多道脈沖幅度分析器改進研究

范永勝 ， 周淵平 ， 田時海

（1.四川大學 電子信息學院，四川 成都 610065；2.綿陽師范學院 數學與計算機科學學院，四川 綿陽 621000）3.四川大學 原子核科學與技術研究所，四川 成都 610065）

多道脈沖幅度分析儀是核探測中的常用儀器，它和CdZnTe等組合成和探測系統把和脈沖幅度轉換成相應的道輸以便測量[1-3]。現在多道脈沖幅度分析技術已經實現數字化，在將模擬核脈沖信號轉換成數字信號及完成讀寫過程的時間內，如有信號脈沖到來，分析器不予以記錄，從而產生漏計數，這一段時間稱為忙時間（也有資料稱為死時間，文中論述時覺得忙時間更能準確表述系統正忙于轉換數據的含義，忙就添加設備，并行工作，故定義為忙時間）。

如果能有效地減小其忙時間，將會有效地減小漏計數的發生。現在采用的普遍的方式是采用高速A/D，但高速A/D其價格很昂貴，從而成本比較高。

1 多道脈沖幅度分析器忙時間形成原因分析

忙時間是多道分析器進行測量時在某一段時間內，漏計的全部信號脈沖所占用的時間。導致忙時間參數的主要因素是電路的A/D轉換時間和數據存取所占用的時間[4]，圖1是一個典型的多道脈沖幅度分析器的框圖。

圖1 幅度-道址變換及改進設計框圖Fig.1 Amplitude-channel address transform and improved design block diagram

核信息脈沖由端口進入，經忙門同時進入觸發器1和幅度積存保持電路。在輸入脈沖持續期內，=0，一直關閉著幅度衰減開關，所以輸入脈沖的峰值展寬了。當輸入脈沖結束時，觸發器 1 返回初態，Qˉ0=1，幅度衰減開關被打開，Q1=1，或控門輸出為0，忙門關閉，禁止再來的核信息脈沖輸入，確保電路在進行A/D變換期間不受干擾。

幅度衰減控制開關被打開時刻，幅度Qˉ0積存保持電路開始從峰位通過恒流放電電路放電，放電電流進入幅度—脈寬電路，得到與幅度成正比脈寬在進入反相放大電路變換成其等寬的數字脈沖，作為道址脈沖數控制門的開門信號。脈沖寬則通過道址脈沖數就多，反之則少。同時也用此脈沖繼續關閉忙門。

道址碼脈沖產生以后，還需要將輸入的核信息脈沖數據寫入到RAM的該道地址內，因此要W脈沖的后沿微分觸發一單穩電路，產生寫入脈沖信號，把數據寫入RAM。同時，用寫入脈沖再繼續關閉忙門，直到寫入完成。

從上面的原理分析可以看出，忙時間主要有3個方面的時間組成：1）幅度衰減的過程；2）道址變換的過程；3）道址碼寫入RAM的過程。可以用圖2的波形來表示整個過程，其中TL為活時間，TD表示忙時間，TR表示真時間[5]。

圖2 多道時間關系圖Fig.2 Multi channel time diagram

2 多道脈沖幅度分析器忙時間的測量方法

在多道脈沖幅度分析器中，對忙時間的準確測量，可以有效的改進系統。我們的設計也是基于準確的測量。在文獻[3]中，討論了對忙時間的準確測量。其主要原理如圖3所示，將一標準頻率f的信號輸進測量過程的所有忙時間區段內，再將進入這些區段內的脈沖個數總加起來，得到計數n，因每個脈沖的周期時間為Tk=1/f，則總的忙時間即為Td=nTk=n/f。在電路的實現中采用與門和6級10分頻來進行測量[6]。

在文獻[4]中減少了分頻數，采用異或門的方式來實現[7]。

圖3 多道脈沖幅度分析器忙時間數字測量原理圖Fig.3 Multi channel pulse amplitude analyzer busy time digital measurement principle diagram

3 改進研究

3.1 改進的基本原理

根據上面的分析，對忙時間的貢獻的3個方面，認為主要是前面2個方面：即幅度衰減的過程和道址變換的過程，而現在的高速RAM使得第3方面的貢獻已經很小。

根據圖2，可以得到圖4的改進圖。在圖中可以看到，在兩套系統并行工作的情況下，沒有忙時間的重疊。在A路進入忙時間的時候，立刻啟動B路進行系統脈沖寬度的計數。從而使得原來的系統由于轉換的時候不得不關閉的忙門顯得不再忙，當A路轉換完畢的時候，B路還沒有進入忙時間，所以不會影響系統的采集信號。可以大大地減少忙時間對系統的影響。

圖4 多道脈沖幅度分析器改進原理圖Fig.4 Schematic diagram of multichannel pulse amplitude analyzer improvement

3.2 設計的相應改進

方法1：采用定時器方式

為了適應兩路采集和切換，采用了圖1的框圖（其中虛框中，A路和B路只是A路多了一個忙時間測量電路，其他完全一樣），首先在忙門前面加一個受控的切換門，需要在電路中增加文獻[5]或者文獻[6]提到的忙時間測量電路，以便給分析器對不同的物質進行忙時間的準確測定。另外增加一個可編程定時器PIT，PIT的周期由忙時間切換電路提供，并有計算機計算獲得。定時器控制切換門的切換。與這兩套電路相配套的存儲電路（寄存器）一必須是兩套，也受定時器的控制，它們形成的脈沖計數靠軟件來進行有序的拼接。

在實際的操作中，需要對不同的物質進行預掃描，以形成一個相對符合實際的一個忙時間周期，來控制定時器，進而控制切換門。這樣可以根據不同的物質，形成不同周期的切換控制，增加它的靈活性。

圖5 采用定時器改進方式的工作流程圖Fig.5 Working flow chart of using the timer to improvement ways

方法2：忙門直接控制切換

前面的改進是基于對樣品的預先掃描，來設定切換周期，為此要額外的付出一部分時間。另外一種改進的方式，不用定時器和忙時間測量電路，直接把忙門換成切換門，它的切換受控于或門。或門控制信號同時也控制存儲電路的切換，以保存數據。但這個切換方式存在的主要問題是，每次采集的數據長度長短不一，會導致后期的數據拼接十分困難。

4 誤差分析

核信號具有統計漲落的特性[8]，因此在設計中采用的周期性切換的方案具有一定的局限性，雖然采用了預掃描的方式形成周期，具有一定的科學性，但無法消除統計漲落的影響。在方法1中，核信號強的時候，方法一的周期切換也會使得一部分漏計數。也有可以在預先掃描的時候信號不強，但正是工作的時候有很強，會產生較大的漏計數；在方法2中，如有時候核信號很強，導致方法二切換頻繁；而信號弱的時候，切換慢；另外在控制切換開關的切換過程中任然存在漏計數的問題；可以采用以下公式（1）進行誤差修正，進一步減小漏計數。

其中C為總的由于切換引起的漏計數脈沖，Ti為計數切換的時間長度，Pi為單位時間內漏計數脈沖，N為總的切換次數，在這里切換時間是固定的，因此漏計數可以計算；

為了比較，建立了改進之前的漏計數脈沖計算公式為（2）。

其中Pc為總的漏計數，N為切換次數；TC為恒流放電時間，Te為高-寬時間，Tm為存儲器訪問時間，而Tc和Te由于核信號的統計特性，將變得有長有短，這兩個時間之和也不固定，導致漏計數脈沖無法統計。

從上面的分析，可以得出結論，文中的改進設計在誤差修正方面將更具優勢。

5 結 論

文中討論了多道脈沖幅度分析器忙時間的形成的原因，和測量的方法。提出了一種改善系統，降低系統忙時間的有效方案。能夠方便靈活的改變控制系統的切換，減少系統的漏計數率。

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