一種新的死時(shí)間損失的補(bǔ)償方法及其實(shí)現(xiàn)

摘要：用計(jì)數(shù)的方法解決脈沖幅度分析器系統(tǒng)的丟峰問(wèn)題，然后根據(jù)丟失脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，是解決幅度分析系統(tǒng)中死時(shí)間問(wèn)題的有效方法。本文詳細(xì)介紹了這種死時(shí)間損失補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ砑捌湓趯?shí)際中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：脈沖幅度分析系統(tǒng) 死時(shí)間

前言

脈沖幅度分析系統(tǒng)是核輻射探測(cè)儀器的一個(gè)重要組成部分，它根據(jù)模-數(shù)轉(zhuǎn)換原理，把前置電路（傳感器+前放+主放）輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成與其峰值成比例的數(shù)字信息。實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換的主要器件是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器在信號(hào)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)器存儲(chǔ)過(guò)程中，前置電路隨后輸出的信號(hào)將被丟失。通常，將能區(qū)分兩個(gè)脈沖之間的最小時(shí)間間隔稱為計(jì)數(shù)系統(tǒng)的死時(shí)間，對(duì)于脈沖幅度分析系統(tǒng)而言，死時(shí)間主要取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間和存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)時(shí)間之和。一種做法是累計(jì)每個(gè)計(jì)數(shù)的死時(shí)間，然后通過(guò)延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間來(lái)補(bǔ)償因死時(shí)間而造成的計(jì)數(shù)損失。這種死時(shí)間損失補(bǔ)償方法會(huì)因死時(shí)間的累計(jì)不準(zhǔn)等原因造成很大誤差，同時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)率不大，模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度足夠快時(shí)，計(jì)數(shù)基本不丟失的情況下，死時(shí)間仍然存在，此時(shí)的死時(shí)間損失補(bǔ)償顯然是不合理的。為此，我們采用了一種新的死時(shí)間損失補(bǔ)償方法，可以有效地克服以上弊端。

方法原理

常用的計(jì)數(shù)系統(tǒng)死時(shí)間特性模型有兩種：擴(kuò)展型響應(yīng)和非擴(kuò)展型響應(yīng)。這些模型體現(xiàn)了理想化的死時(shí)間特性，實(shí)際計(jì)數(shù)系統(tǒng)的響應(yīng)往往很類似于這兩者中的一種模型。假定在計(jì)數(shù)系統(tǒng)“活時(shí)間”內(nèi)發(fā)生的每個(gè)真事件跟隨一個(gè)固定的死時(shí)間τ，在死時(shí)間內(nèi)的真事件雖然不被計(jì)數(shù)，但跟隨丟失事件再擴(kuò)展了另一個(gè)周期為τ的死時(shí)間，稱為擴(kuò)展型響應(yīng)死時(shí)間。假定在計(jì)數(shù)系統(tǒng)“活時(shí)間”內(nèi)發(fā)生的每個(gè)真事件跟隨一個(gè)固定的死時(shí)間τ，在這個(gè)死時(shí)間內(nèi)發(fā)生的真事件將會(huì)丟失且對(duì)計(jì)數(shù)系統(tǒng)特性無(wú)任何影響，稱為非擴(kuò)展型響應(yīng)死時(shí)間。

脈沖幅度分析系統(tǒng)的死時(shí)間是非擴(kuò)展型死時(shí)間，因?yàn)橐粋€(gè)脈沖引起計(jì)數(shù)后的分辨時(shí)間內(nèi)又有脈沖進(jìn)入系統(tǒng)不會(huì)引起計(jì)數(shù)，但也不會(huì)進(jìn)一步引起死時(shí)間的增加。死時(shí)間的修正公式為：

N0=N/(1-Nτ)

其中，N0為單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入系統(tǒng)的脈沖總數(shù)；N為記錄到的計(jì)數(shù)率；τ為系統(tǒng)死時(shí)間；Nτ的物理意義是單位時(shí)間內(nèi)死時(shí)間之和。事實(shí)上，脈沖幅度分析系統(tǒng)的死時(shí)間固然是系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，但計(jì)算死時(shí)間的最終目的是為了對(duì)死時(shí)間損失進(jìn)行補(bǔ)償，如果采用延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間的方法對(duì)死時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，在延長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間內(nèi)又會(huì)產(chǎn)生新的死時(shí)間，這顯然對(duì)死時(shí)間的修正不利。為此，我們采用了脈沖個(gè)數(shù)補(bǔ)償方法，即對(duì)在測(cè)量過(guò)程中累計(jì)的死時(shí)間內(nèi)丟失的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)n0為測(cè)量時(shí)間內(nèi)進(jìn)入系統(tǒng)的脈沖總數(shù)；n為測(cè)量時(shí)間內(nèi)記錄到的計(jì)數(shù)，新的死時(shí)間損失的補(bǔ)償方法就是采用對(duì)丟失的脈沖個(gè)數(shù)（即n0-n）進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。具體做法是：用單片機(jī)的T1計(jì)時(shí)器對(duì)前置電路輸出的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，得n0；同時(shí)在單片機(jī)程序中（也可采用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器）對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行累計(jì)計(jì)數(shù)，得n；當(dāng)設(shè)定的測(cè)量時(shí)間到達(dá)的瞬間，二者之差即為系統(tǒng)丟失脈沖個(gè)數(shù)（即n0-n），此時(shí)系統(tǒng)繼續(xù)工作，當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器再轉(zhuǎn)換了n0-n個(gè)脈沖后，系統(tǒng)停止工作并顯示測(cè)量時(shí)間到，從而實(shí)現(xiàn)死時(shí)間損失的補(bǔ)償。

很顯然，這種脈沖個(gè)數(shù)補(bǔ)償方法同樣適用于擴(kuò)展型死時(shí)間的補(bǔ)償修正。

硬件設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)的控制電路，也可視為輸入信號(hào)的緩沖電路，用來(lái)甄別信號(hào)的上升沿，提供輸入信號(hào)的峰值信息。其中：電容C1是信號(hào)峰值的保持電容；二極管D1保證C1采集的是輸入信號(hào)峰值，防止其跟隨輸入信號(hào)的下降而變化；U1:A是信號(hào)起始判斷比較器，其反向端接入一參考電壓0.5V，正相端接輸入信號(hào)；U1:B是信號(hào)峰值幅度判斷比較器，其反向端接電容C1，正相端接輸入信號(hào)，在信號(hào)的上升沿階段，反相端的電壓總是比正相端電壓低0.3V；兩個(gè)比較器的輸出端A、B及C點(diǎn)波形如圖2所示。C點(diǎn)提供了信號(hào)上升沿信息，用于控制后續(xù)的峰值保持電路；U1:A實(shí)際上是一個(gè)閾壓判別比較器，小于0.5V的信號(hào)被認(rèn)為是噪聲，C點(diǎn)不提供控制信息，ADC不予轉(zhuǎn)換，因此U1:A 的輸出端A可以作為信號(hào)總計(jì)數(shù)的輸入端，接到單片機(jī)的T1計(jì)時(shí)器（即P3.5腳)。

軟件設(shè)計(jì)

與死時(shí)間損失補(bǔ)償有關(guān)的單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)主要涉及以下幾個(gè)模塊：

（1）計(jì)時(shí)模塊。采用單片機(jī)的T0計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)量計(jì)時(shí)，此模塊實(shí)際是計(jì)時(shí)器T0的溢出中斷服務(wù)程序。

（2）信號(hào)總計(jì)數(shù)累加模塊。采用單片機(jī)的T1計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信號(hào)總計(jì)數(shù)，此模塊實(shí)際是計(jì)數(shù)器T1的溢出中斷服務(wù)程序。

（3）ADC轉(zhuǎn)換的脈沖個(gè)數(shù)累加模塊。對(duì)A/D的轉(zhuǎn)換采取中斷查詢方式，ADC的狀態(tài)口STATUS作為單片機(jī)的INT0的外部中斷源，每完成一次A/D轉(zhuǎn)換，外部中斷0服務(wù)程序便讀取ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并寫入內(nèi)存，同時(shí)，ADC轉(zhuǎn)換的脈沖個(gè)數(shù)加1?？梢?jiàn)，ADC轉(zhuǎn)換的脈沖個(gè)數(shù)累加模塊實(shí)際上是外部中斷0服務(wù)程序的一部分。

與死時(shí)間的計(jì)算有關(guān)的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖見(jiàn)圖3?？刂婆_(tái)將測(cè)量時(shí)間Ts送入脈沖幅度分析系統(tǒng)并啟動(dòng)測(cè)量，前置電路的脈沖進(jìn)入分析系統(tǒng)，計(jì)時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)（假設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)間為Tn），計(jì)數(shù)器T1開(kāi)始記錄進(jìn)入系統(tǒng)的總的脈沖個(gè)數(shù)（n0），ADC每轉(zhuǎn)換一個(gè)脈沖，n加1。當(dāng)測(cè)量時(shí)間到達(dá)即Tn=Ts時(shí)，計(jì)數(shù)器T1停止計(jì)數(shù)，此時(shí)的n0為在設(shè)定測(cè)量時(shí)間Ts內(nèi)進(jìn)入分析系統(tǒng)的總的脈沖個(gè)數(shù)，如果此時(shí)的n0與ADC已轉(zhuǎn)換的脈沖個(gè)數(shù)n相等，則表示系統(tǒng)無(wú)丟峰現(xiàn)象，死時(shí)間為0；否則，ADC需再轉(zhuǎn)換n0-n個(gè)脈沖，以補(bǔ)償丟失的脈沖。

結(jié)語(yǔ)

成都理工學(xué)院研制的CD-10型便攜式X熒光全譜測(cè)量?jī)x中的峰值幅度分析系統(tǒng)，最初采用傳統(tǒng)意義上的死時(shí)間計(jì)算方法，由于計(jì)時(shí)參考脈沖周期（0.25μs）與ADC每次轉(zhuǎn)換的時(shí)間（8μs）處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)等原因，使得死時(shí)間計(jì)算不準(zhǔn)；采用新的死時(shí)間計(jì)算方法后，該峰值幅度分析系統(tǒng)能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的死時(shí)間，提高了儀器的精確性。該方法同樣適用于其他信號(hào)峰值幅度分析的場(chǎng)合，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。