CN104123473A - 时域内核脉冲信号放大电路的数值分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时域内核脉冲信号放大电路的数值分析方法，其步骤：A、基于反相放大电路或同相放大电路，运用基尔霍夫电流定律建立节点的电流传递方程；B、传递方程经过形式变换后，输入与输出之间函数关系被表示为一阶微分方程；C、运用数值微分法求解该方程，从而得到反相放大或同相放大电路的数值模型。本方法提出了一种新的在时域内建立核脉冲信号放大电路数值模型的方法，可以实现时域内对输入的核脉冲信号进行脉冲形状、脉冲宽度和脉冲幅度的分析和控制。此外，对于实际核脉冲信号放大电路的设计与测试，该数字化模型具有良好的实际指导意义，提升了实际电路设计的工作效率，增强了电子元器件选择上目标性。

Description

时域内核脉冲信号放大电路的数值分析方法

技术领域

本发明涉及时域内的核脉冲信号处理技术，尤其是核脉冲信号放大电路的数值分析方法。

背景技术

核辐射测量中，放大器有两种形式，一是前置放大器，二是主放大器。前置放大器被尽可能近地同探测器放置在一起，以减少探测器输出端到放大器输入端之间的分布电容的影响，提高信噪比以及减少外界干扰。主放大器被用来将前置放大器的输出信号作进一步放大和成形，同时保持探测器输出的有用信息，如射线的能量信息和时间信息等，尽可能减少它们的失真。

前置放大器和主放大器的设计往往以运算放大器为基础。通过将运算放大器、电阻和电容等进行组合，并引入反馈组成反相放大电路和同相放大电路等常用电路，从而实现对核信号的滤波、放大以及成形等功能。根据设计的电路，可以建立微分方程，但由于核信号具有统计涨落的特点，在时域内不能得到微分方程的解析解。通常，对前置放大器和主放大器的数字分析往往是通过拉普拉斯变换、傅里叶变换或小波变换等纯数学处理，从时域转换到频域中，再进行相关的数字分析。但是，频域内的分析不能体现核脉冲信号在时域内的相关重要特点，如脉冲宽度、脉冲形状和脉冲幅度等。

发明内容

本发明的目的是提供一种时域内核脉冲信号放大电路的数值分析方法，该方法克服了传统的拉普拉斯变换、傅里叶变换或小波变换等数学分析方法的诸多不足，进而在时域内对核脉冲信号的宽度、形状和幅度进行独立的分析与控制，从而为实际核脉冲信号放大电路的设计与测试提供指导与参考。

本发明的技术方案为：一种时域内核脉冲信号放大电路的数值分析方法，其步骤：A、基于反相放大电路或同相放大电路，运用基尔霍夫电流定律建立节点的电流传递方程；B、传递方程经过形式变换后，输入与输出之间函数关系被表示为一阶微分方程；C、运用数值微分法求解该方程，从而得到反相放大或同相放大电路的数值模型。

本发明具有如下优点：1.在***研究方法上，建立了核脉冲信号放大电路时域内的数值模型；2.在电路功能上，主要完成核脉冲信号放大电路输出信号的宽度、形状和幅度综合分析，并通过计算机仿真给出了仿真测试结果；3.在电路性能上，通过分析仿真测试结果，数值模型对输入信号进行放大的同时对噪声等干扰信号由明显的抑制。

附图说明

图1反相放大电路。

图2同相放大电路。

图3反相放大电路数值模型仿真波形图。

图4同相放大电路数值模型仿真波形图。

具体实施方式

一种时域内核脉冲信号放大电路的数字值分析方法：

对于反相放大电路：

图1中标记一个节点，根据基尔霍夫电流定律建立如式⑴～⑵的2个传递方程。

$\frac{v_i-v_n}{R_1}=\frac{v_n-v_o}{R_f}+C\·\frac{d(v_n-v_o)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

v_n＝v_p＝0    ⑵

由⑴，⑵式可得⑶式，

$v_i\·\frac{\mathrm{dt}}{R_1\·C}=-v_o\·\frac{\mathrm{dt}}{R_f\·C}-{\mathrm{dv}}_o---\left(3\right)$

由于核脉冲信号具有统计涨落的特点，对于⑶式，运用连续函数求解方法不能得到输出信号的解析解。为了能够在时域里面对电路进行分析，将输入、输出的模拟信号转换成具有一定时间间隔(由ADC采样频率决定)的离散序列，即令v_i＝x[n]，v_o＝y[n]，dt＝Δt，其中，Δt为时间间隔，Δt＝1/f，f为ADC的采样频率，则⑶式可表示为：

$x\left[n\right]\·\frac{\mathrm{\Δt}}{R_1\·C}=-y\left[n\right]\·\frac{\mathrm{\Δt}}{R_f\·C}-\left(y\right[n]-y[n-1\left]\right)---\left(4\right)$

令则⑷式可等价表示为：

$\left\{\begin{array}{cc}y\left[n\right]=\frac{y[n-1]-k_1\·x\left[n\right]}{1+k_2}& n\≥1\\ y\left[n\right]=x\left[n\right]=0& n\≤0\end{array}\right.---\left(5\right)$

对于同相放大电路：

图2中标记一个节点，根据基尔霍夫电流定律建立如式⑹～⑺的2个传递方程。

$\frac{v_n}{R_2}=\frac{v_o-v_n}{R_f}+C\·\frac{d(v_o-v_n)}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

v_n＝v_p＝v_i    ⑺

由式⑹，⑺可建立输入与输出的等式关系：

$v_i\·(\frac{\mathrm{dt}}{R_2\·C}+\frac{\mathrm{dt}}{R_f\·C})+{\mathrm{dv}}_i=v_o\·\frac{\mathrm{dt}}{R_f\·C}+{\mathrm{dv}}_o---\left(8\right)$

令v_i＝x[n]，v_o＝y[n]，dt＝Δt，则⑻式可等价表示为：

$\left\{\begin{array}{cc}y\left[n\right]=\frac{(1+k_1+k_2)\·x\left[n\right]-x[n-1]+y[n-1]}{1+k_2}& n\≥1\\ y\left[n\right]=x\left[n\right]=0& n\≤0\end{array}\right.---\left(9\right)$

式⑸和式⑼分别是图1中反相放大电路和图2同相放大电路的数值递推模型。输出信号的脉冲宽度和脉冲形状随着参数k₁和k₂的变化而变化，当数字化转换器件选定后，Δt也随之被确定，k₁和k₂的变化就只与电路中的电阻值R₁、R₂和电容值C有关。此时，通过调整它们的选择值，可以得到不同的输出信号，从而实现时域内对输出信号进行宽度、形状和幅度的分析。

如图3所示，反相放大电路数值模型仿真波形图。

如图4所示，同相放大电路数值模型仿真波形图。

可以看出，通过选择放大电路数值模型的控制参数k₁和k₂，可以控制输出信号的幅度、宽度和形状。同时，参数k₁和k₂中引入了电容C起到滤波作用，对输入信号噪声起到了抑制作用，从而提高输出信号的信噪比。

Claims (1)

1.一种时域内核脉冲信号放大电路的数字化分析方法，其步骤：A、基于反相放大电路或同相放大电路，运用基尔霍夫电流定律建立节点的电流传递方程；B、传递方程经过形式变换后，输入与输出之间函数关系被表示为一阶微分方程；C、运用数值微分法求解该方程，从而得到反相放大或同相放大电路的数字化模型。