CN103235863B - 模拟能谱的信号源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟能谱的信号源系统，包括：晶振模块，FPGA模块、PROM模块、DAC模块和多道分析仪；该PROM模块用于控制和调用FPGA模块内部的逻辑门电路，以向该FPGA模块下发指令；该FPGA模块接收PROM模块下发的指令，在模拟能谱的概率密度函数的阈值内，生成一组信号幅度信息及与其对应的幅度统计计数信息，根据模拟能谱的概率密度函数，采用差选法从该信号幅度信息中筛选出具有与该模拟能谱相同概率密度分布的信号幅度信息，输出到数模转换器模块；该DAC模块，用于将该信号幅度信息转换为与其对应的模拟信号；该多道分析仪根据该模拟信号，采集得到相应的多道脉冲幅度的计数，以得到模拟能谱。

Description

模拟能谱的信号源系统

技术领域

本发明涉及概率统计应用领域，且特别涉及一种模拟能谱的信号源系统。

背景技术

随着原子核科学技术的发展，无论是对原子核内部特征和规律的研究，或者是对原子核科学技术的应用，都需要对核辐射和原子核所携带的信息进行测量和分析研究。在国内大学近代物理实验中，教学者经常要编排关于测量放射源核衰变能谱的实验。高能光子与物质相互作用方式主要有光电效应，康普顿散射和正负电子对产生。即能谱中一般包含其中的一种至三种效应成分。从用电子学模拟能谱角度，单独模拟光电效应的能谱较为简单，但若加上康普顿成分就复杂了。

放射性核素的衰变在时间上是随机的，核能级的统计特性使衰变产生的射线在能量上也具有随机性，射线和物质相互作用所产生的电离，激发，光电转换及电子倍增等过程都是随机的。正是由于这种微观过程的量子特性，导致核辐射探测器的电输出信号具有随机的特点，它在脉冲幅度上大小不一致。

针对检测核电子学仪器设备的需要，国内已经有一些随机信号发生器装置，利用半导体器件（二极管，三极管）中的散粒噪声或电阻的热噪声作为真随机信号，放大后叠加到精密脉冲信号上，模拟随机信号在幅度上的高斯分布特征。但是，实际的核信号不是简单的均匀随机或高斯随机分布，通常是非均匀随机分布的，情况复杂。

在模拟能谱方面，数字电路目前已经可以模拟均匀伪随机分布的脉冲信 号以及由此变换的一些特殊分布，但用硬件实现任意分布伪随机信号的困难较大，因此，如何有效准确的模拟能谱，这一技术问题在业内亟待解决。

发明内容

鉴于现有技术的上述问题，本发明提供了一种模拟能谱的信号源系统。

本发明提供了一种模拟能谱的信号源系统，包括：晶振模块，可编程门阵列模块、可编程存储器模块、数模转换器模块和多道分析仪；

该晶振模块用于产生预设频率的时钟；

该可编程存储器模块用于控制和调用可编程门阵列模块内部的逻辑门电路，以向该可编程门阵列模块下发指令；

该可编程门阵列模块用于以晶振模块产生的时钟作为输入；并接收可编程门阵列模块下发的指令，在模拟能谱的概率密度函数的阈值内，生成一组信号幅度信息及与其对应的幅度统计计数信息，根据模拟能谱的概率密度函数，采用差选法从该信号幅度信息中筛选出具有与该模拟能谱相同概率密度分布的信号幅度信息，输出到数模转换器模块；

该数模转换器模块，用于将该信号幅度信息转换为与其对应的模拟信号；

该多道分析仪，用于根据该模拟信号，采集得到相应的多道脉冲幅度的计数，以得到模拟能谱。

本发明的方案基于差选法思想，借助于可编程门阵列并行快速的优势，用硬件设计实现了模拟能谱的信号源，可使用多道分析仪等仪器等进行直观的模拟能谱的验证，具有很高的应用价值。

附图说明

图1所示为本发明的差选法的抽样示意图。

图2所示为本发明的差选法的几何解释图。

图3所示为本发明的模拟能谱的信号源系统的结构示意图。

图4所示为本发明采用ISE平台的结构框图。

图5所示为本发明的FPGA模块内部功能的示意图。

图6所示为本发明中使用电脑采集到的模拟能谱的示意图；

图7所示为实际采集的放射源能谱图。

图8所示为本发明的信号成形电路的结构示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及所附附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明提供了一种模拟能谱的信号源系统。通过该系统，能够模拟输出各种真实能谱的信号源，并能够使用多道分析仪等仪器对模拟的信号源进行信号采集验证，使得该模拟的信号源的输出可以与实际的信号源相接近，具体效果是使得信号幅度统计分布对应于实际的信号分布。

本发明的模拟能谱信号源的方法采用的是差选法（也叫剔除法），差选法的原理是：首先产生均匀分布的随机数，然后以需要模拟的能谱信号源的概率密度函数（或与其相关的概率密度函数）作为判断条件，剔除不符合这一条件的随机数，则剩下的随机数就是满足指定概率分布的。对于分布在有限区间[a,b]上，已知概率密度函数y=f(x)的概率分布，可采用差选法产生该概率分布的随机数。

设模拟能谱信号源的随机变量x的取值区间为x∈[a,b],其概率密度函数f(x)有界，即令：max{f(x)|a≤x≤b}=c，min{f(x)|a≤x≤b}=0。

差选法的抽样步骤如下：

S1、随机抽取r₁、r₂；r₁∈U[0,1]，r₂∈U[0,1]；

S2、产生[a,b]区间内均匀分布的随机数x:x=(b-a)*r₁+a；产生[0,c]区 间内均匀分布的随机数y:y=c*r₂；

S3、当y≤f(x)时，接受x为所需的随机数。否则，返回到第一步重新抽取一对(x,y)。

抽样的示意图如图1所示，其几何解释如图2所示。如图2所示的二维图上，随机选取位于矩形abef内的点，如t₁（x₁，y₁）和t₂（x₂，y₂）；并进一步筛选出位于曲线f(x)下的点，如t₁（x₁，y₁），筛选出的该点在上述抽样步骤的基础上将服从概率密度为f(x)的分布。

以上介绍的是一般差选法的大致原理。在实际的应用中，尤其是对于硬件实现来说，具有一定的复杂度：一方面需要模拟的能谱可能较难生成概率密度函数的，另一方面即使生成概率密度函数，但函数中难免会有乘除甚至幂指数等运算，这些都会增加硬件实现的复杂度。

基于上述技术困难，在实现本发明的模拟能谱的信号源系统中，采用了VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language，超高速集成电路）语言实现上述的差选法，在用VHDL语言描述中，避开直接对概率密度函数的描述，实现等价的归一化，并使用相应的硬件实现该方案。

本发明的模拟能谱的信号源系统的结构示意图参见图3所示，包括PROM（Programmable Read-Only Memory，可编程只读存储器）模块1，电源模块2、晶振模块3、FPGA模块4、DAC模块（Digital to analog converter，数字模拟转换器）5和多道分析仪6（或示波器）。该晶振模块3用于产生时钟；该PROM模块1用于控制和调用FPGA模块4内部的逻辑门电路，以向该FPGA模块4下发指令。

本案在FPGA模块4中产生两个相互无相干的均匀随机源：序列A和序列B，其为伪随机数序列。通过开发FPGA模块4中的RAM单元41（random access memory，随机存储器）实现上述功能，RAM单元41可以存储需要模拟的能谱 信息，存储的具体信息是512个地址（0～511），每个地址对应一个幅度统计计数。通过基于RAM单元41的查表方式可以起到简化电路设计，提高电路处理速率和稳定性的作用。

本案中的FPGA模块4可以采用ISE平台，参见图4所示为ISE平台的结构框图，RAM单元41在有源晶振时钟的节拍下，通过基于RAM的查表方式进行工作，能谱信息由道址（ADDRA）和计数（DOUTA）两维信息描述。每一个ADDRA地址对应一个DOUTA的数据（其为二进制的数字信号）。例如一个共有512个地址的能谱信息有0到511（即2⁹）范围的共512个数，可以对应512个DOUTA值。

将能谱信息载入到FPGA模块4的RAM单元41中，然后在FPGA模块4中产生两组不相干的等长度序列A（代表道址，范围大于等于道址ADDRA的范围）和序列B（代表计数，范围大于等于计数DOUTA的范围）。定义变量i小于512，可以分别在序列A和B中得到A[i]和B[i]。根据道址A[i]从预先载入的能谱中得到其阈值C。如果B[i]小于C，就把A[i]输出至DAC模块5作为下一个脉冲的幅度值，经该DAC模块5进行数模转换。

通过上述的方案，使得DAC模块5输出的信号具有了和能谱一样的概率密度分布。A[i]作为信号幅度的道址信息输出到DAC模块5，转换成具有预期幅度和形状的模拟信号，然后将该模拟信号输入至多道分析仪，进行多道脉冲幅度分析的计数，由此得到模拟能谱。

其中FPGA模块4内部的VHDL语言单元的示意图如图5所示，其中的aRand表示序列A[i]，bRand表示序列B[i]，根据RAM单元41中存储的能谱信息，使用VHDL实现的差选法对序列进行筛选。

使用VHDL实现的差选法的部分源代码如下：（状态机一部分）

when"010"=> ------------定义010状态

dac_req<='1'; ------------触发信号赋值

if douta>bRand then -----------比较大小（如上述的C>B[i]）

putout<=aRand; -----------输出赋值（如上述的A[i]被输出）

else ------------否则

putout<="000000000"; ------------让输出为0，即不输出

state<="011"; ------------状态机语句

dac_req<='0'; ------------触发信号赋值

state<="000"; ------------状态机语句

FPGA模块4输出的数字信号通过DAC模块5转换后可以实现数字信号向模拟信号的转换。具体转换过程是：在FPGA模块中，输入给DAC模块5的信号是一组12位的二进制数字信号（即差选法筛选后的输出），如011001100100等。然后FPGA模块4控制DAC模块5输出与该数字信号相对应的模拟信号。经DAC模块5转换的模拟信号，多道分析仪6进行采集以得到多道脉冲幅度的计数，由此得到模拟能谱。

本案中以²⁴¹Am放射源为例，采用本案的模拟能谱的信号源系统，通过多道分析仪的采集到的模拟能谱如图6所示，该能谱图的横坐标为能量（channel）：能量道址（信号幅度最大值5V，对应分道512，即每一道对应信号电压幅度是5/512V，累积到最大值5V），纵坐标为计数。

参见图7所示为实际信号源的能谱，即²⁴¹Am放射源的能谱，通过图6和图7的对比可以看出：用此本发明的方案模拟出的能谱图可以很好的还原真实的能谱情况，在一定情况下可以起到替代真实放射源的功能。

本发明的技术方案的优点是可以更真实的模拟替代不同放射源信号，不止局限于模拟单光电效应情况的放射源能谱，例如康普顿成分，光电效应成分等都可以在该系统中产生。此外，对于任意的随机源分布，都可以通过本案的技术方案实现。

需要说明的是，差选法也存在一些不足之处，采用差选法从原理上对于每个试验点需要产生两个不相干的均匀分布的随机数，而且许多点还将要被剔除掉，所以产生随机数的效率较低，尤其是当概率密度函数上方的矩阵区域部分相对面积较大时，被剔除的概率较大，效率将更低。对于该技术问题，本发明采用的相应方案是采用大频率的晶振（如频率为100MHz或以上）作为FPGA模块的时钟输入，从而削减或消除采样效率低的不足的问题。

本发明的该系统所输出的具有信号幅度任意分布的波形，可以在DAC模块5之后加上信号成形电路，使其波形参数符合进行核脉冲的波形参数，

参见图8所示为本案的一种信号成形电路的示意图，以波形的上升沿为0时刻：

对RC回路有：

$I\left(t\right)=\frac{U\left(t\right)}{R}$

$U\left(t\right)=U_0-\frac{Q}{C}=U_0-\frac{1}{C}{\&Integral;}_0^{t}I\left(t^{\&prime;}\right){\mathrm{dt}}^{\&prime;}$

由上两式得：U(t)=U₀e^-t/RC

对R₀C₀回路有：

U'(t)=U(t)=U₀e^-t/RC

$V\left(t\right)=\frac{Q_0}{C_0}=\frac{1}{C_0}{\&Integral;}_0^t\frac{U^{\&prime;}\left(t^{\&prime;}\right)-V\left(t^{\&prime;}\right)}{R_0}{\mathrm{dt}}^{\&prime;}$

由上两式得： $V\left(t\right)=U_0\frac{\mathrm{RC}}{\mathrm{RC}-R_0{C}_0}(e^{-t/\mathrm{RC}}-e^{-t/R_0{C}_0})$

上式即为信号成形电路输出电压脉冲信号的表达式。由此可见，电压脉冲是两个指数下降脉冲的差：一个下降时间常数是RC，即由闪烁体发光衰减时间决定；一个是时间常数R₀C₀，即由R₀C₀回路的充放电时间常数决定。整个电压脉冲波形取决于RC和R₀C₀。U₀是信号的增益系数，则RC代表闪烁体发光衰减时间，R₀C₀代表的是读出电路的成型时间参数。

波形U₀从图8左端输入，经过运放成形可以产生类似核脉冲形状的信号，通过调节图8中电阻R的阻值，改变RC的值，可使它的波形参数与实际的核脉冲波形参数想接近。例如：若想模拟NaI晶体在X-ray作用下形成的脉冲信号形状，NaI（Tl）的发光衰减时间约为230ns，即RC=230ns，R₀C₀取值为300ns。有机闪烁体的发光衰减时间为1～5ns，同理通过调节R阻值到1～5Ω（C值为1nF）即可实现有机闪烁体探测器的输出信号。由此可以认为该系统可以很好的用来模拟各种闪烁体探测器输出信号在幅度上的统计分布，本发明的技术方案在教学科研等领域有一定的应用价值和开发空间。同时，通过模拟核信号源可以有效避免放射源对相关人员的伤害，而且该装置体积小，质量轻，在一定情况下可以在做一些外出实验中携带使用。

当然，本发明的技术方案不止局限于模拟核能谱领域。只要是相关的能谱信号的统计分布图，都可以通过上述技术方案得以实现，可以很好的用在教学演示等方面。本案考虑到硬件上对乘除法的运算较为困难和昂贵，故脱离具体的概率密度函数的束缚，使得一些散点或一条未知概率密度函数的曲线都可以作为该装置的有效输入，在计算机仿真、信息安全、自动控制和生物系统识别等领域都需要用到按某些特定规律分布的非均匀随机数，如二项分布、泊松分布、指数分布和正态分布等。对于每一种特定分布可能都有对应的算法来实现，而差选法能实现上述所有特定分布而且可以实现任意分布。

本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种模拟能谱的信号源系统，其特征在于，包括：晶振模块，可编程门阵列模块、可编程存储器模块、数模转换器模块和多道分析仪；

该晶振模块用于产生预设频率的时钟，所述时钟的频率大于100MHz；

该可编程存储器模块用于控制和调用可编程门阵列模块内部的逻辑门电路，以向该可编程门阵列模块下发指令；

该可编程门阵列模块用于以晶振模块产生的时钟作为输入；并接收可编程门阵列模块下发的指令，在模拟能谱的概率密度函数的阈值内，生成一组道址信息及与其对应的幅度统计计数信息，根据模拟能谱的概率密度函数，采用差选法从该一组道址信息中筛选出具有与该模拟能谱相同概率密度分布的道址信息，输出到数模转换器模块；

该数模转换器模块，用于将该道址信息转换为与其对应的模拟信号；

该多道分析仪，用于根据该模拟信号，采集得到相应的多道脉冲幅度的计数，以得到模拟能谱。

2.根据权利要求1所述的模拟能谱的信号源系统，其特征在于，所述可编程门阵列模块包括随机存储器，该随机存储器中存储有模拟能谱的道址信息，及与该道址信息对应的模拟能谱的幅度统计计数；该可编程门阵列模块采用随机存储器查表的方式，获取模拟能谱的道址信息和幅度统计计数信息。

3.根据权利要求1所述的模拟能谱的信号源系统，其特征在于，所述道址信息与所述幅度统计计数信息为不相干的均匀随机序列。

4.根据权利要求2所述的模拟能谱的信号源系统，其特征在于，该可编程门阵列模块根据模拟能谱的阈值进行筛选，如果一道址信息对应的幅度统计计数小于模拟能谱的阈值，则将该道址信息输出至数模转换器模块。

5.根据权利要求1所述的模拟能谱的信号源系统，其特征在于，还包括信号成形电路，用于对数模转换器模块产生的信号的波形进行调节，使其波形参数与核脉冲的波形参数相符合，其中该核脉冲的波形参数为衰减时间。