CN206193256U - 一种数字化的多通道脉冲幅度分析仪及重金属检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种数字化的多通道脉冲幅度分析仪及重金属检测仪，前者包括分析仪及电源适配器,电源适配器电性连接分析仪,所述分析仪包括高速ADC采样模块，高速ADC采样模块的输出端连接FPGA数据处理模块的输入端，FPGA数据处理模块的输出端连接DSP数据处理模块的输入端，FPGA数据处理模块的输出端连接高压模块的控制端，电源管理模块分别电性连接高压模块、高速ADC采集模块、FPGA数据处理模块及DSP数据处理模块。整个分析仪稳定性、可靠性、线性等性能指标显著提高，整体的硬件系统体积更小，功耗更低，性价比更高；系统灵活性强，适用面广，便于使用、维护和技术升级。系统结构简单、使用方便。

Description

一种数字化的多通道脉冲幅度分析仪及重金属检测仪

技术领域

本实用新型涉及数据分析技术领域，尤其涉及一种数字化的多通道脉冲幅度分析仪及重金属检测仪。

背景技术

多通道脉冲幅度分析器是能谱测量的一种基本方法，最初的概念化多通道是以机电驱动的方式实现的脉冲幅度分类，而由此方法形成的多通道甄别阈值式分析器由多个阈值间隔相等的幅度甄别器并联组成，系统体积庞大，性能很差，能够实现的采样带宽，计数频率和幅值采集精度都比较差。

随着模数转换器（ADC）的出现，大大推进了多通道脉冲幅度分析器（MCA）的技术发展，而且集成电路、单片机、计算机等的应用和普及，使得多通道脉冲幅度分析仪（MCA）小型化、智能化和集成化，分析器的系统逻辑结构基本保持着对模拟脉冲信号峰值进行采样保存并进行模数转换采集这种架构，这种架构以模拟采集和分离为主，能够实现较为精确的脉冲幅度采集，但采样带宽和计数频率依然会受到一定的限制。到20世纪90年代以来，随着高速高分辨率的模数转换芯片（ADC）和数字信号处理技术的发展，特别是随着高性能的FPGA芯片的推广，多通道脉冲幅度分析器的数字化采集成为可能。探测器输出信号经过前置放大器组成的信号调理电路后，用高速高精度的模拟数字转换芯片（ADC）进行数字化，并利用数字信号处理技术完成脉冲信号的滤波成形，基线估计，反堆积，幅度提取和校正等处理，配合数字信号处理器（DSP）的编程实现，具有更好的性能、通用性和灵活性，已经成为多通道脉冲幅度分析器的主要实现方式。

目前国内外研制生产的多道脉冲幅度分析器大致分为两类：一类是以ORTEC、CANBBER及北京核仪器厂为代表生产的多道脉冲幅度分析器。其设计原理采用逐次比较法，其特点是采用数字集成电路芯片来模拟实现A/D（模数转换），采用数字均道器来调节道宽，其优点是能满足较高的计数频率，缺点是积分非线性、微分非线性不太理想。一类是以上海核仪器厂为代表生产的多道脉冲幅度分析器，其设计原理采用线性放电法，其特点是采用中小规模数字集成电路芯片（MCU）来实现控制核心，其优点是积分非线性、微分非线性好，缺点是只能满足较低的计数频率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种数字化的多通道脉冲幅度分析仪，旨在解决上述的技术问题。

本实用新型是这样实现的，一种数字化的多通道脉冲幅度分析仪，该多通道脉冲幅度分析仪包括分析仪及电源适配器,所述电源适配器电性连接所述分析仪,所述分析仪包括电源管理模块、高压模块、高速ADC采样模块、FPGA数据处理模块及DSP数据处理模块，所述高速ADC采样模块的输出端连接所述FPGA数据处理模块的输入端，所述FPGA数据处理模块的输出端连接所述DSP数据处理模块的输入端，所述FPGA数据处理模块的输出端连接所述高压模块的控制端，所述电源管理模块分别电性连接所述高压模块、高速ADC采集模块、FPGA数据处理模块及DSP数据处理模块。

本实用新型的进一步技术方案是：所述高速ADC采集模块包括信号输入接口端子、差分ADC驱动器及高速ADC采集器，所述信号输入接口端子的输出端连接所述差分ADC驱动器的输入端，所述差分ADC驱动器的输出端连接所述高速ADC采集器的输入端。

本实用新型的进一步技术方案是：所述FPGA数据处理模块包括高速ADC采样控制单元、数字脉冲滤波单元、数字脉冲甄别单元、脉冲数据存储单元及DAC高压控制单元，所述高速ADC采集器的输出端连接所述高速ADC采样控制单元的输入端，所述高速ADC采样控制单元的输出端连接所述数字脉冲滤波单元的输入端，所述数字脉冲滤波单元的输出端连接所述数字脉冲甄别单元的输入端，所述数字脉冲甄别单元的输出端连接所述脉冲数据存储单元的输入端，所述DAC高压控制单元的输出端连接所述高压模块的控制端。

本实用新型的进一步技术方案是：所述DSP数据处理模块包括基线恢复单元、堆积判弃单元、峰值检测单元、多通道幅度计数单元、谱图生成单元及通信单元，所述基线恢复单元的输入端连接所述脉冲数据存储单元的输出端，所述基线恢复单元的输出端连接所述堆积判弃单元的输入端，所述堆积判弃单元的输出端连接所述峰值检测单元的输入端，所述峰值检测单元的输出端连接所述多通道幅度计数单元的输入端，所述多通道幅度计数单元的输出端连接所述谱图生成单元的输入端，所述谱图生成单元的输出端连接所述通信单元的输入端。

本实用新型的进一步技术方案是：所述高压模块包括DAC控制单元、PWM调制器、高压反馈单元、单端反激开关电路、整流滤波单元、高压采样单元及直流高压可调单元，所述单端反激开关电路包括变压器及开关单元，所述变压器的输入端连接所述电源管理模块的输出端，所述变压器的输入端连接所述开关单元的输出端，所述开关单元的输入端连接所述PWM调制器的输出端，所述PWM调制器的输入端分别连接所述DAC控制单元的输出端及高压反馈单元的输出端，所述DAC控制单元的输入端连接所述DAC高压控制单元的输出端，所述变压器的输出端连接所述整流滤波单元的输入端，所述整流滤波单元的输出端连接所述直流高压可调单元的输入端，所述直流高压可调单元的输出端连接所述高压采样单元的输入端，所述高压采样单元的输出端连接所述高压反馈单元的输入端。

本实用新型的进一步技术方案是：所述开关单元采用MOS管。

本实用新型的进一步技术方案是：所述通信单元包括网络通信接口及串口通信接口，所述网络通信接口的输入端连接所述谱图生成单元的输出端，所述串口通信接口的输入端连接所述谱图生成单元的输出端。

本实用新型的另一目的在于提供一种重金属检测仪，该重金属检测仪包多通道脉冲幅度分析仪、前置放大板、SDD传感器、待测物放置装置及X射线管，所述X射线管发出X射线照射待测物放置装置上放置的重金属，所述SDD传感器感应经X射线照射重金属后的X荧光，所述SDD传感器输出端连接所述前置放大板的输入端，所述前置放大板的输出端连接所述多通道脉冲幅度分析仪的高速ADC采样模块的输入端，所述多通道脉冲幅度分析仪的高压模块电性连接所述SDD传感器。

本实用新型的有益效果是：整个分析仪稳定性、可靠性、线性等性能指标显著提高，整体的硬件系统体积更小，功耗更低，性价比更高；系统灵活性强，适用面广，便于使用、维护和技术升级。系统结构简单、使用方便。减少系统处理时间，提高幅度采集精度，在相同精度下，增大脉冲频率的范围；提高数字滤波成形技术，提高高频率脉冲时的分辨率；提高系统应用的适应性和灵活性。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的数字化的多通道脉冲幅度分析仪及重金属检测仪的结构框图。

具体实施方式

图1示出了本实用新型提供的数字化的多通道脉冲幅度分析仪，该多通道脉冲幅度分析仪包括分析仪及电源适配器,所述电源适配器电性连接所述分析仪,所述分析仪包括电源管理模块、高压模块、高速ADC采样模块、FPGA数据处理模块及DSP数据处理模块，所述高速ADC采样模块的输出端连接所述FPGA数据处理模块的输入端，所述FPGA数据处理模块的输出端连接所述DSP数据处理模块的输入端，所述FPGA数据处理模块的输出端连接所述高压模块的控制端，所述电源管理模块分别电性连接所述高压模块、高速ADC采集模块、FPGA数据处理模块及DSP数据处理模块。分析仪稳定性、可靠性、线性等性能指标显著提高，整体的硬件系统体积更小，功耗更低，性价比更高；系统灵活性强，适用面广，便于使用、维护和技术升级。系统结构简单、使用方便。

所述高速ADC采集模块包括信号输入接口端子、差分ADC驱动器及高速ADC采集器，所述信号输入接口端子的输出端连接所述差分ADC驱动器的输入端，所述差分ADC驱动器的输出端连接所述高速ADC采集器的输入端。

所述FPGA数据处理模块包括高速ADC采样控制单元、数字脉冲滤波单元、数字脉冲甄别单元、脉冲数据存储单元及DAC高压控制单元，所述高速ADC采集器的输出端连接所述高速ADC采样控制单元的输入端，所述高速ADC采样控制单元的输出端连接所述数字脉冲滤波单元的输入端，所述数字脉冲滤波单元的输出端连接所述数字脉冲甄别单元的输入端，所述数字脉冲甄别单元的输出端连接所述脉冲数据存储单元的输入端，所述DAC高压控制单元的输出端连接所述高压模块的控制端。

所述DSP数据处理模块包括基线恢复单元、堆积判弃单元、峰值检测单元、多通道幅度计数单元、谱图生成单元及通信单元，所述基线恢复单元的输入端连接所述脉冲数据存储单元的输出端，所述基线恢复单元的输出端连接所述堆积判弃单元的输入端，所述堆积判弃单元的输出端连接所述峰值检测单元的输入端，所述峰值检测单元的输出端连接所述多通道幅度计数单元的输入端，所述多通道幅度计数单元的输出端连接所述谱图生成单元的输入端，所述谱图生成单元的输出端连接所述通信单元的输入端。

所述高压模块包括DAC控制单元、PWM调制器、高压反馈单元、单端反激开关电路、整流滤波单元、高压采样单元及直流高压可调单元，所述单端反激开关电路包括变压器及开关单元，所述变压器的输入端连接所述电源管理模块的输出端，所述变压器的输入端连接所述开关单元的输出端，所述开关单元的输入端连接所述PWM调制器的输出端，所述PWM调制器的输入端分别连接所述DAC控制单元的输出端及高压反馈单元的输出端，所述DAC控制单元的输入端连接所述DAC高压控制单元的输出端，所述变压器的输出端连接所述整流滤波单元的输入端，所述整流滤波单元的输出端连接所述直流高压可调单元的输入端，所述直流高压可调单元的输出端连接所述高压采样单元的输入端，所述高压采样单元的输出端连接所述高压反馈单元的输入端。

所述开关单元采用MOS管。

所述通信单元包括网络通信接口及串口通信接口，所述网络通信接口的输入端连接所述谱图生成单元的输出端，所述串口通信接口的输入端连接所述谱图生成单元的输出端。

本实用新型的另一目的在于提供一种重金属检测仪，该重金属检测仪包多通道脉冲幅度分析仪、前置放大板、SDD传感器、待测物放置装置及X射线管，所述X射线管发出X射线照射待测物放置装置上放置的重金属，所述SDD传感器感应经X射线照射重金属后的X荧光，所述SDD传感器输出端连接所述前置放大板的输入端，所述前置放大板的输出端连接所述多通道脉冲幅度分析仪的高速ADC采采集模块的输入端，所述多通道脉冲幅度分析仪的高压模块电性连接所述SDD传感器。

所述ADC采样控制单元、数字脉冲滤波单元、数字脉冲甄别单元、脉冲数据存储单元及DAC高压控制单元均采用数字电路或门电路实现。

所述基线恢复单元、堆积判弃单元、峰值检测单元、多通道幅度计数单元、谱图生成单均采用模拟电路或单片机实现。

本申请的多通道的脉冲幅度分析器采用FPGA（Field－Programmable GateArray；现场可编程逻辑门阵列）和DSP(Digital Signal Processing；数字信号处理器)双核架构的方式，为整个分析器提供性能卓越的信号采集和处理平台，配合高速高精度的模数转换芯片（ADC）可实现宽带宽、高精度的信号数字化能力，结合数字滤波成形、脉冲波形甄别、数字基线恢复、数字极零零极补偿、极零点识别、幅度校正、堆积判弃等数字处理技术，可以实现高采样带宽、高计数频率、高幅度采集精度的数字化多通道脉冲幅度分析，突破目前多通道脉冲幅度分析器停留在模拟多通道的技术水平，研制达到国际先进水平的数字化多通道脉冲幅度分析器。

通过高速高精度的模拟数字转换处理，利用数字处理技术中的梯形或准梯形的数字滤波成形技术，滤波成形能力强，能针对实际噪声特点合成最佳或准最佳的滤波器计权函数，可以响应较宽的脉冲频率，并保持很好的幅度分辨率。

FPGA和DSP的高性能处理器双核架构，系统处理速度快，反堆积能力强，在相同幅度分辨率的情况下，脉冲频率的范围更高。

整个分析系统硬件功能软件化，系统稳定性、可靠性、线性等性能指标显著提高，整体的硬件系统体积更小，功耗更低，性价比更高。

系统灵活性强，适用面广，便于使用、维护和技术升级。

实现了硬件平台双核功能的专一化，即FPGA专门做信号采集和数字滤波成形等处理，DSP专门进行算法模型的运行和各种补偿计算，可以实现硬件平台性能的优化配置。

多通道的脉冲幅度分析器是基于FPGA（Field－Programmable Gate Array；现场可编程逻辑门阵列）和DSP(Digital Signal Processing；数字信号处理器)的双核硬件平台架构。传感器/探测器的初始信号经过运放电路进行预调理处理后，进入高速高分辨率的模拟数字转换芯片（ADC）对信号的数字化转换，所有数字化的信号进入FPGA模块进行数字脉冲逻辑处理、数字滤波成形、数字脉冲波形甄别等处理，并通过DSP编程实现数字基线恢复、数字极零零极补偿、极零点识别、幅度校正、堆积判弃等脉冲幅度分析算法的运行、计算和分析，得到相应的脉冲幅度数据和频谱图。本平台提供丰富的人机交互接口和通讯接口，最终得到的数据可以通过TFT液晶显示屏显示，可以通过以太网口、USB、串口等通讯接口与上位机或者远程服务器终端进行信息交互。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种数字化的多通道脉冲幅度分析仪，其特征在于：该多通道脉冲幅度分析仪包括分析仪及电源适配器,所述电源适配器电性连接所述分析仪,所述分析仪包括电源管理模块、高压模块、高速ADC采样模块、FPGA数据处理模块及DSP数据处理模块，所述高速ADC采样模块的输出端连接所述FPGA数据处理模块的输入端，所述FPGA数据处理模块的输出端连接所述DSP数据处理模块的输入端，所述FPGA数据处理模块的输出端连接所述高压模块的控制端，所述电源管理模块分别电性连接所述高压模块、高速ADC采样模块、FPGA数据处理模块及DSP数据处理模块。

2.根据权利要求1所述的多通道脉冲幅度分析仪，其特征在于：所述高速ADC采样模块包括信号输入接口端子、差分ADC驱动器及高速ADC采集器，所述信号输入接口端子的输出端连接所述差分ADC驱动器的输入端，所述差分ADC驱动器的输出端连接所述高速ADC采集器的输入端。

3.根据权利要求2所述的多通道脉冲幅度分析仪，其特征在于：所述FPGA数据处理模块包括高速ADC采样控制单元、数字脉冲滤波单元、数字脉冲甄别单元、脉冲数据存储单元及DAC高压控制单元，所述高速ADC采集器的输出端连接所述高速ADC采样控制单元的输入端，所述高速ADC采样控制单元的输出端连接所述数字脉冲滤波单元的输入端，所述数字脉冲滤波单元的输出端连接所述数字脉冲甄别单元的输入端，所述数字脉冲甄别单元的输出端连接所述脉冲数据存储单元的输入端，所述DAC高压控制单元的输出端连接所述高压模块的控制端。

4.根据权利要求3所述的多通道脉冲幅度分析仪，其特征在于：所述DSP数据处理模块包括基线恢复单元、堆积判弃单元、峰值检测单元、多通道幅度计数单元、谱图生成单元及通信单元，所述基线恢复单元的输入端连接所述脉冲数据存储单元的输出端，所述基线恢复单元的输出端连接所述堆积判弃单元的输入端，所述堆积判弃单元的输出端连接所述峰值检测单元的输入端，所述峰值检测单元的输出端连接所述多通道幅度计数单元的输入端，所述多通道幅度计数单元的输出端连接所述谱图生成单元的输入端，所述谱图生成单元的输出端连接所述通信单元的输入端。

5.根据权利要求4所述的多通道脉冲幅度分析仪，其特征在于：所述高压模块包括DAC控制单元、PWM调制器、高压反馈单元、单端反激开关电路、整流滤波单元、高压采样单元及直流高压可调单元，所述单端反激开关电路包括变压器及开关单元，所述变压器的输入端连接所述电源管理模块的输出端，所述变压器的输入端连接所述开关单元的输出端，所述开关单元的输入端连接所述PWM调制器的输出端，所述PWM调制器的输入端分别连接所述DAC控制单元的输出端及高压反馈单元的输出端，所述DAC控制单元的输入端连接所述DAC高压控制单元的输出端，所述变压器的输出端连接所述整流滤波单元的输入端，所述整流滤波单元的输出端连接所述直流高压可调单元的输入端，所述直流高压可调单元的输出端连接所述高压采样单元的输入端，所述高压采样单元的输出端连接所述高压反馈单元的输入端。

6.根据权利要求5所述的多通道脉冲幅度分析仪，其特征在于：所述开关单元采用MOS管。

7.根据权利要求6所述的多通道脉冲幅度分析仪，其特征在于：所述通信单元包括网络通信接口及串口通信接口，所述网络通信接口的输入端连接所述谱图生成单元的输出端，所述串口通信接口的输入端连接所述谱图生成单元的输出端。

8.一种重金属检测仪，其特征在于：该重金属检测仪包括权利要求1-7任一项所述的多通道脉冲幅度分析仪、前置放大板、SDD传感器、待测物放置装置及X射线管，所述X射线管发出X射线照射待测物放置装置上放置的重金属，所述SDD传感器感应经X射线照射重金属后的X荧光，所述SDD传感器输出端连接所述前置放大板的输入端，所述前置放大板的输出端连接所述多通道脉冲幅度分析仪的高速ADC采样模块的输入端，所述多通道脉冲幅度分析仪的高压模块电性连接所述SDD传感器。