基于DSP系统的多道脉冲幅度分析器设计

　　多道脉冲幅度分析器(MCA)是核探测仪器的重要组成部分,它把探测器输出的模拟信号转换为与其峰值成比例的数字信号。多道脉冲幅度分析器一般由甄别及峰值检测电路、基于逻辑门电路的控制电路、模数转换电路和单片机系统等组成。这种多道脉冲幅度分析器具有如下特点和不足:单片机(如51系列)系统的处理速度较慢;峰值保持电路处理小信号的灵敏度和线性度较差[1],RS232接口速度限制了谱数据的传输速度;谱数据存储能力不足;系统的功耗较高不利于仪器的便携化;价格高、功能有限且用户不易扩展[2]。

　　针对上述多道脉冲幅度分析器的特点和不足,本文采用高速、低功耗具有USB接口和SD卡控制器的DSP系统来代替原有的单片机系统以提高多道脉冲幅度分析器的谱数据处理能力和谱数据的传输速度,利用低功耗的CPLD芯片代替大量的逻辑门电路以降低系统的功耗,同时简化PCB的布线,设计具有自动峰保功能的峰值保持电路用以提高小信号处理的灵敏度和线性度。

　　1　系统组成原理

　　多道脉冲幅度分析器主要由具有自动峰保功能的峰值保持电路、甄别电路、模数转换(A/D)电路、DSP系统、基于CPLD的逻辑电路等组成,其组成原理如图1所示。

　　来自模拟处理前端的准高斯脉冲信号经电压跟随器隔离后同时送至峰保电路、低阈值检测电路和过峰检测电路,高阈值检测电路的信号取至峰保输出的直流电平。高、低阈值检测电路的输出逻辑信号和过峰检测电路的输出逻辑信号送至CPLD芯片。当出现过峰检测信号且输入脉冲信号符合系统设定的高、低阈值要求时,CPLD触发模数转换电路启动模数转换然后将转换结果通过SPI总线读出并暂存至CPLD内部寄存器。CPLD通过中断的方式通知DSP系统来读取模数转换结果。DSP系统用16位并行方式一次读出16位A/D转换结果,把该数据作为道址将SDRAM相应地址的单元内容加1从而实现对模拟信号的分类得到能谱数据。由于DSP芯片内置了USB从设备端口和SD/MMC接口,可以通过USB从设备端口将谱数据传输至计算机,也可以将谱数据直接存储在SD/MMC存储卡上。利用CPLD的丰富资源扩展了一个16位的并行扩展口,通过该扩展口可以方便地将多道脉冲幅度分析器与ARM系统或其他数据处理终端进行连接。

　　2　硬件电路

　　2·1　峰值保持与过峰检测电路

　　一般地,峰值保持电路中用运放充当跟随器,利用二极管单向导电性对输入信号进行峰值保持。而实际的二极管和理想二极管存在较大的差距,其正向特性存在一死区电压,只有当输入信号的幅度大于该死区电压时二极管才能导通。这就限制了这种峰值保持电路处理小信号的灵敏度和线性度。将运放的反馈电压取至二极管的负极便可解决这一问题,具体电路见图2的上半部分,图中U1、U2运放采用高输入阻抗的FET输入型运放,保持电容选用低泄露的1000pF云母电容。U1运放输出端加入电阻R2是为了消除负载电容引起的电路工作的不稳定。在实验过程中发现模拟开关K1在开关过程中很容易影响保持电容上的电压,引起电压的小幅度涨落,通过选用低电荷注入效应的模拟开关或适当增大负载电容的容值可以明显减小模拟开关电荷注入效应对峰值保持电路性能的影响。