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1. 模拟多道分析(Analog MCA)
项目 | 内容 |
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原理 | 利用模拟电路(峰值保持、采样/保持、比较器、计数器)实现传统数字多道分析功能,避免高速ADC和FPGA。 |
实现方法 | 每个输入脉冲经峰值保持后,送入一个模拟峰值检测器 ,然后由低速ADC采样,MCU读取幅度值,并统计到对应的"道"(内存数组)。 |
关键电路 | 峰值保持器(Peak Hold)+ 慢速ADC + MCU计数。 |
优点 | 无需高速采样(>几十MSPS),避免FPGA/DSP,功耗极低。 |
注意事项 | 峰值保持器必须有快速响应 和快速复位机制,否则会出现脉冲堆积或死区时间。 |
2. 精密模拟前端(AFE)
项目 | 内容 |
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原理 | 将SiPM输出的微弱电流脉冲(几十ns宽度,几十pC电荷量)转换为电压信号,并进行电荷积分 、脉冲成形 、噪声抑制。 |
关键电路 | ① 电荷灵敏前置放大器(Charge-Sensitive Preamplifier, CSP) ② 极零相消(Pole-Zero Cancellation) ③ 半高斯成形(Semi-Gaussian Shaping) |
电荷灵敏放大器 | 使用低噪声FET输入运放 (如ADA4817、LMP7721),反馈电容Cf=0.51pF,反馈电阻Rf=100MΩ1GΩ,实现电荷-电压转换:Vout = Q/Cf。 |
极零相消 | 消除CSP输出脉冲的长尾,避免脉冲堆积。通过RC网络(Rz, Cz)调整时间常数,使脉冲基线快速恢复。 |
半高斯成形 | 使用多级Sallen-Key滤波器 或巴特沃斯/贝塞尔滤波器 ,将窄脉冲(20ns)展宽为**13μs**的高斯形状,提高信噪比,便于峰值保持。 |
注意事项 | ① 运放必须低噪声 (<5nV/√Hz)、高增益带宽积 (>100MHz) ② 电源必须低噪声LDO ,避免引入纹波 ③ PCB布局必须Guard Ring保护高阻节点,防止漏电流 |
3. 峰值保持(Peak Hold)
项目 | 内容 |
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原理 | 将模拟脉冲的峰值电压"冻结"在一个电容上,供慢速ADC采样。 |
关键电路 | ① 高速二极管(如BAV99、1N4148) ② 保持电容(Chold=100pF~1nF,NPO/C0G陶瓷) ③ 高速缓冲器(如OPA656、ADA4817) ④ 复位开关(如模拟开关TS5A3159、MOSFET) |
工作流程 | 脉冲上升 → 二极管导通 → 电容充电至峰值 → 二极管截止 → 电容保持峰值 → ADC采样 → MCU控制复位开关放电 → 等待下一脉冲。 |
性能指标 | ① Droop(电压跌落) < 1mV/ms(由缓冲器输入偏置电流决定) ② Acquisition Time(捕获时间) < 500ns(由二极管速度和电容决定) ③ Reset Time(复位时间) < 1μs(由开关电阻和电容决定) |
注意事项 | ① 二极管必须低反向漏电流 (<1nA),否则电容电压会缓慢下降 ② 保持电容必须低介电吸收 (NPO/C0G),避免电压"回弹" ③ 复位开关必须低电荷注入,否则会在电容上留下残余电压 |
4. 低速高分辨率ADC
项目 | 内容 |
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原理 | 峰值保持后的信号是直流电平 (保持1~10ms),可用低速、高分辨率ADC采样。 |
典型器件 | ① ADS1115 (16-bit, 860SPS, I2C) ② ADS8860 (16-bit, 1MSPS, SPI) ③ MCP3421(18-bit, 3.75SPS, I2C) |
分辨率计算 | 若满量程=3.3V,16-bit ADC,LSB=3.3V/65536≈50μV。对于1V峰值信号,理论分辨率≈0.0015%,远高于6%的能量分辨率要求。 |
采样时机 | MCU等待峰值检测完成中断(或延时>1μs确保建立)后启动ADC采样。 |
注意事项 | ① ADC输入阻抗必须>>峰值保持电容放电时间常数,否则会引起负载效应 ② 必须平均滤波(如连续采样4次取平均)抑制ADC噪声 |
5. 单片机(MCU)采样与计数
项目 | 内容 |
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原理 | MCU读取ADC值,根据幅度值查表 或计算道址,将对应道的计数器+1。 |
道址计算 | 例如,ADC值=0~65535,欲分256道,则:Channel = ADC_value >> 8(即高8位) |
计数器实现 | 使用**uint32_t spectrum[256]**数组,每个元素代表该道的计数。 |
死区时间控制 | 峰值保持+ADC采样+复位总时间=5~20μs ,即最大计数率≈50kcps 。若需更高计数率,需使用滑动平均 或模拟-数字混合死区时间补偿。 |
通讯与存储 | ① 通过USB CDC 或UART 上传能谱数据 ② 内部Flash/EEPROM 存储校准参数(增益、偏移) ③ 可选TF卡存储长时间数据 |
6. 低功耗设计细节
项目 | 内容 |
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电源管理 | ① 使用LDO (如MCP1700, 1.6μA静态电流)为模拟电路供电 ② 使用DC-DC (如TPS62740, 360nA Iq)为数字电路供电 ③ 运放与ADC可关断,脉冲到来前唤醒(<10μs启动时间) |
MCU低功耗 | ① 使用STM32L0/L4 系列,Sleep模式<1mA,Stop模式<10μA ② 使用RTC+中断唤醒,无脉冲时进入低功耗 |
整体功耗估算 | 假设:① 运放+ADC+MCU平均电流=2mA ② 电源转换效率=80% ③ 3.7V锂电池=1000mAh,则续航≈1000mAh/(2mA/0.8)=400小时 |
7. 能量分辨率6%的实现条件
项目 | 内容 |
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定义 | 能量分辨率 = (FWHM @ 662keV) / 662keV ≈ 6% → FWHM≈40keV |
影响因素 | ① 电子学噪声 (运放+ADC) ② 探测器固有分辨率 (SiPM+Scintillator) ③ 统计涨落(光电子数) |
噪声预算 | 若输出信号=1V@662keV,6%分辨率对应噪声RMS<6mV (因FWHM≈2.35×RMS)。即等效输入噪声<0.06%×1V=6mV RMS。 |
实现方法 | ① 运放噪声<5nV/√Hz,带宽100kHz → 输入噪声≈5nV×√100k≈1.6μV RMS,经增益1000倍=1.6mV,远低于6mV ② 使用模拟滤波器限制带宽 至100kHz,抑制白噪声 ③ PCB地平面+屏蔽盒,防止EMI干扰 |
8. 校准与线性化
项目 | 内容 |
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能量校准 | 使用已知放射源 (如Cs-137, 662keV;Co-60, 1173/1332keV),建立ADC值→能量的线性公式:E = a×ADC + b |
增益校准 | 通过调节运放增益电阻 或软件乘系数,使662keV对应期望ADC值(如50000) |
非线性修正 | 若SiPM或ADC存在非线性,可使用分段线性插值 或二阶多项式修正 |
9. 关键器件选型推荐表
功能 | 推荐器件 | 关键参数 |
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电荷灵敏放大器 | ADA4817, LMP7721, OPA656 | 输入噪声<5nV/√Hz,带宽>100MHz,输入偏置电流<1pA |
峰值保持二极管 | BAV99, 1N4148, BAS70 | 反向恢复时间<4ns,漏电流<1nA@25℃ |
保持电容 | NPO/C0G陶瓷,100pF~1nF | 介电吸收<0.001%,温度系数±30ppm/℃ |
模拟开关 | TS5A3159, ADG719 | 导通电阻<5Ω,电荷注入<1pC |
ADC | ADS1115, ADS8860, MCP3421 | ≥16-bit,SNR>90dB,接口I2C/SPI |
MCU | STM32L031, STM32L432 | 运行电流<2mA@32MHz,Stop模式<10μA |
LDO | MCP1700, TPS7A02 | 静态电流<1μA,输出噪声<10μVRMS |
DC-DC | TPS62740 | 360nA Iq,效率>90%@1mA |
10. 调试与验证建议
步骤 | 内容 |
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① 噪声测试 | 输入端接地,测量ADC输出RMS噪声,确保<6mV |
② 线性度测试 | 使用精密脉冲发生器(如ORTEC 419)输入不同幅度,检查ADC值线性度 |
③ 能量分辨率测试 | 使用Cs-137源,测量662keV全能峰FWHM,计算分辨率是否≈6% |
④ 计数率测试 | 改变源活度,测量最大计数率及死区时间,验证≤50kcps |
⑤ 温度稳定性 | 置于恒温箱,0~50℃变化,观察峰位漂移<1%/10℃ |