统计均匀分布时间幅度二维随机脉冲幅度谱产生器

摘要

统计均匀分布时间幅度二维随机脉冲幅度谱产生器，采用时间随机脉冲触发的伪随机数字发生器与滑尺平均技术相结合的原理，伪随机数字发生器产生的伪随机数字经滑尺平均器平滑处理后，用数-模变换器变换为脉冲幅度，得到统计均匀分布二维随机脉冲幅度谱。在谱的末端外侧还设置有一个幅度稳定的脉冲，用来产生作为测量标准的参考峰。得到的谱微分线性小于2％，参考峰分辨率小于1mV，脉冲率改变时峰的位置与分辨均不变。它用于多道分析器在各种脉冲率下道址漂移和幅度分辨率的精密测量等方面。

说明书

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本发明属于一种测量核电子学多道分析器性能指标的仪器。

在核辐射测量领域，时间幅度二维随机脉冲在电路或仪器系统中引起的脉冲基线漂移和统计涨落，是造成脉冲幅度分析误差的重要原因。在能谱分析中，将使峰漂移，峰分辨变差。基线漂移量Δu与随机脉冲平均幅度E、平均脉冲率Y成正比，与脉冲宽度τu和电路特性有关。因此，多道分析器最大可测脉冲率νmax如同它的积分线性和微分线性一样，是三大技术指标之一。由于这一技术指标在测量上的复杂性，至今在技术上还没有解决。目前国际电工委员会（IEC）推荐用“⁶⁰Co源、探测器和放大器”系统给出的随机脉冲和稳定幅度脉冲产生器给出的稳定幅度脉冲混合而成的信号源来测量（参阅International>

本发明的目的在于通过采用电子学方法，产生一种统计均匀分布的时间幅度二维随机脉冲幅度谱。特别是满足时间为随机分布，幅度为统计均匀分布的脉冲幅度谱，并在脉冲幅度谱外侧设置一高分辨率的幅度稳定的脉冲，被用作测量参考脉冲（称参考峰脉冲），用以代替上述方法中⁶⁰Co的γ射线谱和产生器的稳定幅度脉冲混合的测量信号源。这不仅具有上述信号源的随机特性，并且能精确给出随机脉冲平均幅度值E和宽度τu，从而能精确测定在E和τu条件下，在Δu误差范围内多道谱仪系统的最大可测脉冲率。

本发明主要采用伪随机数字发生器原理和滑尺平均（或称道宽均匀）技术，对伪随机数字作平滑处理，并借助于数字-模拟变换器（DAC）将其变换为幅度，从而解决了上述问题。

利用伪机数发生器通过DAC来产生均匀脉冲，德纳特（Denert）等人曾在1971年对此作过理论分析，但没有实验证明（参阅Nucl.Instr.and    Methods    91（1971）327），德纳特（Denert）分析用n位伪随机数和Z位计数器的数相加再用DAC转换为幅度。对于幅度均匀性（微分线性）的改善，作者建议用“超前”或“滞后”网络来解决，并且只有当n＝z时才能得到均匀幅度脉冲，当z＜n时，幅度分布中间出现一个缝隙，而在两边带有2^（n-2）-2条向上的分离线，线分辨率较差，受“超前”或“滞后”网络的影响。所以德纳特（Denert）的方法不适合本发明的要求。

本发明包括以下几个内容：

1.用时间随机脉冲触发基于线性反馈移位寄存器原理的n位伪随机数字发生器和用Z（＜n）位计数器为基础的滑尺平均器结合，经DAC变换，得到时间随机分布、幅度为统计均匀分布的脉冲幅度谱;

2.利用分时逻辑使m（＞n）位固定数字分时在同一DAC（加上一附加电流值）中变换为幅度（＞上述均匀幅度谱最大脉冲幅度），再用高稳定电压对其限幅的方法在上述均匀幅度谱外末端外侧约为谱宽的5%处设置高分辨率参考峰;

3.用滑尺平均器解决上述均匀幅度谱中DAC带来的微分非线性;

4.作为一种方法，利用上述均匀幅度谱作为多道分析器最大有效脉冲率的绝对测量，包括脉冲率改变时道址的绝对漂移和幅度分辨率的变化的绝对测量;

5.参考峰除用内部固定数字产生外，还可用微型计算机通过接口提供各种数字值来产生。因此，产生的参考峰可放置到均匀脉冲幅度谱的任意位置。

本发明具有以下独特优点：

1.产生时间为随机分布，幅度为统计均匀分布的脉冲幅度谱不仅具有“⁶⁰Co源、探测器、放大器”系统信号源的随机特性，并能精确给出后者所无法给出的随机脉冲平均幅度值E（E＝1/2·Emax，Emax为均匀幅度脉冲最大幅度值）和宽度τu，从而能精确测定在信号平均幅度E和宽度τu条件下多道分析器的道址漂移和幅度分辨率;

2.借助于滑尺平均技术，对14位伪随机数字作平滑处理，仅用6位滑尺计数器就能得到微分线性好于2%的幅度分布均匀度;

3.用固定数字和分时逻辑在同一DAC中产生参考峰脉冲，保证了参考峰不受谱随机脉冲干扰和高分辨率，谱脉冲率从0改变到1.5×10⁵cps以上，峰位置不偏移，分辨率不变坏;

4.可用它代替“放射源-探测器”信号作核仪器检验和核电子学基础研究。如多道谱仪系统的检验，电路脉冲率特性研究等。

5.与“源-探测器”系统相比，造价便宜20倍以上，使用方便，并避免人体受剂量辐照，易于推广;

6.可用计算机控制产生参考峰，从而在软件控制下可作ADC积分线性自动测量。

本发明的具体方框图如附图所示：

产生器电路由：时间随机脉冲产生器[1]，多谐振荡器[2]，单稳态[3]、[5]、[6]，与非门[4]，计数率表电路[7]，伪随机数字发生器[8]，全加器[9]，计数器[10]，二选一数字选择器[12]，数-模变换器（DAC）[11]、[13]，以及电流求和运算放大器[14]组成。还附带设有微型计算机接口[15]。

其中全加器[9]，计数器[10]和DAC[11]组成滑尺平均器用以改善脉冲幅度分布谱的微分非线性（即均匀度）。多谐振荡器[2]，单稳态[3]、[5][6]，与非门[4]，二选一数字选择器[12]组成分时控制逻辑，用于控制均匀幅度谱脉冲与参考峰脉冲分时产生。脉冲率表[7]用以指示均匀谱脉冲率。接口[15]用以接入计算机，用软件提供数字来产生参考峰或作电路或作ADC积分线性自动测量。

电路工作原理：多谐振荡器[2]有脉冲产生时，单稳态[3]被触发，并产生一负输出脉冲，从而封锁加入与非门[4]的时间随机脉冲。单稳态[3]经单稳态[5]延迟后，触发单稳态[6]，单稳态[6]打开二选一数字选择器[12]。假定低电平选择固定数字，高电平选择伪随机数字，则此时二选一数字选择器选择固定数字[a]通过，它经DAC[13]变换为脉冲电流，最后由求和运算放大器[14]求和，产生一固定幅度脉冲输出，它由设置在运算放大器输出端的钳位电路钳位后，得到一幅度稳定的脉冲，此即为参考峰脉冲。当多谐振荡器[2]无脉冲输出时，单稳态[3]输出为高电平，故二选一数字选择器[12]选择伪随机数字[b]通过。因为单稳态[3]为高电平，故从随机脉冲产生器[1]来的随机脉冲通过与非门[4]，然后进行单稳态[5]，其前沿启动伪随机数字发生器[8]，产生一伪随机数字。伪随机数字发生器[8]为14位，其中最低为2位送DAC[11]（DAC[11]为8位）的最低2位，最高12位送全加器[9]与计数器[10]的6位数字相减，得余数[b]，它通过二选一数字选择器[12]进行DAC[13]，DAC[13]为12位，它与DAC[11]的最低2位组成14位DAC，用于将平滑处理后的14位伪随机数变换为模拟脉冲电流，此电流与6位计数器在DAC[11]的高6位中产生的模拟脉冲电流在求和运算放大器[14]中相加并转换为电压脉冲，于是得到一个正比于伪随数字的电压脉冲。由于伪随机数字发生器是用时间随机脉冲触发的，因此，得到的伪随机幅度分布的脉冲列，是时间幅度二维随机的。伪随机数字发生器是基于线性反馈移位寄存器原理设计的，对于n位移位器，输出数字将在数字场（1，2ⁿ-1）内统计均分分布，故得到统计均匀分布时间幅度二维随机脉冲幅度谱。

多谐振荡[2]的输出由单稳态[3]成形为脉-空比较大的脉冲，因此在它的一个振荡周期内，产生器能产生出一个参考峰脉冲和若干个伪随机幅度脉冲。若干周期后便得到一带有参考峰的统计均匀分布脉冲幅度谱，[c]为产生器输出端。因为谱与峰是分时产生的，并且峰脉冲幅度的稳定性仅决定于钳位电压，故参考峰脉冲将不受谱脉冲的干扰，保证了它的高分辨率与不受谱脉冲率改变的影响。

参考峰也可以通过将接口[15]连到微型机，用微型机提供的数字来产生，因此，参考峰位置可以设置在整个幅度谱的任何位置上。利用这一原理，可以在软件控制下，用它对电路或ADC积分非线性进行自动化测量。