｔ ｎ ｅｉ ｅ ｎ ． ｖ ｈ ｓ ｌ ｌ ｂ Ｓｏ
摘 要 ：分 析 了 多道 脉 冲 幅度 分析 器 忙 时 间 的 形 成 特 点 ， 计 出 来一 套 能 减 小 系统 忙 时 间 的 方 案 ， 而 大 大 地 减 少 由 设 从
于 忙 时 间造 成 的 脉 冲 漏 计 数 。 时 分析 了 改进 后 系统 和 实 际测 量 时 存在 误 差 的 主要 因 素 ； 方 案 具 有 实现 有 成 本 小 ， 同 该
（． １ 四川 大 学 电子 信 息 学 院 ，四 川 成 都 ６ ０ ６ ； ． 阳师 范 学 院 数 学 与 计 算 机科 学 学 院 ，四 川 绵 阳 ６ １０ ） １０ ５ ２ 绵 ２ ００ ３ 四川 大 学 原 子 核 科 学 与 技 术研 究 所 ，四 ） 成 都 ６ ０ ６ ） ． Ｔ Ｉ １０ ５
… … … … … … … … … … … 。 … … … … 。 …
的多道脉冲幅度分析系统硬件设计
基于DSP的多道脉冲幅度分析系统硬件设计 Hardware Design of DSP Based Multi-channel Pulse Altitude Analyzer程敬海 应启戛(上海理工大学医疗器械学院，上海 200093)摘 要介绍了一种以数字信号处理器（DSP）为核心的多道脉冲幅度分析器，它能够进行核信号的采集、处理以及传输，然后经过上位机的处理实现对射线能量和强度的分析。
DSP的采用保证了信号处理的实时性。
关键词 DSP MCA A/D转换D/A转换探测器高压Abstract A DSP based multi-channel pulse altitude analyzer is described. It can offer nuclear signal acquisition, process and transmission, then implement ray energy and intensity analysis through the host computer. The use of DSP can ensure its real time signal process.Keywords DSP MCA A/D conversion Detector High voltage0 引言多道脉冲幅度分析系统（MCA）是通用的核能谱数据获取和处理仪器，用途十分广泛。
目前，我国的多道系统主要通过单片机实现对核信号的数据采集、存储、能谱显示或传入上位机作进一步的分析。
因此，基于单片机控制的MCA需要大量的外设及接口电路进行数据的存储和传输，整个系统十分复杂。
现在，随着DSP技术的发展，其高性能的数据处理能力和内部存储器以及各种功能模块，使其在处理此类分析系统时，功能更加强大，而系统的组成却更加简单。
1 系统概述1.1 系统组成系统硬件框图如图1所示。
信号通过DSP的ADC模块转化成数字量，经过串行接口RS －232与计算机进行通信，实现数字的传输和上位机对系统参数的设定。
核辐射探测第五章 辐射测量方法
由此决定物理分辨时间。
慢符合：成形脉冲宽度>108sec. ； 快符合：成形脉冲宽度<108sec. 。
快符合的符合曲线宽度主要 是脉冲时间离散的贡献。
1
DET1
60 Co *
2
DET2
n(td ) nco nrc
23
0
t
2．符合测量装置 1)、多道符合能谱仪
加速器带电粒子核反应：
d 3H 4He n 17.6MeV
2）用吸收法测得粒子的最大射程，再根据经 验公式求得其最大能量。对衰变伴有射线发 射的样品，一般都通过能谱的测量来确定核素 的含量。
43
5.4 射线能谱的测定
1. 单能能谱的分析 1) 单晶谱仪
常用NaI(Tl)，Cs(Tl)，Ge(Li)，HPGe等探测器
2) 单能射线的能谱
主过程：全能峰——光电效应＋所有的累 计效应；康普顿平台、边沿及多次康普顿散 射；单、双逃逸峰。
同步信号频率nco ；
不存在时间离散；
成形脉冲是理想的矩形波。
DL1 DL2
0
td
符合曲线的高度为nco ，半宽度为:
FWHM 2
由此决定电子学分辨时间为： FWHM/2 ＝ 。
电子学分辨时间与成形脉冲宽度、形状、符
合单元的工作特性等因素有关。
22
物理瞬时符合曲线： 探测器输出脉冲时间统计涨落引起的时间晃动； 系统噪声引起的时间晃动； 定时电路中的时间游动。
张立体角为4，减小了散射、吸收和几何 位置的影响。测量误差小，可好于1％。
流气式4正比计数器；(适用于固态放射 源)
内充气正比计数器和液体闪烁计数器； (适用于14C、3H等低能放射性测量，将14C、 3H混于工作介质中)
慢符合：成形脉冲宽度>108sec. ； 快符合：成形脉冲宽度<108sec. 。
快符合的符合曲线宽度主要 是脉冲时间离散的贡献。
1
DET1
60 Co *
2
DET2
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23
0
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2．符合测量装置 1)、多道符合能谱仪
加速器带电粒子核反应：
d 3H 4He n 17.6MeV
2）用吸收法测得粒子的最大射程，再根据经 验公式求得其最大能量。对衰变伴有射线发 射的样品，一般都通过能谱的测量来确定核素 的含量。
43
5.4 射线能谱的测定
1. 单能能谱的分析 1) 单晶谱仪
常用NaI(Tl)，Cs(Tl)，Ge(Li)，HPGe等探测器
2) 单能射线的能谱
主过程：全能峰——光电效应＋所有的累 计效应；康普顿平台、边沿及多次康普顿散 射；单、双逃逸峰。
同步信号频率nco ；
不存在时间离散；
成形脉冲是理想的矩形波。
DL1 DL2
0
td
符合曲线的高度为nco ，半宽度为:
FWHM 2
由此决定电子学分辨时间为： FWHM/2 ＝ 。
电子学分辨时间与成形脉冲宽度、形状、符
合单元的工作特性等因素有关。
22
物理瞬时符合曲线： 探测器输出脉冲时间统计涨落引起的时间晃动； 系统噪声引起的时间晃动； 定时电路中的时间游动。
张立体角为4，减小了散射、吸收和几何 位置的影响。测量误差小，可好于1％。
流气式4正比计数器；(适用于固态放射 源)
内充气正比计数器和液体闪烁计数器； (适用于14C、3H等低能放射性测量，将14C、 3H混于工作介质中)
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△ ISA插卡式的连接方式。
△ PCI插卡式的连接方式。
△ 利用RS-232(或USB)串联接口，将MCB与PC机 相连。
△ 通过计算机的并行接口，实现MCB与PC机相连。
△ 对于安装有双口存储器的MCB，可利用双口连接 器将MCB与PC机相连。在此情况下PC机可直接访 问MCB中的存储器。
△ 通过以太网接口，将MCB与服务器相连。在此情 况下可通过网络实现对MCB的遥控功能。
a、分辨率：ADC总道数。 b、变换增益：每单位幅度能变换成多少道。单位用
道/伏。 c、微分非线性：(即道宽的不一致性)描述个别道宽
与平均道宽的偏离程度的指标。对于谱仪ADC这是 一项非常重要的指标，一般要<1％。 d、积分非线性：描述实际输入信号幅度A 与被转换 地址m的关系曲线与理想曲线（一条过原点直线） 的偏离程度的指标称为积分非线性，一般<0.1％。 e、变换速度：变换一个输入信号所需要的时间。一 般慢的几十微秒，快的几微秒。
26
926框图如下：
926前后面板如右图。是单插宽的NIM插件
27
面板说明： △前面板上的GATE端，可输入相关信号实现符合
或反符合测量。 △后面板上的PUR端，可输入堆积判弃信号，使
得发生峰堆积时，不再对堆积后的信号进行AD 转换。 △后面板上的BUSY输入端，可接收来自谱仪放大 器BUSY输出端的信号，用于进行死时间校正。
20
实际测谱时，应在满足分辨率的要求下， 尽量使用大道宽。一般说来，在峰的半高宽 内，有5－10道就够了。例如使用闪烁探测 器时，由于它的分辨率在10％上下，用几十 道到几百道就够了。使用Ge（Li）探测器时， 由于它的能量分辨率可达0.1%量级，就要几 千道才能分析一个完整的谱。
21
3．2 关于死时间校正
工作原理如下图所示。
跟踪和保持控制
Vs 模拟输入
S1
A=1 线性门
C1
保持 电容
比较器
＋ －
D/A 转换
输出选通
控制逻辑
置新的 NC值
当前的 NC值
输出 驱动
至存 储器
当前的NC值：多位二进制数码寄存器 如：8192道ADC，需要13位（212～20）。
10
逐次比较法谱仪ADC可具有高分辨率谱仪所需要 的道数，但它们的微分非线性却不能满足要求。微 分非线性的典型值为1/2最小有效位，这将带来50％ 的道宽不一致性。这个问题可通过加人“滑尺技术” 加以解决。原理如下图。
c、存储周期。用计数结果Nc作为地址，将Nc地址 中的内容加1。
8
线性放电法ADC： 最大优点是道宽一致性这一指标可以做得很好，
典型值为<1％。 其缺点是需要较长的转换时间，如：一个8192道
的线性放电法ADC，最大的转换时间为20－165μS。 且转换时间取决于脉冲幅度。
9
1．2 逐次二进制比较法ADC
22
进行死时间校正的办法有多种。
a、百分死时间表校正。
如实际测量时间Tr＝10秒，百分死时间电表指 示P＝20％，则活时间为Tl＝（1－P）Tr＝（1－ 0.2）Ⅹ10秒＝8秒。
计算计数率时就要按有效测量时间8秒来计算。
b、活时间测量。 在测量过程中不以实时间计时，而用活时间
计时。这需要将ADC的死时间信号输出到多道分 析器或计算机的定时电路，使计时器在死时间内 停止计时就可以了。
31
2．2 MCB的其它产品实例 2．2．1、
用于NaI探测器 的插卡（ISA）式的 多道分析器。
实际使用时采用何种方法进行死时间校正，可
视具体情况而定。
23
四、多道缓冲器（MCB）
由谱仪ADC将输入脉冲的幅度转换而成的数字量， 以一定的格式存入多道缓冲器中。再通过接口电路 将数据传给计算机。
多道缓冲器
输入信号
ADC
数据存储器 微处理器
程序存储器
其它的多道缓冲器
24
1、 MCB与计算机的连接方式 MCB产品与PC机的连接有多种方式。例如：
28
926性能如下： a、ADC 带有滑尺技术的逐次二进制比较法ADC。 b、最大分辨率 8192道。通过软件操作可选择为 8192、4096、2048、1024及512道。 c、分析一个脉冲占用的死时间：8μS。 d、积分非线性 ≤±0.025% 。 e、微分非线性 <±1% 。 f、增益稳定性 <±50ppm/ OC。
29
g、死时间校正 有两重方法供选择： 1、Gedcke-Hale method。 2、活时间测量法。
h、数据存储器 8192道具有掉电保护的数据存储器， 每道计数为231－1。
i、可预置停机条件，满足条件后自动停机。 1、预置测量时间：实时或活时。 2、预置计数：预置感兴趣区的峰计数或面 积计数。 3、溢出停机；当任意一道的计数超过231－1 时，自动停止数据获取。
此类型产品典型值为：分辨率从1,000－ 16,000道，其转换时间可做到从2－20μS。
13
另一种常用的改善ADC微分非线性的方法－－ 降位使用法 原理：
若有一市场销售的商品ADC， 12位，精度为 ±1/2最低有效位。若直接用做谱仪ADC：
●可做成4096道的多道。 ●最低有效位为1时对应多道的最小道宽 （设为1mV）。 ●由于ADC精度为±1/2LSB,所以会带来50％的
道宽不一致性。
14
若只使用此ADC的
高8位（211－24），
同样的ADC：
A
●只能做成256道的
多道。
●此时24位为1时对
应多道的最小道宽
（为16mV）。
4096 256 D11
D4
D4=1~Hmin
D3
D0
D0=1~Hmin
结果：平均道宽扩大的16倍，但片子本身的绝 对误差是确定值。因此道宽不一致性理想情况下将 改善了50％/16。
25
2、 多道缓冲器产品实例 ORTEC 926多道缓冲器（MCB） ORTEC 926多道缓冲器（MCB）是多道脉冲幅度
分析系统中使用的一个专用的硬件部件。在实时数 据获取方面具有非常优良的性能。它与PC机相连， 配上基于PC机的专用软件，即可实现数据获取、存 储、显示及各种数据的处理及分析功能。
8000个
1000 第 1001 第 1002 mv
1000
1001
道
道
4000个 4000个
1000 1000.5
1002 mv
第
第
1000
1001
道
道
（图1） （图2）
1000个 1000个 2000个
2000个
（图3）
2000个
1000 1000.5
1002 1003
1004 mv
第
第
第
第
1000
因此对谱仪ADC有一个非常重要的指标，叫做 “微分非线性” （也称：道宽的不一致性）。一 般不超过±1/100。
一般市场销售的商品ADC，精度为±1/2或 ±1/4最低有效位。不能直接作为谱仪ADC使用。
5
1、谱仪ADC的类型 通用的有三种类型： 线性放电法ADC （又称Wilkinson ADC ） 逐次二进制比较法ADC 一次直接比较法ADC (又称flash ADC )
峰位变化 ＝ mp'－mp
分辨率变化＝√(R')2-(R)2
g、每道最大计数： h、稳定性：包括温度稳定性、电源电压变化的稳定
性及长时间工作稳定性。
在选用谱仪ADC产品时，一定要注意以上指标要 满足实际应用的要求。
19
3、谱仪ADC使用中的几个问题 3．1 道宽（或道数）的选择 能谱测量时，道宽的选取要视具体情况而 定。道宽小，对脉冲幅度分类细。但对同样的 输入信号计数率，分到每一道的计数率就低。 为使各道积累到足够的计数而减小统计误差， 需要的测量时间就长。因此不必要的用过多的 道数来测谱，在存储空间及测量时间上都有所 浪费。
30
j、微处理器 intel 80C188。具有32K的程序存储器， 及带有掉电保护的32K的数据存储器和16K的中间 结果暂存器。
k、 926的并行接口可连接到计算机的打印机接口， 以实现926与计算机之间的数据通讯。而926后 面板上的打印机接口可直接接到打印机或接到 另一个926插件的并行口上，以此种方法最多可 接入8个926插件，最后一个926再接入打印机。
17
微分非线性：
积分非线性：
mi
斜率＝p
mi
Ai
p Amax
DNL | hi H |max 100% H
INL
|
Ai
mi p
|max
100%
Amax
18
e、计数率特性：用高计数率时的峰位mp'、分辨率R’ 和低计数率时的峰位mp、分辨率R的差别来衡量。 两者的差别允许多大，高、低计数率各取多少， 由产品说明书规定。
1001
1002
1003
道
道
道
道
（7000个） （1000个）
结论：加入滑尺后道宽不一致性最好可以改善：原道宽不一致的值/滑尺长度。
12
加人“滑尺技术”后，最终可使微分非线性 降低到<1％。带有滑尺技术的逐次二进制比较法 ADC可具有较低的微分非线性及较短的转换时间， 并且其转换时间与脉冲幅度无关。
d Vb 2
{ 1
2
[2e( I D
Ig
]}
1
2C f
2
d
3
第五章 多道脉冲分析系统
一、幅度谱的形成过程 二、多道的构成，包括硬件及软件两大部分：
4
三、谱仪ADC
谱仪ADC是测量快速随机脉冲幅度分布过程中 使用的模数变换器。根据上述谱的形成过程可知： 若希望幅度谱测量准确，最重要的是：道宽的一 致性要非常的好。
△ PCI插卡式的连接方式。
△ 利用RS-232(或USB)串联接口，将MCB与PC机 相连。
△ 通过计算机的并行接口，实现MCB与PC机相连。
△ 对于安装有双口存储器的MCB，可利用双口连接 器将MCB与PC机相连。在此情况下PC机可直接访 问MCB中的存储器。
△ 通过以太网接口，将MCB与服务器相连。在此情 况下可通过网络实现对MCB的遥控功能。
a、分辨率：ADC总道数。 b、变换增益：每单位幅度能变换成多少道。单位用
道/伏。 c、微分非线性：(即道宽的不一致性)描述个别道宽
与平均道宽的偏离程度的指标。对于谱仪ADC这是 一项非常重要的指标，一般要<1％。 d、积分非线性：描述实际输入信号幅度A 与被转换 地址m的关系曲线与理想曲线（一条过原点直线） 的偏离程度的指标称为积分非线性，一般<0.1％。 e、变换速度：变换一个输入信号所需要的时间。一 般慢的几十微秒，快的几微秒。
26
926框图如下：
926前后面板如右图。是单插宽的NIM插件
27
面板说明： △前面板上的GATE端，可输入相关信号实现符合
或反符合测量。 △后面板上的PUR端，可输入堆积判弃信号，使
得发生峰堆积时，不再对堆积后的信号进行AD 转换。 △后面板上的BUSY输入端，可接收来自谱仪放大 器BUSY输出端的信号，用于进行死时间校正。
20
实际测谱时，应在满足分辨率的要求下， 尽量使用大道宽。一般说来，在峰的半高宽 内，有5－10道就够了。例如使用闪烁探测 器时，由于它的分辨率在10％上下，用几十 道到几百道就够了。使用Ge（Li）探测器时， 由于它的能量分辨率可达0.1%量级，就要几 千道才能分析一个完整的谱。
21
3．2 关于死时间校正
工作原理如下图所示。
跟踪和保持控制
Vs 模拟输入
S1
A=1 线性门
C1
保持 电容
比较器
＋ －
D/A 转换
输出选通
控制逻辑
置新的 NC值
当前的 NC值
输出 驱动
至存 储器
当前的NC值：多位二进制数码寄存器 如：8192道ADC，需要13位（212～20）。
10
逐次比较法谱仪ADC可具有高分辨率谱仪所需要 的道数，但它们的微分非线性却不能满足要求。微 分非线性的典型值为1/2最小有效位，这将带来50％ 的道宽不一致性。这个问题可通过加人“滑尺技术” 加以解决。原理如下图。
c、存储周期。用计数结果Nc作为地址，将Nc地址 中的内容加1。
8
线性放电法ADC： 最大优点是道宽一致性这一指标可以做得很好，
典型值为<1％。 其缺点是需要较长的转换时间，如：一个8192道
的线性放电法ADC，最大的转换时间为20－165μS。 且转换时间取决于脉冲幅度。
9
1．2 逐次二进制比较法ADC
22
进行死时间校正的办法有多种。
a、百分死时间表校正。
如实际测量时间Tr＝10秒，百分死时间电表指 示P＝20％，则活时间为Tl＝（1－P）Tr＝（1－ 0.2）Ⅹ10秒＝8秒。
计算计数率时就要按有效测量时间8秒来计算。
b、活时间测量。 在测量过程中不以实时间计时，而用活时间
计时。这需要将ADC的死时间信号输出到多道分 析器或计算机的定时电路，使计时器在死时间内 停止计时就可以了。
31
2．2 MCB的其它产品实例 2．2．1、
用于NaI探测器 的插卡（ISA）式的 多道分析器。
实际使用时采用何种方法进行死时间校正，可
视具体情况而定。
23
四、多道缓冲器（MCB）
由谱仪ADC将输入脉冲的幅度转换而成的数字量， 以一定的格式存入多道缓冲器中。再通过接口电路 将数据传给计算机。
多道缓冲器
输入信号
ADC
数据存储器 微处理器
程序存储器
其它的多道缓冲器
24
1、 MCB与计算机的连接方式 MCB产品与PC机的连接有多种方式。例如：
28
926性能如下： a、ADC 带有滑尺技术的逐次二进制比较法ADC。 b、最大分辨率 8192道。通过软件操作可选择为 8192、4096、2048、1024及512道。 c、分析一个脉冲占用的死时间：8μS。 d、积分非线性 ≤±0.025% 。 e、微分非线性 <±1% 。 f、增益稳定性 <±50ppm/ OC。
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g、死时间校正 有两重方法供选择： 1、Gedcke-Hale method。 2、活时间测量法。
h、数据存储器 8192道具有掉电保护的数据存储器， 每道计数为231－1。
i、可预置停机条件，满足条件后自动停机。 1、预置测量时间：实时或活时。 2、预置计数：预置感兴趣区的峰计数或面 积计数。 3、溢出停机；当任意一道的计数超过231－1 时，自动停止数据获取。
此类型产品典型值为：分辨率从1,000－ 16,000道，其转换时间可做到从2－20μS。
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另一种常用的改善ADC微分非线性的方法－－ 降位使用法 原理：
若有一市场销售的商品ADC， 12位，精度为 ±1/2最低有效位。若直接用做谱仪ADC：
●可做成4096道的多道。 ●最低有效位为1时对应多道的最小道宽 （设为1mV）。 ●由于ADC精度为±1/2LSB,所以会带来50％的
道宽不一致性。
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若只使用此ADC的
高8位（211－24），
同样的ADC：
A
●只能做成256道的
多道。
●此时24位为1时对
应多道的最小道宽
（为16mV）。
4096 256 D11
D4
D4=1~Hmin
D3
D0
D0=1~Hmin
结果：平均道宽扩大的16倍，但片子本身的绝 对误差是确定值。因此道宽不一致性理想情况下将 改善了50％/16。
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2、 多道缓冲器产品实例 ORTEC 926多道缓冲器（MCB） ORTEC 926多道缓冲器（MCB）是多道脉冲幅度
分析系统中使用的一个专用的硬件部件。在实时数 据获取方面具有非常优良的性能。它与PC机相连， 配上基于PC机的专用软件，即可实现数据获取、存 储、显示及各种数据的处理及分析功能。
8000个
1000 第 1001 第 1002 mv
1000
1001
道
道
4000个 4000个
1000 1000.5
1002 mv
第
第
1000
1001
道
道
（图1） （图2）
1000个 1000个 2000个
2000个
（图3）
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1000 1000.5
1002 1003
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第
第
第
第
1000
因此对谱仪ADC有一个非常重要的指标，叫做 “微分非线性” （也称：道宽的不一致性）。一 般不超过±1/100。
一般市场销售的商品ADC，精度为±1/2或 ±1/4最低有效位。不能直接作为谱仪ADC使用。
5
1、谱仪ADC的类型 通用的有三种类型： 线性放电法ADC （又称Wilkinson ADC ） 逐次二进制比较法ADC 一次直接比较法ADC (又称flash ADC )
峰位变化 ＝ mp'－mp
分辨率变化＝√(R')2-(R)2
g、每道最大计数： h、稳定性：包括温度稳定性、电源电压变化的稳定
性及长时间工作稳定性。
在选用谱仪ADC产品时，一定要注意以上指标要 满足实际应用的要求。
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3、谱仪ADC使用中的几个问题 3．1 道宽（或道数）的选择 能谱测量时，道宽的选取要视具体情况而 定。道宽小，对脉冲幅度分类细。但对同样的 输入信号计数率，分到每一道的计数率就低。 为使各道积累到足够的计数而减小统计误差， 需要的测量时间就长。因此不必要的用过多的 道数来测谱，在存储空间及测量时间上都有所 浪费。
30
j、微处理器 intel 80C188。具有32K的程序存储器， 及带有掉电保护的32K的数据存储器和16K的中间 结果暂存器。
k、 926的并行接口可连接到计算机的打印机接口， 以实现926与计算机之间的数据通讯。而926后 面板上的打印机接口可直接接到打印机或接到 另一个926插件的并行口上，以此种方法最多可 接入8个926插件，最后一个926再接入打印机。
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微分非线性：
积分非线性：
mi
斜率＝p
mi
Ai
p Amax
DNL | hi H |max 100% H
INL
|
Ai
mi p
|max
100%
Amax
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e、计数率特性：用高计数率时的峰位mp'、分辨率R’ 和低计数率时的峰位mp、分辨率R的差别来衡量。 两者的差别允许多大，高、低计数率各取多少， 由产品说明书规定。
1001
1002
1003
道
道
道
道
（7000个） （1000个）
结论：加入滑尺后道宽不一致性最好可以改善：原道宽不一致的值/滑尺长度。
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加人“滑尺技术”后，最终可使微分非线性 降低到<1％。带有滑尺技术的逐次二进制比较法 ADC可具有较低的微分非线性及较短的转换时间， 并且其转换时间与脉冲幅度无关。
d Vb 2
{ 1
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[2e( I D
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1
2C f
2
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第五章 多道脉冲分析系统
一、幅度谱的形成过程 二、多道的构成，包括硬件及软件两大部分：
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三、谱仪ADC
谱仪ADC是测量快速随机脉冲幅度分布过程中 使用的模数变换器。根据上述谱的形成过程可知： 若希望幅度谱测量准确，最重要的是：道宽的一 致性要非常的好。