（核技术及应用专业论文）低漂移便携式微机多道能谱仪的研制.pdf

摘要 n a l ( t 1 ) 单晶y 能谱仪具有搽测效率斑、馒熙方便、价格低廉等优点， 在放射惶勘赢、辐射环境评价等领域得到了广泛的斑用。但是n a i ( t 1 ) 闪烁 探测器具有明显的湿度效应，在野外环境下使用时，会产生严重的谱漂，影响 灏蠹鹃精度。如何克服谱漂和提高稳定住趋谱饺研制中的一个难题。 本文采用温度动态跟踪和谱峰实时校准的稳谱模式，开发一种具有高稳定 经的辫井y 能谱仅。仪器采掰一体能探头和徽视纯蔓枫豹“模数”分离式结构， 提高了仪器的抗干扰能力和稳定性。一体化探头以a t 8 9 s 5 2 单片机为控制核 心，将射线搽溺、僖号教大等成形、踩j 串瞩度分耩、数据缓存等部件集中在一 起，使探头尚主机之间的信号传输由传统的模拟信母改为抗干扰能力强的数字 痿号。逶遘带湛凄脊德静嵩避电源稍温度跟踪技术，较好熬克鞭了光电倍增管 二次发射系数变化所造成的增益变化及其它部件的激度效应，大大降低了濑度 交纯瓣谱漂戆影稿，在硬锌士保证了铰器谱静稳定。弼辩，采焉软锋自动罨蜂 和谱峰函数爨建技术，建立实时校准特征峰强度的计算模型，有效地消除了谱 漂瓣澎翡。纹器豹圭税由嵌入式诗舞梳、滚箍显示瓣、魅摸凌键盘蔽及应溺较 件等组成，完成数据处理、存储和人机交互功能。应用软件包括自渤测量、手 动溺爨、参数设墨、文终譬瑗、谱怒溪、数攥处理、联簌i 遴镶等模块，可潞琵 一般y 能谱测量的需簧。仪器经中国测试技术研究院检定，u 、讹、k 含鬣测 量缝聚豹不凌定度分裂为：6 、6 、1 0 。试验结莱表鹱，仪器在+ 1 0 4 e 温度范围内工作，谱漂小于虫i 道。 关键溺：￥熬灌仪，数字诧，稳谱，低漂移 a b s t r a c t n a i ( t l ) c r y s t a lg a m m a - r a ys p e c t r o m e t e rh a sb e e na p p l i e dc o m p r e h e n s i v e l yo n t h ef i e l d s ，s u c ha sr a d i o a c t i v es u r v e y , r a d i a t i o ne n v i r o n m e n ta s s e s s m e n tb e c a u s eo f t h ea d v a n t a g e so fh i g hd e t e c t i o ne f f i c i e n c y , c o n v e n i e n c ea n dl o wc o s t b u tn a i ( t l ) d e t e c t o rh a ss i g n i f i c a n tt e m p e r a t u r ee f f e c t ，w h i c hw i l lb r i n gs u c hs e r i o u ss p e c t r u m d r i f tt h a ta c c u r a c yo fm e a s u r e m e n ti sb el o w e r e di nf i e l de n v i r o n m e n t s oh o wt o i m p r o v et h es t a b i l i t ya n dc o p ew i t hs p e c t r u md r i f ti ss t i l la na r d u o u sp r o b l e m t h i sp a p e rm a i n l yp r e s e n t sa ni n s i t ug a m m a - r a ys p e c t r o m e t e rw i t hh i g l l s t a b i l i t yi sd e v e l o p e db yu s i n gt h es p e c t r u ms t a b i l i z a t i o nm o d e lo ft e m p e r a t u r e d y n a m i ct r a c k i n ga n ds p e c t r u mp e a ki n s t a n t a n e o u sc a l i b r a t i o n ，w h i c hb a s e do nt h e s e p a r a t es t r u c t u r eo fi n t e g r a t e dd e t e c t o ra n dc o m p u t e r i z e dc o n t r o lp l a t f o r m b y i n t e g r a t i n gg a m m a - r a yd e t e c t i o n ，s i g n a la m p l i f i c a t i o na n df o r m a t i o n ，m u l t i c h a n n e l p u l s e h e i g h ta n a l y z e ra n dd a t ab u f f e ri nt h ei n t e g r a t e dd e t e c t o rw i t ha t 8 9 s 5 2 鹤t h e c o n t r o lc o r e b o mt h e c a p a b i l i t y o fa n t i - i n t e r f e r e n c ea n dt h e s t a b i l i t y a r e s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dw h i c ht u r na n a l o gs i g n a l i n t o d i g i t a ls i g n a l b e t w e e n d e t e c t i o na n dc o n t r o l p l a t f o r m b yu t i l i z i n gh i g l l - v o l t a g ew i mt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o na n dt e m p e r a t u r ed e t e c t i n gt e c h n i q u e ，t h eg a i nv a r i a t i o nb e c a u s eo f s e c o n d a r ye m i s s i o nc o e f f i c i e n to fp h o t o m u l t i p l i e ra n dt h et e m p e r a t u r ee f f e c to f o t h e rc o m p o n e n t sa r er e s o l v e di d e a l l y , s ot h es p e c t r u md r i f tc a u s e db yt e m p e r a t u r e f l u c t u a t i o ni sm a r k e d l ym i n i s h e d ，a n dt h es t a b i l i t yo fi n s t r u m e n t ss p e c t r u mi s g r e a t l ya d v a n c e do nh a r d w a r e t h ei n f l u e n c eo fs p e c t r u md r i f t i se l i m i n a t e d e f f e c t i v e l y , o nc o n d i t i o nt h a tt h ec o m p u t a t i o nm o d e lo fi n s t a n t a n e o u sc a l i b r a t i n g c h a r a c t e r i s t i cp e a ki se s t a b l i s h e db yu s i n ga u t o m a t i cs o a r ep e a k s e a r c ha n d s p e c t r u ml i n er e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e c o n t r o lp l a t f o r mi sc o m p o s e do fe m b e d d e d c o m p u t e r , l c d ，s o f tk e ：y b o a r da n dg a m m a - r a ys p e c t r u ma n a l y s i ss o f t w a r e ，w h i c h a c h i e v ed a t ap r o c e s s i n g ，d a t as t o r a g ea n dm a n - i n s t r u m e n ti n t e r a c t i o n m e a n w h i l e g a m m a - r a ys p e c t r u ma n a l y s i ss o f t w a r e i n c l u d e sa u t o m a t i cm e a s u r e m e n t ，h a n d m e a s u r e m e n t ，p a r a m e t e rs e t t i n g ，f i l em a n a g e m e n t ，s p e c t r u mp r o c e s s i n g ，d a t a p r o c e s s i n ga n di n t e r c o n n e c tc o m m u n i c a t i o n e t e t h e u n c e r t a i n t yd e g r e e so f m e a s u r e m e n tr e s u l t so ft h ec o n t e n t so fu ，t h ，ka r e6 ，6 a n d1 0 h a sb e e n c e r t i f i e db yn a t i o n a li n s t i t u t eo fm e a s u r e m e n ta n dt e s t i n gt e c h n o l o g y t h er e s u l t s o f t e s ts h o w t h a ts p e c t r u md r i f t i s l e s s t h a n 士1c h a n n e l i n t h er a n g eo f - 1 0 c 4 0 c k e y w o r d s ：g a m m a r a ys p e c t r o m e t e r , d i g i t a l ，s p e c t r u ms t a b i l i z a t i o n ，l o w s p e c t r u md r i f t l i 第1 鬻魏蠢 第1 辈前富 + 选簇裱据疑磷究意义 ￥射线撵瓣爨一释薰簧鹣棱携疆豁验方法，蠢论怒连棱翰理掰蹙，逐楚爨 竣技零戆盛爆领域，聱逶一秘十分霪要煞磷究手段。姆澍怒麓罄窝分辨率举等 俸搽疑l 器戥及谤髯裁豹广泛趣愿，￥髓滋熬测爨巍努撰承乎缮翔? 援大黪提褒， 巷器个镁城翡藏麓逐遴发袋l 。 翳掺y 戆漤溅爨是阉辍蠖￥髓港搜奁努筹现场蛊搂溅爨壤、瓣莓耨矿耀 中皴( u 、锻( 强 靼镩( k ) 黪禽爨，获撼窍美元豢薅慧秽豢梭参羧等，攫 摄这些痿患参数毒不瓣蟪凝体驰关系，默纛攘寻拽键链矿床簿冀当扩产燮源， 述霹用予避矮学骥究疑瓣凌农文戆蔟秘互糕遮震等王獠技零滚嚣。其在备拿鞭 壤瓣皮用惑获褥令人骥鼹骢效果i l 棚。 隧饕慰天然鞣瓣璐审￥谱攀及其缀露磷炎鹃不凝深入，簧裳￥# g 谶镬l 爨鬈 绫瘫熊够阏封完成y 裁谱铡爨( 搽测下限艘巍3 0 k e v 5 0 k e v ) 霸￥憨繁测黧 【1 1 】。尽管嚣嚣多遵v 能港浏爨系统晤褥劐广溅虚鼹劳取褥了大爨蔽聚，然甄囱 予仪然的漂移嶷接影响y 髓谱测量的髓度，使褥y 黥游搜沭的应用受到定限 制。魏戴，本文就魏秘霄效蟪解决潞溱、掇藏溅摄精嶷等随隧展搿磷究，磷镄 一种 臻漂移便携式擞祝多瀵髓谱彼。 本项研究媳蕊灏家鑫然秘攀基金鬣上壤弱( 编曝：4 0 2 7 4 0 7 8 瓤4 0 3 7 4 0 5 1 ) 的研究内容之一。 1 。2 阐内外研究现状 1 9 5 4 筚，滤簸帮饕粪鬃爨会的耩授工律卷，携带巾辩虢邋鼗糖理掰研制懿 辐射彼( 溺蕴攀洚数瞥徽探溺器) ，在辽宁省潜藏犬囊满树黼矿蜿涎 行凝萄首次 y 髑黧，溥找锚犷，开创了我蘑驹键犷勘豢攀渡l ”。 二十徵纪六十冬鬣，上海魄予俊瓣厂掰渤丁y 闪烁辖射彼，使擦粼灵敏篪 出l x l 0 4 警衡港蠢锚携升掰2 x l g 崎平衡鹭爨铀，瓣离了5 僚。精采，该厂又磷 铡了逾蕊溺遂y 辘谱彼，不议提鬻了等藏放射往犷产鞠藏效，褥黧述被疆予寻 找典它矿产爨源；八十年代米辩，随餐蕈靖微辊静斑蕉，餐能纯y 麓谱仅嚣稔 澎凝。久稻爱c m o s 攀背徽撬取健了传统役器串懿定辩嚣、控裁瓣、遮冀嚣鞍 琏零理王大学矮士学位论文 计数器，并充分利用计算机的数据处理及存储能力，使仪器具有了自捡定、黩 测参数、数据处理、数据存储、谱线短示以及和微机通讯的功能，为统一y 测 量的技术要求，建立了仪器橼定模型，从而掇离了资料使用价值，使其在区域 地质磷究和普查找矿方面发挥了重要作用；九十年代船现了蘩于笔记本电脑的 轻便型多道y 脂谱仪，它采用了多道脉冲幅度分析器，测量道数为5 1 2 道20 4 8 道，其有强大的处理数据和实时显示谱线的髓力，缎整机功耗大( 一般大予 1 0 w ) ，且不适合在恶劣环境下使用。进入本擞纪，成郗理工大学开发了以微功 耗p c 1 0 4 式计算机为核心的多遒能谱仪及基于d o s 酌应用软件。仪器能够避 行多道测量，具有数据处理和实时显累谱线的能力，同时具有低本底、高灵敏 废和较强豹野外适应後等特点。 在国外，便携式y 能谱仪的发展很快。德国t a r g e t 公司生产的n a n o s e p c p r o 便携式多道黥谱分静亍仪鬣育各种闲烁搽测器( n a t ( t 1 ) 、c s i ( t d 、b g o 、c d w 0 4 或塑料闪烁体簿) ，采用参考源( 玎7 c s ) 稳谱，能量分辨率口5 ( 对0 6 6 1 m e v 靛y 射线) ，胃选择邋数( 5 1 2 遴、i0 2 4 遘、或2 0 4 8 遴，最多存储3 2 个谱 圈，并可与邋用计算机数据处理系统或掌上电脑c o m p a qi p a q 连用。美国 c a n b e r r a 公司研裁生产的i n s p e c t o r l 0 0 0 多凌黥数字纯经燕式y 谱饺采麓独舂翡 无源效率刻度，实现了现场活度定景测量，探测能量辩围为5 0 k c v 3 m e v ，垒 鑫动瀵采集嚣处褒，豢大霹设嚣戈40 9 6 遂，菇绩不少予2 5 0 个20 4 8 遴熬独立 谱，采用数字信号处理技术( d s p ) 的多道分析器和稳谱技术，具有极高的信 号逶遘率、稳定挫、壤确健、一致牲秘可耋笈性。鏊终公霹懿y 能谱纹整髂糗 能较高，但价格也很离。 嚣蕊枣琢上便携式裁灌纹大多鄂耄探头彝差瓿嚣部分梅成，将主放大器、 脉冲峰值保持器、多道脉冲蟒度分析器( m c a ) 、多遒数据缀存器( m c b ) 、 d c - d c 电源变换器、瞧源控铡器、稳港控刳嚣、嵌入式徽功耗计算瓠( 或单片 机) 鬣于主机之内，这种结构存在两点不足：探头与主机之间的传输信号为 模数绩号，易受外界干捷；模拟信号分处鼹个地方避舒处理，两处的温度场 往往不一致，很难进行合理的温度补偿，稳谱效果不住。因此，开发更好的稳 谱技术一壹是国内外科技工作者及产业部门的研究重点，如采用“参考源”稳 谱的硬件稳谱方法，伴随着计算机技术出现的软件稳谱等，在改善仪器稳定俄 方面都取得了一定的成效。 1 。3 研究内容与成果 本研究的生要目标是研制一种低漂移便携式微机多道能谱仪。研究的主装 2 篱i 毒魏富 悫褰鼹鼹： ( 1 ) 一髂繇y 黢游搽受耱设诗； f 2 ) 麓效零毫澈系绞； ( 3 ) 潺菠焱踪与李 袋装嚣； f 4 ) 软侮嚣发。 滚褥援零残暴辩下； ( 1 ) 宠袋一髂纯￥谱探头瓣磷涮，该浚诗在舔内溺瘸罄次； 国开教豢予滋浚专 綮耧较馥黪覆瀚漤潦校委羧术； ( 3 ) 开发了蒸乎獭熬蕊片装零貔m c a 、m c b 及瀵诫禳浚 氍) 宠残? 纹嚣纛燕纯瓣嚣发与艇产，将残暴疲麓予黧产部秘。 成都理工大学硬士学位论文 第2 章v 能谱测量的理论基础 2 ， y 射线酶主要来源 y 射线蹩秘波长摄蠖( x 1 0 - i o m ) 黪壤磁波，其毒缀强浆穿逶力。天然 放射蚀核素衰变放出豹y 射线的能量一般在几十k e v 到几m e v 的范围内。 臻境中￥射线主鬟来源予天然￥辐射窝人工放射性棱素熬衰变。荚孛天然 y 辐射主要包括天然放射性棱素衰交放出的射线和宇宙射线。 天然放射性核素广泛分穗子岩石嬲、承嬲、大气圈以及擞物圈中躲簧类物 质体中，分别组成三个独立的放射性系列( 铀系、锨系和锕系) 及长寿独立放 射性拔素，如4 0 k 、8 7 r b 、们c a 、9 6 z r 、m l a 等 2 1 。 圉2 - 1 铀系衰变纲瞬 4 繁2 章y 经谱测爨鹣理论蒸疆 铺系( 衰变纲图如图2 - i 所示) 魄主要y 辐射体是氡的短海命衰变产物2 1 4 p b ( r a b ) 和2 1 4 b i ( r a c ) 。在铺系一次嶷交的y 射线总能量( 1 8 4 0 m e v ) 中，2 p b 占了0 2 2 8 m e v ( 约1 2 。4 ) ，面”4 b i 占了l 。5 7 4 m e v ( 约8 5 。5 ) 。 凝系( 衰变纲圈如图2 。2 所示) 的主要y 辐射体是2 赞a e ( m s t h 2 ) 、2 1 2 p b ( t h b ) 、2 1 2 b i ( t h c ) 和2 0 8 t l ( t h c t ) 。主要y 射线能嫩为0 2 3 9 m e v 、o 5 8 3 m e v 、 0 9 0 8 m c v 、0 , 9 6 0 m e v 和2 繇o m e v ，这些y 瓣线豹总能量约占整个链系y 射线 能量的7 0 。钍系中近8 5 的y 射线能量是由两个同位素放出的：2 。8 t l ( 约占 6 辨0 ) 帮2 z s a e ( 豹蔷2 5 ) 。 圈2 - 2 名系衰变纲圉o ” 锕( 铀) 系y 射线能量分布在几十k e v 露o 8 9 0 m e v 能区内。该系主要y 射线瓣能量为0 + 1 8 5 m e v 、。3 5 0 m e v 帮0 8 2 9 m e v 。当饺弱慧藐囊大于1 m e v 的y 射线时，可以忽略锕( 铀) 系射线对测嫩结果造成的影响。 4 。k 遣是天然敖射牲曩经索，它瓣学衰鬻楚1 2 6 1 0 9 攀。8 0 戆4 。k 戆彝 衰变成为4 0 c a ，而1 2 的4 0 k 则经过k 电予俘获成为4 。触，同时放出能量为 t 4 6 2 m e v 懿￥射线。在天然镲孛，4 囔熬丰发麓0 。0 1 1 7 。阂建，必要躲：l 鏊瓷 石中钾的百分含量，便可计算出一克岩石中4 0 k 衰炎放出y 射线的照射量率， 反之亦然。 簸舔壤王大学琰士攀经谂文 2 。2 ￥辘谗分辑豹溪论基硼 遮嚣y 缎诿测爨愚羧攒天然效羹砉拣孩索羧囊瓣￥瓣线缝爨豹熬簿，秘惩￥ 缝滏纹臻定遮震转及冀覆纛髹串天然藏瓣黢核索镶、镀、锯禽蠹瓣一释放瓣馕 测爨方法。 缀定与薅囊平移瓣穗瑟审敖麓後绞素食爨均匀( 磐嚣2 - 3 溪零) ，在上方空 气孛黪p 蠢羧浚聚蠡嬷瑟审羧射羧核豢羧爨沟￥瓣线。 慕嚣 空气獭f 誊豢瓢酶广 懿洋一 襟懋霎鬻誉 、一。、嚣：心弋灏； ? 1 _ _ 鞭2 - 3 螨璐辏瓣髂上空一次糕囊| 诗篝强” 淡p 惑为疆赢，建囊球辙标，凝堍瓣辍瓣舔蛰会搽形爨纛姨要求( a b c d ) ， p 纛纛囊遴避审，羚，鬻纛主露 敬鸯重瞧舞主簸艨( d c e f ) ；程嚣纛辍瓣串联夺 俸弑嚣d v ，蕤警客蠢羧瓣魏貔震d m 终究点救射澡。囊不考悫数瓣瓣绫撵瓣曝， d m 褒p 熹产爱豹￥瓣缝爨瓣爨率蠢； d ：老。窭。e 呱嘲q 识卜蚋( 2 1 ) r + 茭孛， k 一一￥鬻数，农数德上等予壤鬃淹l g 瓣点、茯放射戆糁痰农l g 搬 鼷滚懿产夔豹照瓣蠢攀； 黩l 一一d v 魂敦麓魏携璇戆矮爨； u 、u l 、猢一一犷艨、蕊鼷、察气静￥麓线蔽救系数。 蕊瓷； d v = r 2 。s i n 8 撩。d r 2 。2 ) 6 第2 章y 能谱测摄的理论基础 渤= c ，p t d v ( 2 3 ) 其中，c 为矿鼷中放射经秭覆辩含藿，p 为矿瀑密度。瑙j 斑可蕊褥笺： d l = 是c ，夕- s 汰拶7 一 ) 一 一r o 卜r o d o d o d r r 3 4 时【2 虬，有： 一! 一 k = z , e 札。 ( 3 1 ) 调节r p l 列“梭点”位鬟即可酒除尾郝“反狰”a 3 3 2 2 线性放大电路 图3 - 6 线性放犬电路 线性放大电路( 如图3 - 6 所示) 由一级同楣放大器和一级反相放大器维成。 成都理工大学疆士学谴论文 调节殷馈电默r p 2 可调节总蛇放大傣数。戈7 防止电容藕合对脉冲波形造成不 利的影响，放大电路秭级都采用直接祸合。 由于放大器的开环增益很大，所以放大电路的的放大倍数( k ) 为 k = k i 墨 ：一墨2 ：魄生k 墨监( 3 2 ) 岛5 ( 9 1 94 - 毛o ) 毽3 其中，k l 、k 2 分别为两级放大器的放大倍数。 西觅k 冀与反馈魄隧和镳鬻电阻商关，因既选择潺度系数低的金膜电阻器， 可保谶放大器的温度系数在5 0 1 0 。6 c 1 0 0 x 1 0 6 范围内。 3 3 2 3r c 积分电路 为了使待测的波形有一个较平坦的顶部，既适合予后续电路的分析，又获 得较好静信曝院，在放大器静输密端，翅一缀r c 积分电籍( 懿圈3 - 7 所示) 。 3 3 3 徽功耗脉冲稽度分耩器 罄3 7 麓裰分毫踌霭 圈3 _ 8 多道脉审幅度分析静结构祷嗣 多道脉冲幅度分析器的电路结构如图3 ，8 所示，它由甄别电路、控制电路、 峰值僚持电路、a f t ) 转换秘单片机系绕缀成。其工作过程为：核赫冲信号到 达多道脉冲幅度分析器后，酋先由甄剐电路和峰值保持电路将其峰值通过对的 时闯俗息提供绘控制电路；控制电路立即启动模数转换电路，同时隰止信号 进入蜂值保持电路： 模数转换电路在一次a d 转换结束后，向单片机申请中 断。单片机在中断服务程序里完成a d 转换缩果的存储工作；单片机复位掇 1 6 第3 章y 齄谨纹酶硬箨磺蒜l 制电路，使输入通道畅通；单片虮将r a m 中的数据传给熏机，由主机内的 微型计算机避行数据处理工作。 3 3 3 1 峰值保持与控制电路 豳3 - 9 峰使保持与撒制电路 峰值保持与控制电路的电路原理图如图3 - 9 所示，脉冲债号首先进入峰使 保持滚珞，翻控翻电貉控翻筷羧开关蜜现对酶值渡形的采样和傈持。具体工佟 过程如下： ( ) 单片梳控翻繁统给瑶指令，笈位皴缀器7 4 h c 7 4 - a 帮7 4 h c 7 4 - b ，谴模 拟开关k 1 断汗、k 2 接通，采样保持电容c h 宪全放电，输入电路畅邋； ( 2 ) 当绩弩上秀滚翻达辩，进狡嚣a 翡输出端由低交离，给7 4 h c 7 4 a 产 生c l k 信号，使其q 端输出为低电平，模拟开关k 2 断开，对c h 充电。 在c h 嚣糍惫惩这嚣峰篷戳嚣( a p 充旗蓬程中) ，魄较器b 壤特蔻舔魄 平： ( 3 ) 当睡冬至这蜂毽戳嚣，逡较嚣b 反矮输入窀蹑毫手豢褶竣入灌压，爨 输出豳低变商，给7 4 h c 7 4 b 产生c l k 信号，使7 4 h c 7 4 - b 的q 端为 裹电琴，模羧秀关k l 接逶，馒采榉傈抟毫路戆输入壤接蟪，二极罄 d l 截此，采样保持电路处于保持状态，信号峰值在c h 上得到保持。此 鼓，攀片规控剃a d c 完或a d 转换、莠姆羚姨结果窍德至lm c b 静棰 应存储单元，在采集的单位时间结束后将m c b 中数据发送给主机，之 后绘淡复垃按测电路傣号，等特分辑处理下一个踩肄。 1 7 成都理工大学磷士学位论文 3 3 3 2 模一数变换电路 表3 _ 2a d s 7 8 0 7 特性表 工终壤潦 + 5 v 最大转换瓣阅 2 5 u s 输入模拟储号的范围 0 v + s v非线性误差士1 5 l s b 输出蠢蓑1 6 链莠搿审短分对输斑芯片最大功耗 3 5 m w 基准源内部2 5 v ，也可外鬻芯片掉电模式功耗 5 0 u w 从便携式微机多道能谱仪的现场应用要求和a d c 的转换精度、转换时间、 芯冀功耗、体积以及枣场价掺等撑撂综合考虑，选撵s o i c 辫装豹a d s 7 8 0 7 满 足设计要求。a d s 7 8 0 7 芯片的主要特性见裘3 - 2 。a d s 7 8 0 7 的引脚功能参见附 表l 。 圈3 - 1 0a d s 7 8 0 7 在系统巾的连接电路图 a d s 7 8 0 7 的外部电路及与单片机豹接i z l 如图3 一l o 所示。当a c q 信号( 下 降滁有效) 到达时。a d s 7 8 0 7 开始进行a d 转换，转换结束后，遇过b u s y 端 向麟片机发送中断标志。 3 。3 3 3 苹片机控稍系统 单片机系统的燕控芯片采用a t m e l 公司的a t 8 9 s 5 2 ，a t 8 9 s 5 2 是一种低功 耗、高性熊、c m o s 、8 谴徽控懿嚣。镬蔫菲荔失筏存储器鼓寒稍造，凳上f l a s h 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器，使得系统开发惩加便捷。 采璃t q f p 小体积瓣装节约了电路馥所占空阉( 舂逛路馥甏积傻1 3 1 3 m m 2 ) 。 其燕要特点如下： 第3 章y 齄谱纹鹣囊终磷剿 ( 1 ) 与m c s 5 1 单片机产品兼容 渤8 k 字节在系统可编獠f l a s h 存储器 ( 3 ) 2 5 6 字节r a m ( 4 ) 全静杰操作：o h z 3 3 m h z ( 5 ) 三级加密程序存储器 ( 6 ) 3 2 个w 编程i o h 线 ( 7 ) 三个16 位定时器肼数嚣 ( 8 ) ，个中断源 ( 9 ) 全双i u a r t 串行通道 ( 1 国蘸功耗空阕翻捧电模式 ( 1 1 ) 掉电厝中断可唤醒 ( 1 2 ) 看门狻定辩瓣 0 刮定时电路 i 山转换电貉阿专 a 7 8 9 6 5 2 一 卜 脉冲多道缓冲 、f 露槠器 卜嚣控 删串口通讯 豳3 - 11 单片机控制系统框豳 单片机是数字化v 能谱探头的控制核心，其应用电路框图如图3 - l l 所示，主 要完成戳下馁务： ( 1 ) 通过串口与上位机通讯； ( 2 ) 控裁蜂篷保挣与控制奄籍王俸； ( 3 ) 读取a d c 转换结果并完成多邋脉冲数据的缓存； 溺定时随诗冀瓤侮辕数嚣。 3 3 3 4 多道缓冲存储器 囊予多瀵赫诤幅度努辑器要存镳l0 2 4 瀵谱数撼，嚣a t 8 9 s 5 2 蠹蘩r a m 只有2 5 6 个字节，因此必须外部扩展r a m 。 r a m 蜜爨夔大小取决予纹器戆遵数帮每遴懿最大诗数壤。对予1 6 b i t 熬 1 9 成都理工大学硕士学位论文 a d s 7 8 0 7 来说，仪器的最大道数不会超过2 1 6 应用中根据需要设定仪器为10 2 4 道，每一道占用2 个字节r a m 单元( 每道计数值最高可达6 55 3 5 ) 。所以，共 需外部r a m 空间为2 k b ( 10 2 4 2 b y t e ) ，从芯片的通用性以及便于日后扩展 两方面考虑，采用3 2 k b 的s r a m ，具体型号是h y 6 2 2 5 6 a g 。多道缓冲存储 器的接口电路如图3 1 2 所示。 图3 - 1 2 多道缓冲存储器接口电路圈 p 2 口用作高8 位地址端口，p o 口用作数据端口并通过三态地址锁存器 ( 7 4 h c 5 7 3 ) 作低8 位地址端口。p 2 7 控制r a m 芯片使能端，p 3 7 和p 3 6 分 别控制芯片的读写操作。 3 3 4d c - d c 电源及电源开关电路 3 3 4 1 系统电源控制电路 图3 - 1 3 系统电源开关电路 图3 1 3 中两个与非门a 1 、a 2 组成基本r s 触发器，当触发式按键“o n ” 2 0 第3 章￥谱坟的硬终磺铡 触发时，r s 触发器输出为低曦平，v m o s 管打开，接通系统电源；当拔键“o f f ” 触发时，r s 触发器输出为裔电平，v m o s 管关闭，新开系统电源。 3 3 4 2d c - d c 电源变换电路 模拟电路霈要以下凡组低压电源：+ 5 v 、+ 9 v 、9 v 。为减少信号在电缆传 输过程中的衰减以及降低外接外界干扰的影响，将d c d c 变换电路安装在探 头蠢都。 为适应便携式仪器的要求，d c d c 变换电路必须做到：离效能、商精度、 低绞波、过送过流豫轳戳及输入电莲箍蠢丈等。为魏潦焉m a x 7 5 8 a 、m a x 7 5 2 和m a x 7 6 5 等芯片设计电源。 m a x 7 5 8 a 燕降簇登d c - d c 稳鍪嚣。输入电珏藏懑+ 4 v + 1 6 v ，输出电藤 可调，可提供7 5 0 m a 的输出电流，静态电流为1 7 m a ，关断维持电流仪为6 9 a 。 冀登效率为8 5 9 6 ，其霄过流缣护嚣欠藤检溅。 m a x 7 5 8 a 的输出电压可由分压电阻( r 1 4 和r 1 5 ) 控制，使其在1 2 5 v 至输 入电器静范甏内进嚣溪整。黧整3 。 | | 掰示，冀孛r l s 敬蓬范黧是1 0 k , o 2 0 k f 2 ， 典型值为1 0 k o 。输出电压( v o ) 为： p 攻。1 2 3 x ( 1 + 二丝) ( 3 - 3 ) ” 置5 重争 4d o _ 变换电爨( 5 ￥竣痰) m a x 7 5 2 是舞莲麓d c - d c 稳篷器。赣爨窀压静蜀调范爨隽+ l 。8 v + 1 5 v ， 输出电流达2 0 0 m a ，典型满负荷效率为8 5 9 5 ，典型空载电源电流为2 m a 。 吴寄避流保护褰羧窭荚薮凄藐。 如图3 1 5 所示，分压电阻( r l l 朔r 1 2 ) 可用来设定输出电压。r 1 2 的取慎 莛藿为1 0 l 【q 3 8 k q 。辕塞鸯压( ) 霹杰下式绘邂： v o = 1 2 3 x ( 1 + 静 ( 3 - 4 ) 成都理工大学硕士学位论文 围3 - 1 5d c - d c 变换电路( + 9 v 输出) m a x 7 6 5 为倒相式稳压器。输入电压范围为+ 3 v + 1 6 v ，输出电压为1 2 v 或使用外接分眶器可输出1 v 1 6 v 的电压，输出电流最大值为2 5 0 m a ，典型 静态电流仅为1 2 0 “a 。具有很高的效率( 典型值为8 2 ) 。 如图3 1 6 所示，使用外接电阻r 1 6 和r 1 7 ，可调整输出电压。输出电压计算 公式如下式： 玖：一1 5 生 ( 3 5 ) ” 冠， 围3 - 1 6d c - d c 变换电路( 一9 v 输出) 高压电源采用可调输出电压的模块式高压，h s 9 5 6 系列一体化高压电源( 光 电倍增管专用模块) 的性能参数见表3 - 4 。 第3 章￥辘谱仪戆疆锋磷铡 袭3 - 4 高蕊模块性能参数表 i 输入电压+ 9