基於ads1605的多道能譜分析儀的製作方法
2024-03-28 02:43:05 1
基於ads1605的多道能譜分析儀的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於ADS1605的多道能譜分析儀，包括兩個部分：第一部分是由前端放大電路、線性放大電路、濾波成形電路和差分轉換電路組成的前端調理電路，模擬輸入信號經過前端調理電路信號放大後差分轉換，輸出差分信號；第二部分是控制電路，包括第一部分的差分信號和電壓基準電路輸入信號驅動，以及外部時鐘控制電路和工作狀態控制電路，控制ADS1605數據採集。本發明將最新發展的高速ARM7處理器引入多道能譜分析儀中，通過前端調理電路和控制電路，進行信號差分轉換與放大、工作狀態控制、採集信號的整形，實現ADS1605的高速﹑高精度的16位5MHZ模數轉換。
【專利說明】基於ADS1605的多道能譜分析儀
【技術領域】
[0001] 本發明屬於核能譜測量【技術領域】，涉及一種基於ADS1605的多道能譜分析儀。
【背景技術】
[0002] 核能譜測量技術是一門綜合性很強新興技術，綜合了電子技術、核探測技術、計算 機技術等多個學科。目前，它已經成為物質成分分析的重要手段之一，在醫學、地質學、環境 學、化學、考古學等學科扮演越來越重的角色。
[0003] 隨著核電子學和計算機技術的迅速發展，多道能譜分析儀的性能不斷提高。國外 的核譜儀性能較高，但價格昂貴，在國內大多數用戶中難以廣泛應用。國內研究者經過幾年 的努力，由早期傳統的模擬電路和數字電路構建的多道能譜儀發展至今已研製開發了多種 型號的野外(現場)使用的能譜儀。目前多道能譜儀正向著功能強大，性能穩定，儀器集成度 高，操作環境簡便易用，功耗低的趨勢發展。
[0004] 作為多道能譜分析儀的一個關鍵組成裝置主要完成以下幾個主要任務：（1)對輸 入的電荷級信號差分放大並保證信號在放大過程中不失真；（2)通過濾波形成電路可以對 由外部噪聲、系統噪聲和有用信號疊加組成的輸入信號進行消噪處理；（3)為了對原始數 據預處理和獲得較好的測量結果需要具有較快的採集速度和測量精度。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的就是提供一種能滿足核能譜分析儀系統中硬體系統對數據模數轉 換要求的基於ADS1605的多道能譜分析儀。
[0006] 本發明的技術方案： 一種基於ADS1605的多道能譜分析儀，它包括兩部分，前端調理電路和控制電路，前端 調理電路包括前端放大電路U1、線性放大電路U2、濾波成形電路U3和差分轉換電路U4 ;控 制電路包括電壓基準電路U5、工作狀態控制電路U6和時鐘控制電路U7 ;差分轉換電路U4、 電壓基準電路U5、工作狀態控制電路U6和時鐘控制電路U7與ADS1605模數轉換器U8連接； 輸入電荷信號經前端放大電路U1 -級放大，再經線性放大電路U2主放大後，通過U3濾波， 經U4轉換形成差分輸入信號連接到ADS1605模數轉換器U8的引腳4、5上；電壓基準電路 U5中輸入電壓經精密基準電壓源晶片後再通過差分轉換輸出基準電壓，連接到ADS1605模 數轉換器U8的引腳60、61、62、63、64, ADS1605模數轉換器U8將差分轉換後的輸入信號和 差分轉換後的基準電壓作比較來進行數據量化；工作狀態控制電路U6中外部電壓輸入經 過撥碼開關連接到ADS1605模數轉換器U8的工作控制位引腳13、15、21、22，控制八051605 模數轉換器U8工作狀態；最後時鐘控制電路U7中，通過外接時鐘振蕩器連接到ADS1605模 數轉換器U8的引腳56,給ADS1605提供穩定時鐘信號控制Λ Σ調製器的數據採樣。
[0007] 模擬輸入信號接入電路後，經過兩個串聯的獨立放大電路，實現信號的一級放大 和二級放大後連接到濾波成形電路，由差分轉換電路輸出，通過外部時鐘輸入電路輸入時 鍾信號和工作控制電路硬體控制ADS1605片選位和讀寫位高、低電平，且採用差分的輸入 方式，實現了 16位5MHZ高速度高精度信號的並行採集。
[0008] 前端放大電路U1的核心元件是LF357運算放大器，模擬信號輸入通過電容連接到 LF357運算放大器的2號引腳；一個電容和一個電阻並聯後跨接在LF357運算放大器的2號 引腳端點和6號輸出引腳端點處，經前端放大電路U1的6號輸出，連接線性放大電路U2的 輸入端。
[0009] 線性放大電路U2中，從上一級電路前端放大電路U1輸出的信號通過電阻接到 NE5534運算放大器的2號引腳，一個電容和一個電阻並聯後跨接在NE5534運算放大器的2 號引腳和6號引腳之間；兩個電容並聯後接在NE5534運算放大器的正負電源端引腳上，由 NE5534運算放大器的6號輸出。
[0010] 電壓基準電路U5中，輸入電壓經過四個容值不同的電容組成的濾波電路，接到 RER)28U基準晶片的2號引腳，由引腳6輸出的信號經濾波後，分四路輸出：其中兩路通過 兩個0PA2822U運算放大器U9、U10進行轉換，形成電壓基準信號，這兩路連接如下：一路信 號通過電位器連接到0PA2822U運算放大器U9的引腳5,0PA2822U運算放大器U9的二級輸 出引腳7號連接到ADS1605模數轉換器U8的基準電壓負級引腳60、61 ;-路信號通過電位 器連接到0PA2822U運算放大器U10的引腳3，U10的一級輸出引腳1號連接到ADS1605模 數轉換器U8的基準電壓正級引腳63、64 ;另兩路連接如下：一路信號連接到0PA2822U運算 放大器U9的引腳3，經0PA2822U運算放大器U9的一級輸出引腳1連接到ADS1605模數 轉換器U8的電壓中值引腳62,同時從引腳1輸出的信號分兩路連接到0PA2822U運算放大 器U9的引腳6和0PA2822U運算放大器U10的引腳2 ;另一路信號連接到0PA2822U運算放 大器U10的引腳5,經0PA2822U運算放大器U10的二級輸出引腳7提供給差分轉換電路的 VCM作數據量化比較。
[0011] 工作狀態控制電路U6中，通過撥碼開關旁接四路排阻連接到ADS1605模數轉換器 U8的工作控制位引腳13、15、21、22 ;外部時鐘控制電路U7中，時鐘振蕩器X0SM-573引腳3 連接到ADS1605模數轉換器U8引腳56。
[0012] 器件優選為：模數轉換器ADS1605,前端放大電路中設有前端放大器LF357,線性 放大電路部分選用放大器NE5534,差分轉換電路部分選用放大器0PA2822U，電壓基準晶片 RER)28U，外部時鐘振蕩器X0SM-573。
[0013] 本發明的基於ADS1605的多道能譜分析儀硬體組成，為了提高模數轉換器 ADS1605的採集速度和穩定性，將差分轉換後的輸入信號和差分轉換後的基準電壓作比較 來進行數據量化，同時外部時鐘輸入時鐘信號和硬體控制工作狀態。還採用16位並行採集 方式，採集速率可達到5MHZ，使本發明在適應減少體積、增強人機互動能力的同時，也實現 高速採集和高精度測量；採用數字濾波算法對數據進行預處理，提高了裝置的數據可靠性 和整個系統性能；同時在停止採樣時，通過啟動休眠模式減少系統功耗。
[0014] 本發明結合核能譜分析技術和數據採集技術的特點與優勢，對現有儀器的剖析和 論證，首次將16位5MHZ高速高精度模數轉換器引入多道能譜分析儀中，並且應用自主研發 的ARM7核心板控制數據的採集與傳輸，通過對前端調理電路和濾波電路的實時測量進行 適當修改，增加 ARM數字濾波功能，合理的設計人機互動軟體，提高系統性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明實施例中結構示意圖； 圖2為本發明實施例中前端調理電路示意圖。
[0016] 圖3為本發明實施例中控制電路示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 本發明可以通過上述發明技術方案具體實施，通過下述技術實驗報告及實施例作 進一步說明，然而，本發明的範圍並不限於下述實施例。
[0018] 實施例1 : 一種基於ADS1605的多道能譜分析儀，它包括兩部分，前端調理電路和控制電路，前端 調理電路包括前端放大電路U1、線性放大電路U2、濾波成形電路U3和差分轉換電路U4 ;控 制電路包括電壓基準電路U5、工作狀態控制電路U6和時鐘控制電路U7 ;差分轉換電路U4、 電壓基準電路U5、工作狀態控制電路U6和時鐘控制電路U7與ADS1605模數轉換器U8連 接；輸入電荷信號經前端放大電路U1、線性放大電路U2、濾波成形電路U3和差分轉換電路 U4連接到ADS1605模數轉換器U8的引腳4、5上；電壓基準電路U5中輸入電壓與RER)28U 基準晶片U11連接，輸出電壓經過兩個0PA2822U運算放大器U9、U10連接到ADS1605模數 轉換器U8的引腳60、61、62、63、64 ;同時0PA2822U運算放大器U10的二級輸出引腳7與差 分轉換電路U4的VCM端連接；工作狀態控制電路U6通過撥碼開關旁接四路排阻經引腳5、 6、7、8分別連接到ADS1605模數轉換器U8的工作控制位引腳13、15、21、22 ;外部時鐘控制 電路U7中的時鐘振蕩器X0SM-573引腳3連接到ADS1605模數轉換器U8引腳56。
[0019] 前端放大電路U1的核心元件是LF357運算放大器，模擬信號輸入通過電容連接到 LF357運算放大器的2號引腳；一個電容和一個電阻並聯後跨接在LF357運算放大器的2號 引腳端點和6號輸出引腳端點處，LF357運算放大器6號輸出引腳接電容並且連接到下一 個電路模塊的輸入端即串聯到線性放大電路U2的輸入端。
[0020] 線性放大電路U2中，從上一級電路前端放大電路U1輸出的信號通過電阻接到 NE5534運算放大器的2號引腳，一個電容和一個電阻並聯後跨接在NE5534運算放大器的 2號引腳和6號引腳之間；兩個電容並聯後接在NE5534運算放大器的正負電源端引腳上， NE5534運算放大器的6號輸出引腳接電容連接到下一級電路的輸入端。
[0021] 電壓基準電路U5中，輸入電壓經過四個容值不同的電容組成的濾波電路，接到 RER)28U基準晶片的2號引腳，經引腳6輸出再經並聯電容濾波後，分四路輸出；其中兩路 通過兩個0PA2822U運算放大器U9、U10進行轉換，形成電壓基準信號，這兩路連接如下：一 路信號通過電位器連接到0PA2822U運算放大器U9的引腳5，0PA2822U運算放大器U9的二 級輸出引腳7號連接到ADS1605模數轉換器U8的基準電壓負級引腳60、61 ;-路信號通過 電位器連接到0PA2822U運算放大器U10的引腳3，0PA2822U運算放大器U10的一級輸出引 腳1號連接到U8的基準電壓正級引腳63、64 ;另兩路連接如下：一路信號連接到0PA2822U 運算放大器U9的引腳3,經0PA2822U運算放大器U9的一級輸出引腳1連接到U8的電壓 中值引腳62,同時從引腳1輸出的信號分兩路連接到0PA2822U運算放大器U9的引腳6和 0PA2822U運算放大器U10的引腳2 ;另一路信號連接到0PA2822U運算放大器U10的引腳5， 經0PA2822U運算放大器U10的二級輸出引腳7與差分轉換電路U4的VCM端連接。
[0022] 結合附圖再作進一步說明： 圖1中，輸入電荷信號經前端放大電路U1 -級放大，經過一級放大後的信號輸入再 經線性放大電路U2主放大後，經過兩級放大後的信號由外部噪聲、系統噪聲和有用信號疊 加組成的，通過濾波形成電路U3對信號進行消噪處理，將處理後的信號輸入到差分輸入 電路U4形成差模信號，通過濾波電路連接到16位模數轉換器ADS1605U8 ;電壓基準電路 U5中，輸入電壓經精密基準電壓源晶片後再通過差分轉換輸出基準電壓，連接到U8,這樣 ADS1605將差分轉換後的輸入信號和差分轉換後的基準電壓作比較來進行數據量化；同時 工作狀態控制電路U6中，通過外部電壓輸入，經過撥碼開關連接到U8的工作控制位，控制 U8工作狀態；最後外部時鐘控制電路U7中，通過外接時鐘振蕩器連接到U8給ADS1605提 供穩定時鐘信號控制△Σ調製器的數據採樣。
[0023] 前端調理電路如圖2所示。前端放大電路部分的核心元件是一個LF357運算放 大器，模擬信號輸入通過電容連接到U9的2號引腳。一個電容和一個電阻並聯後跨接在 LF357運算放大器的2號引腳端點和6號輸出引腳端點處，LF357運算放大器輸出6號引腳 接電容起過壓保護作用連入到下一個電路模塊的輸入端即線性放大電路的輸入端。線性放 大電路中，從上一級電路前端放大電路輸出的信號通過電阻接到NE5534運算放大器的2號 引腳，電容C4和電阻R3並聯後跨接在NE5534運算放大器的2號引腳和6號引腳之間。兩 個電容並聯後接在NE5534運算放大器的正負電源端引腳，起到給信號濾波的作用，NE5534 運算放大器的6號輸出引腳接電容起過壓保護作用連到下一級電路的輸入端。
[0024] 控制電路如圖3所示。電壓基準電路U5中，輸入電壓經過四個容值不同的電容組 成的濾波電路，接到REH)28U基準晶片U11的2號引腳，經引腳6輸出的穩定電壓經並聯電 容濾波後，分四路輸出。其中兩路通過兩個0PA2822U運算放大器U9、U10進行轉換，形成 電壓基準信號，這兩路連接如下：一路信號通過電位器連接到0PA2822U運算放大器U9的 引腳5，0PA2822U運算放大器U9的二級輸出引腳7號連接到ADS1605模數轉換器U8的基 準電壓負級引腳60、61 ;-路信號通過電位器連接到0PA2822U運算放大器U10的引腳3， 0PA2822U運算放大器U10的一級輸出引腳1號連接到U8的基準電壓正級引腳63、64。另 兩路連接如下：一路信號連接到0PA2822U運算放大器U9的引腳3，經0PA2822U運算放大 器U9的一級輸出引腳1連接到U8的電壓中值引腳62,同時從引腳1輸出的信號分兩路連 接到0PA2822U運算放大器U9的引腳6和0PA2822U運算放大器U10的引腳2 ;另一路信號 連接到0PA2822U運算放大器U10的引腳5,經0PA2822U運算放大器U10的二級輸出引腳7 提供給差分轉換電路的VCM作數據量化比較。工作狀態控制電路U6中，通過撥碼開關旁接 四路排阻連接到U8的工作控制位引腳13、15、21、22。外部時鐘控制電路U7中，時鐘振蕩器 X0SM-573引腳3連接到U8引腳56。
[0025] 本方案採用了 ADS1605模數轉換晶片U8,它是16位，雙極性差分輸入通道，最快採 集速率達到5MSPS，低噪聲，低偏置，低溫漂，低功耗模數轉換器，用於多道能譜分析儀模數 轉換非常理想。
【權利要求】
1. 一種基於ADS1605的多道能譜分析儀，它包括兩部分，前端調理電路和控制電路，其 特徵在於： 前端調理電路包括前端放大電路U1、線性放大電路U2、濾波成形電路U3和差分轉換電 路U4 ; 控制電路包括電壓基準電路U5、工作狀態控制電路U6和時鐘控制電路U7 ; 差分轉換電路U4、電壓基準電路U5、工作狀態控制電路U6和時鐘控制電路U7與 ADS1605模數轉換器U8連接； 輸入電荷信號經前端放大電路U1 -級放大，再經線性放大電路U2主放大後，通過U3 濾波，經U4轉換形成差分輸入信號連接到ADS1605模數轉換器U8的引腳4、5上；電壓 基準電路U5中輸入電壓經精密基準電壓源晶片後，再通過差分轉換輸出基準電壓連接到 ADS1605模數轉換器U8的引腳60、61、62、63、64, ADS1605模數轉換器U8將差分轉換後的 輸入信號和差分轉換後的基準電壓作比較來進行數據量化；工作狀態控制電路U6中外部 電壓輸入經過撥碼開關連接到ADS1605模數轉換器U8的工作控制位引腳13、15、21、22,控 制ADS1605模數轉換器U8工作狀態；最後時鐘控制電路U7中，通過外接時鐘振蕩器連接到 ADS1605模數轉換器U8的引腳56,給ADS1605提供穩定時鐘信號控制Λ Σ調製器的數據 採樣。
2. 根據權利要求書1所述的基於ADS1605的多道能譜分析儀，其特徵在於：模擬輸入 信號接入電路後，經過兩個串聯的獨立放大電路，實現信號的一級放大和二級放大後連接 到濾波成形電路，由差分轉換電路輸出，通過外部時鐘輸入電路輸入時鐘信號和工作控制 電路硬體控制ADS1605片選位和讀寫位高、低電平，且採用差分的輸入方式，實現了 16位 5ΜΗΖ高速度高精度信號的並行採集。
3. 根據權利要求書1或2所述的基於ADS1605的多道能譜分析儀，其特徵在於：前端 放大電路U1的核心元件是LF357運算放大器U11，模擬信號輸入通過電容連接到LF357運 算放大器的2號引腳；一個電容和一個電阻並聯後跨接在LF357運算放大器的2號引腳端 點和6號輸出引腳端點處，經6號輸出，連接線性放大電路U2的輸入端。
4. 根據權利要求書1或2所述的基於ADS1605的多道能譜分析儀，其特徵在於：線性 放大電路U2中，從上一級電路前端放大電路U1輸出的信號通過電阻接到ΝΕ5534運算放大 器U12的2號引腳，一個電容和一個電阻並聯後跨接在ΝΕ5534運算放大器的2號引腳和6 號引腳之間；兩個電容並聯後接在ΝΕ5534運算放大器的正負電源端引腳上，由ΝΕ5534運 算放大器的6號輸出。
5. 根據權利要求書1或2所述的基於ADS1605的多道能譜分析儀，其特徵在於：電壓基 準電路U5中，輸入電壓經過四個容值不同的電容組成的濾波電路，接到RER)28U基準晶片 的2號引腳，由引腳6輸出的信號經濾波後，分四路輸出：其中兩路通過兩個0PA2822U運算 放大器U9、U10進行轉換，形成電壓基準信號，這兩路連接如下：一路信號通過電位器連接 到0PA2822U運算放大器U9的引腳5,0PA2822U運算放大器U9的二級輸出引腳7號連接到 ADS1605模數轉換器U8的基準電壓負級引腳60、61 ;-路信號通過電位器連接到0PA2822U 運算放大器U10的引腳3, U10的一級輸出引腳1號連接到ADS1605模數轉換器U8的基準 電壓正級引腳63、64 ;另兩路連接如下：一路信號連接到0PA2822U運算放大器U9的引腳 3，經0PA2822U運算放大器U9的一級輸出引腳1連接到ADS1605模數轉換器U8的電壓 中值引腳62,同時從引腳1輸出的信號分兩路連接到0PA2822U運算放大器U9的引腳6和 0PA2822U運算放大器U10的引腳2 ;另一路信號連接到0PA2822U運算放大器U10的引腳5， 經0PA2822U運算放大器U10的二級輸出引腳7提供給差分轉換電路的VCM作數據量化比 較。
6.根據權利要求書1或2所述的基於ADS1605的多道能譜分析儀，其特徵在於：工 作狀態控制電路U6中，通過撥碼開關旁接四路排阻連接到ADS1605模數轉換器U8的工作 控制位引腳13、15、21、22 ;外部時鐘控制電路U7中，時鐘振蕩器X0SM-573引腳3連接到 ADS1605模數轉換器U8引腳56。
【文檔編號】G01T1/36GK104155679SQ201410429986
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月28日 優先權日:2014年8月28日
【發明者】徐哈寧, 陳凱, 程琳, 黃昊, 韓成磊, 葉翔, 任強 申請人:東華理工大學