基于S3C2440的多道脈沖幅度分析器硬件設(shè)計(jì)

摘要傳統(tǒng)的以單片機(jī)為核心的多道脈沖幅度分析器集成度低、軟硬件設(shè)計(jì)難度大、系統(tǒng)升級(jí)困難。文中介紹了一種以高性能32位嵌入式處理器S3C2440處理為核心的多道脈沖幅度分析器的硬件設(shè)計(jì)方案，電路主要包括甄別電路、峰值擴(kuò)展電路、控制電路和A／D轉(zhuǎn)換電路。甄別電路通過(guò)設(shè)定閾值去除低能噪聲信號(hào)，峰值檢測(cè)電路進(jìn)行輸入信號(hào)的峰位檢測(cè)和峰值擴(kuò)展，A／D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的模擬-數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。控制電精確控制了整個(gè)電路的工作時(shí)序。測(cè)試表明，該系統(tǒng)具備良好的微分非線性和積分非線性、速度快、穩(wěn)定性好、可用于實(shí)際工作。
關(guān)鍵詞多道脈沖幅度分析器；S3C2440；峰值檢測(cè)

多道脈沖幅度分析器是核輻射測(cè)量?jī)x器的一個(gè)重要組成部分，它將被測(cè)量的脈沖幅度范圍平均分為n個(gè)幅度間隔，然后測(cè)量輸入脈沖在每一個(gè)幅度間隔內(nèi)的計(jì)數(shù)值，最后得到輸入信號(hào)的脈沖幅度和相對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)的關(guān)系曲線。傳統(tǒng)的多道脈沖幅度分析器多是以51系列單片機(jī)為核心電路系統(tǒng)。由于單片機(jī)的處理能力有限，因此這種儀器需要上位機(jī)的軟件支持。這種上、下位機(jī)的設(shè)計(jì)方式也限定了系統(tǒng)的功能，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性。此外，單片機(jī)系統(tǒng)的低集成度也導(dǎo)致了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大，系統(tǒng)升級(jí)困難。文中提出了一個(gè)基于32位ARM 9核的S3C2440處理器的多道脈沖幅度分析器設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)可以對(duì)核信號(hào)進(jìn)行采集、分析、處理與顯示，是一個(gè)高集成度、高精度、低功耗、低成本的多道脈沖幅度分析系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，硬件電路主要由甄別電路、峰值檢測(cè)電路、A／D轉(zhuǎn)換電路和S3C2440外圍擴(kuò)展電路組成。系統(tǒng)工作原理：從核探測(cè)器輸出的核脈沖信號(hào)分為兩路。一路進(jìn)入甄別電路，該電路對(duì)信號(hào)的波形進(jìn)行選擇，通過(guò)設(shè)定輸入脈沖的閾值電壓，達(dá)到消除低能噪聲的目的。另一路信號(hào)進(jìn)入峰值擴(kuò)展電路，該電路檢測(cè)峰值到來(lái)時(shí)刻，并且對(duì)脈沖的波峰進(jìn)行展寬和保持到能適應(yīng)A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間的寬度。控制電路控制整個(gè)硬件電路的工作時(shí)序，精確啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。信號(hào)A／D轉(zhuǎn)換完成后，S3C2440使用中斷方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，將轉(zhuǎn)換結(jié)果作為地址值，并使該地址的計(jì)數(shù)值加1。一個(gè)輸入脈沖信號(hào)處理完畢后，S3C2440發(fā)出門控信號(hào)使控制電路恢復(fù)到初始狀態(tài)，以等待下一個(gè)脈沖的到來(lái)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)量后，即可以得到信號(hào)的脈沖一幅度曲線。S3C2440外圍接口電路的觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制和操作。LCD顯示屏用來(lái)顯示能譜曲線以及數(shù)據(jù)處理結(jié)果。數(shù)據(jù)信息可選存儲(chǔ)在USB設(shè)備中，以供計(jì)算機(jī)的后續(xù)處理。

2 主要硬件電路
2．1 甄別電路
甄別電路如圖2所示，采用高速比較器LM311實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)W2電壓分配器，可以設(shè)定脈沖的下限閾值。輸入信號(hào)從LM311的正輸入端輸入。根據(jù)比較器LM311特性：當(dāng)正輸入端電壓低于相輸入端電壓時(shí)，比較器輸出低電平。反之，當(dāng)正輸入端電壓高于設(shè)定的負(fù)向輸入端壓，則輸出高電平。在設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)節(jié)W2的值，可以設(shè)定一個(gè)閾值電壓，只有輸入脈沖高于此閾值電壓時(shí)，輸出端OUTA輸出一個(gè)高電平。
2．2 峰值檢測(cè)電路
峰值檢測(cè)電路如圖3所示，主要采用放大器CA3140和比較器LM311。峰值檢測(cè)電路可以檢測(cè)輸入脈沖峰值的到來(lái)時(shí)刻，并將輸入脈沖的峰頂進(jìn)行擴(kuò)展寬并保持一定時(shí)間，使A／D轉(zhuǎn)換器能正確地轉(zhuǎn)換脈沖電壓。

峰值擴(kuò)展工作原理：初始狀態(tài)模擬開(kāi)關(guān)J1斷開(kāi)，J2導(dǎo)通。輸入脈沖由從放大器正向輸入端輸入，當(dāng)脈沖信號(hào)處于上升沿，并且超過(guò)甄別電路的閾值電壓時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)J1斷開(kāi)，J2斷開(kāi)，二級(jí)管D2導(dǎo)通，負(fù)反饋回路接通。此時(shí)放大器相當(dāng)于電壓跟隨器，其輸出端的電壓等于輸入端的電壓，并且給電容C9充電。等輸入信號(hào)到達(dá)峰值后下降時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)J1導(dǎo)通，J2斷開(kāi)，以防止短時(shí)間內(nèi)過(guò)多的信號(hào)在電容C22上堆積，導(dǎo)致電路不能進(jìn)行峰值擴(kuò)展。放大器的反向端電壓大于正向電壓，輸出負(fù)信號(hào)，二極管D2截止，負(fù)反饋回路斷開(kāi)。此時(shí)電容C9上的電壓為峰值電壓。由于二極管的反向電阻和放大器的輸入阻抗都較大，電容C9不能通過(guò)二極管D2放電，實(shí)現(xiàn)了峰值擴(kuò)展的目的。二極管D1和電阻R5對(duì)輸出的負(fù)信號(hào)的幅度進(jìn)行一定了的限制，保證了放大器及整個(gè)峰值保持電路穩(wěn)定的工作。最后輸入信號(hào)通過(guò)放大器U6進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器。等后續(xù)的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，本電路復(fù)位，模擬開(kāi)關(guān)J1斷開(kāi)，J2導(dǎo)通，使電容C9快速放電，等待下一個(gè)脈沖信號(hào)到來(lái)。
峰位的檢測(cè)工作原理：在比較器U4中，輸入脈沖Vin從LM311負(fù)向輸入端輸入，峰值擴(kuò)展輸出的信號(hào)Vpeak從LM311的正向輸入端輸入。由于Vpeak是輸入脈沖Vin經(jīng)過(guò)峰值擴(kuò)展電路延時(shí)后的信號(hào)，因此，開(kāi)始時(shí)刻，Vin>Vpeak，此時(shí)輸出端輸出低電平。一旦輸入脈沖的峰值到來(lái)，則VinVpeak，此時(shí)LM311輸出高電平。