用ATmega128控制的多道脉冲幅度分析系统

在4兆伏静电加速器工作区域内，需建立大范围的核辐射监测系统。其中多道脉冲幅度分析系统是关键。对γ射线探测器输出脉宽信号（1～2µs）的峰值进行采集分析，其采集速率必须大于1MS/s[1]。
当前类似系统大都采用C51系列单片机（89C51）作为主控制器，由于C51系列单片机机器周期为12个时钟周期，工作频率为12MHz时指令执行速率仅为1MIPS，其速度慢的缺点影响了多道脉冲分析系统采集及数据传输速率。
我们设计的这套系统第一大特点，采用AVR单片机系列功能最强大的ATmega128，取代C51系列单片机，使系统的工作速度提高了数十倍，采集速率可达到5MS/s。第二大特点，为解决与上位机通讯速度慢的问题，采用USB接口技术，使数据传输速率达到1Mbit/s。因而，该系统从根本上满足了核电信号要求采集速度高，通信容量大的要求。USB所具有的即插即用、通用性强、易扩展、可靠性高等优点[2]也极大地改善了其使用特性。
1ATmega128工作原理及其特点
ATmega128是AVR系列中功能最强的单片机，运用Harvard结构概念，具有预取指令功能，即程序存储和数据存储具有不同的存储器和总线。当执行某一指令时，下一指令预先从程序存储器中取出，程序执行效率高[3]。ATmega128指令执行的时序图如图1所示。

其机器周期为1个时钟周期，绝大多数指令为单周期指令，工作频率为16MHz时可达到16MIPS的性能。可产生周期为125ns（频率为8MHz）的方波作为高速模数转换电路的时钟信号，比C51单片机的速度要高20～30倍。
2 ATmega128控制多道脉冲幅度分析系统的结构原理
以AVR单片机ATmega128作为控制核心的多道脉冲幅度分析系统主要由程控放大电路、阈值电路、峰值保持电路、高速模数转换电路、存储器扩展电路及USB接口电路组成。系统结构框图如图1所示

图1 多道分析系统结构框图
γ射线探测器由用(Φ40×40)mm NaI(Tl)晶体，它和PMT（光电倍增管）及前置放大器封
装一体，输出与被探测能量成正比的电压脉冲程控放大后，经阈值电路后进入峰值保持电路。在ATmega128控制下，完成高速模数转换，送入扩展存储器。待PC机发出读取数据指令，将采集到的数据通过USB接口传输给PC机。
2.1 程控放大及阈值电路
程控放大电路采用高速（带宽为170MHz）、低漂移的运算放大器AD9631，通过ATmega128调整具有I2C总线接口X9241M（数字电位器）输出电阻，改变其放大倍率。主要目的是定期测量标准放射源特征峰(如137Cs的特征峰是662keVγ射线的全能峰)的峰位变化―峰位漂移的“道数”，调整其倍率稳定特征峰峰位[4]。
阈值电路由高速精确的电压比较器AD790（响应时间为45ns）、X9241M及基准源组成，ATmega128调整X9241M输出电阻设定其下限阈值电压，剔除探测器输出的低噪声信号。
2.2峰值保持与高速模数转换电路
代表γ射线辐射能量的电压脉冲信号非常窄，宽度在1～2µs左右，无法直接进行A/D转换，将其峰值扩展后方可进行量化。由ATmega128控制的峰值保持与高速模数转换电路如图3所示。峰值保持电路由ADG721和AD790组成。ADG721是高速COMS开关，高电平有效，开关闭合需要为24ns，断开需要11ns。