《核脉冲波形甄别》由会员分享，可在线阅读，更多相关《核脉冲波形甄别（2页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 29 卷 第 1 期 2006 年 2 月 电 子 测 量 技 术 ELECTRONICMEASUREM ENTT ECHNOLOGY 信息技术 核脉冲波形甄别 纪圣谋 刘先昆 潘红兵 徐健健 南京大学 摘 要 文中分析核脉冲波形堆积和传统的全硬件核脉冲信号处理电路 提出基于 DSP 和高速 A D 的波形甄别系统 方案 可有效地实现去脉冲堆积和脉冲幅度测量 减小系统的死时间 也简化模拟电路设计 在此基础上 可设计新型单 道和多道幅度分析仪等核测量仪器 关键词 脉冲堆积 脉冲形状甄别 Nuclear pulse shape discrimination based on DSP techn
2、iques Ji Shengmou Liu Xiankun Pan Hongbing Xu Jianjian Abstract Nuclear pulse shape pile up and its traditional processing circuit are analyzed in detail A scheme of pulse shape discrimination system based on DSP and high speed A D converter techniques are presented Besides rejecting pulse pile up a
3、nd implementing pulse height measurement effectively it also reduces the system dead time and simplify the design of analog circuit On the basis of this system it is easily to construct a digital measurement instrument such as single channel and mult i channel analyzer Keywords Pile up Pulse shape d
4、iscrimination 1 传统的核脉冲测量系统 核脉冲信号的幅度甄别和分析是核电子学的主 要研究课题 1 传统的多道幅度分析仪 MCA 是将探测器输出信号依次经过前置放大 主线性放 大和峰值保持后送至 A D 转换器采样和分析 一 种核辐射能谱的测量系统框图见图 1 其中 虚线 内为主放大器的功能框图 图 1 能谱测量系统总体框图 近年来 能谱学领域提出了一种新方法一全数 字化分析核脉冲信号 该技术对前置放大器输出的 窄脉冲尽量少做处理 就进行离散采样 能够较方 便地实现一些模拟技术难以实现的功能 如堆积信 号恢复 2 2 脉冲波形分析 主放大器的输出波形通常为不连续的准高斯型 脉冲 既
5、有较好的信噪比 又适合后续电路的要 求 如图 2 图 2 主放大器输出波形 然 而 在计 数率增到 1 2kHz 以 上 时 就需要考 虑信号的 堆积效应 信号的峰部堆积将使信号幅度和波形发 生很大变化 也导致分辨率变坏 1 见图 3 图 3 脉冲信号堆积 T 为两个信号之间间隔 tW为信号的峰部宽 度 tM为信号的达峰时间 T tW tM两个信号都无畸变 tM T 0 则发 生前沿堆积 此时波形仅有一个极值 两个信号幅 度都发生畸变 两个信号都应该舍弃 见图3 a tW tM T tM 则发生后沿堆积 此时波形 有两个极值 前一个信号幅度不畸变 予以保留 而后一个信号幅度发生畸变则舍弃 见图
6、 3 b 传统的主放大器包括堆积拒绝电路 电路实现 较复杂 可部分解决此问题 但也增加了系统死时 58 间 本方案采用全数字的方式来分析脉冲 主放大 器输出的脉冲保持较窄的宽度 故减小了脉冲堆 积 此处未讨论多个脉冲堆积的情况 3 系统设计方案 本系统采用 DSP 和高速 A D 对核脉冲波形进 行时域分析 在此基础上可构成多道幅度分析仪 MCA 和单道幅度分析仪 SCA 系统结构框 图如图 4 主放大器不再包括脉冲堆积拒绝电路 而由软件方法来剔除问题脉冲 图 4 基于 DSP 的测量系统框图 实际测量中 脉冲计数率有时要求高至 1MHz 以上 故此处选择 T MS320C6201 型 DSP
7、 为系统 核心 其 工 作 主 频 达 到 200MHz 运 算 速 度 1600MIPS 高速 A D 选择12bit 的 ADS800U 采 样频率最高 40MHz 其接口框图如图 5 图 5 DSP 和 A D 接口框图 ADS800U经小规模FPGA 和双口 RAM 接口 将 高速采样结果实时存入双口 RAM 中 DSP 将对大量 的离散采样值进行分析处理 采样时序图见图6 图 6 脉冲信号采样时序图 当脉冲信号电压大于开始采样的起始电压 UL 时 A D 开始连续采样 时刻为 t1 当信号电压 小于停止采样的电压 LL 时 A D 停止采样 时刻 为 t3 此回滞区间 H 可避免由干
8、扰引起的频繁采 样等问题 显然 脉冲信号宽度 TW t2 t1 t t3 t1 其中 t3为信号电压跌落至 U L 电平时刻 假设 TW 为 1Ls 则此脉冲信号周期内采样可达 40 次 幅 值精度可满足要求 DSP 对采样数据进行实时分 析 有 因 t2时刻幅值 h2等于 t1时刻幅值 h1 据此 计算出 TW t2 t1 排序得出此幅值序列中的极值 E1 E2 可 得出达峰时间 tM1 tM2 脉冲时间间隔 T 对图 3 中 a 无法直接得 出 对图 3 中 b T tM2 tM1 根据前述规则决 定第一个脉冲是否保留 前部分电路可保证单脉冲宽度基本一致 误 差在 10 以下 据此可删除部
9、分严重堆积的脉冲 其他相关的算法要根据各种具体应用中的脉 冲特征给出 如根据波形的半高全宽 FWHM 的误 差来删除某些脉冲堆积等 此方法用于多道幅度分析仪时 要重点考虑 A D 的微分非线性的影响 在某些测量场合 如 57Co穆斯堡尔谱测量需分两步 首先完成多道幅度 分析仪功能以测量能谱 见图 7 再完成数字窗口 的单道幅度分析仪和多路定标器功能实现谱测量 系统结构大大简化了 图 7 57Co能谱 随着信号处理技术的飞速发展 核脉冲信号的 全数字分析将成为一个重要的发展方向 根据高计 数率核脉冲的特点 本设计简化传统的模拟电路部 分 给出了基于 TMS320C6201 型 DSP 的高速采 样系统 用数字的方法去除了脉冲堆积 实现了高 计数率测量 在诸如穆斯堡尔谱等测量中 可有效 地简化系统结构 实现高精度测量 参 考 文 献 1 王芝英主编 核电子技术原理 M 原子能出版 社 1987 2 王永纲 基于 DSP 的核信号处理方法研究 J 核 电子学域探测技术 2004 24 5 59 第 1 期 纪圣谋等 核脉冲波形甄别
