2010版本核电子学实验讲义 - 图文

《核电子学与核辐射仪器》

实 验 讲 义

核 技 术 教 研 室

2010年版

目 录

核电子学实验基础·······························································································1 实验注意事项·······································································································7 实验1 闪烁探测器·····························································································9 实验2 线性放大器···························································································14 实验3 单道脉冲幅度分析器·············································································19 实验4 峰值保持器·····························································································24 实验5 A/D转换电路··························································································30 实验6 整机仪器的组装及应用·········································································36

核电子学实验基础

一、数字示波器的使用

1、示波器前面板和用户界面

核电子实验室使用的是RIGOLDS5102CA型数字示波器，该示波器的外形见图1。

图1 RIGOL DS5102CA数字示波器

(1) 界面认识

示波器面板上包括旋钮和功能按键。旋钮的功能与其他示波器类似。显示屏右侧的一列5个灰色按键为菜单操作键（自上而下定义为1号至5号）。通过它们可以设置当前菜单的不同选项。其它按键（包括彩色按键）为功能键，通过它们可以进入不同的功能菜单或直接获得特定的功能应用。

图2 DS5102CA面板操作操作说明

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(2) 探头补偿

在首次将探头与任一输入通道连接时，需要进行此项调节，使得探头与输入通道相配。未经补偿或补偿偏差的探头会导致测量误差或错误。若需调整探头补偿，请按如下步骤：

① 将探头菜单中的衰减系数和探头上开关设定为一样的值，都为1X或10X，通常都设为10X，并用探头将通道1和探头补偿器相连。打开通道1，然后按AUTO键自动设置；

② 检查所显示波形的形状；

图3 补偿过渡 图4 正确补偿 图5 补偿不足

③ 如必要，用非金属质地的改锥调整探头上的可变电容，直到屏幕显示的波形如图4所示的“补偿正确”。

2、仪器检查

在使用仪器前，通常通过自检信号对仪器做一次快速功能检查，以核实本仪器运行正常。具体步骤如下：

(1) 接通电源，打开示波器开关，仪器执行所有自检项目，并确认自检； (2) 用示波器探头将信号接入通道1(CH1)，将探头上的开关设定为10X，并用探头线将通道1与探头补偿器相连；

(3) 探头设置与示波器中同比例的衰减系数（默认通常设定10X），从而使得测量结果正确反映被测信号的电平；

(4) 按住AUTO按键几秒钟内，可以看到方波显示（1kHz，峰峰值约3V）。 (5) 同样的方法检查通道2（CH2），按0FF功能按钮以关闭通道1，按CH2功能按钮以打开通道2，重复步骤2、步骤3步骤4。

3、使用实例

观测电路中一未知信号，迅速显示和测量信号的频率和峰峰值。 (1) 迅速显示该信号，请按如下步骤操作：

① 将探头菜单衰减系数设定为1X，并将探头上的开关设定为1X； ② 将通道1的探头连接到电路被测点； ③ 按下AUTO （自动设置按钮）。

示波器将自动设置使波形显示达到最佳。在此基础上，您可以进一步调节垂直、水平档次，直至波形的显示符合您的要求。

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(2) 进行自动测量

示波器可对大多数显示信号进行自动测量。欲测量信号频率和峰峰值，请按如下步骤操作：

① 测量峰峰值

按下MEASURE按钮以显示自动测量菜单→按下1号菜单操作键以选择信源CH1→按下2号菜单操作键选择测量类型：电压测量→按下2号菜单操作键选择测量参数：峰峰值。

此时，您可以再屏幕左下角发现峰峰值的显示。 ② 测量频率

按下3号菜单操作键选择测量类型：时间测量→按下2号菜单操作键选择测量参数：频率。

此时，您可以再屏幕下方发现频率显示。 4、使用要求

(1) 熟练使用示波器观察测量点脉冲；

(2) 能够使用示波器测出脉冲的幅度、宽度和频率。

二、信号发生器的使用

1、信号发生器前面板和用户界面

核电子实验室使用信号发生器如图6所示。

图6 SFG2004信号发生器

(1) 界面认识

信号发生器面板上包括旋钮和功能按键。旋钮的功能主要用于各种输出信号的微调。显示屏上面的按钮功能是对输出波形进行选择（可选择输出三角波、方波和正弦波）。

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显示屏右侧的按钮主要用于调节输出脉冲的频率，灰色的大旋钮用于对输出频率进行微调。显示器下方的3个旋钮主要用于对输出模拟信号幅度、补偿的调节。

图7 SFG2004信号发生器面板操作操作说明

(2) 使用步骤

① 开机接通电源，预热一段时间，待输出稳定后，即可使用； ② 根据需要，按下相应的“波形选择按钮”，选择适当的波形；

③ 根据所需输出信号的频率，选择对应的“频率单位”，输入适当的输出信号频率； ④ 根据所需输出信号的幅度，调节输出信号幅度大小，必要时可连接示波器观察。 注意 实验中用50Ω负载输出端。 2、使用实例

用示波器观察信号发生器输出波形（三角波、正弦波和方波）。

(1) 用信号线将信号发生器的50Ω负载输出端和示波器的CH1输入端连接起来； (2) 打开信号发生器和示波器，并等待一段时间；

(3) 调节信号发生器的输出波形选择按钮，使其输出方波； (4) 调节信号发生器的幅度旋钮，是输出信号幅度为1V。 (5) 重复(3)和(4)，是信号发生器输出1V的三角波和正弦波。 3、使用要求

(1) 熟练使用信号发生器输出各种波形；

(2) 能够使用信号发生器调节输出脉冲的幅度和频率。

三、稳压电源的使用

1、稳压电源前面板和用户界面

核电子实验室使用的稳压电源如图8所示。

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图8 LM1719A直流稳压电源

(1) 界面认识

在许多电子线路中，要求输入的电压稳定、连续可调，并有较大的工作电流。直流稳压电源可满足此种要求。稳压电源为双路输出电流1A、2A、3A；输出电压范围为0~30V，连续可调。面板设置较为简单（图9），使用时应该根据要求操作。

图9 LM1719A型直流稳压电源面板介绍

(2) 使用步骤

① 开启电源开关，指示灯亮，表示电源接通，应预热10min；

② 面板上设有两个电压表和两个电流表，为两路电源分别使用。还有“电压监视”和“电流监视”的电压表和电流表。若需监视电压、电流时，调节“电压粗调及细调”旋钮，即可得到所需的电压值；

③ 若过载或短路，电源保护无输出时，应排除过载或短路故障，按“启动”按钮，电源即可恢复输出；

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注意：实验中使用电压档若发现C.C灯亮了，请立刻关闭电源，查找短路故障，排除故障后才能打开开关！

④ 输出电压由接线柱“＋”、“－”端供给，“地”接线柱仅与机壳相连。与其他仪器连接时，需注意“共地”问题；

⑤ 若是需要＋5V、－5V电压可以直接接到最右边的5伏电源接线柱上（如图10所示）。需要单极性电压时，使用左面的两组接线柱中的一组，把GND端和“－”端连在一起（如图11所示）。如需要双极性电源，则把两组电源的中间四根接线柱连在一起形成共地端（如图12所示）。

注意：核电子实验一般用的都是双极性电源，所以在接线的时候一定要注意！

图10 5V电源连接示意图

图11 0~30V单极性电源连接示意图

图12 0~30V双极性电源连接示意图

2、使用要求

(1) 掌握稳压电源的各种接法，特别是双极性接法；

(2) 能够熟练的使用稳压电源为实验电路板提供各种直流电源。

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实验注意事项

一、基础仪器使用注意事项

1、示波器使用注意事项

(1) 使用前请检查所使用示波器的器件是否完整（整个示波器包括示波器本身、一根探针、一根信号线和一本使用说明书），如发现不完整请上报实验老师；

(2) 使用示波器前一定要先进行仪器检查，以便发现问题；

(3) 在使用示波器过程中，对示波器的操作界面请温柔对待，不要乱按乱旋； (4) 在使用示波器探针的过程中，一定要轻轻的接触观测点，要做到手不离探针，如发现把探针插入观测点而导致探针弯曲的，后果自负；

(5) 实验完后，请把示波器的探针和信号线收回到包里。 2、信号发生器使用注意事项

(1) 使用信号发生器前，请先预热10分钟左右；

(2) 在使用信号发生器的过程中，请对信号发生器的操作界面温柔点，不要乱按乱旋；

(3) 实验过程中，如果信号发生器出现问题，请立刻报告实验课老师。 3、稳压电源使用注意事项

(1) 使用稳压电源之前，请认真学习其使用手册和实验电路图，明确实验电路所需电压为多少，这个电源如何通过稳压电源获取；

(2) 打开稳压电源之前，一定要检查所连电路是否有短路的地方，在确认没有短路之后再打开电源开关；

(3) 使用稳压电源的时候，其电流调节旋钮请不要旋到最大或最小，因为这样容易导致稳压电源短路；

(4) 使用稳压电源的过程中，一旦发现指示灯变成绿色，请立刻关闭电源； (5) 实验完成后，请将稳压电源的连线收拾好。

二、单元电路板使用注意事项

(1) 实验前，一定要认真仔细的看实验电路板的电路图，明确该电路所需的电源及各个观测点；

(2) 拿到实验电路板后，请先检查该电路板是否完好，如发现问题，请报告实验课老师。；

(3) 要好好对待实验电路板，轻拿轻放，在不测量的时候，请将电源关掉； (4) 调节电路板的时候，不要太用力，以免损坏元件；

(5) 实验完后，请将电路板上的连线拔出，并将其收回到实验箱里，在实验老师检查完电路板之后，才可离开。

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三、实验过程注意事项

1、实验前一定要预习，并在上实验课的时候上交实验预习报告；

2、实验课迟到1分钟扣10分，如果开课10分钟不到的就以旷课论处（请假的学生请出示正规请假条）；

3、上课过程中一定要注意听课，严格遵守学生手册的规定；

4、实验过程中，在连接好电路之后，一定要让实验课老师检查连线是否合格。如果私自通电导致实验仪器损坏的，要负责维修直至仪器恢复正常；

5、实验当中，遇到不懂的问题就问，如果电路在老师检查后通电出现问题的，请立刻断掉电源；

6、实验的结束以实验结果检查通过为标准，如果实验无结果就以没参加实验论处（特殊情况另当别论）；

7、实验结束后一定要保持实验室的清洁卫生，如果发现有乱丢垃圾的，参与整个实验的学生都要受到扣分处罚；

8、实验结束后，一定要将仪器设备等收拾好，如实验完后发现没收拾的，操作分为0分；

9、实验报告请勿抄袭（一组几个人的，除了实验数据可以一样外，其它请勿抄袭），如发现抄袭按60分/n（n代表实验报告抄袭的人数）来处理。

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实验1 闪烁探测器

一、实验目的

1. 掌握闪烁探测器的结构、组成及工作原理； 2. 了解闪烁探测器的输出脉冲波形；

3. 了解高压变化及入射射线能量的变化对闪烁探测器输出波形的影响； 4. 了解闪烁探测器的工作坪曲线。

二、实验内容

1. 按照电路图3连接好仪器；

2. 按要求组装闪烁探测器，并测量闪烁探测器输出波形的幅度和宽度，将测量结果记下来；

3. 变换测量条件（改变源与探测器的距离或输入高压），观察输出波形变化情况，并记录测量结果。

三、实验原理

闪烁探测器（图1）是利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探测器。一般由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器三个主要部分组成。在闪烁体周围包以反射物质（有一面透光），这样能使光子集中向光电倍增管方向射去。光电倍增管是一个真空器件。它由光阴极、若干个打拿极和一个阳极组成。光阴极前有一个玻璃或者石英制成的窗，整个器件外壳为玻璃，各电极由针脚引出。通过高压电源和分压电阻，使阳极的各打拿级间建立从高到低的电位分布。闪烁光子入射到光阴极上时，由于光电效应会产生光电子，这些光电子受极间电场加速和聚焦，打在第一个打拿极上，产生3-6个二次电子，这些二次电子在以后各打拿极上又发生同样的倍增过程，直到最后在阳极上可直接收到104-109个电子。所以人们把这种器件称为光电倍增管。大量电子会在阳极负载上建立起电信号，通常为电流脉冲或电压脉冲，然后通过起阻抗匹配作用的射极跟随器，由电缆将信号传输到电子学仪器中去。

通常闪烁体透光一面由玻璃封装，如果它与光电倍增管窗之间存在空气层就会使闪烁光子反射回闪烁体，因此，在其间充以折射系数和玻璃差不多的硅油，就能使光子损失大大减少。

实用上常将闪烁体、光电倍增管和分压器及射极跟随器都安装在一个暗盒中，统称探头。探头中有时在光电倍增管周围包以磁屏蔽作用的铍莫合金，防止环境中磁场透入管子中去。电子仪器的组成单元则根据闪烁探测器的用途而异，常用的有高（低）压电源、线性放大器、单道或多道脉冲幅度分析器，有时也可包括门电路、定时电路、符合电路、定标器、计数率仪以及其它辅助电子学单元（例如示波器、脉冲发生器），还有国产NIM系统标准插件，可方便而灵活搭配。

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1、闪烁探测器的工作过程：

(1) 射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发；

(2) 受激原子、分子退激并发射荧光光子；

(3) 利用反射物和光导将闪烁体光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；

(4) 光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到104-109个，电子流在阳极负载上产生电信号；

(5) 阳极输出信号被后续电子仪器记录和分析。

图1 闪烁探测器结构示意图

2、闪烁体

闪烁体按其化学性质可分为两大类：

一类是无机晶体闪烁体。通常是含有少量杂质（称为“激活剂”）的无机盐晶体，常用的有NaI(Tl)单晶体、CsI(Tl)单晶体、ZnS(Ag)多晶体等。

另一类是有机闪烁体。它们都是环碳氢化合物，例如蒽、萘、对联三苯、甲苯等。 本次实验用的NaI(Tl)晶体密度较大，而且高原子序数的碘(Z=53)占重量的85%，所以对γ射线探测效率特别高，同时相对发光效率大。NaI(Tl)晶体的缺点是容易潮解，所以一般都密封在金属盒中。国产NaI(Tl)晶体种类很多。有大尺寸的测γ射线的晶体，也有几毫米厚的薄晶体，主要用于测量低能γ射线和X射线。

3、光的收集与光导

光学收集系统包括反射层、耦合层、光导等。它可使闪烁体的光能够均匀、有效地收集在光电倍增管的光阴极上。

(1) 反射层的作用是把闪烁体中向四周发射的光有效地收集到光阴极上。一般用作反射层的材料有：氧化镁、二氧化钛、铝箔、镀铝塑料薄膜等。

(2) 由于闪烁体与光阴极接触的界面中存在着空气，为了尽量减少光线在交界面上

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发生全反射，以利于将光子大部分收集到光阴极上去，需要在闪烁体与光电倍增管之间加上一层“耦合剂”，其作用是有效地把光传给光电倍增管的光阴极，减少光在闪烁体与光阴极窗界面的全反射。光学耦合剂的材料有硅油、硅脂、甘油等。

(3) 光导的作用是有效地把光传递给光电倍增管的光阴极。 4、电子倍增器件 (1) 基本原理和构造

图2为光电倍增管的工作原理图。从闪烁体出来的光子通过光导射向光电倍增管的光阴极，由于光电效应，在光阴极上打出光电子。光电子经电子学输入系统加速、聚焦后射向第一“打拿极”。每个光电子在打拿极上击出几个电子，这些电子射向第二打拿极，再经倍增射向第三打拿极，直到最后一个打拿极。所以，最后射向阳极的电子数是很多的。阳极把所有电子收集起来，转变成电信号输出。

图2 光电倍增管工作原理图

(2) 分压器

光电倍增管中各电极的电位由外加电阻分压器抽头供给，所加高压可以是正高压，也可以是负高压。

一般，维持阴极和第一打拿极之间适当高的电场很重要，它有利于提高信噪比和能量分辨率。有的光电倍增管在光阴极与第一打拿极之间还有聚焦电极，这样三个电极组成一个电子光学输入系统。适当调整它们之间的电位分布，可以使大部分光电子都能顺利到达第一打拿极，从而获得最大的收集效率。中间的打拿极采用均匀分压器，其电压绝对值大小可根据需要的放大倍数来调节。由于在最末几级打拿极中的电流已相当大，一般使用非均匀分压器使最末二、三级打拿极之间有较高的电压，以避免空间电荷效应，否则光电倍增管的线性工作范围要受到限制。同时，为了避免在最后几个打拿极上，因脉冲电流过大使极间电压下降，一般在分压电阻上并联旁路电容。

至于末级打拿极和阳极之间的电压，由于阳极仅仅收集电子，不再继续倍增，故末级打拿极和阳极之间的电压一般选取比较低的值。分压器所选电阻应具有小的温度系数和较高的稳定性，并且实际耗散功率比额定功率小。但另一方面，为保证光电倍增管工

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作稳定，必须使流经分压电阻的电流远大于最大阳极电流，即应使总分压电阻阻值适当小，以保证打拿极之间电压基本不变。

(3) 主要指标

光电倍增管是将光信号转变为电信号，并将电信号加以放大的器件。它的主要指标包括：光电转换特性、电子倍增特性、噪声或暗电流、时间特性等。

(4) 光电倍增管的暗电流与本底脉冲（暗噪声）

当光电倍增管无光照射时，所产生的阳极电流称为“暗电流”。阳极暗电流是在一定电压下或在达到一定的阳极光照灵敏度所需的总电压下测定。通常在10-6-10-10A数量级。引起暗电流的主要原因有：热发射、欧姆漏电、残余气体电离、场致发射、切伦科夫光子、玻璃管壳放电和玻璃荧光、光阴极曝光等。

四、实验设备与电路原理图

1、实验设备

1. 数字型脉冲示波器1台； 2. 0-3000V高压电源插件； 3. 万用表一只； 4. NaI晶体探头一只； 5. γ射线源（137Cs或60Co）； 6. NIM机箱一台。 2、电路原理图（图3）

图3 闪烁体探测器器件连接图

五、实验步聚

1. 将完好的元件按电路图3将仪器连接起来；

2. 电路连接好后，接通高压电源，逐渐调至600V，然后分别在探头前放上源或60Co源，用示波器观测闪烁器的输出波形，并记下波形的幅度和宽度；

3. 改变137Cs源或60Co源到探测器的距离（离探测器大约1m远处，高压保持600V），

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137

Cs

观察波形改变情况，并做记录；

4. 将高压逐渐从0V上升到1000V（每次改变50V，要求对137Cs源和60Co源都要进行测量），观察探测器输出波形变化情况，并记下相应的波形的幅度和宽度；

6. 关闭电源，拔下探头。

六、实验报告编写要求

1. 绘制137Cs或60Co放射源的输出波形，注明各测量条件（能量、距离），并说明探测器输出脉冲幅度和射线能量的关系；

2. 记录不同高压下，测得137Cs或60Co放射源的输出脉冲幅度和宽度；

3. 说明探测器输出脉冲幅度与高压间的关系，并画出相关曲线（要求将137Cs和60Co放射源输出脉冲幅度与高压的关系画在同一图中）。

七、实验思考题

1. 试述正确使用闪烁探测器的措施？

2. 详述闪烁探测器输出脉冲波形的影响因素有哪些？

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实验2 线性放大器

一、实验目的

1. 了解线性放大器在核辐射测量仪器中的作用； 2. 掌握线性放大器的基本构成及工作过程、调试方法； 3. 认识线性放大器各主要工作点的输出波形及变化。

二、实验内容

观察线性放大器各个节点波形的变化，熟悉不同微分时间、积分时间和放大倍数的调节（包括粗调和细调）、了解极-零相消和基线恢复电路的结构和作用及输入与输出波形的关系。

三、实验原理

线性放大器主要由极-零相消电路，极性转换电路，可调放大节，积分电路，基线恢复电路组成。线性脉冲放大器的主要任务是对探测器的输出小信号进行线性放大和脉冲成形，以满足后继分析测量电路的需要。

1、极零相消电路

在几级相串联的系统中，将前级传递函数的极（零）点和后级的零（极）点相消，从而改善输出波形的方法称为极-零相消。

如图1所示，该电路由电位器RW1来调节极-零电阻的阻值，通过调节，使得下式中的τ1等于输入信号的时间常数τi，从而消除输出信号的下冲。至于，微分

电路的成形时间可通过改变C1和R1来调节。

S?H(S)?S?1

图1 极-零相消电路

?11

?22、极性转换电路

极性转换电路主要用于改变输入信号的极性。当前置放大器输出信号为负脉冲，如果想要将其转换为正脉冲可使其通过负反馈放大器

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图2 极性转换电路

的反相端，如果不想改变输入信号的极性可让其通过放大器的同相端。

3、可调放大节

可调放大节为负反馈放大节，通过调节电位器RW3的阻值来调节放大节的放大倍数。对于负反馈放大节的放大倍数计算可用下面的公式计算。

并联反馈：A??Rf

R串联反馈：A?1?Rf

R

图3 可调放大节电路

4、限幅器

如果输入脉冲的幅度比较大，通过极性转换电路后，脉冲会进一步放大，这将不利于后续电路进行分析。这主要是因为当运算放大器输入幅度比较大的脉冲时会引起失真，所以在可调放大节A2前面连了一个限幅器。一旦发现P3点的脉冲幅度过大可接通开关KD，使A2的输入脉冲幅度限制在0.7V左右。

5、积分电路

积分电路为多级积分成形，其作用是将信号成形为准高斯波形。实验电路板上有3级积分电路。图5所示为2级有源积分滤波电路，其后再接一级无源积分滤波电路。经过3次积分后可输出准高斯波形脉冲信号。

6、基线恢复电路 图6所示为一无源CDD基线恢复电路。当输入脉冲计数率很高的时候，由于耦合电容的充放电使得输出信号的基线产生偏移。为了使输出信号的基线恢复到原来的位置，引入了基线恢复电路，通过它可使输出信号的

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图4 限幅器电路

图5 有源积分滤波电路

基线恢复到原来的位置上。

图6 基线恢复电路

四、实验设备

线性放大器实验板、直流稳压电源、信号发生器、数字示波器、工具箱。

五、实验步骤

1. 按照实验原理图（图7）对照实验电路板，熟悉调节的元器件和观察点位置； 2. 将电路板接上直流稳压电源，在输入端接上信号发生器；

3. 接通电源，按实验内容要求操作，用信号发生器在输入端输入一个小方波信号（100mV），选择合适的频率，用数字示波器对各工作点进行输入观察，并记录各点波形的形状、幅度和宽度；

4. 调节电位器RW1使得输出波形没有下冲，并记录P2波形；

5. 把双向开关K3打向不同的方向，看P3点输出有什么变化，调节RW2观察P3输出波形变化，并记录波形；

6. P4前的电阻选择不同的大小，观察输出波形的变化，将开关KD接通，观察输出波形变化，并记录波形；

7. 断开KD，分别改变各可变电容C1、C2、C3、C4观察其对P2-P9等主要输出点的输出波形的影响（希通过望调节使得各微分、积分电路的时间常数一样，最终在P9点得到准高斯波形），并做记录；

8. 接通或断开K8观察输出波形变化，并做记录。

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六、实验报告编写要求

1. 画出各观测点的波形图，并写出其脉冲幅度与宽度； 2. 计算出实验用线性放大器的放大倍数。

七、实验思考题

1. 说明各输出端测得的波形变化原因？

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图7 线性放大器电路图

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试验3 单道脉冲幅度分析器

一、实验目的

1. 熟悉CMOS集成电路；

2. 掌握单道脉冲幅度分析器的工作原理和电路结构； 3. 了解单道脉冲幅度分析器的工作过程和波形变化特征。

二、实验原理

单道脉冲幅度分析器（图1）包括两个甄别器，一个叫上甄别器，甄别阀用V上表示；另一个叫下甄别器 ，甄别阀用V下表示；上、下甄别阀之差称为道宽，用ΔV表示，即：ΔV = V上 – V下 ；除了两个甄别器外，还有一个反符合电路。当信号Vin V上时分析器无脉冲输出，V下

图1 单道脉冲幅度分析器结构框图

图2 单道脉冲幅度分析器工作原理图

1、参考电压运算器

参考电压运算器是由上、下两路运算放大器组成的加法器及精密的参考电压源构成。RW2和RW3用于调节输入电压，通过调节RW3和RW2可调节单道脉冲幅度分析

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器的下甄别阈和道宽。上、下两路输入电压首先通过一个跟随器，以提高其稳定性，然后通过P4和P10分别输入两个反相运算放大器从而得到正的电压（及阈电压）。同时，下甄别阈运算放大器的输出电压经过R10和R7输入上甄别阈的同相端，这相当于一个相加过程（即上甄别阈=下甄别阈+道宽）。

图3 参考电压运算器

2、上、下甄别器

如图4所示，该电路板的上、下甄别阈由两个相同的集成电路脉冲幅度分析器组成。上、下阈电压由前面的参考电压运算器提供，分别加到脉冲幅度分析器的同相端。当输入脉冲信号（由P7输入）幅度超过上或下甄别器的阈压时，该甄别器由高电平转为低电平。

3、反符合电路

凡符合电路如图5所示，该电路的作用是：实现单道脉冲幅度甄别器的功能（即只有输入脉冲幅度在上、下甄别阈之间的时候才有输出）。该电路可通过开关

图4 上、下甄别阈

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K1来分别实现微分输出和积分输出。

图5 反符合电路

4、单道脉冲幅度分析器反符合原理

该单道脉冲幅度分析器反符合电路的原理图如图6所示。当Vin V上时，可分析得到，最终P19为低电平。

此反符合电路的右下支路为一积分输出电路，当开关K1打向JF时，单道脉冲幅度分析器变成了积分甄别器，输入脉冲只要超过下甄别阈就会有输出。

三、实验内容及步骤

1. 按照电路的原理图（图7）对照实验电路板，熟悉调节的元器件和观察点的位置； 2. 按要求连接实验电路；

3. 调节信号发生器，输出5 kHz三角脉冲，接入Vin端；

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4. 调节信号发生器RW2、RW3，使得上甄别阀V上= 4V，下甄别阀V下 =2V； 5. 由小到大调节输入信号幅度，分别调节至下列三种状态：Vin V上然后观察P13、P14 ….P19 各点波形的特征和变化，并做记录；

6. 观察ADD与RST的计数特征，了解电路的复位过程。

图6 单道脉冲幅度分析器反符合原理

四、实验设备

单道脉冲幅度分析器实验板、直流稳压电源、数字示波器、信号发生器、万用表、工具箱。

五、实验报告编写要求

1. 分别画出三种状态：Vin V上各观察点脉冲的波形； 2. 分别对三种状态：Vin V上下各观察点的脉冲进行分析，并与实验原理图做比较，得出结果。

六、实验思考题

1. 在原理电路图中观察，为什么RW2的调节就是道宽的调节？

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图7 单道脉冲幅度分析器

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实验4 峰值保持器

一、实验目的

1. 掌握单稳态触发电路的原理；

2. 熟悉峰值保持器的电路结构和工作原理； 3. 了解峰值保持电路的工作时序。

二、实验原理

峰值保持器又称为模拟展宽器，它主要用于把脉冲信号的峰顶展宽。在进行能谱测量的时候，所测的是脉冲的峰顶幅度，但是探测器输出信号经放大成形后的脉冲信号其峰顶宽度是比较窄的，不满足多道脉冲幅度分析器和其它仪器的要求。这时必须由模拟展宽器将脉冲展宽，使脉冲的峰值保持一段时间，再送入后续电路。

图1 模拟展宽器基本工作原理

模拟展宽器的基本工作原理是利用二极管的单向导电性和电容器的贮存作用，工作原理如图1所示。在图1中由一个二极管D和一个存贮电容CH构成最简单的峰值保持电路。输入信号Vi通过二极管D向存贮电容CH充电，充到Vi的最大幅度值ViM。充电时间常数为(Ri+rD)CH。Ri为信号源内阻，rD为二极管正向电阻。理想情况下，CH上保持ViM不变，如图中虚线所示。但是，实际二极管的反向电阻rR不是无穷大，下一级存在一定的负载电阻，以及存贮电容CH也存在漏电，所以存贮电容上的电位Vc从ViM缓慢下降，如图中实线所示。

实际模拟展宽器电路只在脉冲峰顶被存贮电容CH上展宽到一定宽度后，

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图2 延迟开关放电型峰值保持电路

就开始放电。实验用电路板的放电形式如图2所示。由于二极管存在非线性，其正向电阻rD是流过该管电路的函数。在输入幅度不同条件下，rD是一变量，在校幅度范围时变化更大。输入幅度小，rD大，充电速度慢。为了加快充电速度，减小rD的非线性，可以用运算放大器使rD减小为rD/(1+A)。

模拟展宽器用于保持信号的峰值，所以要求它具有线性电路的特性，如输入信号幅度范围、线性、稳定性等。另外，模拟展宽器还有它的一些特有的指标要求，如下垂速率、转换速率等。

1、模拟展宽电路

实验电路板的模拟展宽电路如图3所示。输入信号通过A3（隔离放大），进入由二极管D1和电容CH组成的模拟展宽电路。二极管D2的作用是，当输入脉冲变成负脉冲时，该隔离放大器将变成跟随器（即该电路只放大正脉冲，不放大负脉冲）。输入信号在P4点得到展宽后将通过A4（跟随器）输出，同时这个输出通过P6进入到峰值判别电路中（电路图中的A2）。

图3 模拟展宽电路

2、控制电路

控制电路用于控制和判别模拟展宽器的峰值，信号由P1输入输入之后，首先进入P7，P7和P8经过甄别器A1，用于判断输入信号数否为有用信号，RW1用于调节甄别器A1的甄别阈，输入信号只有大于这个甄别阈才有输出，此时输出为一个高电平。该高电平进入D触发器U1A，作为时钟信号（控制信号），由图4可知U1A的初始状态为5脚输出低电平，6脚输出高电平，当CLK端有高电平输入的时候，它就翻转，此时6脚输出低电平到模拟开关K2A，K2A就断开；5脚输出高电平到U1B的D端，U1B的初始状态和U1A的一样（开始时，8脚输出高电平，9脚输出低电平），从P6返回来输入到A2（峰值判别）中信号经过与输入信号P11比较，一旦P6达到峰值，将使得A2的输出由低电平变为高电平，次信号由P12输入到U1B的CLK端作为控制信号。U1B的CLK端有高电平输入时，该延时触发器将翻转（8脚变成低电平，9脚变成高电平），9脚的信号输出到模拟开关K1A中作为开门信号，此时输入信号的正半部分将不

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能通过P2进入A3。

总的来说，A1在电路中的作用是甄别过滤无用信号，使有用信号通过并作为D触发器U1A的时钟信号；A2的作用是将输入与输出做比较，判断输出信号是否已达到峰值，如果达到峰值将输出一个控制信号到D触发器U1B的CLK端。两个触发器输出控制信号以控制模拟开关K1A和K2A的通断。

图4 控制电路

3、模拟开关

模拟开关如图5所示，它具有高通低断的特性（即高电平来的时候导通，低电平来的时候断开）。使用它可以完成对信号峰值的展宽。

4、延时电路

延时电路的主要作用是产生延时

信号，用于控制D触发器U1A和U1B使其在延时时间达到后翻转，从而实现信号展宽宽度的控制。实验中科通过调节RW2来调节延时时间。P20处的一排跳线开关用于实现自动、手动和外控的控制功能。该电路最终可输出展宽后的信号、甄别信号和峰值达峰信号等信息。

图5 模拟开关

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图6 延时电路

5、控制逻辑

该电路的控制逻辑如图7所示。在t0时刻没有信号，模拟开关K1断开，K2导通，控制电路处于等待状态，此时输出为0；t1时刻有信号输入，并超过甄别器的甄别阈Vset，此时K1断开，K2断开，模拟展宽器开始充电，输出等于输入；t2时刻输入信号到达最大值，此时K1导通，禁止下一个正向信号通过，K2断开，模拟展宽器开始保持电容CH上的峰值，输出等于最大值（峰值）；t3时刻展宽到一定宽度后，延时电路给出延时控制信号，此时K1断开，K2导通，电路复位，开始下一个循环。

图7 控制逻辑

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三、实验内容

在输入端用信号发生器输入一个窄脉冲，用示波器观察输入端各观测点的波形变化情况，同时可以将峰值保持器的输出信号输入接到MCA板上，调节输入的幅度，观察经AD转换后的变化。用万用表对输入电压和输出电压进行准确测量。

熟悉调节RW1可以改变Vset的大小，改变电路板上的JP跳线可以使得RST处于三种方式的复位情况，手动，自动，和控制信号，板上有对应的注释。

四、实验步骤

1. 按照电路原理图对照实验电路板，熟悉调节的元器件和观察点位置，并将JP跳线处于自动的位置上；

2. 按要求接好峰值保持器实验板，接通电源；

3. 调节信号发生器使其输出为正三角波f在2-5KHz，幅度为3V，将信号发生器加到电路板上Vin端；

4. 用示波器观察P1-P14的波形输出。

五、实验设备

峰值保持器实验板、信号发生器、示波器、万用表、直流稳压电源、工具箱。

六、实验电路原理图（图8） 七、实验思考题

简述峰值保持器在核仪器中获取信号后的作用，分析在该实验中电路是如何进行峰值保持的？

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图8 峰值保持器电路

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实验5 A/D转换电路

一、实验目的

1. 了解MCA实验板的电路结构和工作原理； 2. 掌握A/D转换的过程及原理，学会计算转换结果； 3. 熟悉LED管的解法和保护电路的设计。

二、实验原理

幅度分析是指测量信号幅度的分布，即按信号幅度大小进行分类计数。用于幅度分析的模数变换器是核电子学的重要内容。A/D转换就是将脉冲幅度变换成数字量，即按脉冲幅度大小进行分类编码，然后分别记入存贮器相应的各个地址单元中，其工作原理如图1。

图1 幅度-数字变换示意图

实验用MCA电路板的A/D转换器为逐次比较型模数变换器，与线性放电型模数变换器比较，它有变换速度快，易于做成集成电路芯片、功耗低和价格便宜等优点。用逐次比较方法进行模数变换域叠加单道分析器方法类似。在叠加单道分析器组成的多道分析器中，输入信号Vi同时送到各个单道分析器中，Vi与各个单道分析器的阈电平进行比较，当幅度Vi处在某个单道阈电平范围内时就直接变换成相应的数字量。这种方法在比较过程中，只要进行一次比较久可以得到全部结果，又称为并行变换方法。显然，并行变换方法是速度最快的变换方法。但是在高道数时难于实现。如果用12个二进制标准电平组成4096个标准电平，每一次比较为一个标准电平，逐次进行比较，可构成4096道逐次比较型模数变换器。这种方法称为逐次比较法或串行变换方法。

逐次比较型模数变换器利用二进制的标准电平与输入信号做比较。第一次比较时，取标准电平为满量程的一半；若标准电平小于信号幅度，则标准电平保存下来，进行第二次比较。第二次比较的标准电平为上次标准加满量程的四分之一标准电平，若小于信号幅度，第二次标准电平通用保存下来（若标准电平大于信号幅度则不保存），进行第三次比较，依此类推，直到所有标准电平取出来比较完全才结束。图2给出了12位逐次比较型模数变换器的原理框图。

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图2 12位逐次比较型模数变换器原理框图

1、 A/D模数变换器

实验用A/D模数变换器有2种，分别是AD1674和AD574，它们的内部结构相差不大。AD1674是美国AD公司推出的一种完整的12位并行模/数转换单片。该芯片内部自带采样保持器(SHA)、10伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。与原有同系列的AD574A/674A相比，AD1674的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能（尤其是高低温稳定性）也更好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性。

(1) AD1674/AD574的基本特点和参数

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带有内部采样保持的完全12位逐次逼近（SAR）型模/数转换器； 采样频率为100kHz； 转换时间为10μs；

具有±1/2LSB的积分非线性（INL）以及12位无漏码的差分非线性（DNL）； 满量程校准误差为0.125%；

内有+10V基准电源，也可使用外部基准源；

四种单极或双极电压输入范围分别为±5V，±10V，0V~10V和0V~20V； 数据可并行输出，采用8/12位可选微处理器总线接口； 内部带有防静电保护装置(ESD)，放电耐压值可达4000V； 采用双电源供电：模拟部分为±12V/±15V,数字部分为+5V； 采用28脚密封陶瓷DIP或SOIC封装形式。 功耗低，仅为385mW。

(2) 内部结构及引脚说明

图3所示为AD1674的内部结构框图，图4所示为其引脚排列。

AD1674的引脚按功能可分为逻辑控制端口、并行数据输出端口、模拟信号输入端

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口和电源端口四种类型。

图3 AD1674的内部结构框图

①逻辑控制端口

12/8：数据输出位选择输入端。当该端输入为低时，数据输出为双8位字节；当该端输入为高时，数据输出为单12位字节。

CS：片选信号输入端，低电平有效。 R/C：读/转换状态输入端。在完全控制模式下，输入为高时为读状态；输入为低时为转换状态；在独立工作模式下，在输入信号的下降沿时开始转换。

CE：操作使能端；输入为高时，芯片开始进行读/转换操作。

A0：位寻址/短周期转换选择输入端。在转换开始时，若A0为低，则进行12位数据转换；若A0为高，则进行周期更短的8位数据转换；当R/C=1且12/8=0时，若A0为低，则在高8位（DB4～DB11）作数据输出；若

图4 AD1674引脚排列

A0为高，则在DB0～DB3和DB8～DB11作数据输出，而DB4～DB7置零。

STS：转换状态输出端。输出为高时表明转换正在进行；输出为低时表明转换结束。 ②并行数据输出端口

DB11～DB0：数字量输出。在12位输出格式下，DB11-DB8输出数据的高4位；在8位输出格式下，A0为低时也可输出数据的高4位。

③模拟信号输入端口

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10VIN：10V范围输入端，包括0V～10V单极输入或±5V双极输入； 20VIN：20V范围输入端，包括0V～20V单极输入或±10V双极输入；

应当注意的是：如果已选择了其中一种作为输入范围，则另一种不得再连接合作。 ④供电电源端口

REF IN：基准电压输入端，在10V基准电源上接50Ω电阻后连于此端。 REF OUT：+10V基准电压输出端。

BIP OFF：双极电压偏移量调整端，该端在双极输入时可通过50Ω电阻与REF OUT端相连；在单极输入时接模拟地。

VCC：+12V/+15V模拟供电输入。 VEE：-12V/-15V模拟供电输入。 VLOGIC：+5V逻辑供电输入。 AGND/DGND：模拟/数字接地端。

表1 AD1674控制逻辑真值表

CE 0 × 1 1 1 1 1

CS × 1 0 0 0 0 0 R/C × × 0 0 1 1 1 12/8 × × × × 1 1 0 A0 × × 0 1 × 0 1 执 行 操 作 无操作 无操作 启动12位数据转换 启动8位数据转换 允许12位并行输出 允许高8位并行输出 允许低4位并行输出 2、驱动器

虽然A/D转换器的数据输出端口都有一定的带负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。实验MCA电路板在AD1674数据输出端口后面加上了驱动器HC245。HC245又称总线驱动器，是典型的TTL型三态缓冲门电路。也可以使用74HC244等其他电路，74HC244比74HC245多了锁存器。

DIR：为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出，DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。

2~9脚：“A”信号输入输出端，A0=B0……A7=B7，A0与B0是一组，如果DIR=“1”，OE=“0”则A1输入B1输出，其它类同。如果DIR=“0”，OE=“0”则B1输入A1输出，其它类同。

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图5 HC245引脚排列

11~18脚：“B”信号输入输出端，功能与“A”端一样。

OE：使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。

GND：电源地。 VCC：电源正极。

三、实验内容及步骤

实验MCA板主要由AD1674(574)和几个驱动电路及LED显示组成，AD1674对串口信号进行转换。由于AD转换采用的是12位模拟数字的转换器AD1674，在理论上可以实现4096道多道能谱仪，但是为了提高它的精度将四道合并成一道，实际上实现的是1024道的多道能谱仪。其中有两根输出线空着，转换输出经驱动点亮LED，亮的代表高电平1，暗的代表低电平0，十位的高低电平组成的二进制数就是对应的转换值。其计算公式为：

转换值?观察值（二进制数?十进制）?10V1024

1. 按照电路原理图对照实验电路板，熟悉实验板的元器件和观察点的位置； 2. 将直流稳压电源及串行口线接上，先检查A/D转换工作是否正常；

3. 将双掷开关K1打到DC时利用内部单稳态触发，手动按钮PB可以复位，调节RW1，用万用表查看P2点的电压，查看LED的变化情况，并做记录；

4. 将K1打到AC，对于AD574模数变换器，调信号发生器使得输出f为2~5k，幅度分别为5120mV、2560mV、1280mV、200mV的矩形脉冲，将信号发生器接入输入端。对于AD1674模数变换器，用串口线跟峰值保持器相连接，调信号发生器使得输出f为2~5k，幅度分别为5120mV、2560mV、1280mV、200mV的三角脉冲，将信号发生器接入峰值保持器的输入端；

5. 观察LED的显示，并做记录，对比它与理论的输入电压值的差别；

四、实验设备

直流稳压电源、MCA实验电路板、信号发生器、峰值保持器、万用表、工具箱、示波器。

五、电路板原理图（图6） 六、实验思考题

实验板上输入的六线的串口信号，其中OK、CON、DT，假如后面接的不是LED，而是将输出值送入PC机中，试简述这些信号线是如何配合工作的？

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图6 A/D转换电路

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实验6 整机仪器的组装及应用

一、实验目的

1. 掌握NIM机箱各插件的使用； 2. 掌握简单辐射仪器的组装； 3. 熟悉简单辐射仪器的调试及应用； 4. 了解辐射仪器的组成及构造。

二、实验原理

通常的核辐射仪器主要包括探测器、前置放大器、放大器、高压及后续分析测量设备（图1）。核辐射仪器的主要功能是记录核事件，射线一旦进入探测器，就会形成输出脉冲，每个脉冲代表一次被记录的核事件；脉冲一般先经过前置放大器的放大，然后再进入到主放大器进行放大成形；最后再由后续分析测量电路进行分析。

图1 核辐射仪器框图

1、计数器

脉冲信号计数是核电子学最基本的测量方法，也是最简单的数据获取工作。核辐射探测器输出脉冲信号数目与被测辐射源强度成正比，直接记录单位时间内的脉冲数目可以测量核辐射强度。简单的计数器主要由探测器、前置放大器、高压、放大器和定标器组成。定标器又称计数器，用来记录在一定时间间隔内的输入脉冲数目。在实验过程中，可不断升高甄别器的甄别阈VT，并记录不同甄别阈的计数NT，所得到的VT与NT的关系就是脉冲幅度积分分布，即积分谱（图2）。

图2 脉冲幅度积分谱

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2、叠加单道谱仪

在脉冲幅度分析中，如果知道脉冲幅度在某个阈电平间隔中的计数大小ΔN，则ΔN与VT的关系就是脉冲幅度分布曲线，也即是通常要测量的能谱曲线（微分谱）。用积分甄别器来获取积分谱时，需要将测量的数据进行相减计算。所以不仅浪费时间，而且误差很大。为此，设计了直接测量幅度谱的微分甄别器，即单道脉冲幅度分析器。在实验过程中，叠加单道谱仪并不是由很多单道叠加组成，它只需要一个单道脉冲幅度分析器（其它设备要求与计数器一样）。在实验的时候，保持道宽不变，通过调节下甄别阈来获取不同道数的计数，最后画出ΔN与VT的关系曲线，就可得到所测辐射源的能谱。

三、实验内容及步骤

1. 按实验原理设计简单辐射仪器（包括计数器和简单γ谱仪）； 2. 上交设计辐射仪器电路框图； 3. 按照设计辐射仪器框图连接电路； 4. 熟悉所用插件的结构及其使用方法；

5. 对辐射仪器进行调试，并记录不同实验条件下的数据（分别对137Cs和60Co进行测量，获取其积分谱和微分谱）；

6. 关闭电源，拔下探测器，收拾仪器设备。

四、实验设备

万用表，数字示波器，NIM机箱，NaI晶体探头，γ射线源，NIM机箱插件（按设计原理图选择）。

五、实验报告编写要求

1. 绘制核辐射仪器结构框图，并列出所选插件；

2. 记录不同实验条件下组装仪器的实验数据，并画出所测辐射源的积分和微分谱。

六、实验思考题

要提高辐射仪器的能量分辨率和计数率应该怎样做？

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