CN214480520U - 一种用于α、β脉冲信号数字化处理的电路 - Google Patents
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Abstract
一种用于α、β脉冲信号数字化处理的电路，涉及放射性核素测量技术领域，包括模拟信号调节单元、ADC模块和数字化处理单元；模拟信号调节单元包括依次连接的电荷灵敏前置放大器、极零相消电路、信号放大器和基线恢复器；数字化处理单元包括成形模块、堆积判断模块和幅度测定模块，成形模块包括快成形模块和慢成形模块，快成形模块连接堆积判断模块，慢成形模块和堆积判断模块均连接幅度测定模块；基线恢复器的输出端连接ADC模块的输入端，ADC模块的输出端分别连接快成形模块及慢成形模块的输入端。与传统的甄别电路相比具有实时化、小型化、稳定性高的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及放射性核素测量技术领域，特别涉及一种用于α、β脉冲信号数字化处理的电路。
背景技术
传统的α、β信号模拟甄别方法主要由模拟电子学电路实现，依靠脉冲幅度分析器、时钟脉冲发生器完成触发、ADC(Analog-to-Digital Converter)和整形器完成测量，所有的过程需要人工反复调试才能完成，而新的粒子数字甄别方法则只需***前端就可以完成对能量和时间的测量，以及触发和波形记录，波形甄别过程则可以用相关软件进行，全过程不需要人工干涉。因此，传统模拟脉冲波形甄别方法的局限性越来越明显，数字化核脉冲波形甄别技术作为解决这一问题的有效途径，受到了人们的广泛关注。
α、β粒子的数字化甄别技术是将算法集成在数字化处理模块中，探测器输出信号经过数字化处理，根据信号的不同特征（幅度、波形等）甄别出不同粒子。
实用新型内容
针对上述现有技术中模拟脉冲波形甄别中所存在的缺陷，本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于α、β脉冲信号数字化处理的电路，具有实时化、小型化、稳定性高的优点。
为了解决上述的技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：一种用于α、β脉冲信号数字化处理的电路，包括模拟信号调节单元、ADC模块和数字化处理单元。
进一步来说，模拟信号调节单元包括依次连接的电荷灵敏前置放大器、极零相消电路、信号放大器和基线恢复器，所述电荷灵敏前置放大器外接有探测器。
进一步来说，数字化处理单元包括成形模块、堆积判断模块和幅度测定模块，成形模块包括快成形模块和慢成形模块，快成形模块连接堆积判断模块，慢成形模块和堆积判断模块均连接幅度测定模块。
进一步来说，基线恢复器的输出端连接ADC模块的输入端，ADC模块的输出端分别连接快成形模块及慢成形模块的输入端。
进一步来说，输入模拟信号调节单元的α、β脉冲信号通过电荷灵敏放大器、极零相消电路和基线恢复器调节后输出给ADC模块，由ADC模块进行模数转换后输入数字化处理单元进行数字化处理。
优选地，ADC模块采用型号为AD9235的芯片作为核心芯片。
优选地，电荷灵敏前置放大器由型号为2N4416的JFET管、型号为2N2904的三极管、两个型号为2N1711的三极管与电阻、电容连接构成；
优选地，信号放大器的芯片型号为AD8065ART。
优选地，数字化处理单元采用的芯片型号为EP4CE10E22C8。
优选地，电荷灵敏前置放大器的电源输入端外接探测器的高压电源模块。
进一步来说，探测器的信号输出端通过芯片2N4416的输入端连接模拟信号调节单元，模拟信号调节单元的输出端通过芯片AD9235BRU-65的VIN+引脚连接ADC模块，ADC模块的输出引脚D1-D11通过芯片EP4CE10E22C8的I/O接口连接数字化处理单元。
进一步来说，电荷灵敏前置放大器外接探测器用于将输出的电流脉冲信号转换为指数型电压脉冲信号，指数型电压脉冲信号通过极零相消电路去除下冲后输入信号放大器用于信号放大和滤波成形，并通过基线恢复器跟踪基线的变化用于通过记录、处理信号到达前后的基线电平得到ADC模块的输入信号电平；信号电平通过ADC模块转换成数字化脉冲信号；数字化脉冲信号输入数字化处理单元分成两路信号，一路信号通过快成形模块输入堆积判断模块，堆积判断模块用于提取脉冲的时间信息并产生控制信号输入幅度测定模块，控制信号用于控制幅度测定模块实现基线采集、峰值采集、幅度测定；另一路信号通过慢成形模块输入幅度测定模块，通过幅度测定模块用于根据基线值和峰值测定幅度值并输出。
本实用新型所取得的有益效果在于：将探测器输出的信号经过模拟信号调节单元中的电荷灵敏前置放大器输出指数型电压信号，然后对指数型电压信号进行处理，再通过ADC模块转换为数字化脉冲信号，最后输入数字化处理单元进行处理测定出幅度；结合现有技术的脉冲幅度甄别方法根据信号的不同幅度甄别出不同粒子，实现了对α、β脉冲信号进行数字化处理甄别分析和测量；与传统的甄别电路相比具有实时化、小型化、稳定性高的优点。
附图说明
图1为本实施例的信号处理的原理框图；
图2为本实施例中模拟信号调节单元中的电荷灵敏前置放大器图；
图3为本实施例中模拟信号调节单元的电路图；
图4为本实施例中ADC模块的电路图；
图5为本实施例中数字化处理单元的电路图；
图6为本实施例中数字化处理单元的电源配置电路图
图7为本实施例中高压电源模块的电路图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
如图1所示，一种用于α、β脉冲信号数字化处理的电路，包括模拟信号调节单元、ADC模块和数字化处理单元。
具体来说，模拟信号调节单元的功能是将从探测器输出的信号经过幅度放大、基线调整后，转换成满足后续ADC及数字化成形电路的信号。模拟信号调节单元包括依次连接的电荷灵敏前置放大器、极零相消电路、信号放大器和基线恢复器；电荷灵敏前置放大器输出的信号容易发生堆积和出现下冲。为了消除这种现象，采用极零相消电路和基线恢复器改善波形，消除RC（Resistor-Capacitance）电路产生的下冲等，设置信号基线，使信号满足ADC对基线的要求。
具体来说，ADC模块是信号经过模拟信号调节单元后，进入数字化处理单元之前必备的模块。它将从模拟信号调节单元输出的核脉冲信号采样为数字信号，形成数字化脉冲信号，再输入给数字化处理单元进行数字化处理。
具体来说，数字化处理单元包括成形模块、堆积判断模块和幅度测定模块，成形模块包括快成形模块和慢成形模块，快成形模块连接堆积判断模块，慢成形模块和堆积判断模块均连接幅度测定模块；其快成形模块成形参数小，则用来提取脉冲的时间信息，将指数信号转换为较窄的梯形脉冲信号，抗噪声能力弱；慢成形模块成形参数大，主要用于提取基线和梯形平顶的峰值，将指数信号转换为较宽的梯形脉冲信号，有较强的抗噪声能力。
下面以甄别α、β脉冲信号作为具体的实施例对本实用新型做进一步说明。
具体来说，α、β信号甄别主要是利用不同入射粒子入射到探测器后输出的信号不同，根据信号的差异来进行甄别的。α、β信号甄别主要有脉冲幅度甄别和脉冲形状甄别两种方法。
在本实施例中，探测器选用PIPS探测器，因为PIPS探测器输出的α、β信号波形在脉冲形状上的区别并不大，且PIPS探测器是一种能谱分辨率高的探测器，特别是在高能端的能谱分辨率，α粒子是带一种正电的高能粒子，因此容易测定出在α、β测量时α粒子的计数率。因此在本实施例中使用脉冲幅度甄别法区分α、β信号。
具体来说，利用α信号和β信号的能量差异，经过模拟信号调节单元转换成指数型电压信号后，通过ADC模块转换成数字化信号输入到数字化处理单元中进行信号处理、幅度测定进行幅度甄别。
将被测量的脉冲信号按照幅度范围平均分成n个幅度间隔，在本实施例中幅度处理时分成了1024个幅度间隔，然后测定在每一个“幅度间隔”内的脉冲个数，最后得到输入信号的脉冲幅度分布曲线。由于α信号的脉冲幅度比较大，β信号的脉冲幅度比较小，因此可以在α、β粒子的脉冲信号经过脉冲幅度分析后得到的脉冲幅度分布曲线上区分出α、β粒子。
具体来说，PIPS探测器输出的电荷信号很小，极易受到电磁场的干扰，线路上的长距离传输会将产生大量的电子学噪声干扰，这些干扰的幅度可能远大于探测器本身的信号；因此需要在PIPS探测器附近加入电荷灵敏前置放大器，对探测器信号进行一级处理，可以减少探测器信号丢失概率。电荷灵敏前置放大器主要由型号为2N4416的JFET管、型号为2N2904的三极管、两个型号为2N1711的三极管与电阻、电容连接搭建而成，如图2所示。采用JFET管作为第一级放大，其输入阻抗大，漏极电流I DSS 最大能到10mA, 低频跨导最大7500uS。
如图3所示，选择型号是AD8065ART的芯片作为信号放大器的芯片。AD8065ART是FET输入放大器，从其产品手册中可以了解到，其带宽为145Hz，压摆率为180V/S，共模抑制比为-100dB，每个放大器的功耗为6.4mA，具有噪声小、输入阻抗高、高速及功耗低等优势。电荷灵敏前置放大器输出的指数型电压信号经过信号放大器放大和滤波成形，以使信号的幅度范围满足后续电路中ADC的采样范围。信号放大器的输出信号幅度应该与输入信号成正比，具有良好的线性和增益稳定性。
又因为电荷灵敏前置放大器输出的信号是呈指数衰减的脉冲信号，不是阶跃信号，这种信号容易产生堆积，为了减少堆积，需要对信号进行微分。经过微分电路后，一个指数衰减脉冲信号的波形会产生下冲现象。下冲会导致放大器的阻塞，因而在恢复时间中无法计数；所以需要通过极零相消电路去除波形下冲现象来改善输出波形。
具体来说，基线恢复器的作用是消除基线偏移和涨落。脉冲信号在信号经放大和滤波处理后，会因为***的冲击响应产生延缓衰减的尾部，这种尾部堆积会引起基线偏移。基线恢复器通过跟踪基线的变化，记录信号到达前后的基线电平，通过处理得到能输入ADC模块的的信号电平。
具体地极零相消电路与基线恢复器是模拟信号处理的常用技术手段，在本实施例中不再赘述。
在本实用新型中ADC模块是重要的组成部分，因此ADC模块芯片的选择十分重要。数字信号处理电路在进行数据处理之前，需要先将从模拟信号调节单元输出的信号离散化，形成数字化脉冲信号，再进行处理。ADC模块的器件选择直接影响着数字信号处理的采样速度和精度。为了避免经过ADC模块采样后出现混叠信号，需要采用高速的ADC芯件，提高采样的频率，尽可能完整保留信号中的高频信息，因此，本实施例中ADC模块采用型号为AD9235的芯片作为核心芯片。12位的AD9235芯片，其采样率为20MSPS，当一个核脉冲信号脉宽为2μs时，可以采样40个点。本实施例中ADC模块的电路原理图如图4所示。
具体来说，本实用新型中的数字化处理单元具有集成度高、逻辑设计能力强、并行处理速度快、功耗低等优点，用数字化处理单元来进行核脉冲信号处理算法会使处理器的负担大大减轻，***死区时间降低，***的计数通过率提高。采用数字化处理单元进行信号数字化处理的作用是将ADC模块采样获得的数字化脉冲信号最终测定并输出幅度值。
输入数字化处理单元的信号分成两路信号，一路信号通过快成形模块输入堆积判断模块，堆积判断模块通过产生用于控制幅度测定模块实现基线采集、峰值采集、幅度测定的控制信号输入幅度测定模块，另一路信号通过慢成形模块输入幅度测定模块，通过幅度测定模块用于提取基线值和峰值测定幅度，幅度测定模块输出幅度，幅度通过通信模块输入PC端。
具体来说，快成形模块和慢成形模块可以是快成形电路与慢成形电路，快成形电路与慢成形电路是属于现有技术，在本实施例中不再赘述。
优选地，数字化处理单元采用需要***电路的EP4CE10E22C8芯片，***电路包括：晶振电路、下载电路和配置电路，具体如图5、6所示，本领域技术人员知道该芯片需要经过编程、封装才能使用，因此，在本实施例中不再赘述。
在本实施例中，电荷灵敏前置放大器的电源输入端外接探测器的高压电源模块，电源影响着整个***的稳定性能，要求稳定可靠，且精度高、纹波小。在α、β粒子信号测量***中，其灵敏度、计数率、信噪比等指标受电源的精度和纹波的影响很大。在本实施例中PIPS探测器高压选择+70V，这样有利于提高能力分辨率，稳定的电源是***正常工作的基础。为了获得更好的探测结果，电源高压模块需要非常低的纹波，故选择集成高压模块，并在其基础上加入多级滤波电路，以确保将纹波噪声和电源扰动降低到足够小的范围内，尽可能高的发挥出PIPS探测器的性能。
探测器信号非常微弱，需要电荷灵敏前置放大器具有非常高的放大倍数，而极高的放大倍数也会同时将电源扰动进行放大，这就要求给电荷灵敏前置放大器供电的电源要尽可能稳定，纹波要非常小。鉴于此，本实施例选用输入电压宽、体积小便于集成、稳压噪声低的型号为TPS7A3001和TPS7A4901的极低噪声稳压芯片作为核心芯片。探测器高压模块的电路图如图7所示。
电荷灵敏前置放大器外接探测器用于将探测器输出的信号转换为指数型电压信号，然后对指数型电压信号进行处理，再通过ADC模块转换为数字化脉冲信号，最后输入数字化处理单元进行处理测定出幅度；与传统的甄别电路相比具有实时化、小型化、稳定性高的优点。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。
Claims (8)
1.一种用于α、β脉冲信号数字化处理的电路，其特征在于：包括模拟信号调节单元、ADC模块和数字化处理单元；
所述模拟信号调节单元包括依次连接的电荷灵敏前置放大器、极零相消电路、信号放大器和基线恢复器，所述电荷灵敏前置放大器外接有探测器；
所述数字化处理单元包括成形模块、堆积判断模块和幅度测定模块，所述成形模块包括快成形模块和慢成形模块，所述快成形模块连接堆积判断模块，所述慢成形模块和堆积判断模块均连接幅度测定模块；
所述基线恢复器的输出端连接ADC模块的输入端，所述ADC模块的输出端分别连接快成形模块及慢成形模块的输入端；
输入所述模拟信号调节单元的α、β脉冲信号通过电荷灵敏放大器、极零相消电路和基线恢复器调节后输出给ADC模块，由所述ADC模块进行模数转换后输入数字化处理单元进行数字化处理。
2.根据权利要求1所述的用于α、β脉冲信号数字化处理的电路，其特征在于：所述ADC模块采用型号为AD9235的芯片作为核心芯片。
3.根据权利要求1所述的用于α、β脉冲信号数字化处理的电路，其特征在于：所述电荷灵敏前置放大器由型号为2N4416的JFET管、型号为2N2904的三极管、两个型号为2N1711的三极管与电阻、电容连接构成。
4.根据权利要求1所述的用于α、β脉冲信号数字化处理的电路，其特征在于：所述信号放大器的芯片型号为AD8065ART。
5.根据权利要求1所述的用于α、β脉冲信号数字化处理的电路，其特征在于：所述数字化处理单元采用的芯片型号为EP4CE10E22C8。
6.根据权利要求1所述的用于α、β脉冲信号数字化处理的电路，其特征在于：所述电荷灵敏前置放大器的电源输入端外接探测器的高压电源模块。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的用于α、β脉冲信号数字化处理的电路，其特征在于：所述探测器的信号输出端通过芯片2N4416的输入端连接模拟信号调节单元，所述模拟信号调节单元的输出端通过芯片AD9235BRU-65的VIN+引脚连接ADC模块，所述ADC模块的输出引脚D1-D11通过芯片EP4CE10E22C8的I/O接口连接数字化处理单元。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的用于α、β脉冲信号数字化处理的电路，其特征在于：
所述电荷灵敏前置放大器外接探测器用于将探测器输出的电流脉冲信号转换为指数型电压脉冲信号，所述指数型电压脉冲信号通过极零相消电路去除下冲后输入信号放大器用于信号放大和滤波成形，并通过基线恢复器跟踪基线的变化用于通过记录、处理信号到达前后的基线电平得到ADC模块的输入信号电平；
所述信号电平通过ADC模块转换成数字化脉冲信号；
所述数字化脉冲信号输入数字化处理单元分成两路信号，一路信号通过快成形模块输入堆积判断模块，所述堆积判断模块用于提取脉冲的时间信息并产生控制信号输入幅度测定模块，所述控制信号用于控制幅度测定模块实现基线采集、峰值采集、幅度测定；另一路信号通过慢成形模块输入幅度测定模块，通过所述幅度测定模块用于根据基线值和峰值测定幅度值并输出。
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| CN117749130A (zh) * | 2023-11-30 | 2024-03-22 | 西安朗弘核仪器有限公司 | 一种核脉冲快衰减电路装置 |
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