基于Zynq的嵌入式双通道高速数字化谱仪的研制

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能谱测量作为核辐射探测的重要组成部分,主要由探测器、前置放大器、主放大器、多道脉冲幅度分析仪和上位机分析软件等组成。随着集成电路的快速发展,多道脉冲幅度分析仪也由最原始的模拟多道发展到现在的数字化多道。相比于模拟多道,数字多道具有分辨率高,死区时间短等优点。电子信息技术的不断进步,也推动数字化多道向高精密,多功能,高集成度和嵌入式方向发展。精密数字化多道的模拟前端多采用电荷灵敏前置放大器,对电荷信号进行积分处理。该电路结构具有信噪比高、输出幅度大、驱动能力强等优点,但经电荷灵敏前置放大器后的脉冲信号脉冲宽度较宽,在高计数率时堆积严重,无法甄别,只能保证中低计数率时的高能量分辨率。为同时满足高能量分辨率、高脉冲通过率的测量需求,本文将传统电荷型数字多道幅度分析技术与电流型数字多道幅度分析技术相结合,基于Zynq So C设计了双通道同步采样的数字化多道脉冲幅度分析系统。该系统具有两个模拟输入通道,其中一个通道采用传统电荷模式,实现能谱测量的高分辨率需求;另一个通道采用电流模式,实现能谱测量的高计数率需求。由于传统数字化多道多采用谱线传输模式,只能得到统计后的幅度谱,无法保留单个核脉冲的时间、幅度等信息。采用16bit 250Msps的双通道ADC保证高能量采集精度和高时间分辨精度。为实现测量数据重现和通道间对比分析,本文设计了粒子模式的数据传输类型,可将每个核脉冲信号的时间、幅度、发光衰减时间等信息组成粒子包进行传输和存储。同时为适应粒子模式带来的高速数据传输需求,采用了1000Mbps以太网和USB3.0高速通信接口进行数据传输。得益于Zynq So C的高性能处理能力,设计了单通道核脉冲信号发生器和基于Littlev GL的嵌入式操作界面。前者可生成与真实核脉冲信号特征相符的类核脉冲信号,以重现辐射探测过程中探测器输出响应;后者可使数字化能谱仪摆脱对上位机的依赖。同时可防止极端环境数据传输过程中丢包重传等问题,推动了能谱仪从专用化、大型化逐渐向高度集成化、便携化方向发展。采用PB-5对高能量分辨率通道进行展宽测试,设置其输出的指数脉冲幅度为2VPP,频率为2k Hz,衰减时间为50μs,在谱仪16k道址下的最大展宽为5道,对应电压幅度展宽为0.76m V。使用4L大体积Na I(Tl)闪烁体探测器实测137Csγ放射源。在输入计数率为9.31kcps时,高分辨率通道能量分辨率为6.78%@662ke V;在输入计数率为223.5kcps时,高通过率通道测试通过率为98.21%。采用高能量分辨率通道对核脉冲信号发生器展宽进行测试,在最高计数道址为14775时展宽为50道,对应电压幅度展宽为7.6m V。
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