[发明专利]一种具有稳谱功能的多通道数字化谱仪

说明书

技术领域

 本发明涉及核辐射探测技术领域，具体涉及核辐射探测装置后端电子学中的核脉冲信号数字化谱仪。

背景技术

在核辐射探测技术领域，能谱测量是一项关键测量技术，由于射线能谱中包含有丰富的核素信息，用户能够利用这些信息分辨核素种类，并确定各种核素的含量，因此能谱测量正越来越广泛地应用于各种辐射监测应用中。在实际使用中，能谱测量由各种类型的能谱仪器实现，这些仪器的功能和性能指标直接决定了所测量能谱的优劣。

目前国内外所使用的谱仪装置仍然以模拟多道谱仪居多，在这种类型的谱仪中模拟电路所占的比例比较大，信号调理、堆积拒绝、基线恢复和峰值保持等功能的实现都由模拟电路来完成，最后才由模数转换器（ADC）转换为数字信号供后端电路处理。由于响应慢，这种类型的谱仪难以处理高计数率的核脉冲信号，而且由于模拟电路的限制，各种复杂的滤波器也难于在其中实现。

数字化谱仪是一种相对较新的谱仪类型，其电路组成主要以数字电路为主，模拟脉冲信号由ADC转换为数字信号后，原有的各种处理功能由后端的数字电路来实现，谱仪所具有的功能和性能指标取决于ADC的前端设计和后端数字电路的性能。

发明内容

为了克服模拟多道谱仪的不足，扩充已有谱仪的功能和性能指标，本发明提供了一种具有稳谱功能的多通道数字化谱仪，主要应用于核辐射探测中各种类型能谱的数据采集。本发明利用了全新的前端模拟电路设计和高速高精度ADC，具有四个相互独立的能谱分析通道，大大提高了数字化谱仪的处理速度，并且最多能够同时连接四个能谱型探测器，使其应用范围更加广泛。

本发明的目的是通过如下技术措施来实现的：一种具有稳谱功能的多通道数字化谱仪，包括前端模拟电路、高速高精度ADC电路、高速FPGA电路和通信模块四个部分。四部分之间以串行方式连接，核脉冲信号由前端模拟电路进入谱仪，经过信号调理之后进入ADC转化电路，由ADC转化电路完成模拟信号的数字化转换，之后数字信号进入FPGA电路进行数字信号处理，处理结果经通信模块传输到计算机之中； 所述FPGA电路根据计算结果向前端模拟电路提供增益控制信号，并接受前端模拟电路中高速比较器的比较结果。四个部分相互配合，使整套谱仪在已有谱仪的基础之上具有五项功能：（1）能够以12位精度、100M采样率连续不断采样脉冲信号；（2）具有多量程输入范围；（3）能够同时接收四个通道的能谱信号；（4）每个通道都能够根据后端数据处理自动稳谱；（5）必要时每个通道都能够进入休眠模式以降低功耗。

在上述技术方案中，所述前端模拟电路是整个设计的主要创新之处，稳峰功能也主要由该部分实现。前端模拟电路由四个独立的输入通道构成，每两个通道在模拟电路后端共用一个差分放大器和高速比较器。每个通道主要由衰减器、VGA（可调增益放大器）、差分放大器和高速比较器构成。核脉冲信号由衰减器输入谱仪，VGA的增益受后端FPGA电路的控制，高速比较器的比较信号输出给后端FPGA电路，差分放大器的输出信号直接输入到ADC。

在上述技术方案中，所述高速高精度ADC用于将模拟信号转换为数字信号供后端数字电路使用，该ADC为100M采样率12位精度双通道流水线型ADC，能够持续不断地输出100MHz的数据流，ADC的精度决定了谱仪的道数为4096道。

在上述技术方案中，所述FPGA电路主要由高性能FPGA及其外围电路构成，高性能FPGA是整个谱仪的高速数据处理单元，并向其它模块提供控制信号。为了实时处理ADC的输出数据流，FPGA内部的部分逻辑运行在100MHz时钟频率。高性能FPGA内部丰富的逻辑资源使得传统谱仪设计中所使用的外部FIFO不再必要，信号处理所需要的平滑滤波器、梯形滤波器、存储器、采样时钟发生器以及各种外部模块控制逻辑也都由FPGA内部的Verilog HDL程序实现。

在上述技术方案中，所述通信模块主要由USB2.0芯片及其外围电路构成，FPGA通过并行总线与通信模块连接，通信模块通过USB协议连接计算机。

本发明具有稳谱功能的多通道数字化谱仪，结构简单、使用方便，利用了全新的前端模拟电路设计和高速高精度ADC，具有四个相互独立的能谱分析通道，大大提高了数字化谱仪的处理速度，并且最多能够同时连接四个能谱型探测器，使其应用范围更加广泛。

附图说明

图1是本发明多通道数字化谱仪的结构示意图。

图2是本发明中前端模拟电路的结构示意图。

图3是本发明中FPGA内部Verilog HDL程序的结构示意图。