摘要：為了提高能譜測量系統(tǒng)中放大成形部分的靈活性，采用單片機(jī)控制DAC與一級放大結(jié)合的方法，研制一種放大倍數(shù)可程控的核能譜信號放大器，使其能同時適用于X熒光儀，伽瑪譜儀等核能譜測量儀器，實現(xiàn)0～100倍程控放大。試驗測試結(jié)果表明，設(shè)計電路完全達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞：核能譜信號；程控放大；濾波成形；DAC

0 引言
    核能譜放大器是能譜測量系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響整個能譜測量系統(tǒng)的分辨率。本文對傳統(tǒng)的核能譜信號放大器的不足之處進(jìn)行了改進(jìn)：傳統(tǒng)的核信號處理儀器放大倍數(shù)固定、不能靈活地變換信號放大倍數(shù)，放大電路都是針對具體的探測器設(shè)計，不具有通用性，本設(shè)計針對這一問題應(yīng)用一級固定放大倍數(shù)電路結(jié)合DAC轉(zhuǎn)換實現(xiàn)單片機(jī)可程控放大倍數(shù)，使核能譜信號放大器的放大倍數(shù)靈活變換，用戶可根據(jù)需求自行設(shè)置處理；本設(shè)計采用高速的12位DAC芯片設(shè)計方案，使系統(tǒng)具有高集成度、低功耗等特點，提高了核信號處理時脈沖的通過率，實現(xiàn)了準(zhǔn)確地對處理后信號進(jìn)行程控放大，提升了儀器性能。
    基于譜儀放大器的改進(jìn)空間，本文設(shè)計研制一種通用的、放大倍數(shù)可程控的核能譜信號放大器，使其能同時適用于X熒光儀，伽瑪譜儀等核能譜測量儀器，具有通用性。該放大器如進(jìn)一步融合信號采集(A／D轉(zhuǎn)換)技術(shù)和數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)可構(gòu)成一個功能完備的核能譜信號處理系統(tǒng)。

1 電路基本組成
    該電路主要包括濾波成形，程控放大，基線消除等三部分。其中濾波成形電路包括極零相消，四級巴特沃斯濾波電路，極性選擇電路；程控放大電路包括一級20倍放大和12位DAC程控放大電路；基線消除電路包括去除直流電路，反相電路及電壓跟隨電路，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 單元電路原理分析
2．1 極零相消
    信號輸入端接入極零相消電路可以消除對探頭信號進(jìn)行微分時所引起的下?lián)簦姑}沖單調(diào)地回到基線，它改善了計數(shù)率過載和脈沖幅度疊加的效應(yīng)，適用于高分辨率和高計數(shù)率的譜儀系統(tǒng)。圖2為設(shè)計電路及實驗測試信號圖。

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2．2 濾波成形
    電路采用兩個二階巴特沃斯濾波電路級聯(lián)成四階巴特沃斯濾波電路。用運算放大器設(shè)計的二階低通Butterworth濾波電路，直接采用頻域分析方法得到：
   
    式中：k相當(dāng)于同相放大器的電壓放大倍數(shù)，叫做濾波器的通帶增益；Q為品質(zhì)因數(shù)；ω0為特征角頻率。圖3為濾波成形部分電路設(shè)計原理圖，圖4為實驗測試結(jié)果。

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2．3 程控放大
    此電路采用一級100倍固定放大和DAC程控可調(diào)倍數(shù)放大兩部分。一級放大采用運算放大器正反饋。DAC程控可調(diào)倍數(shù)放大部分，通過單片機(jī)控制12位高速DAC芯片，利用DAC內(nèi)部精密電阻網(wǎng)絡(luò)作為運放的反饋電阻提高了放大精度，實現(xiàn)1～1 000倍可程控放大。輸出電壓：
   
    式中D取值范圍為：0～4 095。
    DAC程控放大電路如圖5所示。

2．4 基線消除
    基線消除電路先將成形后的核脈沖信號輸入一階低通濾波電路取出直流分量，再與原信號相減實現(xiàn)去除直流分量的作用。電路實現(xiàn)如圖6所示。

3 主要性能指標(biāo)
    將本文設(shè)計的可程控核能譜信號放大電路通過制板、焊接、調(diào)試后，電源采用7～20 V的穩(wěn)壓電源，電路將其轉(zhuǎn)為所需+5 V，-5 V，信號輸入端通過極零相消電路，經(jīng)調(diào)試對不同輸入(X熒光和伽馬射線)的頻率要求改變R，C值實現(xiàn)極零相消其后接入的一級放大和核信號的成形濾波，輸出的信號為準(zhǔn)高斯波形，脈沖的頂部平坦，通過單片機(jī)控制DAC工作，經(jīng)測試達(dá)到了可程控信號0～100倍的放大，完全實現(xiàn)了設(shè)計要求。圖7為最終測試輸出波形。

4 結(jié)論
    本文設(shè)計的可程控核能譜信號放大器經(jīng)過分析設(shè)計及電路的制板、焊接和調(diào)試，經(jīng)實驗證明，達(dá)到了對能譜信號進(jìn)行濾波成形、0～100倍程控放大的設(shè)計要求。
    該設(shè)計可通用于X熒光和伽瑪能譜測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)計要求的通用性和靈活性，對比傳統(tǒng)的核信號放大成形，本文設(shè)計的可程控信號放大器還具有低功耗、硬件易于小型化等優(yōu)點，實現(xiàn)了現(xiàn)代核信號處理方面的設(shè)計要求。