主放大电路的设计 - 基于DSP的X射线能谱数据采集系统的设计方案

　　2.3 主放大电路的设计

　　经过前置放大和带通滤波处理后的信号仍然比较微弱，其中最大的脉冲幅度约为400 mV且为负脉冲，由于后续ADC 电路的输入范围为0~3.3 V，因此脉冲信号在送入ADC 电路之前还需进一步放大，所设计的主放大电路如图4所示。

　　

　　由图4所示，主放大电路采用具有低噪声、宽带宽、高精度的单运放芯片OP37组成电压并联负反馈电路，为使后端A/D转换电路具有较为理想的输入信号，主放大电路的电压放大倍数设计为6~8 倍，因此图中各个电阻的参数设计为：R1=25 kΩ，R3=30 kΩ，R4=200 kΩ，R2采用标称阻值为10 kΩ的可调电位器。此外，为了避免电路中的毛刺使放大电路的输出超过ADC的输入电压范围，在主放大电路的输出端设计了双向限幅电路，当主放大电路的输出高于UMax 时，二极管D1 导通，此时输出电压被限制在UMax;当主放大电路的输出低于UMin时，二极管D2 导通；选择合适的UMax 和UMin，可以把输出电压钳制在0~3.3 V，满足A/D转换电路输入电压的范围要求。

　　2.4 峰值保持电路的设计

　　经过主放大电路处理后的脉冲信号虽然幅度较为理想，但脉冲宽度仍然较小，最小脉宽只有1 ms.而A/D转换需要一定的时间，要采到脉冲的尖峰需要对峰值电压进行保持，同时向DSP 提出中断请求信号，使DSP响应中断并启动A/D转换，转换结束后DSP使采样保持器复原为采样状态，实现系统的逻辑控制，本文设计的峰值保持电路如图5 所示。

　　

　　如图5所示，U4是芯片LF398，它是美国半导体公司研制的集成采样保持器。它只需外接一个保持电容就能完成采样保持功能，其采样保持控制端可直接接于TTL，CMOS 逻辑电平。U1 和U2 是高速电压比较器LM311，U3 是上升沿触发的双D 触发器，U5 是与门74LS08.经过主放大电路处理后的脉冲信号一路输入到阈值比较器U1，另一路输入到由比较器U2 组成的峰值检测电路（R3C1组成延迟电路与U2反向输入端输入的脉冲信号进行比较，用于判断脉冲信号的峰值是否到来），还有一路输入到采样保持器 LF398，而且LF398的输出接到DSP内ADC模块的ADCINA0引脚上。

　　当电压脉冲信号幅度大于阈值电压Vref（调试过程中设定Vref 为0.5 V，电压低于0.5 V 的即可认为是噪声而不予考虑），比较器U1输出高电平，产生上升沿，上升沿再触发U3A，它的Q 端输出高电平和峰值未来到时U3B的Qˉ 端相与得高电平，去控制LF398的采样控制端进入采样状态。当脉冲信号到达峰值后，比较器U2 输出高电平，得到上升沿，上升沿再触发U3B，它的Qˉ 端输出低电平，U5输出低电平，LF398进入保持状态。U3B的Qˉ 端输出的下降沿作为DSP 捕获单元CAP3 中断的启动信号，CAP3 发出信号去启动ADC，当A/D 转换结束后，DSP 的GPIO 口输出一个低电平作为U3 的清零信号CLR，双D 触发器74LS74 清零后，LF398 的采样控制端重新进入采样状态，准备保持下一个脉冲的峰值。

　　2.5 DSP程序流程的设计

　　A/D转换和脉冲幅度分析的控制是整个X射线能谱数据采集系统的核心部分，决定着能谱数据采集的精度和整套系统的性能。由于NaI探测器探测到X射线的脉冲宽度最小只有1 ms，一般单片机的指令周期为微秒级，所以无法满足应用的需求。本文设计中选用了高速DSP芯片TMS320F2812，其时钟频率高达150 MHz，时钟周期为6.67 ns，使得A/D转换、对转换结果按幅度分类、进行计数等一系列操作能够在一个脉冲宽度的时间内完成；而且片内自带ADC模块是一个12位分辨率、具有流水线结构的模/数转换器，共有16个采样通道，最高采样频率为12.5 MSPS;该芯片最多可支持96个内部的外设中断，其中一个中断可用于启动A/D转换。

　　如图5所示，当采样保持器LF398由采样状态进入保持状态时，上升沿触发器U3B的Qˉ 端输出由高电平变为低电平，从而产生下降沿。当DSP事件管理器EV捕获单元CAP3 捕获到这个下降沿时，发出一个信号去启动ADC 并进入A/D 中断，此时高速的A/D 转换器开始将采样保持器LF398 保持的直流电平转换为12位的数字信号，转换的结果保存在ADC 模块的结果寄存器中；同时，DSP 会根据此结果进行内部RAM 寻址，并且对相应的道址进行加1操作，随后DSP通过通用输入/输出多路复用器GPIO产生一路低电平信号，此低电平信号输入到U3的清零端，从而使 LF398再次进入采样状态。在DSP 程序设计过程中预先设定好一定能谱数据采集的时间，等到规定的时间时，DSP将此次采集的能谱数据转存至外部Flash 存储器，并且清除存储在内部RAM 的能谱数据，以便进行下一次的采集，本文DSP处理的软件流程如图6所示。

　　

　　3 系统调试结果

　　当X 射线能谱数据采集系统各部分硬件电路调试成功时，就需要配合NaI（Tl）探测器进行系统联调。X 射线发生装置通过给X光管加80 kV的高压使之产生X射线，NaI（Tl）探测器探测到X射线后通过内部的光电倍增管产生电压脉冲信号，此脉冲信号经过系统各部分硬件电路逐步处理后，再通过TMS320F2812 的串行通信接口SCI上传到计算机分析处理，并最终绘制出X射线能谱图。系统结果的调试是在TI公司的集成开发环境CCS3.3中完成的，调用 CCS3.3的图形显示窗口，绘制的能谱如图7所示。

　　

　　由图7 可知，本文的道址数设定为1 024，由于TMS320F2812 的ADC 是12 位，因此需要将A/D 转换后的数据进行寄存器右移2位操作。整条谱线各个道址的计数率都很低，计数率最大的道址在250道左右，计数率不超过30.要想提高道址计数率得到较理想的谱线，可以继续提高X光管的供电电压或加大灯丝电流。

　　4 结论

　　本方案所设计的基于DSP 芯片TMS320F2812 的X 射线能谱数据采集系统，方案介绍了用于能谱数据采集的硬件电路和软件设计， 经调试结果表明，本方案所设计的系统电路简单、性能良好并且采集处理数据能力强，在配合由NaI（Tl）晶体与光电倍增管组成的闪烁探测器时，取得了良好的效果；同时本系统具有体积小、功耗低、输出稳定等特点，具有一定的应用价值。（作者：郭***，王琪，侯俊辰，任笑莹）