脉冲幅度分析
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。
「实验四单道脉冲幅度分析器」
「实验四单道脉冲幅度分析器」实验四：单道脉冲幅度分析器引言：脉冲信号是一种电信号，它的特点是0~1的时间内朝一个方向猛冲，然后立即返回原点，这个过程类似于周期性冲击。
脉冲信号广泛应用于许多领域，如通信、雷达、生物医学等。
因此，对脉冲信号进行分析和处理是十分重要的。
单道脉冲幅度分析器是一种常用的仪器，用于测量和分析脉冲信号的幅度。
本实验通过搭建实验电路，使用单道脉冲幅度分析器对脉冲信号进行幅度分析，以加深对脉冲信号的了解和认识。
一、实验目的：1.学会使用单道脉冲幅度分析器对脉冲信号进行幅度分析；2.了解脉冲信号的特点和测量方法；3.实验掌握脉冲信号的测量原理和技术。
二、实验原理：1.单道脉冲幅度分析器的基本原理单道脉冲幅度分析器是一种根据输入信号的幅度分析其脉冲幅度的仪器。
其基本原理是将输入信号与参考电平进行比较，通过多级放大和滤波处理后输出一个直流电压，该直流电压与脉冲信号的幅度成正比。
2.脉冲信号的特点脉冲信号是一种特殊的周期性信号，其特点是0~1的时间内快速向一个方向猛冲，然后立即返回原点。
脉冲信号的主要特点包括幅度、上升时间、下降时间、脉冲宽度和重复周期等。
3.单道脉冲幅度分析器的测量原理单道脉冲幅度分析器通过多级放大和滤波处理，可以将输入信号转化为与之成正比的直流电压。
具体原理如下：(1)输入信号经过输入放大电路进行放大；(2)放大后的信号经过滤波电路精细处理，去除噪声；(3)滤波后的信号经过整流电路将其转换为同频直流信号；(4)直流信号经过目标脉冲放大器进行放大，其放大倍数由用户自行设定；(5)放大后的信号经过最后的滤波和整流，得到与脉冲信号的幅度成正比的直流电压输出。
三、实验器材和仪表：1.单道脉冲幅度分析器：用于对脉冲信号进行幅度分析；2.信号发生器：用于产生脉冲信号；3.示波器：用于观察和测量脉冲信号。
四、实验步骤：1.搭建实验电路：将信号发生器的输出端与单道脉冲幅度分析器的输入端连接，将单道脉冲幅度分析器的输出端与示波器的输入端连接。
多道脉冲幅度分析仪
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。
多道脉冲幅度分析仪
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
• 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。
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。
• 3.3V电源以及1.5V电源模块，我们选择了低压差 线性ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
一种多道脉冲幅度分析器的实现方案
一种多道脉冲幅度分析器的实现方案多道脉冲幅度分析器不仅能自动获取能谱数据，而且一次测量就能得到整个能谱，因此可大大减少数据采集时间，与此同时，其测量精度也显着提高。
自从20世纪50年代以来，多道脉冲幅度分析器发展迅速，现在已成为获取核能谱数据的通用仪器。
多道分析任务是将被测量的脉冲幅度范围平均分成2n个幅度间隔，然后测量幅度在每一个幅度间隔内的输入脉冲个数，最后得到输入信号的脉冲幅度分布曲线。
其测量采用的是计算机技术中的A/D模数变换及数据存储技术。
在计算机的存储器中开辟一个数据缓冲区，数据缓冲区内有2n 个计数器，每一个脉冲幅度间隔在数据缓冲区内部有一个对应的计数器。
多道脉冲幅度分析时，可在微处理器的控制下，将被分析的脉冲信号首先送往模数变换器，经A/D变换形成一个代表脉冲幅度的数字量（道址）。
然后用微处理器将该数字量变换成所对应的计数器地址。
并使该地址对应的计数器内容加一（反映该道计数加一）。
这样，经过一段时间的测量，存储器内计数器缓冲中各计数器计数的多少就可反映输入脉冲的幅度分布。
1 多道脉冲幅度分析器结构一台完整的核地球物理仪器通常可分为两部分：核辐射探测器和嵌入式系统。
而多道脉冲幅度分析器是嵌入式系统的核心部分。
多道脉冲幅度分析器一方面采集来自放大器的信号并进行模数转换，同时存储转换结果;另一方面将存储的转换结果进行数据分析，并直接显示谱线，或通过计算机接口送给计算机进行数据处理和谱线显示。
本文介绍的多道脉冲幅度分析器的设计结构框图如图1所示。
脉冲信号在通过甄别电路和控制电路时，甄别电路给出脉冲的过峰信息，并启动A/D转换。
A/D转换电路则可对脉冲信号峰值幅度进行模数转换，并将转换结果存储在片上Flash中，然后由微控制器进行相应的数据处理。
2 多道脉冲幅度分析器硬件设计2.1 脉冲线性主放大器多道脉冲幅度分析器由甄别电路、控制电路、采样保持电路、模数转换电路、ARM嵌入式系统组成，其控制核心为嵌入式系统。
脉冲幅度甄别和分析
定时方法
过零定时
微分电路成形：过零时间tZ与信号幅度无关，但与信号达峰时 间tm有关，适合于上升时间相同，但幅度不同的输入信号
定时方法
过零定时
DL成形：若延迟线的特征阻抗为Z0，信号从始端到终端的延 迟时间为τd/2，则当延迟线始端匹配、终端短路时，电路的冲 击响应为：
动效应
定时方法
前沿定时误差的分析
前沿定时中的定时误差主要包括：输入信号幅度变化产生的 定时误差tLA；输入信号上升时间变化产生的定时误差tLT； 输入信号超阈延迟时间变化产生的定时误差tD；输入噪声及 阈值涨落产生的定时误差σT 这些误差中，tLA、σT是定时误差的主要因素
定时方法
一级矩 二级矩 n级矩
当td服从高斯分布时，可利用方差σtd作为时间晃动的度量：
2 td (t d t d ) 2 0 (t d t d ) 2 Pd (t d )dtd
定时技术
时间晃动的度量
假设t01和t02分别为二个粒子分别击中探测器的时刻，TD1和 TD2为二个时间检出电路，其信号输出时刻分别为t01'和t02' 设τ = t02' - t01' = (t02 - t01)+(td2 - td1)，则有：
定时方法
过零定时
在t=0的时刻，输入信号还不存在，无法作为定时点，而且输 入信号的起始部分的上升斜率很小，容易被噪声触发，定时 误差很大，不适合作定时点 为了实现过零定时，需要将信号成形产生新的过零点，获得 新的过零点的方法一般是把单极性信号成形为双极性信号， 成形方法包括：微分电路成形、短路延迟线成形等
定），甄别阈VT尽量低（受噪声和触发特性限制），同时应
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积分甄别器的主要特性
• 阈值的涨落
对于理想甄别器来讲，当输入脉冲幅度超过阈值时输出一 个脉冲，否则无输出。但实际上，由于噪声等随机因素的 影响，在阈值附近有一个渐变区。如图所示。定义50%处 为甄别阈值，而以10%-90%所对应的输入幅度之差表示涨 落的大小。一般为零点几毫伏。
n/nMAX
100% 50%
频率达几十兆Hz，如果用分立元件作成，工作 频率可达几百兆Hz，甄别脉冲宽度在ns以下。
脉冲幅度甄别器的分类
按甄别阈分类： • 积分甄别器：只有一个甄别阈，凡是幅度超过
甄别阈的脉冲均可对应一个逻辑脉冲输出。 • 微分甄别器：有两个甄别阈，只有幅度在两个
甄别阈之间的脉冲才有逻辑脉冲输出。
概念小结
• 甄别器：输入模拟信号输出逻辑信号
• 种类：脉冲幅度甄别器、定时甄别器
• 脉冲幅度甄别器的分类：
– 普通甄别器、快甄别器 – 积分甄别器、微分甄别器
积分甄别器（重点）
积分甄别器：由一个滞回不大的施密特电路和一个单稳态 触发器组成。
vi
VT+
VT-
vi
施密特 vo1 单稳态
触发器
电路
vo vo1
t
vo
t
t
甄别阈（刚能使甄别器触发的输入脉冲幅度）：VT=VT+-VB
由带正反馈的集成电压比较器构成
vi + Co
R1 R2 VRef
vo
VoL
VT+ VT-
vi
重点
如果采用BG307C可构成中速集成电路甄别器，可甄别 宽度为100ns以上的脉冲，工作频率可达几兆赫。 属于普通甄别器。
积分甄别器实例-集成电路脉冲幅度甄别器
如采用快速电压比较器AM685，则可甄别宽度为10ns 的脉冲，工作频率可达几十兆赫。 属于快甄别器。
i(mA)
IP P
F
IV
VP B
V VV VF
v(V)
积分甄别器实例- 隧道二极管甄别单元
甄别阈：IT=IP+IB
回 差：IH=IP-IV
vo
VF
-VDD
i
VV
IP P
F
IB
i I
vo
IV A
V
Vp VB
i
VA
t
D VB VP VV VF
v IF
IB
（a）
IV
t
IB
隧道二极管甄别器最大计数率
（b）
模拟信号
甄别器的特点（重点）
甄别器接收模拟信号，输出逻辑信号。 能够将来自探测器或前面电路的随机模拟信号与 甄别阈相比较，如果信号在所要求的范围内，则 甄别器输出一逻辑脉冲，否则无输出。
模拟信号逻辑信号
甄别器的种类
• 脉冲幅度甄别器 • 定时甄别器
脉冲幅度甄别器的主要用途
将幅度落入在电路设定的电平范围内的输入脉 冲转换成幅度和宽度符合一定标准的脉冲输出， 剔除此电平范围之外的任何输入信号。
• 剔除噪声的干扰 • 进行幅度选择 • 脉冲幅度精密测量 • 能谱测量（单道分析器） • 定时（前沿定时）
脉冲幅度甄别器的分类
按速度分类：普通甄别器；快甄别器。 • 普通甄别器多为集成电路作成，能够甄别宽
度为100ns以上的脉冲，工作频率可达几兆Hz； • 快甄别器可以甄别宽度为10ns的脉冲，工作
积分甄别器的主要特性
• 最小和最大甄别阈 最小甄别阈：甄别器能够甄别的最小脉冲幅度。它等于 施密特电路的回差。 最大的甄别阈在原理上无限制，但在实际上决定于器件 的容许电压。
• 甄别阈的稳定性 电路中电阻及电源的稳定性、信号源基线电平的稳定 性等均会对甄别阈的稳定度有影响。因此，为了提高 甄别阈的稳定性，要使上面各种因素的稳定性足够好。
• 甄别阈的线性
一般甄别器，甄别阈度盘刻度和甄别阈实际值之间线性 可达0.1%左右。对于甄别窄脉冲的快甄别器，一般为千 分之几到百分之几。
积分甄别器对输入脉冲的要求（重点）
• 除了脉冲幅度的要求外，输入脉冲必须 达到一定的宽度才能使甄别器有输出。 可以甄别的宽度决定于甄别器的速度。
积分甄别器实例-集成电路脉冲幅度甄别器
脉冲幅度分析
1
7
10
主放大 器
模拟展宽器
线性门 vc
快成形
快 vp
放 电
整形器
2
8
快甄别
Q Q
3
逻辑展宽器 4
5
RS
+5V
11 无堆积输出
9 无堆积标志
6 堆积标志
1
a
2
死时3间占用
4
Tip
td
5
6
7
bc
bc Tip Tip
8 9
10
Va
Vb
11
de
甄别阈
Tip
堆积标志 a主放输出 de 逻辑信号
150MHz；双脉冲分辨时间小于7ns； 输出脉冲上升时间和下降时间皆为
2ns。
积分甄别器总结
• 只有一个甄别阈，凡是幅度超过甄别阈的脉冲均可对应一 个逻辑脉冲输出。模拟脉冲逻辑脉冲
• 由一个滞回不大的施密特电路和一个单稳态触发器组成。
• 除了脉冲幅度的要求外，输入脉冲必须达到一定的宽度才 能使甄别器有输出。
• 可以甄别的脉冲宽度决定于甄别器的速度：
– 由带正反馈的集成电压比较器可构成积分甄别器：甄别速度与集成 比较器的速度有关；
– 分立元件构成的积分甄别器可达到最快，ns量级。
微分甄别器（重点）
• 微分甄别器：有两个阈值，只有在两个阈值之间的输 入脉冲才有输出。又称单道脉冲幅度分析器（SCASingleChannel Analyser）
VT 输入脉冲幅度
积分甄别器的主要特性
• 最小信号宽度 一般甄别器多采用集成电路的电压比较器，只能甄别100ns 以上的脉冲。对于采用分立元件的快甄别器，可甄别宽 度在ns以下的脉冲。
• 最高工作频率 最高工作频率的数值要比最小信号宽度的倒数小。普通 甄别器的最高工作频率从几兆到几十兆Hz。如果采用分 立元件，可达几百兆Hz。
保护电路， 输入负脉冲
输入
50
匹配电阻
-5.2V
-5.2V
D1 4 -
D2 3 AM685 + 5.1k
300 100 2k
56
18k +6V
-5.2V
单稳态 电路
输出
反馈
积分甄别器实例-分立元件脉冲幅度甄别器
隧道二极管是一种适用于高频范围内的面结合型高 掺杂的二极管。它的频率响应很高，可达几千兆赫， 开关速度可达2ns，因而很适宜于做产生或形成纳秒 范围内的脉冲用。
微分甄别器的原理方框图（重点）
VU= VL +VW
2
3
4
G1
逻辑展宽器
vi 1
VL
5
延迟成形
G2
7
6
1
1
2
2
5
3 6
4 7
5
6
7
微分甄别器的实例
单道脉冲幅度分析器技术指标
•阈值在0.1-10V范围内可调，线性好于0.1%，稳定性好于 0.01%/C或0.2mV/C。 •道宽在0.01-1V ，0.01-10V范围内可调，线性好于0.1%，稳定性 好于0.01%/C或0.2mV/C。通用的单道分析器：既可以工作于微 分甄别方式，又可以工作于积分甄别方式，可在前面板上位置开 关选择。 •分辨时间：一般小于几百ns，可以分辨几百ns内到来的两个脉冲。 •输入信号宽度：对于脉冲宽度大于100ns的可正常工作。 •输出信号为宽度为100ns量级的TTL逻辑电平信号。