CN105676263A - 一种基于相位补偿的脉冲信号峰值检测方法 - Google Patents

一种基于相位补偿的脉冲信号峰值检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相位补偿的脉冲信号峰值检测装置及方法，属于核辐射探测技术领域；现有技术中的检测装置及方法，检测精度不高或成本很高；本发明提供的检测装置包括输入缓冲电路，输入滤波器、移相滤波器、迟滞比较器、阈值检测电路、噪声抑制电路和相位补偿电路，该设计具有较强的灵活性，可拓展性强，通过更改滤波电路类型和电路参数即可实现对任意类型和频率的脉冲检测；电路结构简单，检测精度高，工作稳定，抗干扰能力强，对ADC采样率和MCU性能要求低，应用该设计可有效减小能谱分析仪器设计成本和程序设计复杂度，提高数字化能谱仪时间分辨率。

Description

一种基于相位补偿的脉冲信号峰值检测方法
技术领域
本发明属于核辐射探测技术领域，更具体地，涉及一种对核探测输出脉冲信号进行峰值检测的方法。
背景技术
在核物理研究中，高能粒子产生的辐射中包含了大量的物理信息，通过测量辐射能谱可以研究很多物理现象的演化情况。通常核探测器输出的脉冲信号幅度与输入粒子的能量成正比，因此测量探测器输出脉冲信号幅值，即可得到辐射信息能谱。通过与不同探测器组合，脉冲信号峰值检测电路配合ADC&MCU可以构成包括α射线能谱仪、X射线能谱仪、Y射线能谱仪、康普顿散射谱仪、色谱分析仪、光谱分析仪等各型能谱分析仪器，在核科学和核工程、材料科学、环境科学、地质、冶金、石油、生物医学等领域中都有非常广泛的应用。
传统的脉冲信号峰值检测方法主要有以下两种：一种是通过采样保持器配合比较器进行峰值保持和幅值检测，另一种是通过高速数字化采样配合特定算法实现脉冲信号的峰值提取。采样保持型峰值检测电路基于脉冲信号的的采样保持、延迟和展宽，电路死时间长，动态性能差，输入信号频率较高时误差大。此外保持电容的取值也是问题，取值太大影响电路的动态性能；取值小则保持值下降快，影响检测精度。受制于其工作机理，采样保持型峰值检测电路适用于处理中低频输入脉冲，检测精度不高(很难达到5％以内)，难以适应日益发展的能谱测量的精度要求。全数字化峰值提取方法虽然外围电路简单，处理速度快，通常仅需要输入降噪滤波电路，但是为了达到较高精度，
其需要高速ADC(输入脉冲频率百倍以上)及高性能MCU，由于数据吞吐量十分大且算法复杂，全数字化峰值提取方法若兼顾高检测精度与高时间分辨率，则成本很高。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决以上的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于相位补偿的脉冲信号峰值检测装置，其特征在于，所述装置包括输入缓冲电路，输入滤波器、移相滤波器、迟滞比较器、阈值检测电路、噪声抑制及相位补偿电路；
输入脉冲信号经所述输入缓冲电路进行信号缓冲，其输出端连接到输入滤波器。所述的输入缓冲电路提高输入阻抗，通过TVS对后级电路进行保护并截止输入脉冲的负半波信号；
所述的输入滤波器对缓冲后进行滤波降噪，其输出端分别连接到所述移相滤波器和所述迟滞比较器的负输入端；
所述移相滤波器对输入信号进行移相，其输出端分别连接到所述迟滞比较器的正输入端和所述阈值检测电路，所述迟滞比较器利用正、负输入端的相位差进行峰值初检，并输出初检信号；
所述阈值检测电路检测脉冲信号，当脉冲信号到来时，其输出高电平，低于阈值的脉冲信号将被当做噪声而忽略，所述阈值检测电路和所述迟滞比较器输出通过与门送给所述噪声滤波电路；
所述噪声抑制及相位补偿电路对与门输出信号进行噪声抑制并对所述初检信号进行相位补偿，即完成峰值检测，补偿后的峰值信号正好对应于移相后信号的峰值，用于启动ADC进行A/D转换。
优选地，所述输入缓冲电路中包括电阻R1，二极管D2构成的负信号截止电路。
优选地，所述输入滤波器与所述移相滤波器采用通频带增益平坦的有源巴特沃思低通滤波电路。
优选地，所述迟滞比较器采用带正反馈网络的高速比较器。
优选地，所述噪声抑制及补偿电路采用RC滤波配合施密特触发器的两级结构。
本发明的另一目的在于提供了一种基于相位补偿的脉冲信号峰值检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)输入所述脉冲信号经所述输入缓冲电路进行信号缓冲；
(2)所述输入滤波器对缓冲后信号进行滤波降噪；
(3)所述移相滤波器对经过降噪的输入信号进行移相，并对移相前、后信号的相位差进行峰值初检，并输出初检信号；
(4)所述阈值检测电路检测移相后的脉冲信号，当脉冲信号到来时，其输出高电平，低于阈值的脉冲信号将被当做噪声而忽略，所述阈值检测电路和所述迟滞比较器输出通过与门送给所述噪声抑制及相位补偿电路；
(5)所述噪声抑制及相位补偿电路对与门输出信号进行噪声抑制并对所述初检信号进行相位补偿，即完成峰值检测，补偿后的峰值信号正好对应于移相后信号的峰值，用于启动ADC进行A/D转换。
优选地，所述输入脉冲信号通过所述输入缓冲电路进行信号缓冲后送入输入滤波器。
优选地，所述迟滞比较器正负输入端分别是所述移相滤波器输出和所述输入滤波器输出，所述迟滞比较器通过正负输入端的相位差进行峰值检测。
优选地，所述阈值检测电路输出与所述迟滞比较器输出通过与门输入后级噪声抑制电路。
优选地，所述噪声抑制及补偿电路通过抑制噪声产生的延迟对比较器输出信号进行相位补偿。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
本发明采用的设计具有较强的灵活性，可拓展性强，通过更改滤波电路类型和电路参数即可实现对任意类型和频率的脉冲检测；电路结构简单，检测精度高，工作稳定，抗干扰能力强，对ADC采样率和MCU性能要求低，应用该设计可有效减小能谱分析仪器设计成本和程序设计复杂度，提高数字化能谱仪时间分辨率。
附图说明
图1是本发明的结构原理图；
图2是本发明总体电路图；
图3是本发明峰值检测及相位补偿示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1所示，一种基于相位补偿的脉冲信号峰值检测方法，主要包括输入缓冲电路，输入滤波器，移相滤波器，迟滞比较器，阈值检测电路，噪声抑制及相位补偿电路。输入脉冲信号经输入缓冲电路进行信号缓冲，缓冲后信号经输入滤波器进行滤波降噪，输入滤波器的输出分别连接到移相滤波器和迟滞比较器的负输入端。移相滤波器对输入信号进行移相，其输出连接通过电阻连接到比较器的正输入端，迟滞比较器利用正负输入端的相位差进行峰值初检，并输出初检信号。阈值检测电路检测脉冲信号，当脉冲信号到来时，其输出高电平，低于阈值的脉冲信号将被当做噪声而忽略，阈值检测电路和迟滞比较器输出通过与门送给噪声滤波电路。噪声滤波电路对与门输出信号进行噪声抑制并对峰值初检信号进行相位补偿，补偿后的峰值信号正好对应于移相后信号的峰值，用于启动ADC进行A/D转换。
本发明的具体实现方式如附图2所示：输入脉冲信号经通过并联的TVS二极管D1，经R1输入运放U1(AD8044)同相端，U1同相端经过反接的肖基特二极管D2接地，U1反向端连接到其输出端构成电压跟随器对输入信号进行缓冲。
输入滤波器主要由U2(AD8044)，R2，R3，C1，C2组成的有源低通滤波电路构成，缓冲后脉冲信号通过R2，R3输入运放U2同相端，U2同相端并接电容C1，反向端连接到U2输出端，C2跨接在U1输出端和R2，R3之间节点。输入滤波器为二阶有源巴特沃思低通滤波电路，保证了滤波器通频带增益平坦。
移相滤波电路结构与输入滤波器类似，输入滤波器的输出通过R4，R5输入运放U3(AD8044)同相端，U3同相端并接电容C3，反向端连接到U3输出端，C4跨接在U3输出端和R4，R5之间节点。与输入滤波器略有不同，移相滤波电路主要对脉冲信号进行无衰减移相，因此参数与输入滤波器不同，为了使移相滤波器对输入脉冲有足够的移相角，应使移相滤波器的特征角频率略大于输入脉冲的最大频率(但应保证滤波器不会对通频带范围内的输入脉冲产生衰减)；在本实施例中，输入滤波器对输入脉冲进行降噪滤波，移相滤波器对输入脉冲产生合适的相移，输入滤波器与移相滤波器可根据实际情况采用相同或者不同的参数以简化设计。
迟滞比较器由高速比较器U4(AD8564)和R6，R7组成的正反馈网络构成，移相滤波器输出经电阻R6输入U4正输入端，输入滤波器的输出输入U4负输入端，R7跨接在U4正输入端与输出端之间。由于外围正反馈的作用，比较器U4输出跳转门限随输出电压改变，输出电压为低电平时，其高电平跳转门限变高；反之输出为高电平时，其低电平跳转门限降低，双跳转门限的作用避免了比较器在输出跳转时刻发生振荡，提高了比较器U4的抗干扰能力；在本实施例中，反馈电阻可根据实际脉冲频率选取合适的值，以保证有足够的抗干扰能力并提高输出灵敏度。比较器芯片可选用与AD8564相当性能的高速比较器，按实际情况可选择双通道或者四通道类型。
阈值检测电路由高速比较U5(AD8564)及阈值调节网络R8，R9，C5构成；阈值调节网络为连接到电源的电阻分压网络，阈值不应过小以保证该电路对小信号噪声的过滤能力。移相滤波器输出送入比较器U5正输入端，U5负输入端通过并联的R9，C5接地，电源通过R8连接到U5负输入端。调节R9的值可调节脉冲检测阈值，C5作为旁路电容滤除阈值电压中的高频噪声，使阈值电压Vth保持干净稳定。比较器U4和U5的输出通过与门U6(74AHC2G08)输出到下一级。
噪声滤波及相位补偿电路由一阶RC滤波器和施密特反相器U7(74LVC1G14)构成；RC滤波电路时间常数的选择应考虑噪声抑制能力及输出延迟(用于峰值相位补偿)，施密特触发器芯片与与门芯片应选择高速低延迟芯片，同时应考虑前后级电平匹配。与门输出的峰值初检信号输入R10和C6组成的滤波网络，RC滤波网络可以吸收峰值初检信号中的尖刺噪声，但会将信号的上升下降沿拉长，削弱其抗干扰能力，因此峰值初检信号通过滤波网络后送入施密特触发器U7进行脉冲整形。U7输出的信号为对应于移相后脉冲Vout的峰值位置，ADC据此启动A/D转换。
图3为本发明峰值检测及相位补偿示意图，脉冲信号Vin首先进入输入缓冲电路，缓冲后的信号负半波被截止送入输入滤波器，其输出为Vo1，Vo1输入移相滤波电路，其输出为Vout。Vo1与Vout之间有一定的相位差，该相位差取决于移相滤波电路的时间常数和输入脉冲信号的频率。Vout通过R6输入比较器正输入端，Vo1输入比较器负输入端，在脉冲上升阶段，比较器正输入端信号小于负输入端信号，其输出为低电平，此时由于R6，R7的分压作用，实际比较器正输入端信号幅值略小于Vout；脉冲峰值阶段，Vout的值开始大于Vo1，然而由于正反馈，比较器不会在Vout刚大于Vo1时输出跳转，而是在Vout大于Vo1一定的值后(见Vcp波形)才跳转，此作用避免了Vout与Vo1值很接近时比较器输出振荡。迟滞比较器输出与阈值检测电路输出通过与门输入噪声抑制电路，噪声抑制电路对峰值信号进行噪声抑制的同时会产生延迟，该延迟可对比较器U4输出峰值初检信号进行相位补偿。从图3可看出，比较器U4输出跳转时刻位于Vout峰值之前，在电路参数固定的情况下，其提前角与输入脉冲频率成正相关。噪声抑制电路对比较器输出延迟为固定值，该延迟对比较器输出形成相位补偿，补偿角也与输入脉冲信号频率成正比，因此经相位补偿后，施密特触发器U7的输出跳转时刻位于正好位于Vout峰值位置(见Vpeak波形)。通常为了保证噪声抑制电路的抗干扰能力，RC滤波电路的时间常数不宜过小，因此峰值补偿以略微过补偿为最优。
本发明基于二阶有源滤波器的移相特性，利用数字噪声抑制电路的延迟特性对峰值信号进行相位补偿，可简单快速的检测核脉冲信号峰值，电路结构简单，检测精度高，工作稳定，抗干扰能力强，对误差允许范围内不同频率的输入脉冲均有良好的响应，可拓展性高。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于相位补偿的脉冲信号峰值检测装置，其特征在于，所述装置包括输入缓冲电路，输入滤波器、移相滤波器、迟滞比较器、阈值检测电路、噪声抑制及相位补偿电路；
输入脉冲信号经所述缓冲电路进行信号缓冲，所述缓冲电路的输出端连接到所述输入滤波器；
所述的输入滤波器对缓冲后的信号进行滤波降噪，其输出端分别连接到所述移相滤波器和所述迟滞比较器的负输入端；
所述阈值检测电路检测脉冲信号，当脉冲信号到来时，其输出高电平，低于阈值的脉冲信号将被当做噪声而忽略，所述阈值检测电路和所述迟滞比较器输出通过与门送给所述噪声滤波电路；
所述噪声抑制及相位补偿电路对与门输出信号进行噪声抑制并对所述初检信号进行相位补偿，即完成峰值检测，补偿后的峰值信号正好对应于移相后信号的峰值，用于启动ADC进行A/D转换。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述输入缓冲电路中包括电阻R1，二极管D2构成的负信号截止电路。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述输入滤波器与所述移相滤波器采用通频带增益平坦的有源巴特沃思低通滤波电路。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述迟滞比较器采用带正反馈网络的高速比较器。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述噪声抑制及补偿电路采用RC滤波配合施密特触发器的两级结构。
6.一种基于相位补偿的脉冲信号峰值检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)输入所述脉冲信号经所述输入缓冲电路进行信号缓冲；
(2)所述输入滤波器对缓冲后信号进行滤波降噪；
(3)所述移相滤波器对经过降噪的输入信号进行移相，并对移相前、后信号的相位差进行峰值初检，并输出初检信号；
(4)所述阈值检测电路检测移相后的脉冲信号，当脉冲信号到来时，其输出高电平，低于阈值的脉冲信号将被当做噪声而忽略，所述阈值检测电路和所述迟滞比较器输出通过与门送给所述噪声抑制及相位补偿电路；
(5)所述噪声抑制及相位补偿电路对与门输出信号进行噪声抑制并对所述初检信号进行相位补偿，即完成峰值检测，补偿后的峰值信号正好对应于移相后信号的峰值，用于启动ADC进行A/D转换。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述输入脉冲信号通过所述输入缓冲电路进行信号缓冲后送入输入滤波器。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述迟滞比较器正负输入端分别是所述移相滤波器输出和所述输入滤波器输出，所述迟滞比较器通过正负输入端的相位差进行峰值检测。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述阈值检测电路输出与所述迟滞比较器输出通过与门输入后级噪声抑制电路。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述噪声抑制及补偿电路通过抑制噪声产生的延迟对比较器输出信号进行相位补偿。
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