可程控核能谱信号放大器设计

摘要：为了提高能谱测量系统中放大成形部分的灵活性，采用单片机控制DAC与一级放大结合的方法，研制一种放大倍数可程控的核能谱信号放大器，使其能同时适用于X荧光仪，伽玛谱仪等核能谱测量仪器，实现0～100倍程控放大。试验测试结果表明，设计电路完全达到设计指标要求。
关键词：核能谱信号；程控放大；滤波成形；DAC

0 引言
    核能谱放大器是能谱测量系统的重要组成部分，其性能直接影响整个能谱测量系统的分辨率。本文对传统的核能谱信号放大器的不足之处进行了改进：传统的核信号处理仪器放大倍数固定、不能灵活地变换信号放大倍数，放大电路都是针对具体的探测器设计，不具有通用性，本设计针对这一问题应用一级固定放大倍数电路结合DAC转换实现单片机可程控放大倍数，使核能谱信号放大器的放大倍数灵活变换，用户可根据需求自行设置处理；本设计采用高速的12位DAC芯片设计方案，使系统具有高集成度、低功耗等特点，提高了核信号处理时脉冲的通过率，实现了准确地对处理后信号进行程控放大，提升了仪器性能。
    基于谱仪放大器的改进空间，本文设计研制一种通用的、放大倍数可程控的核能谱信号放大器，使其能同时适用于X荧光仪，伽玛谱仪等核能谱测量仪器，具有通用性。该放大器如进一步融合信号采集(A／D转换)技术和数字信号处理(DSP)技术可构成一个功能完备的核能谱信号处理系统。

1 电路基本组成
    该电路主要包括滤波成形，程控放大，基线消除等三部分。其中滤波成形电路包括极零相消，四级巴特沃斯滤波电路，极性选择电路；程控放大电路包括一级20倍放大和12位DAC程控放大电路；基线消除电路包括去除直流电路，反相电路及电压跟随电路，结构框图如图1所示。

2 单元电路原理分析
2．1 极零相消
    信号输入端接入极零相消电路可以消除对探头信号进行微分时所引起的下击，使脉冲单调地回到基线，它改善了计数率过载和脉冲幅度叠加的效应，适用于高分辨率和高计数率的谱仪系统。图2为设计电路及实验测试信号图。

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2．2 滤波成形
    电路采用两个二阶巴特沃斯滤波电路级联成四阶巴特沃斯滤波电路。用运算放大器设计的二阶低通Butterworth滤波电路，直接采用频域分析方法得到：
   
    式中：k相当于同相放大器的电压放大倍数，叫做滤波器的通带增益；Q为品质因数；ω0为特征角频率。图3为滤波成形部分电路设计原理图，图4为实验测试结果。

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2．3 程控放大
    此电路采用一级100倍固定放大和DAC程控可调倍数放大两部分。一级放大采用运算放大器正反馈。DAC程控可调倍数放大部分，通过单片机控制12位高速DAC芯片，利用DAC内部精密电阻网络作为运放的反馈电阻提高了放大精度，实现1～1 000倍可程控放大。输出电压：
   
    式中D取值范围为：0～4 095。
    DAC程控放大电路如图5所示。

2．4 基线消除
    基线消除电路先将成形后的核脉冲信号输入一阶低通滤波电路取出直流分量，再与原信号相减实现去除直流分量的作用。电路实现如图6所示。

3 主要性能指标
    将本文设计的可程控核能谱信号放大电路通过制板、焊接、调试后，电源采用7～20 V的稳压电源，电路将其转为所需+5 V，-5 V，信号输入端通过极零相消电路，经调试对不同输入(X荧光和伽马射线)的频率要求改变R，C值实现极零相消其后接入的一级放大和核信号的成形滤波，输出的信号为准高斯波形，脉冲的顶部平坦，通过单片机控制DAC工作，经测试达到了可程控信号0～100倍的放大，完全实现了设计要求。图7为最终测试输出波形。

4 结论
    本文设计的可程控核能谱信号放大器经过分析设计及电路的制板、焊接和调试，经实验证明，达到了对能谱信号进行滤波成形、0～100倍程控放大的设计要求。
    该设计可通用于X荧光和伽玛能谱测量系统，实现了设计要求的通用性和灵活性，对比传统的核信号放大成形，本文设计的可程控信号放大器还具有低功耗、硬件易于小型化等优点，实现了现代核信号处理方面的设计要求。