可程控核能譜信號(hào)放大器設(shè)計(jì)

摘要：為了提高能譜測(cè)量系統(tǒng)中放大成形部分的靈活性，采用單片機(jī)控制DAC與一級(jí)放大結(jié)合的方法，研制一種放大倍數(shù)可程控的核能譜信號(hào)放大器，使其能同時(shí)適用于X熒光儀，伽瑪譜儀等核能譜測(cè)量?jī)x器，實(shí)現(xiàn)0～100倍程控放大。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)電路完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞：核能譜信號(hào)；程控放大；濾波成形；DAC

0 引言
    核能譜放大器是能譜測(cè)量系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響整個(gè)能譜測(cè)量系統(tǒng)的分辨率。本文對(duì)傳統(tǒng)的核能譜信號(hào)放大器的不足之處進(jìn)行了改進(jìn)：傳統(tǒng)的核信號(hào)處理儀器放大倍數(shù)固定、不能靈活地變換信號(hào)放大倍數(shù)，放大電路都是針對(duì)具體的探測(cè)器設(shè)計(jì)，不具有通用性，本設(shè)計(jì)針對(duì)這一問(wèn)題應(yīng)用一級(jí)固定放大倍數(shù)電路結(jié)合DAC轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)單片機(jī)可程控放大倍數(shù)，使核能譜信號(hào)放大器的放大倍數(shù)靈活變換，用戶可根據(jù)需求自行設(shè)置處理；本設(shè)計(jì)采用高速的12位DAC芯片設(shè)計(jì)方案，使系統(tǒng)具有高集成度、低功耗等特點(diǎn)，提高了核信號(hào)處理時(shí)脈沖的通過(guò)率，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確地對(duì)處理后信號(hào)進(jìn)行程控放大，提升了儀器性能。
    基于譜儀放大器的改進(jìn)空間，本文設(shè)計(jì)研制一種通用的、放大倍數(shù)可程控的核能譜信號(hào)放大器，使其能同時(shí)適用于X熒光儀，伽瑪譜儀等核能譜測(cè)量?jī)x器，具有通用性。該放大器如進(jìn)一步融合信號(hào)采集(A／D轉(zhuǎn)換)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)可構(gòu)成一個(gè)功能完備的核能譜信號(hào)處理系統(tǒng)。

1 電路基本組成
    該電路主要包括濾波成形，程控放大，基線消除等三部分。其中濾波成形電路包括極零相消，四級(jí)巴特沃斯濾波電路，極性選擇電路；程控放大電路包括一級(jí)20倍放大和12位DAC程控放大電路；基線消除電路包括去除直流電路，反相電路及電壓跟隨電路，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 單元電路原理分析
2．1 極零相消
    信號(hào)輸入端接入極零相消電路可以消除對(duì)探頭信號(hào)進(jìn)行微分時(shí)所引起的下?lián)?，使脈沖單調(diào)地回到基線，它改善了計(jì)數(shù)率過(guò)載和脈沖幅度疊加的效應(yīng)，適用于高分辨率和高計(jì)數(shù)率的譜儀系統(tǒng)。圖2為設(shè)計(jì)電路及實(shí)驗(yàn)測(cè)試信號(hào)圖。

2．2 濾波成形
    電路采用兩個(gè)二階巴特沃斯濾波電路級(jí)聯(lián)成四階巴特沃斯濾波電路。用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的二階低通Butterworth濾波電路，直接采用頻域分析方法得到：
   
    式中：k相當(dāng)于同相放大器的電壓放大倍數(shù)，叫做濾波器的通帶增益；Q為品質(zhì)因數(shù)；ω0為特征角頻率。圖3為濾波成形部分電路設(shè)計(jì)原理圖，圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

2．3 程控放大
    此電路采用一級(jí)100倍固定放大和DAC程控可調(diào)倍數(shù)放大兩部分。一級(jí)放大采用運(yùn)算放大器正反饋。DAC程控可調(diào)倍數(shù)放大部分，通過(guò)單片機(jī)控制12位高速DAC芯片，利用DAC內(nèi)部精密電阻網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)放的反饋電阻提高了放大精度，實(shí)現(xiàn)1～1 000倍可程控放大。輸出電壓：
   
    式中D取值范圍為：0～4 095。
    DAC程控放大電路如圖5所示。

2．4 基線消除
    基線消除電路先將成形后的核脈沖信號(hào)輸入一階低通濾波電路取出直流分量，再與原信號(hào)相減實(shí)現(xiàn)去除直流分量的作用。電路實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

3 主要性能指標(biāo)
    將本文設(shè)計(jì)的可程控核能譜信號(hào)放大電路通過(guò)制板、焊接、調(diào)試后，電源采用7～20 V的穩(wěn)壓電源，電路將其轉(zhuǎn)為所需+5 V，-5 V，信號(hào)輸入端通過(guò)極零相消電路，經(jīng)調(diào)試對(duì)不同輸入(X熒光和伽馬射線)的頻率要求改變R，C值實(shí)現(xiàn)極零相消其后接入的一級(jí)放大和核信號(hào)的成形濾波，輸出的信號(hào)為準(zhǔn)高斯波形，脈沖的頂部平坦，通過(guò)單片機(jī)控制DAC工作，經(jīng)測(cè)試達(dá)到了可程控信號(hào)0～100倍的放大，完全實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。圖7為最終測(cè)試輸出波形。

4 結(jié)論
    本文設(shè)計(jì)的可程控核能譜信號(hào)放大器經(jīng)過(guò)分析設(shè)計(jì)及電路的制板、焊接和調(diào)試，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，達(dá)到了對(duì)能譜信號(hào)進(jìn)行濾波成形、0～100倍程控放大的設(shè)計(jì)要求。
    該設(shè)計(jì)可通用于X熒光和伽瑪能譜測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求的通用性和靈活性，對(duì)比傳統(tǒng)的核信號(hào)放大成形，本文設(shè)計(jì)的可程控信號(hào)放大器還具有低功耗、硬件易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代核信號(hào)處理方面的設(shè)計(jì)要求。