一種新的死時間損失的補(bǔ)償方法及其實現(xiàn)

　　摘要：用計數(shù)的方法解決脈沖幅度分析器系統(tǒng)的丟峰問題，然后根據(jù)丟失脈沖的個數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，是解決幅度分析系統(tǒng)中死時間問題的有效方法。本文詳細(xì)介紹了這種死時間損失補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ砑捌湓趯嶋H中的應(yīng)用。
　　
　　關(guān)鍵詞：脈沖幅度分析系統(tǒng)死時間
　　
　　前言
　　
　　脈沖幅度分析系統(tǒng)是核輻射探測儀器的一個重要組成部分，它根據(jù)模-數(shù)轉(zhuǎn)換原理，把前置電路（傳感器+前放+主放）輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成與其峰值成比例的數(shù)字信息。實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的主要器件是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器在信號轉(zhuǎn)換和存儲器存儲過程中，前置電路隨后輸出的信號將被丟失。通常，將能區(qū)分兩個脈沖之間的zui小時間間隔稱為計數(shù)系統(tǒng)的死時間，對于脈沖幅度分析系統(tǒng)而言，死時間主要取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間和存儲器的存儲時間之和。一種做法是累計每個計數(shù)的死時間，然后通過延長測量時間來補(bǔ)償因死時間而造成的計數(shù)損失。這種死時間損失補(bǔ)償方法會因死時間的累計不準(zhǔn)等原因造成很大誤差，同時，當(dāng)計數(shù)率不大，模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度足夠快時，計數(shù)基本不丟失的情況下，死時間仍然存在，此時的死時間損失補(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
　　
　　常用的計數(shù)系統(tǒng)死時間特性模型有兩種：擴(kuò)展型響應(yīng)和非擴(kuò)展型響應(yīng)。這些模型體現(xiàn)了理想化的死時間特性，實際計數(shù)系統(tǒng)的響應(yīng)往往很類似于這兩者中的一種模型。假定在計數(shù)系統(tǒng)“活時間”內(nèi)發(fā)生的每個真事件跟隨一個固定的死時間τ，在死時間內(nèi)的真事件雖然不被計數(shù)，但跟隨丟失事件再擴(kuò)展了另一個周期為τ的死時間，稱為擴(kuò)展型響應(yīng)死時間。假定在計數(shù)系統(tǒng)“活時間”內(nèi)發(fā)生的每個真事件跟隨一個固定的死時間τ，在這個死時間內(nèi)發(fā)生的真事件將會丟失且對計數(shù)系統(tǒng)特性無任何影響，稱為非擴(kuò)展型響應(yīng)死時間。
　　
　　脈沖幅度分析系統(tǒng)的死時間是非擴(kuò)展型死時間，因為一個脈沖引起計數(shù)后的分辨時間內(nèi)又有脈沖進(jìn)入系統(tǒng)不會引起計數(shù)，但也不會進(jìn)一步引起死時間的增加。死時間的修正公式為：
　　
　　N0=N/（1-Nτ）
　　
　　其中，N0為單位時間內(nèi)進(jìn)入系統(tǒng)的脈沖總數(shù)；N為記錄到的計數(shù)率；τ為系統(tǒng)死時間；Nτ的物理意義是單位時間內(nèi)死時間之和。事實上，脈沖幅度分析系統(tǒng)的死時間固然是系統(tǒng)的一個重要的技術(shù)指標(biāo)，但計算死時間的zui終目的是為了對死時間損失進(jìn)行補(bǔ)償，如果采用延長測量時間的方法對死時間進(jìn)行補(bǔ)償，在延長的測量時間內(nèi)又會產(chǎn)生新的死時間，這顯然對死時間的修正不利。為此，我們采用了脈沖個數(shù)補(bǔ)償方法，即對在測量過程中累計的死時間內(nèi)丟失的脈沖個數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。設(shè)n0為測量時間內(nèi)進(jìn)入系統(tǒng)的脈沖總數(shù)；n為測量時間內(nèi)記錄到的計數(shù)，新的死時間損失的補(bǔ)償方法就是采用對丟失的脈沖個數(shù)（即n0-n）進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ā＞唧w做法是：用單片機(jī)的T1計時器對前置電路輸出的脈沖個數(shù)進(jìn)行累計計數(shù)，得n0；同時在單片機(jī)程序中（也可采用單片機(jī)的計數(shù)器）對模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的脈沖個數(shù)進(jìn)行累計計數(shù)，得n；當(dāng)設(shè)定的測量時間到達(dá)的瞬間，二者之差即為系統(tǒng)丟失脈沖個數(shù)（即n0-n），此時系統(tǒng)繼續(xù)工作，當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器再轉(zhuǎn)換了n0-n個脈沖后，系統(tǒng)停止工作并顯示測量時間到，從而實現(xiàn)死時間損失的補(bǔ)償。
　　
　　很顯然，這種脈沖個數(shù)補(bǔ)償方法同樣適用于擴(kuò)展型死時間的補(bǔ)償修正。
　　
　　硬件設(shè)計
　　
　　圖1為系統(tǒng)的控制電路，也可視為輸入信號的緩沖電路，用來甄別信號的上升沿，提供輸入信號的峰值信息。其中：電容C1是信號峰值的保持電容；二極管D1保證C1采集的是輸入信號峰值，防止其跟隨輸入信號的下降而變化；U1:A是信號起始判斷比較器，其反向端接入一參考電壓0.5V，正相端接輸入信號；U1:B是信號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，在信號的上升沿階段，反相端的電壓總是比正相端電壓低0.3V；兩個比較器的輸出端A、B及C點波形如圖2所示。C點提供了信號上升沿信息，用于控制后續(xù)的峰值保持電路；U1:A實際上是一個閾壓判別比較器，小于0.5V的信號被認(rèn)為是噪聲，C點不提供控制信息，ADC不予轉(zhuǎn)換，因此U1:A的輸出端A可以作為信號總計數(shù)的輸入端，接到單片機(jī)的T1計時器（即P3.5腳）。
　　
　　軟件設(shè)計
　　
　　與死時間損失補(bǔ)償有關(guān)的單片機(jī)軟件的設(shè)計主要涉及以下幾個模塊：
　　
　?。?）計時模塊。采用單片機(jī)的T0計時器實現(xiàn)系統(tǒng)測量計時，此模塊實際是計時器T0的溢出中斷服務(wù)程序。
　　
　?。?）信號總計數(shù)累加模塊。采用單片機(jī)的T1計時器實現(xiàn)系統(tǒng)信號總計數(shù)，此模塊實際是計數(shù)器T1的溢出中斷服務(wù)程序。
　　
　?。?）ADC轉(zhuǎn)換的脈沖個數(shù)累加模塊。對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，ADC轉(zhuǎn)換的脈沖個數(shù)加1。可見，ADC轉(zhuǎn)換的脈沖個數(shù)累加模塊實際上是外部中斷0服務(wù)程序的一部分。
　　
　　與死時間的計算有關(guān)的軟件實現(xiàn)流程圖見圖3。控制臺將測量時間Ts送入脈沖幅度分析系統(tǒng)并啟動測量，前置電路的脈沖進(jìn)入分析系統(tǒng)，計時器T0開始計時（假設(shè)計時時間為Tn），計數(shù)器T1開始記錄進(jìn)入系統(tǒng)的總的脈沖個數(shù)（n0），ADC每轉(zhuǎn)換一個脈沖，n加1。當(dāng)測量時間到達(dá)即Tn=Ts時，計數(shù)器T1停止計數(shù)，此時的n0為在設(shè)定測量時間Ts內(nèi)進(jìn)入分析系統(tǒng)的總的脈沖個數(shù)，如果此時的n0與ADC已轉(zhuǎn)換的脈沖個數(shù)n相等，則表示系統(tǒng)無丟峰現(xiàn)象，死時間為0；否則，ADC需再轉(zhuǎn)換n0-n個脈沖，以補(bǔ)償丟失的脈沖。
　　
　　結(jié)語
　　
　　成都理工學(xué)院研制的CD-10型便攜式X熒光全譜測量儀中的峰值幅度分析系統(tǒng)，zui初采用傳統(tǒng)意義上的死時間計算方法，由于計時參考脈沖周期（0.25μs）與ADC每次轉(zhuǎn)換的時間（8μs）處于同一個數(shù)量級等原因，使得死時間計算不準(zhǔn)；采用新的死時間計算方法后，該峰值幅度分析系統(tǒng)能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的死時間，提高了儀器的性。該方法同樣適用于其他信號峰值幅度分析的場合，具有較大的推廣應(yīng)用價值。
　　
　　（本文轉(zhuǎn)自電子工程世界：http://.cn/Test_and_measurement/zhzx/200605/2301.html）