基于DSP的X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方案

　　本文以X射線透射衰減規(guī)律為基礎(chǔ)，提出了一種基于DSP的X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方案。本方案重點介紹了用于能譜數(shù)據(jù)采集的硬件電路和軟件設計，其中，硬件電路主要由前置放大、濾波、主放大、峰值保持電路組成，軟件主要由 TMS320F2812對經(jīng)過預處理后的脈沖信號進行多道脈沖幅度分析操作，并最終繪制出X射線能譜圖。經(jīng)調(diào)試結(jié)果表明本系統(tǒng)具有電路設計簡單，采樣精度高，抗干擾能力強等特點。

　　0 引言

　　X 射線是由高能電子在物質(zhì)中作減速運動或由原子內(nèi)層軌道電子的躍遷產(chǎn)生的，所以穿透性很強，廣泛應用于射線檢測、介質(zhì)識別等多個方面。在射線能量一定時，X 射線輻射強度的衰減程度只與所穿過的介質(zhì)有關(guān)，即X射線穿透不同介質(zhì)時，透射的強度不同。所以，可以通過對探測到的X 射線強度分析從而進行介質(zhì)設別的相關(guān)研究。

　　X 射線的探測是通過探測器接收到射線穿透物質(zhì)后射線的強度來實現(xiàn)的，本文采用NaI（Tl）晶體與光電倍增管組成的閃爍探測器以用于X射線的探測，探測器輸出的脈沖信號幅度與透射的射線強度成正比，所以對脈沖信號幅度的分析也就為介質(zhì)識別提供了重要的信息，本文選用高速DSP 芯片TMS320F2812 作為主控制器來完成脈沖信號幅度的分析與處理。

　　1 系統(tǒng)總體框架設計

　　閃爍探測器探測到的X射線強度一般比較微弱，需要經(jīng)過放大、濾波、峰值保持等預處理后，再使用 DSP對處理后的信號進行A/D 轉(zhuǎn)換、脈沖幅度分析、數(shù)據(jù)的存儲以及與上位機之間的通信，最終繪制出一條有關(guān)X射線強度的譜線圖。X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由5部分構(gòu)成：前置放大電路、濾波電路、主放大電路、峰值保持電路、DSP主控電路，其總體框圖如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)各組成部分的設計

　　2.1 前置放大電路的設計

　　前置放大電路是整個前級預處理電路設計的關(guān)鍵，在未屏蔽的條件下，透射的X射線一般處在變壓器電磁輻射、工頻干擾、背景輻射等背景噪聲中，要想從強大的背景噪聲中提取出攜帶識別介質(zhì)信息的X射線強度，就需要整個X射線能譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很高的性能，而前置放大電路又是前級預處理電路前端重要的組成部分，所以本系統(tǒng)所設計的前置放大電路如圖2所示。差分運算放大器具有很高的共模抑制比，可抑制各種共模干擾引入的誤差。

　　圖2所設計的電路由3個基本運算放大器組成，其中運放A1、A2組成同相并聯(lián)輸入第一級放大，以提高放大器的輸入阻抗和增益，A3為差動放大，作為放大器的第二級。整個電路的共模抑制比取決于第一級放大電路中A1 和A2 的對稱程度，第二級放大電路的共模抑制比取決于差動運放A3 的閉環(huán)增益以及電阻的匹配精度。由圖2 可算出前置放大電路的輸出電壓為Uo當Ui1=Ui2 時，R2 中電流為零，故輸出電壓Uo=0.可見，電路放大差模信號，抑制共模信號。

　　2.2 濾波電路的設計

　　由于噪聲與信號同時放大，不利于后續(xù)放大電路的工作，所以信號在經(jīng)過前置放大電路放大后需要進行濾波。為了保證X射線探測的精確性，可在前置放大電路之后設計由壓控電壓源二階高通濾波和二階低通濾波電路串聯(lián)組成的帶通濾波電路如圖3所示。

　　圖3即是所設計的帶通濾波電路，它由有源高通和有源低通濾波串聯(lián)組成，其帶寬范圍為100 kHz~1 MHz.高通和低通濾波的運算放大器選用具有高精度、低偏置、低功耗的雙運放芯片LM358.根據(jù)有源濾波電路的快速設計理論，可得到高低通濾波器的各個參數(shù)。

　　高通濾波器的帶內(nèi)增益為1，截止頻率為100 kHz，高通濾波器的各個參數(shù)為：C1=C2=800 pF，R1=R2=20 kΩ；低通濾波器的帶內(nèi)增益為1，截止頻率為1 MHz，低通濾波器的各個參數(shù)為：C3=C4=1 nF，R3=R4=160 Ω。