多道脉冲幅度分析器改进研究

范永胜 ， 周渊平 ， 田时海

（1.四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065；2.绵阳师范学院 数学与计算机科学学院，四川 绵阳 621000）3.四川大学 原子核科学与技术研究所，四川 成都 610065）

多道脉冲幅度分析仪是核探测中的常用仪器，它和CdZnTe等组合成和探测系统把和脉冲幅度转换成相应的道输以便测量[1-3]。现在多道脉冲幅度分析技术已经实现数字化，在将模拟核脉冲信号转换成数字信号及完成读写过程的时间内，如有信号脉冲到来，分析器不予以记录，从而产生漏计数，这一段时间称为忙时间（也有资料称为死时间，文中论述时觉得忙时间更能准确表述系统正忙于转换数据的含义，忙就添加设备，并行工作，故定义为忙时间）。

如果能有效地减小其忙时间，将会有效地减小漏计数的发生。现在采用的普遍的方式是采用高速A/D，但高速A/D其价格很昂贵，从而成本比较高。

1 多道脉冲幅度分析器忙时间形成原因分析

忙时间是多道分析器进行测量时在某一段时间内，漏计的全部信号脉冲所占用的时间。导致忙时间参数的主要因素是电路的A/D转换时间和数据存取所占用的时间[4]，图1是一个典型的多道脉冲幅度分析器的框图。

图1 幅度-道址变换及改进设计框图Fig.1 Amplitude-channel address transform and improved design block diagram

核信息脉冲由端口进入，经忙门同时进入触发器1和幅度积存保持电路。在输入脉冲持续期内，=0，一直关闭着幅度衰减开关，所以输入脉冲的峰值展宽了。当输入脉冲结束时，触发器 1 返回初态，Q¯0=1，幅度衰减开关被打开，Q1=1，或控门输出为0，忙门关闭，禁止再来的核信息脉冲输入，确保电路在进行A/D变换期间不受干扰。

幅度衰减控制开关被打开时刻，幅度Q¯0积存保持电路开始从峰位通过恒流放电电路放电，放电电流进入幅度—脉宽电路，得到与幅度成正比脉宽在进入反相放大电路变换成其等宽的数字脉冲，作为道址脉冲数控制门的开门信号。脉冲宽则通过道址脉冲数就多，反之则少。同时也用此脉冲继续关闭忙门。

道址码脉冲产生以后，还需要将输入的核信息脉冲数据写入到RAM的该道地址内，因此要W脉冲的后沿微分触发一单稳电路，产生写入脉冲信号，把数据写入RAM。同时，用写入脉冲再继续关闭忙门，直到写入完成。

从上面的原理分析可以看出，忙时间主要有3个方面的时间组成：1）幅度衰减的过程；2）道址变换的过程；3）道址码写入RAM的过程。可以用图2的波形来表示整个过程，其中TL为活时间，TD表示忙时间，TR表示真时间[5]。

图2 多道时间关系图Fig.2 Multi channel time diagram

2 多道脉冲幅度分析器忙时间的测量方法

在多道脉冲幅度分析器中，对忙时间的准确测量，可以有效的改进系统。我们的设计也是基于准确的测量。在文献[3]中，讨论了对忙时间的准确测量。其主要原理如图3所示，将一标准频率f的信号输进测量过程的所有忙时间区段内，再将进入这些区段内的脉冲个数总加起来，得到计数n，因每个脉冲的周期时间为Tk=1/f，则总的忙时间即为Td=nTk=n/f。在电路的实现中采用与门和6级10分频来进行测量[6]。

在文献[4]中减少了分频数，采用异或门的方式来实现[7]。

图3 多道脉冲幅度分析器忙时间数字测量原理图Fig.3 Multi channel pulse amplitude analyzer busy time digital measurement principle diagram

3 改进研究

3.1 改进的基本原理

根据上面的分析，对忙时间的贡献的3个方面，认为主要是前面2个方面：即幅度衰减的过程和道址变换的过程，而现在的高速RAM使得第3方面的贡献已经很小。

根据图2，可以得到图4的改进图。在图中可以看到，在两套系统并行工作的情况下，没有忙时间的重叠。在A路进入忙时间的时候，立刻启动B路进行系统脉冲宽度的计数。从而使得原来的系统由于转换的时候不得不关闭的忙门显得不再忙，当A路转换完毕的时候，B路还没有进入忙时间，所以不会影响系统的采集信号。可以大大地减少忙时间对系统的影响。

图4 多道脉冲幅度分析器改进原理图Fig.4 Schematic diagram of multichannel pulse amplitude analyzer improvement

3.2 设计的相应改进

方法1：采用定时器方式

为了适应两路采集和切换，采用了图1的框图（其中虚框中，A路和B路只是A路多了一个忙时间测量电路，其他完全一样），首先在忙门前面加一个受控的切换门，需要在电路中增加文献[5]或者文献[6]提到的忙时间测量电路，以便给分析器对不同的物质进行忙时间的准确测定。另外增加一个可编程定时器PIT，PIT的周期由忙时间切换电路提供，并有计算机计算获得。定时器控制切换门的切换。与这两套电路相配套的存储电路（寄存器）一必须是两套，也受定时器的控制，它们形成的脉冲计数靠软件来进行有序的拼接。

在实际的操作中，需要对不同的物质进行预扫描，以形成一个相对符合实际的一个忙时间周期，来控制定时器，进而控制切换门。这样可以根据不同的物质，形成不同周期的切换控制，增加它的灵活性。

图5 采用定时器改进方式的工作流程图Fig.5 Working flow chart of using the timer to improvement ways

方法2：忙门直接控制切换

前面的改进是基于对样品的预先扫描，来设定切换周期，为此要额外的付出一部分时间。另外一种改进的方式，不用定时器和忙时间测量电路，直接把忙门换成切换门，它的切换受控于或门。或门控制信号同时也控制存储电路的切换，以保存数据。但这个切换方式存在的主要问题是，每次采集的数据长度长短不一，会导致后期的数据拼接十分困难。

4 误差分析

核信号具有统计涨落的特性[8]，因此在设计中采用的周期性切换的方案具有一定的局限性，虽然采用了预扫描的方式形成周期，具有一定的科学性，但无法消除统计涨落的影响。在方法1中，核信号强的时候，方法一的周期切换也会使得一部分漏计数。也有可以在预先扫描的时候信号不强，但正是工作的时候有很强，会产生较大的漏计数；在方法2中，如有时候核信号很强，导致方法二切换频繁；而信号弱的时候，切换慢；另外在控制切换开关的切换过程中任然存在漏计数的问题；可以采用以下公式（1）进行误差修正，进一步减小漏计数。

其中C为总的由于切换引起的漏计数脉冲，Ti为计数切换的时间长度，Pi为单位时间内漏计数脉冲，N为总的切换次数，在这里切换时间是固定的，因此漏计数可以计算；

为了比较，建立了改进之前的漏计数脉冲计算公式为（2）。

其中Pc为总的漏计数，N为切换次数；TC为恒流放电时间，Te为高-宽时间，Tm为存储器访问时间，而Tc和Te由于核信号的统计特性，将变得有长有短，这两个时间之和也不固定，导致漏计数脉冲无法统计。

从上面的分析，可以得出结论，文中的改进设计在误差修正方面将更具优势。

5 结 论

文中讨论了多道脉冲幅度分析器忙时间的形成的原因，和测量的方法。提出了一种改善系统，降低系统忙时间的有效方案。能够方便灵活的改变控制系统的切换，减少系统的漏计数率。

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