基于核电子学实验教学用的模数变换电路研制
2014-12-24白立新
许 珍， 白立新，代 飞
(四川大学，四川 成都 610064)
多道分析器(MCA，Multichannel analyzer)作为核电子学的一个重要组成部分，它将输入的模拟信号划分成若干个相等的区间，一次测量就可以获得输入信号的脉冲幅度谱。它可以完成粒子物理与原子核物理的实验中对核反应产生的粒子的强度、能量、时间以及空间位置等信息的分析处理［1-2］，因此多道分析器是一种实验室常用的核能谱数据获取及处理的实验仪器，主要实现核能谱分布的功能。因此非常有必要掌握它的原理。多道幅度分析器一般由模数转换部分和存储器部分组成。理解模数变换的过程有助于更好的掌握多道分析器的原理。然而现存的教学仪器一般只能看到PCB(Printed Circuit Board)板或直接封装NIM(Nuclear Instrument Module)插件中，不能直观的显示其电路原理，而且转换结果一般要配合PC(Personal Computer)软件才能观察到，不利于实验教学。因此开发了一套能够直观理解多道脉冲幅度分析器中的模数转换原理并采用发光二极管直接观察其转换结果的教学仪器。
1 模数转换器硬件结构设计
模数转换器的结构如图1所示信号经过反向放大1/2后分为两路，一路进入甄别器经过延时后控制模拟开关进行放电;另一路进入峰值保持电路，将峰值信息传输至ADC(Analog to Digital Converter)，锁存器将ADC的转换结果锁存之后通过发光二极管显示出来。
图1 模数转换器硬件框图
1.1 峰值采样保持电路
脉冲峰值保持电路能够检测并保持输入脉冲峰值，向A/D(Analog to Digital)转换芯片发出中断请求信号，同时可以屏蔽低幅度电子学噪声［3］。核物理实验中测量能谱时，输入模拟信号从进入A/D转换电路到变换出数字量，都需要一定的时间。而在此时间内，为了保证转换的精度，必须保持住输入信号的电平，而在转换完成后又必须检测信号的变化，以保证分析下一脉冲［4］。
如图3所示，整个峰值保持电路的大致工作过程如下:脉冲信号到达后经过放大器U1，该放大器负责对输入信号简单跟随及反向并使信号幅度衰减1/2，再通过反冲器U2A向保持电容充电，该电容就保持了输入脉冲的峰值信息。放电过程中，由U2B将峰值信号传输至ADC中进行量化处理，同时在此过程中在脉冲被展宽。A/D转换结束后由芯片发送复位信号，保持电容由放电门控制清零。于是完成了一个脉冲信号的峰值采样工作，进入下一个采样状态。图2是电路各关键测试点的脉冲时序图，TP1代表输入信号反向并衰减1/2后的信号，TP2为过峰信号，输入信号幅度大于阈值Vth，采样保持电路开始工作，TP3为峰值保持信号，TP4为进入甄别器信号，TP5为延迟信号，启动ADC变换，TP6为控制电容放点的延时开关信号。
图2 模数变换电路信号时序图
图3 模数转换硬件电路测试图
1.2 A/D转换电路
A/D转换电路是将模拟量转换为数字量的电路。为了满足采样速率，本文选用的模数转换芯片是 TI公司生产的 16位高速、高精度ADS8322，该芯片内部采用二进制逐次比较型模数变换原理，最高采样率为500KSPS。在核物理实验中，一般采用512～1024道，因此文中在设计时只对高10位转换结果进行显示。接通芯片片选信号，峰值采样保持电路输出的脉冲信号ADCIN进入模数变换芯片ADS8322进行A/D变换，由 ADS8322进行转换输出的时序信号经SN74LVT16245锁存后通过发光二极管显示。
1.3 模数转换测试电路
图3为显示在电路板焊接面背面，便于实验教学过程中学生测试及观察电路结构的硬件电路测试原理图。本电路在设计时设置了必要的测试孔，可供学生测试各阶段信号输出波形，便于理解电路工作过程。同时电路转换结果由发光二极管显示，操作简单，便于清楚地观察模数转换结果。
2 ADC测试结果
输入信号的占空比:0.5
上升沿:1.953 1 μs
信号频率为:f=1 MHz
改变输入信号幅度，记录发光二极管的显示情况，二极管发光表示输出为高电平，记为“1”;二极管不发光表示输出为低电平，记为“0”，见表1。
表1 不同输入信号电压转换结果
对表中数据进行直线拟合，拟合直线为y=178.15x+4.02，ADC 积分非线性为:0.16%。表明该ADC转换结果满足核物理实验教学要求。
3 能谱测试
将该电路配合后续逻辑控制模块以及PC软件组成多道分析器，用NaI(Tl)晶体探测器测量137Cs，60Co混合源的γ射线能谱，得到能谱图，如图4所示。通过能谱分析得到137Cs源0.662 Mev全能峰能的量分辨率为8.4%，60Co 1.17 Mev、1.33 Mev全能峰的能量分辨率为:5.78%、5.40%，达到核物理实验对能量分辨率的要求。
4 结 论
图4 137Cs，60Co的γ射线能谱图
针对大学核物理实验教学，设计了一种模数转换模块，并在电路板上绘制出电路原理图，便于学生理解模数变换的原理，同时不需要连接后续设备，发光二极管能够直观地显示出转换结果。此外，该电路板还能配合后续逻辑控制模块以及PC软件组成多道分析器，在能谱测量方面效果很好，完全满足大学核物理实验的要求。
［1］刘希民，熊钰岚，郦文忠.基于AD7492和P89LPC9000单片机的4096多道分析器设计［J］.苏州大学学报:工科版，2011，31(3):35-38.
［2］陈磊，张凯，杨义军.单片机控制数字光强检测计的设计［J］.大学物理实验，2009，12:37-40.
［3］丁卫撑，王义，方方.一种实用多道脉冲幅度分析器［J］.核技术，2012，35(8):630-634.
［4］刘晓佳，朱兆优，满在刚.基于峰值保持器 PKD01的采样保持电路［J］.电子元器件应用，2009，11(12):18-20.
