許 珍， 白立新，代 飛

(四川大學，四川 成都 610064)

多道分析器(MCA，Multichannel analyzer)作為核電子學的一個重要組成部分，它將輸入的模擬信號劃分成若干個相等的區(qū)間，一次測量就可以獲得輸入信號的脈沖幅度譜。它可以完成粒子物理與原子核物理的實驗中對核反應產生的粒子的強度、能量、時間以及空間位置等信息的分析處理［1-2］，因此多道分析器是一種實驗室常用的核能譜數據獲取及處理的實驗儀器，主要實現核能譜分布的功能。因此非常有必要掌握它的原理。多道幅度分析器一般由模數轉換部分和存儲器部分組成。理解模數變換的過程有助于更好的掌握多道分析器的原理。然而現存的教學儀器一般只能看到PCB(Printed Circuit Board)板或直接封裝NIM(Nuclear Instrument Module)插件中，不能直觀的顯示其電路原理，而且轉換結果一般要配合PC(Personal Computer)軟件才能觀察到，不利于實驗教學。因此開發(fā)了一套能夠直觀理解多道脈沖幅度分析器中的模數轉換原理并采用發(fā)光二極管直接觀察其轉換結果的教學儀器。

1 模數轉換器硬件結構設計

模數轉換器的結構如圖1所示信號經過反向放大1/2后分為兩路，一路進入甄別器經過延時后控制模擬開關進行放電;另一路進入峰值保持電路，將峰值信息傳輸至ADC(Analog to Digital Converter)，鎖存器將ADC的轉換結果鎖存之后通過發(fā)光二極管顯示出來。

圖1 模數轉換器硬件框圖

1.1 峰值采樣保持電路

脈沖峰值保持電路能夠檢測并保持輸入脈沖峰值，向A/D(Analog to Digital)轉換芯片發(fā)出中斷請求信號，同時可以屏蔽低幅度電子學噪聲［3］。核物理實驗中測量能譜時，輸入模擬信號從進入A/D轉換電路到變換出數字量，都需要一定的時間。而在此時間內，為了保證轉換的精度，必須保持住輸入信號的電平，而在轉換完成后又必須檢測信號的變化，以保證分析下一脈沖［4］。

如圖3所示，整個峰值保持電路的大致工作過程如下:脈沖信號到達后經過放大器U1，該放大器負責對輸入信號簡單跟隨及反向并使信號幅度衰減1/2，再通過反沖器U2A向保持電容充電，該電容就保持了輸入脈沖的峰值信息。放電過程中，由U2B將峰值信號傳輸至ADC中進行量化處理，同時在此過程中在脈沖被展寬。A/D轉換結束后由芯片發(fā)送復位信號，保持電容由放電門控制清零。于是完成了一個脈沖信號的峰值采樣工作，進入下一個采樣狀態(tài)。圖2是電路各關鍵測試點的脈沖時序圖，TP1代表輸入信號反向并衰減1/2后的信號，TP2為過峰信號，輸入信號幅度大于閾值Vth，采樣保持電路開始工作，TP3為峰值保持信號，TP4為進入甄別器信號，TP5為延遲信號，啟動ADC變換，TP6為控制電容放點的延時開關信號。

圖2 模數變換電路信號時序圖

圖3 模數轉換硬件電路測試圖

1.2 A/D轉換電路

A/D轉換電路是將模擬量轉換為數字量的電路。為了滿足采樣速率，本文選用的模數轉換芯片是 TI公司生產的 16位高速、高精度ADS8322，該芯片內部采用二進制逐次比較型模數變換原理，最高采樣率為500KSPS。在核物理實驗中，一般采用512～1024道，因此文中在設計時只對高10位轉換結果進行顯示。接通芯片片選信號，峰值采樣保持電路輸出的脈沖信號ADCIN進入模數變換芯片ADS8322進行A/D變換，由 ADS8322進行轉換輸出的時序信號經SN74LVT16245鎖存后通過發(fā)光二極管顯示。

1.3 模數轉換測試電路

圖3為顯示在電路板焊接面背面，便于實驗教學過程中學生測試及觀察電路結構的硬件電路測試原理圖。本電路在設計時設置了必要的測試孔，可供學生測試各階段信號輸出波形，便于理解電路工作過程。同時電路轉換結果由發(fā)光二極管顯示，操作簡單，便于清楚地觀察模數轉換結果。

2 ADC測試結果

輸入信號的占空比:0.5

上升沿:1.953 1 μs

信號頻率為:f=1 MHz

改變輸入信號幅度，記錄發(fā)光二極管的顯示情況，二極管發(fā)光表示輸出為高電平，記為“1”;二極管不發(fā)光表示輸出為低電平，記為“0”，見表1。

表1 不同輸入信號電壓轉換結果

對表中數據進行直線擬合，擬合直線為y=178.15x+4.02，ADC 積分非線性為:0.16%。表明該ADC轉換結果滿足核物理實驗教學要求。

3 能譜測試

將該電路配合后續(xù)邏輯控制模塊以及PC軟件組成多道分析器，用NaI(Tl)晶體探測器測量137Cs，60Co混合源的γ射線能譜，得到能譜圖，如圖4所示。通過能譜分析得到137Cs源0.662 Mev全能峰能的量分辨率為8.4%，60Co 1.17 Mev、1.33 Mev全能峰的能量分辨率為:5.78%、5.40%，達到核物理實驗對能量分辨率的要求。

4 結 論

圖4 137Cs，60Co的γ射線能譜圖

針對大學核物理實驗教學，設計了一種模數轉換模塊，并在電路板上繪制出電路原理圖，便于學生理解模數變換的原理，同時不需要連接后續(xù)設備，發(fā)光二極管能夠直觀地顯示出轉換結果。此外，該電路板還能配合后續(xù)邏輯控制模塊以及PC軟件組成多道分析器，在能譜測量方面效果很好，完全滿足大學核物理實驗的要求。

［1］劉希民，熊鈺嵐，酈文忠.基于AD7492和P89LPC9000單片機的4096多道分析器設計［J］.蘇州大學學報:工科版，2011，31(3):35-38.

［2］陳磊，張凱，楊義軍.單片機控制數字光強檢測計的設計［J］.大學物理實驗，2009，12:37-40.

［3］丁衛(wèi)撐，王義，方方.一種實用多道脈沖幅度分析器［J］.核技術，2012，35(8):630-634.

［4］劉曉佳，朱兆優(yōu)，滿在剛.基于峰值保持器 PKD01的采樣保持電路［J］.電子元器件應用，2009，11(12):18-20.