JP2001004752A - デジタルパルスプロセッサ - Google Patents

デジタルパルスプロセッサ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成により入力ステップ波を理想三角
波に成形でき、デッドタイムを少なくしスループットが
向上できるようにする。 【解決手段】 放射線検出器から出力されるステップ波
の信号を処理するパルスプロセッサであって、入力信号
を微分する微分手段1と、該微分手段の出力信号をデジ
タル信号に変換する信号変換手段3と、信号変換手段の
出力に基づき入力ステップ波の波高値の検出信号を生成
するデジタルフィルタ4とを備え、デジタルフィルタ4
は、信号変換手段の出力を積分する積分手段5と、該積
分手段の出力と信号変換手段の出力とを加算する加算手
段6、さらには、三角波フィルタを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、放射線検出器から
出力されるステップ波の信号を処理するパルスプロセッ
サに関する。
【0002】
【従来の技術】放射線検出用半導体検出器において、高
分解能用途では、S/Nの向上のため電荷感応型プリア
ンプを採用するのが一般的である。プリアンプでは、初
段に電界効果型トランジスタ(FET)を使用し、入射
光子によって検出素子に発生した電荷は、FETのゲー
トに蓄積される。電荷が一定量となった時、パルスを与
え電荷を放電リセットする。プリアンプからは、波高が
入射光子のエネルギーに比例したステップ波が出力され
る。このような半導体検出器用として、パルスプロセッ
サは、入力ステップ波の波高値を検出するための信号処
理を行うものである。
【0003】図6は従来のアナログパルスプロセッサの
概略構成を示す図、図7は矩形フィルタの従来例を示す
図である。図6に示すように検出器44からX線やγ線
等の放射線を検出して出力されるステップ波の信号に対
し、パルスプロセッサ41では、フィルタアンプ42に
入力してノイズを除去増幅し、その出力信号をAD変換
器43でデジタル信号に変換してその波高値を出力す
る。フィルタアンプ42では、例えば矩形フィルタとゲ
ーテッド・インテグレータが用いられ、矩形フィルタ
は、ステップ波が入力されたときにそれを矩形波に変換
して出力するものである。既に提案されている従来の矩
形フィルタを示したのが図7である(特開平7−333
346号公報参照)。この矩形フィルタでは、入力され
たステップ波を微分回路51で微分して増幅器52によ
り増幅した後、一方で反転増幅器53によって−1の利
得で反転させ、他方で積分回路54によって微分回路5
1と同じ時定数で積分する。そして、これらの出力を加
算回路55で加算することにより、入力信号VINを出力
OUT に再現する微分積分加算型フィルタとなる。さら
に、このようなステップ波に対し、その立ち上がりから
所定時間経過後に積分回路54をリセットすることによ
り矩形波が得られる。さらに、微分積分加算型フィルタ
出力は、ゲーテッドインテグレータ(図示せず)を通過
してノイズが除去される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】パルスプロセッサは、
上記のように検出器出力信号のS/Nを向上させるため
のフィルタ処理、ADC入力レベルまでの信号増幅、パ
イルアップ除去等の処理をしている。フィルタ処理で
は、三角波が理想とされているが、アナログ回路で理想
的な波形を作ることは困難である。そのため、近似三角
波を用いることになるが、理想的な波形との性能差が生
じてしまう。
【0005】また、信号に対するプリアンプの出力波高
値は、数mV、例えば約6keVのMnKα線が入射し
た時の出力は、約1mVであるのに対し、ADC入力電
圧は数V、例えば±5Vであるから、500〜1000
倍程度の増幅が必要になる。プリアンプ出力信号を直流
増幅器で増幅すると、検出器のリーク電流や出力信号の
パイルアップ等による直流分も増幅してしまうので、大
きな増幅度は、アンプの電源電圧による制限によってダ
イナミックレンジを狭くする。
【0006】そのため、頻繁な入力電荷のリセットが必
要になってしまい、リセットに伴うデッドタイムが多く
なり、スループットは低下する。解決方法としてKoe
man等の方法があるが、入力のスイッチが雑音源とな
るため、実用回路としては複雑で技術的困難度が高いの
が問題である。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、簡単な構成により入力ステップ波
を理想三角波に成形でき、デッドタイムを少なくしスル
ープットが向上できるようにするものである。
【0008】そのために本発明は、放射線検出器から出
力されるステップ波の信号を処理するパルスプロセッサ
であって、入力信号を微分する微分手段と、該微分手段
の出力信号をデジタル信号に変換する信号変換手段と、
前記信号変換手段の出力に基づき入力ステップ波の波高
値の検出信号を生成するデジタルフィルタとを備えたこ
とを特徴とし、前記デジタルフィルタは、前記信号変換
手段の出力を積分する積分手段と、該積分手段の出力と
前記信号変換手段の出力とを加算する加算手段とを有
し、変換されたステップ波離散データ列を三角波又は台
形波に成形するフィルタを有することを特徴とするもの
である。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図1は本発明に係るデジタルパ
ルスプロセッサの実施の形態を示す図、図2はデジタル
による微分積分型フィルタのブロックダイヤグラム、図
3は微分、積分、ステップ波データの例を示す図であ
る。図中、1は微分回路、2は増幅器、3はADC、4
はデジタルフィルタ、5は微分データ積分処理部、6は
加算部を示す。
【0010】図1において、微分回路1は、放射線検出
器から入力されるステップ波のアナログ信号を微分する
ものである。増幅器2は、微分回路1の微分波を次段の
AD変換のレンジに合わせて増幅するものであり、微分
回路1の微分波がAD変換に十分のレベルであれば省く
ことができることは勿論である。ADC3は、増幅器2
で増幅されたアナログ信号の微分波をサンプリングクロ
ックにしたがってAD変換することによりデジタル信号
に量子化するものである。デジタルフィルタ4は、AD
C3から出力される微分データとその積分データとを加
算してステップ波を生成する微分積分加算型デジタルフ
ィルタであり、そのためADC3から出力される微分デ
ータを積分処理する微分データ積分処理部5、及びその
積分データとADC3から出力される微分データとを加
算する加算部6を有する。このように本発明に係るデジ
タルパルスプロセッサは、放射線検出器から出力される
アナログ信号のステップ波をデジタル信号に直接量子化
するのではなく、微分してからデジタル信号に量子化
し、デジタル信号により微分データとその積分データと
を加算して入力信号に対応したステップ波を離散データ
上で再生するものである。微分積分型フィルタを差分方
程式で再現すると、例えば次の〔数1〕のようになる。
【0011】
【数1】
【0012】ただし、TはAD変換のサンプリング周波
数、CRはアナログ微分回路の時定数を表す。この差分
方程式をブロックダイヤグラムで表したのが図2であ
る。〔数1〕の(A)、(B)はそれぞれ図2の
(A)、(B)と対応している。
【0013】例えばADC3によりAD変換した微分デ
ータとして、図3(A)に示すデジタルデータが微分デ
ータ積分処理部5に入力されると、微分データ積分処理
部5で微分データが積分処理されて、図3(B)に示す
積分データが生成される。これを加算部6で図3(A)
の微分データと加算することにより、図3(C)に示す
ステップ波データが得られる。
【0014】次に三角波に変換するフィルタ処理につい
て説明する。パルスプロセッサのフィルタ処理で三角波
が理想とされていることは先に述べたとおりである。量
子化されたステップ波D(t)を三角波Y(t)に変換
するためには、次の〔数2〕あるいは〔数3〕の処理を
行う。
【0015】
【数2】
【0016】
【数3】
【0017】ここで、2aは三角波のパルス幅であり、
aを変えることによってパルス幅の異なる三角波が得ら
れる。また、〔数3〕は、三角波の頂点を平たくして台
形波とする変形例であり、bはその幅である。
【0018】図4は三角波フィルタの構成例を示す図、
図5は三角波フィルタの出力波形の例を示す図である。
図中、21、31はシフトレジスタ、22は乗算器、2
3、24、32、33は加算器、25はアキュムレー
タ、34は減算器を示す。上記処理を行う三角波フィル
タのアルゴリズムは、例えば図4(A)に示すようにス
テップ波データをサンプリングクロックにしたがって順
次入力してシフトし保持するシフトレジスタ21を備え
た場合、プロセスタイムを12クロックとすると、12
クロック前に入力したポジションのデータと、6クロッ
ク前に入力したポジションのデータに乗算器で−2を乗
じたデータと、を加算器23で加算し、さらに、これに
新たに入力されたデータを加算器24で加算して、アキ
ュムレータ25で積算することによって実現される。
【0019】また、三角波の幅を2aとすると、図4
(B)に示すようにシフトレジスタ31に保持されたデ
ータのうち、1〜aまでのデータと、その先のa+1か
ら2aまでのデータをそれぞれ加算器32、33で加算
し、それらの差を減算器34で演算してもよい。
【0020】上記のような三角波フィルタは、図1に示
すデジタルフィルタにおけるa、b、cのいずれかに挿
入接続される。その結果、いずれの場合にも、最終出力
として図5(A)に示す三角波が得られる。例えば加算
部6の出力段、つまりcに挿入接続した場合には、三角
波フィルタに図3(C)に示すステップ波が入力され、
図5(A)に示す波形が三角波フィルタの出力波とな
る。また、ADC3の出力、つまり図1に示すaに三角
波フィルタを挿入接続し微分波を入力とした場合には、
図5(B)に示す波形が三角波フィルタの出力波とな
り、微分データ積分処理部5の出力波が図5(C)に示
す波形となり、加算部6の出力波が図5(A)に示す波
形となる。
【0021】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、ブロック図によりデジタルフィル
タ、三角波フィルタの具体的な構成例を示したが、これ
らは、パソコンやDSPを使用しソフトウエアでフィル
タ処理するように構成してもよいことはいうまでもな
い。
【0022】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、入力信号を微分する微分手段と、該微分手段
の出力信号をデジタル信号に変換する信号変換手段と、
前記信号変換手段の出力に基づき入力ステップ波の波高
値の検出信号を生成するデジタルフィルタとを備えるの
で、簡単な構成により入力ステップ波の量子化データを
生成し、入力ステップ波の波高値の検出を行うことがで
きる。
【0023】先に述べたようにプリアンプ出力の直流成
分を含めてAD変換する場合、増幅度を下げるとAD変
換器の1ビットに相当するエネルギーが大きくなるた
め、量子化精度が低下する。また、増幅度を上げて量子
化精度を上げる方法として、AD変換の入力範囲を越え
るとプリアンプをリセットする方法はリセットによって
生じるデッドタイムのためスループットが低下する。さ
らに、リセットなしにAD変換するために、入力にDC
成分を打ち消す電圧を加えたり、入力されたDC成分を
保持して次の入力はその差分を取る方法など、DC成分
を打ち消す方法は、入力で打ち消し操作を行うために回
路が複雑になり、不安定になるなどの欠点がある。その
点、本発明によれば、ステップ波を微分し直流成分をカ
ットしてからAD変換するので、増幅しても不感時間を
増加させるパルス期間の頻度が増加せず、リセットに伴
うデッドタイムを少なくしスループットを向上させるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るデジタルパルスプロセッサの実
施の形態を示す図である。
【図2】 デジタルによる微分積分型フィルタのブロッ
クダイヤグラムである。
【図3】 微分、積分、ステップ波データの例を示す図
である。
【図4】 三角波フィルタの構成例を示す図である。
【図5】 三角波フィルタの出力波形の例を示す図であ
る。
【図6】 従来のアナログパルスプロセッサの概略構成
を示す図である。
【図7】 矩形フィルタの従来例を示す図である。
【符号の説明】
1…微分回路、2…増幅器、3…ADC、4…デジタル
フィルタ、5…微分データ積分処理部、6…加算部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桑田 正彦 東京都昭島市武蔵野三丁目1番2号 日本 電子エンジニアリング株式会社内 Fターム(参考) 2G088 FF03 FF04 FF05 FF06 GG21 KK03 KK05 KK06 KK07

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 放射線検出器から出力されるステップ波
    の信号を処理するパルスプロセッサであって、入力信号
    を微分する微分手段と、該微分手段の出力信号をデジタ
    ル信号に変換する信号変換手段と、前記信号変換手段の
    出力に基づき入力ステップ波の波高値の検出信号を生成
    するデジタルフィルタとを備えたことを特徴とするデジ
    タルパルスプロセッサ。
  2. 【請求項2】 前記デジタルフィルタは、前記信号変換
    手段の出力を積分する積分手段と、該積分手段の出力と
    前記信号変換手段の出力とを加算する加算手段とを有す
    ることを特徴とする請求項1記載のデジタルパルスプロ
    セッサ。
  3. 【請求項3】 前記デジタルフィルタは、変換されたス
    テップ波離散データ列を三角波又は台形波に成形するフ
    ィルタを有することを特徴とする請求項1記載のデジタ
    ルパルスプロセッサ。
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