CN2869873Y

CN2869873Y - 一种高速多道脉冲幅度分析采集器

Info

Publication number: CN2869873Y
Application number: CN 200520105449
Authority: CN
Inventors: 陈鹏; 戚士元; 姜文贵
Original assignee: ZHONGHE SCIENCE-TECHNOLOGY Co Ltd TIANJIN
Current assignee: ZHONGHE SCIENCE-TECHNOLOGY Co Ltd TIANJIN
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2015-08-17

Abstract

一种高速多道脉冲幅度分析采集器，其特征在于：采用高集成度、高速的中央控制处理器，内部集成高速、高精度ADC变换器和大容量RAM存储器；由PNP型和NPN型三极管组成的对称恒流源构成能够解决高频随机脉冲信号的基线恢复电路；由两极运算放大器和保持电容构成峰值保持电路；由逻辑开关芯片、比较器、触发器等电路组成逻辑开关电路和逻辑控制电路；由定时器芯片构成减轻中央控制处理器负担的外部定时器；采用快速有效传输数据的RS485通讯模式，校验方式采用CRC模式；整体电路采用单元模块结构。本实用新型的优越性在于：1.性能优越稳定；2.结构简单合理；3.成本低；4.用途广；5.功耗低。

Description

一种高速多道脉冲幅度分析采集器

(一)技术领域：

本实用新型涉及一种多道脉冲幅度分析器，特别是一种高速多道脉冲幅度分析采集器。

(二)背景技术：

多道脉冲幅度分析器是统计随机信号的幅度与计数的关系，描述信号幅度的分布，其原理是当捕获到一个随机脉冲时，数据采集器检测其峰值，并保持此峰值，然后进入ADC变换，以转换后的数字量为地址码，也称为道，存入相应的道址。经过一定时间的采集，道址所存储的值反映了该信号的幅度分布。

多道脉冲幅度分析器的主要难点是捕获并处理随机脉冲，这种随机脉冲大多是尖顶脉冲，其峰值只是一个瞬时值，而进行ADC变换又需要时间，所以要正确纪录脉冲的幅度就要保持其峰值。另外，多道脉冲幅度分析器还有其他指标的要求，例如，积分非线性，微分非线性，采样精度(即道数)，死时间(即采样速率)等。

由于受多种因素和指标的限制，所以要制作一个技术指标高、结构紧凑的多道分析器不是很容易，传统的单片机集成度低、存储空间小、执行速度慢，所以必须外挂ADC变换器和外部RAM存储器，再加上逻辑控制等辅助电路，其结构可想而知，臃肿复杂。而高精度、快速ADC变换器的价格一直居高不下，一块多道采集板的价格自然不低。所以，多道脉冲幅度分析器在数据采集方面虽然用途很广，但是，因其技术指标、结构、价格等因素的影响，使其应用受到限制。

(三)发明内容：

本实用新型的目的在于设计一种高速多道脉冲幅度分析采集器，它使上述缺点得以克服，是一种实用性强的新型多道脉冲幅度分析器。

本实用新型的技术方案：一种高速多道脉冲幅度分析采集器，其特征在于：采用高集成度、高速的中央控制处理器，内部集成高速、高精度ADC变换器和大容量RAM存储器；由PNP型和NPN型三极管组成的对称恒流源构成能够解决高频随机脉冲信号的基线恢复电路；由两极运算放大器和保持电容构成峰值保持电路；由逻辑开关芯片、比较器、触发器等电路组成逻辑开关电路和逻辑控制电路；由定时器芯片构成减轻中央控制处理器负担的外部定时器；采用快速有效传输数据的RS485通讯模式，校验方式采用CRC模式；整体电路采用单元模块结构。

上述所说的中央控制处理器采用高集成度、高速C8051F系列单片机，包括C8051F020、C8051F021、C8051F022、C8051F023、C8051F120、C8051F121、C8051F122、C8051F123、C8051F124、C8051F125、C8051F126、C8051F127、C8051F060、C8051F061、C8051F062、C8051F063。

上述所说的基线恢复电路采用由PNP型和NPN型三极管构成的对称恒流源电路，PNP型包括2N1305、2N2906，NPN型包括2N1304、2N2905。

上述所说的峰值保持电路采用双极运算放大器构成，使用芯片包括AD829、LM6165、LF157/257/357、OP-64、LM6164、LH4124等芯片。

上述所说的逻辑控制和逻辑开关电路采用比较器MAX913、LM161/261/362、LM106/206/306、LM319，逻辑开关MAX317/318/319，触发器CD4043、CD4538。

上述所说的外部定时控制电路采用4060芯片。

上述所说的通讯芯片可采用3485EN、MAX485，CRC校验公式为X¹⁶+X¹²+X⁵+X。

本实用新型的工作原理：输入的随机脉冲信号分成两路，一路经过基线恢复电路和逻辑开关电路与峰值保持电路相通，用于产生峰值信号和保持峰值供ADC变换器变换，另一路的上升沿经过逻辑控制电路中的比较器，由模拟输入变换成数字信号，此信号通过RS触发器控制逻辑开关芯片使保持电容同地断开，保持电容开始充电，当脉冲开始下降时，由比较器产生的数字信号和中央处理控制器发出的复位信号经过RS触发器控制逻辑开关电路使保持电容和地接通放电；由峰值保持电路产生的峰值信号触发逻辑控制电路，逻辑控制电路立即产生中断信号，中央控制处理器监测中断信号，当有中断时就启动AD变换器，转换后的数字量存储到RAM存储区，中央控制处理器再发出复位信号，通过逻辑控制电路执行各模块的复位，准备处理下一个脉冲信号；采用外部定时器电路有效的提高了ADC变换器变换的效率，减轻中央控制处理器的负担；存储在RAM存储区的数据要经过通讯电路传输到PC机上进行数据处理；其他模块的工作原理及实现方法详见下面的说明。多道脉冲幅度分析器主要包括以下几个模块：1)中央处理控制器；2)峰值保持电路；3)基线恢复电路；4)逻辑开关电路；5)逻辑控制电路；6)通讯电路；7)定时器电路。

每一具体模块的原理及实现方法如下：

一、中央处理控制器：由于多道脉冲幅度分析器要求单片机快速的对采样中断信号进行反应和强大的处理功能，经过仔细比较和筛选，最终确定为美国CYGNAL公司新近推出的高性能C8051F×××系列单片机(如C8051F120)。首先，单片机集成度高功、功能能强大，内部集成ADC变换器和RAM存储器，ADC变换器8位变换速度可达500KHz，12位可达100KHz，C8051F060系列产品16位ADC变换器转换速度则可高达1M，集成的RAM存储器容量最大为8K Byte。其次，单片机运行速度高，外部晶振频率最高为100MHz，再加上优化的内核结构，其运行速度为传统8051系列单片机的50倍以上，在速度丝毫不逊于PIC、AVR单片机，在功能上要远优于PIC和AVR单片机。再次，此系列单片机功耗低，采用3.3V电源供电，其端口则可以兼容5V系统。

二、峰值保持电路：峰值保持电路是多道脉冲幅度分析器的关键电路组成部分，多道是统计随机信号的幅度分布，这就要求电路能够准确的保持信号的峰值以便ADC变换器转换，这部分电路由两极运算放大器、保持电容、二级管等器件构成，当随机信号产生时，随机脉冲信号通过一级运算放大器给峰值保持电容迅速充电，当到达峰值时，能够正确快速的产生峰值信号，保持电容能够准确保持此峰值，直到ADC变换器转换结束，由中央控制处理器通过逻辑控制电路发出复位信号，使保持电容能够迅速放电，以待处理下一个随机信号。这部分电路响应速度快，能够快速捕获脉冲并能给出正确的峰值信号；保持电容选择合适，漏电流小，峰值准确，放电速度快。

三、基线恢复电路：信号经过微分电路，耦合电容的放电时间比充电时间拖的要长，当随机信号的频率很大时，耦合电容因未全部放电而积累电荷，使耦合信号与实际输入信号有偏差，这种误差称为基线恢复，信号频率越大基线恢复越严重。解决基线恢复的办法就是在耦合电容后加上基线恢复电路，此模块的实现方法是采用对称恒流源电路，使脉冲在经过耦合电容时，充电和放电时间相等，这样就消除了耦合电容上的电荷积累，解决了基线恢复问题。对称恒流源由PNP型和NPN型对称三极管实现。

四、逻辑开关电路：ADC变换器变换时需要时间，在这段时间内，保持电容保持的是前一个信号的峰值，而核脉冲都是随机信号，下一个信号随时都可能产生，若在ADC变换期间再来一个脉冲会改变保持电容的值，影响ADC变换的结果，进而影响数据采集的精度。所以，要保证在ADC变换器变换期间，保持电容不能受到下一个信号的干扰，即在峰值保持电路检测到峰值的时候关闭信号源与保持电容的联系，确保峰值纪录的准确性。实现本电路的方法就是利用检测到的峰值信号经过逻辑控制电路的处理来控制逻辑开关芯片，使芯片切断信号源与保持电容的联系。当ADC变换器变换完毕之后，中央处理控制器产生复位信号，使逻辑开关芯片打开，信号源和保持电容重新连接，准备捕获下一个脉冲信号进行变换处理。

五、逻辑控制电路：逻辑控制电路协调峰值保持电路、逻辑开关电路、采样中断信号的有序准确的运行，使处理脉冲信号能够循环执行下去。其主要功能有以下三点：1)在没有脉冲信号时，保持电容通过逻辑电路与地接通，存储电荷为零，当逻辑控制电路捕获到脉冲信号时，立即通过逻辑开关芯片关断保持电容与地的连接，使保持电容开始充电，以便ADC变换器进行转换，直到ADC转换器转换结束，由中央控制处理器发出复位信号，通过逻辑电路使保持电容恢复与地的连接，以待保持下一个脉冲信号的峰值；2)在未有脉冲信号到来之时，逻辑开关电路处于开通状态，当捕获到脉冲信号并达到峰值时，由峰值采样电路发出峰值信号，经逻辑控制电路使逻辑开关关闭，避免随机信号对当前峰值的影响，同样，ADC变换器变换结束后，由单片机发出复位信号，通过逻辑控制电路使逻辑开关打开，等待处理下一个脉冲信号。3)当检测到峰值信号后，向中央控制器发出中断信号。请求ADC变换器转换数据。

六、通讯电路：多道脉冲幅度分析采集器主要是采集随机信号，采集到的大量数据还要传输给PC机进行处理，本通讯模块快速有效的完成此功能，采用485通讯方式，其传输波特率高达921.6K，数据发送方式采用数据包格式，并用CRC校验，出错概率极低。定时器电路利用中央处理控制器内部定时器对外部脉冲的计数，避免频繁的中断处理，减轻了中央控制器的负担，提高了ADC变换器的变换效率，定时时间由PC机发送，定时结束后产生一个中断信号，通知中央控制处理器向上位机发送数据，并屏蔽采样中断的请求，停止数据采集。

本实用新型的优越性在于：1、性能优越稳定，本多道脉冲幅度分析器最大采样速率为500k，道数可选择为256道、512道、1024道、2048道，采样精度高，12位ADC变换转换误差为±1LSB，最大转换速率为1M，基线恢复线路有效的解决了高频脉冲信号的基线恢复问题，峰值保持电路漏电流小，保持峰值准确，积分非线性和微分非线性均达到使用标准，有实测谱线图(见图2)；2、结构简单合理，由于本多道脉冲幅度分析器选用C8051F系列单片机作为中央控制处理器，集成度高，内部集成ADC变换器和RAM存储器，减少了外设芯片，其他电路模块均大量采用贴片元器件，使整个采集板小巧紧凑，采集板的直径仅为Φ110mm，高度仅为15mm，组成采集板的各主要模块结构上相互独立，功能上相互协调，在制作PCB板时，数字地与模拟地分开布线，最后单点接地，并采用大面积覆铜，符合电磁兼容原理，有效的抑制了各模块之间高频信号的相互干扰；3、成本低，传统的多道采用外挂ADC变换器和RAM存储器，高精度、高速ADC变换器价格一直居高不下，而采用C8051F系列单片机集成的ADC变换器大大降低了成本；4、用途广，本多道脉冲幅度分析器不但可以作为专用的X射线荧光光谱仪的多道采集器，还可以作为通用的多道脉冲幅度分析器，对任何随机信号的谱分析都适用；5、低功耗，本多道中央控制处理器和通讯电路均采用3.3V电源供电，功耗低，在核脉冲信号的采集方面可以替代传统的单道采集器。

(四)附图说明：

附图1为本实用新型所涉一种高速多道脉冲幅度分析采集器的电路原理框图。

附图2为本实用新型所涉一种高速多道脉冲幅度分析采集器的被测元素谱线图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种高速多道脉冲幅度分析采集器(见图1)，其特征在于：采用高集成度、高速的中央控制处理器，内部集成高速、高精度ADC变换器和大容量RAM存储器；由PNP型和NPN型三极管组成的对称恒流源构成能够解决高频随机脉冲信号的基线恢复电路；由两极运算放大器和保持电容构成峰值保持电路；由逻辑开关芯片、比较器、触发器等电路组成逻辑开关电路和逻辑控制电路；由定时器芯片构成减轻中央控制处理器负担的外部定时器；采用快速有效传输数据的RS485通讯模式，校验方式采用CRC模式；整体电路采用单元模块结构。

上述所说的中央控制处理器采用高集成度、高速C8051F系列单片机C8051F120。

上述所说的基线恢复电路采用由PNP型和NPN型三极管构成的对称恒流源电路，PNP型取2N2906，NPN型取2N2905。

上述所说的峰值保持电路采用双极运算放大器构成，使用芯片AD829。

上述所说的逻辑控制和逻辑开关电路采用比较器MAX913，逻辑开关MAX318，触发器CD4043、CD4538。

上述所说的外部定时控制电路采用4060芯片。

上述所说的通讯芯片采用SP3485EN，CRC校验公式为X¹⁶+X¹²+X⁵+X。

Claims

1、一种高速多道脉冲幅度分析采集器，其特征在于：采用高集成度、高速的中央控制处理器，内部集成高速、高精度ADC变换器和大容量RAM存储器；由PNP型和NPN型三极管组成的对称恒流源构成能够解决高频随机脉冲信号的基线恢复电路；由两极运算放大器和保持电容构成峰值保持电路；由逻辑开关芯片、比较器、触发器等电路组成逻辑开关电路和逻辑控制电路；由定时器芯片构成减轻中央控制处理器负担的外部定时器；采用快速有效传输数据的RS485通讯模式，校验方式采用CRC模式；整体电路采用单元模块结构。

2、根据权利要求1所说的一种高速多道脉冲幅度分析采集器，其特征在于：中央控制处理器采用高集成度、高速C8051F系列单片机，包括C8051F020、C8051F021、C8051F022、C8051F023、C8051F120、C8051F121、C8051F122、C8051F123、C8051F124、C8051F125、C8051F126、C8051F127、C8051F060、C8051F061、C8051F062、C8051F063。

3、根据权利要求1所说的一种高速多道脉冲幅度分析采集器，其特征在于：基线恢复电路采用由PNP型和NPN型三极管构成的对称恒流源电路，PNP型包括2N1305、2N2906，NPN型包括2N1304、2N2905。

4、根据权利要求1所说的一种高速多道脉冲幅度分析采集器，其特征在于：峰值保持电路采用双极运算放大器构成，使用芯片包括AD829、LM6165、LF157/257/357、OP-64、LM6164、LH4124等芯片。

5、根据权利要求1所说的一种高速多道脉冲幅度分析采集器，其特征在于：逻辑控制和逻辑开关电路采用比较器MAX913、LM161/261/362、LM106/206/306、LM319，逻辑开关MAX317/318/319，触发器CD4043、CD4538。

6、根据权利要求1所说的一种高速多道脉冲幅度分析采集器，其特征在于：采用4060芯片组成外部定时的电路控制。

7、根据权利要求1所说的一种高速多道脉冲幅度分析采集器，其特征在于：RS485通讯模式芯片可采用3485EN、MAX485，CRC校验公式为X¹⁶+X¹²+X⁵+X。