核輻射探測(cè)器前端高斯成形電路研究與改進(jìn)

宿凌超，雷茂，姚遠(yuǎn)程

（西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽(yáng)621010）

0 引言

核輻射探測(cè)器模擬前端電路是對(duì)探測(cè)器輸出的微弱電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換，信號(hào)峰值放大，波形向準(zhǔn)高斯成形等變換的必要調(diào)理電路[1-2]。前端電路主要含括前置放大器以及譜儀放大器。譜儀放大器除對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)放大外還主要針對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)高斯整形展開工作。為更加高效合理地搭建前端信號(hào)調(diào)理電路以匹配后端的多道脈沖采集分析系統(tǒng)，對(duì)前端各模塊的理論分析與電路仿真必不可少。NI Multisim軟件在高校與科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行電路仿真與處理時(shí)被廣泛采用。防化研究院科研人員胡穎睿等于2012年對(duì)數(shù)字多道幅度分析儀器中的前端信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行部分仿真[5]。同年西南科技大學(xué)吳軍龍等人也針對(duì)CR-（RC）m濾波成形電路展開過仿真研究[7]。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)張志勇等人也曾對(duì)脈沖成形中的Sallen-Key有源濾波電路進(jìn)行剖析仿真[10]。上述涉及文獻(xiàn)均未能對(duì)前端信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行詳盡的總體仿真以及濾波成形電路的改進(jìn)。本文Multisim仿真平臺(tái)上首先對(duì)采用經(jīng)典CR-（RC）m與Sallen-Key高斯成形法的核脈沖前端調(diào)理電路分別進(jìn)行仿真，在對(duì)比分析中改進(jìn)出一種（SK）-（RC）混合濾波電路，基于新型濾波電路的前端電子學(xué)在實(shí)際仿真中已經(jīng)取得較為滿意的效果，進(jìn)一步優(yōu)化了前人所設(shè)計(jì)的前端電路結(jié)構(gòu)。

1 核脈沖發(fā)生及前置放大器的仿真

目前，高分辨率能譜測(cè)量系統(tǒng)中，核輻射探測(cè)器輸出的持續(xù)時(shí)間極短的微弱電流信號(hào)I（t），幾乎全部采用電荷靈敏前置放大器進(jìn)行處理，經(jīng)前放變換而成的信號(hào)幅度與輸入電流對(duì)時(shí)間的積分成正比關(guān)系，放大器的輸出電壓和輸入電荷一般可以保持良好的正比關(guān)系。如圖1所示為典型的阻容反饋式電荷靈敏放大電路。

圖1 阻容反饋式電荷靈敏前置放大器

利用密勒積分器構(gòu)成的前置放大器輸出信號(hào)的電壓穩(wěn)定值：

式中Vi（∞）為輸入信號(hào)電壓穩(wěn)定值。輸入電荷：

考慮到：

公式合并整理后，求得輸出信號(hào)穩(wěn)定值Vo(∞)，亦即輸出電壓幅度：

式中Ci為輸入端總電容，Ci=CD+CS+CA，CD，CA，CS分別為探測(cè)器極間電容，放大器輸入電容以及系統(tǒng)分布電容。Cf（反饋積分電容）與并聯(lián)電阻Rf（泄放電阻）構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，為電荷提供泄放通路。

設(shè)電壓放大器的低頻增益Ao足夠大，使得Cf對(duì)輸入電容的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于Ci，則輸入電荷Q主要累積在Cf上。此時(shí)推斷出：

故而本文設(shè)計(jì)的電路仿真系統(tǒng)中擬將電流脈沖信號(hào)源I1模擬工作在脈沖模式下的核輻射探測(cè)器。由于電信號(hào)產(chǎn)生后強(qiáng)度非常弱且時(shí)域?qū)挾冗^于短暫，要求集成運(yùn)放兼?zhèn)溟_環(huán)增益大，輸入阻抗高，輸出穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。此外，頻帶寬度以及響應(yīng)速度也至關(guān)重要。因此選用AD公司的Fast FET類型放大器AD8066，壓擺率達(dá)到180V/s，145MHz的-3dB帶寬，開環(huán)狀態(tài)下增益為100dB，理想態(tài)輸入阻抗1000GΩ。具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 前置放大器仿真電路圖

上圖2將電路參數(shù)反復(fù)調(diào)試后通過圖3示波器觀測(cè)信號(hào)。電荷靈敏前放輸入端為時(shí)間寬度極窄的原始電壓負(fù)脈沖信號(hào)，而理論分析中阻容反饋式電荷靈敏前放輸出大致為后沿衰減時(shí)間較長(zhǎng)的指數(shù)型脈沖的疊加，如果脈沖間隔太短，則會(huì)出現(xiàn)上升態(tài)的類似階梯波。仿真實(shí)際結(jié)果與理論分析可以相互印證。

圖3 前置放大器輸入輸出信號(hào)圖

2 引入極零相消技術(shù)的微分電路

為達(dá)到消除前置放大器輸出信號(hào)存在堆積拖尾現(xiàn)象，微分電路可有效地將前放輸出波形中有用信號(hào)部分存留下來，濾除無用成分。但由于信號(hào)固有的前沿上升迅速而后沿衰減緩慢的特性，通過CR微分電路時(shí)普遍會(huì)產(chǎn)生下沖現(xiàn)象，致使放大器阻塞后進(jìn)入非線性區(qū)而失去放大功能。

過載輸出信號(hào)回復(fù)到基線的時(shí)間相當(dāng)漫長(zhǎng)，必須引入極零相消技術(shù)消除成形電路產(chǎn)生的信號(hào)下沖現(xiàn)象。該方法使單極性輸出脈沖的后沿快速收斂卻又不過零，從而有效地減少堆積，改善高計(jì)數(shù)率下的幅度分辨。此外電路的參數(shù)必須選擇合適，否則仍會(huì)出現(xiàn)存在細(xì)微下沖的欠補(bǔ)償現(xiàn)象和沒有過基線卻遲遲不能趨向于零的過補(bǔ)償兩種情況。本文設(shè)計(jì)的電路仿真中該部分如圖4所示。

圖4 引入極零相消技術(shù)的微分電路

設(shè)電位器R3可動(dòng)滑動(dòng)點(diǎn)A以下部分的電阻阻值為KR3（0≤K≤1），通常阻值比較大，R1中的電流遠(yuǎn)小于R3中的電流，因此可認(rèn)定A點(diǎn)的電位為VA=KVi，并有：

系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

仿真結(jié)果非常直觀地呈現(xiàn)出極零相消技術(shù)的有效性，只要適當(dāng)調(diào)節(jié)電路參數(shù)使得τ1=RfCf=τf（系統(tǒng)的一個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)相抵消），可以在使波形后沿迅速收斂的同時(shí)有效地保證沒有下沖現(xiàn)象。采用圖中極零相消電路結(jié)構(gòu)可使調(diào)節(jié)范圍達(dá)到（R1C→∞），克服了簡(jiǎn)單極零相消電路因?yàn)殡娮柚凳芟薅{(diào)節(jié)范圍不能足夠理想的缺點(diǎn)。

圖5 極零相消電路輸入輸出信號(hào)圖

3 經(jīng)典濾波成形電路

查詢最優(yōu)化濾波理論的研究可知曉，時(shí)間域無限展寬而波形頂部較尖銳的脈沖具有最佳的信躁比。然而由于實(shí)際電路一般都存在轉(zhuǎn)換時(shí)間，無限寬尖頂脈沖濾波成形器在實(shí)際處理中暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)，并且為適應(yīng)后續(xù)分析設(shè)備的測(cè)量要求，信號(hào)必須時(shí)間寬度較窄且頂部比較平坦，通常將準(zhǔn)高斯形成形電路作為核儀器的最優(yōu)濾波器，以提高信號(hào)噪聲比、能量分辨率和抑制核電子學(xué)的彈道虧損。傳統(tǒng)高斯濾波器的實(shí)現(xiàn)方式主要有2種：①基于CR-（RC）m方法的高斯濾波器；②基于Sallen-Key方法的高斯濾波器。

3.1 基于CR-（RC）m方法的高斯成形電路

基于模擬電路建立的經(jīng)典核脈沖調(diào)理系統(tǒng)中，CR電路常作為白化濾波器，RC電路是所需匹配濾波器的簡(jiǎn)單近似，多級(jí)RC積分電路可以有更好的特性。如圖6所示，CR-（RC）m濾波成形網(wǎng)絡(luò)由一次CR微分和m次RC積分電路組成，有時(shí)極間用電壓跟隨器隔離，以免相互影響。通常微積分電路中RC時(shí)間常數(shù)相同以求達(dá)到最優(yōu)信噪比（根據(jù)最佳濾波原理）。

圖6 CR-（RC）m濾波成形網(wǎng)絡(luò)

該無源阻容濾波電路的阻容值選取依據(jù)前放部分的輸出而確定，對(duì)于系統(tǒng)在復(fù)頻域中展開分析時(shí)不難發(fā)現(xiàn)。積分級(jí)數(shù)每增加1，s域便會(huì)增加一個(gè)極點(diǎn)，相對(duì)于時(shí)域則是信號(hào)以指數(shù)函數(shù)為權(quán)進(jìn)行一次平均。因此成形的波形幅度逐漸變小，峰位逐漸后移，脈沖的時(shí)間寬度增大，峰兩邊的波形越發(fā)趨于對(duì)稱，向最佳的準(zhǔn)高斯波形靠攏。m一般取值為3或4。如圖所示的仿真結(jié)果表現(xiàn)出4階RC積分可以達(dá)成較為理想的準(zhǔn)高斯成形。

圖7 CR-（RC）m濾波電路輸入輸出信號(hào)

3.2 基于Sallen-Key方法的高斯成形電路

Sallen-Key濾波電路作為二階有源濾波器的常見架構(gòu)，是將RC積分網(wǎng)絡(luò)連接在集成運(yùn)算放大器的反饋回路中從而組成的，該濾波器廣泛應(yīng)用于核脈沖成形調(diào)理要?dú)w因于其引入部分正反饋而具有較高的品質(zhì)因數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)電荷前放輸出的階躍脈沖信號(hào)成形時(shí)比無源濾波電路輸出結(jié)果更接近高斯形。搭建4級(jí)Sallen-Key成形電路網(wǎng)絡(luò)對(duì)前端的指數(shù)衰減脈沖進(jìn)行處理，觀測(cè)第2階和第4階輸出波形并進(jìn)行細(xì)致的比對(duì)，具體仿真電路如圖8所示。

圖8 4級(jí)Sallen-Key濾波電路仿真圖

如圖8所示，Sallen-Key電路所引入的級(jí)數(shù)越多，輸出端高斯成形效果也會(huì)愈發(fā)理想，但濾波電路超過2級(jí)后，后續(xù)的濾波器在濾波成形上貢獻(xiàn)已經(jīng)不大。因?yàn)槊恳患?jí)濾波器均包含有放大電路，故而4階S-K濾波電路輸出信號(hào)在幅值上相較于2階S-K濾波電路有所增大。

圖9 Sallen-Key電路輸出信號(hào)對(duì)比圖

4 一種改進(jìn)型的（SK）-（RC）高斯濾波成形電路

前文提及主放大器中的經(jīng)典濾波成形電路通常采用的CR-（RC）m半高斯成形技術(shù)或者Sallen-Key有源濾波技術(shù)。

（1）基于CR-（RC）m高斯濾波電路的成形特點(diǎn)是：微分，積分網(wǎng)絡(luò)均采用無源RC元件構(gòu)成，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠性高，但往往需要較多級(jí)電路才可實(shí)現(xiàn)較為理想的準(zhǔn)高斯波形。多級(jí)電路致使最終輸出波形幅值持續(xù)減小，時(shí)域?qū)挾炔粩嗬逦恢饾u后移。

（2）基于Sallen-Key高斯濾波電路的顯著特征是：相較于無源濾波可以在成形級(jí)數(shù)更少的情況下可以獲得時(shí)間寬度更窄的高斯波形，但引入多級(jí)S-K電路后成形效果不明顯且也會(huì)使得輸出端信號(hào)幅度增大，波形變寬，影響電路響應(yīng)時(shí)間。此外電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

（3）基于兩者都有各自優(yōu)勢(shì)的情況下，本文對(duì)主放大器成形電路進(jìn)行改進(jìn)，提出一套新的（SK）-（RC）結(jié)合型積分濾波電路，結(jié)合前文介紹的電路其他部分，設(shè)計(jì)出一套核信號(hào)調(diào)理電路完整系統(tǒng)，阻容反饋式電荷前放為第一部分，譜儀放大器中增加一級(jí)極零相消電路，新型（SK）-（RC）積分濾波電路前接反相放大電路，后接基線恢復(fù)電路，最終輸出端可直接引向A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖10 基于（SK-RC）濾波網(wǎng)絡(luò)的完整前端調(diào)理電路

新型（SK）-（RC）濾波電路可通過設(shè)置電路中R10、R11、C4、C5參數(shù)值選定濾波器的截止頻率；通過設(shè)定R12和R13的比值即可確定同相放大電路的放大倍數(shù)，該電路在整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的情況下包含前文提及的兩種有源與無源濾波電路，既有放大功能又有濾波作用。

圖11 （SK）-（RC）混合濾波網(wǎng)絡(luò)輸入輸出信號(hào)

采用（SK）-（RC）混合濾波電路的譜儀放大器輸入輸出信號(hào)波形如圖11所示，仿真運(yùn)行后示波器輸出的準(zhǔn)高斯波形已經(jīng)達(dá)到后續(xù)分析測(cè)量電路的要求標(biāo)準(zhǔn)，不遜色于前文提到的經(jīng)典濾波電路輸出效果，但電路只需要采用一級(jí)Sallen-Key和一級(jí)RC電路。

5 結(jié)語

由于探測(cè)器輸出電流脈沖幅度都很微小，脈寬時(shí)間短暫，對(duì)于前期微弱信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)放大整形的模擬前端調(diào)理電路尤為重要，否則會(huì)嚴(yán)重影響到后端ADC采樣以及脈沖幅度分析從而致使系統(tǒng)整體性能下降。本文在明晰前端電路各組成部分工作原理的基礎(chǔ)之上，基于電路仿真平臺(tái)Multisim對(duì)經(jīng)典前端信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并在研究比對(duì)傳統(tǒng)高斯成形CR-（RC）m與Sallen-Key電路的特點(diǎn)后改進(jìn)出一套（SK）-（RC）混合濾波電路，在成形效果較為理想的同時(shí)使得信號(hào)調(diào)理電路整體架構(gòu)更加優(yōu)化，具有很高的參考價(jià)值。