基于ads1605的多道能谱分析仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于ADS1605的多道能谱分析仪，包括两个部分：第一部分是由前端放大电路、线性放大电路、滤波成形电路和差分转换电路组成的前端调理电路，模拟输入信号经过前端调理电路信号放大后差分转换，输出差分信号；第二部分是控制电路，包括第一部分的差分信号和电压基准电路输入信号驱动，以及外部时钟控制电路和工作状态控制电路，控制ADS1605数据采集。本发明将最新发展的高速ARM7处理器引入多道能谱分析仪中，通过前端调理电路和控制电路，进行信号差分转换与放大、工作状态控制、采集信号的整形，实现ADS1605的高速﹑高精度的16位5MHZ模数转换。
【专利说明】基于ADS1605的多道能谱分析仪
【技术领域】
[0001] 本发明属于核能谱测量【技术领域】，涉及一种基于ADS1605的多道能谱分析仪。
【背景技术】
[0002] 核能谱测量技术是一门综合性很强新兴技术，综合了电子技术、核探测技术、计算 机技术等多个学科。目前，它已经成为物质成分分析的重要手段之一，在医学、地质学、环境 学、化学、考古学等学科扮演越来越重的角色。
[0003] 随着核电子学和计算机技术的迅速发展，多道能谱分析仪的性能不断提高。国外 的核谱仪性能较高，但价格昂贵，在国内大多数用户中难以广泛应用。国内研究者经过几年 的努力，由早期传统的模拟电路和数字电路构建的多道能谱仪发展至今已研制开发了多种 型号的野外(现场)使用的能谱仪。目前多道能谱仪正向着功能强大，性能稳定，仪器集成度 高，操作环境简便易用，功耗低的趋势发展。
[0004] 作为多道能谱分析仪的一个关键组成装置主要完成以下几个主要任务：（1)对输 入的电荷级信号差分放大并保证信号在放大过程中不失真；（2)通过滤波形成电路可以对 由外部噪声、系统噪声和有用信号叠加组成的输入信号进行消噪处理；（3)为了对原始数 据预处理和获得较好的测量结果需要具有较快的采集速度和测量精度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是提供一种能满足核能谱分析仪系统中硬件系统对数据模数转 换要求的基于ADS1605的多道能谱分析仪。
[0006] 本发明的技术方案： 一种基于ADS1605的多道能谱分析仪，它包括两部分，前端调理电路和控制电路，前端 调理电路包括前端放大电路U1、线性放大电路U2、滤波成形电路U3和差分转换电路U4 ;控 制电路包括电压基准电路U5、工作状态控制电路U6和时钟控制电路U7 ;差分转换电路U4、 电压基准电路U5、工作状态控制电路U6和时钟控制电路U7与ADS1605模数转换器U8连接； 输入电荷信号经前端放大电路U1 -级放大，再经线性放大电路U2主放大后，通过U3滤波， 经U4转换形成差分输入信号连接到ADS1605模数转换器U8的引脚4、5上；电压基准电路 U5中输入电压经精密基准电压源芯片后再通过差分转换输出基准电压，连接到ADS1605模 数转换器U8的引脚60、61、62、63、64, ADS1605模数转换器U8将差分转换后的输入信号和 差分转换后的基准电压作比较来进行数据量化；工作状态控制电路U6中外部电压输入经 过拨码开关连接到ADS1605模数转换器U8的工作控制位引脚13、15、21、22，控制八051605 模数转换器U8工作状态；最后时钟控制电路U7中，通过外接时钟振荡器连接到ADS1605模 数转换器U8的引脚56,给ADS1605提供稳定时钟信号控制Λ Σ调制器的数据采样。
[0007] 模拟输入信号接入电路后，经过两个串联的独立放大电路，实现信号的一级放大 和二级放大后连接到滤波成形电路，由差分转换电路输出，通过外部时钟输入电路输入时 钟信号和工作控制电路硬件控制ADS1605片选位和读写位高、低电平，且采用差分的输入 方式，实现了 16位5MHZ高速度高精度信号的并行采集。
[0008] 前端放大电路U1的核心元件是LF357运算放大器，模拟信号输入通过电容连接到 LF357运算放大器的2号引脚；一个电容和一个电阻并联后跨接在LF357运算放大器的2号 引脚端点和6号输出引脚端点处，经前端放大电路U1的6号输出，连接线性放大电路U2的 输入端。
[0009] 线性放大电路U2中，从上一级电路前端放大电路U1输出的信号通过电阻接到 NE5534运算放大器的2号引脚，一个电容和一个电阻并联后跨接在NE5534运算放大器的2 号引脚和6号引脚之间；两个电容并联后接在NE5534运算放大器的正负电源端引脚上，由 NE5534运算放大器的6号输出。
[0010] 电压基准电路U5中，输入电压经过四个容值不同的电容组成的滤波电路，接到 RER)28U基准芯片的2号引脚，由引脚6输出的信号经滤波后，分四路输出：其中两路通过 两个0PA2822U运算放大器U9、U10进行转换，形成电压基准信号，这两路连接如下：一路信 号通过电位器连接到0PA2822U运算放大器U9的引脚5,0PA2822U运算放大器U9的二级输 出引脚7号连接到ADS1605模数转换器U8的基准电压负级引脚60、61 ;-路信号通过电位 器连接到0PA2822U运算放大器U10的引脚3，U10的一级输出引脚1号连接到ADS1605模 数转换器U8的基准电压正级引脚63、64 ;另两路连接如下：一路信号连接到0PA2822U运算 放大器U9的引脚3，经0PA2822U运算放大器U9的一级输出引脚1连接到ADS1605模数 转换器U8的电压中值引脚62,同时从引脚1输出的信号分两路连接到0PA2822U运算放大 器U9的引脚6和0PA2822U运算放大器U10的引脚2 ;另一路信号连接到0PA2822U运算放 大器U10的引脚5,经0PA2822U运算放大器U10的二级输出引脚7提供给差分转换电路的 VCM作数据量化比较。
[0011] 工作状态控制电路U6中，通过拨码开关旁接四路排阻连接到ADS1605模数转换器 U8的工作控制位引脚13、15、21、22 ;外部时钟控制电路U7中，时钟振荡器X0SM-573引脚3 连接到ADS1605模数转换器U8引脚56。
[0012] 器件优选为：模数转换器ADS1605,前端放大电路中设有前端放大器LF357,线性 放大电路部分选用放大器NE5534,差分转换电路部分选用放大器0PA2822U，电压基准芯片 RER)28U，外部时钟振荡器X0SM-573。
[0013] 本发明的基于ADS1605的多道能谱分析仪硬件组成，为了提高模数转换器 ADS1605的采集速度和稳定性，将差分转换后的输入信号和差分转换后的基准电压作比较 来进行数据量化，同时外部时钟输入时钟信号和硬件控制工作状态。还采用16位并行采集 方式，采集速率可达到5MHZ，使本发明在适应减少体积、增强人机交互能力的同时，也实现 高速采集和高精度测量；采用数字滤波算法对数据进行预处理，提高了装置的数据可靠性 和整个系统性能；同时在停止采样时，通过启动休眠模式减少系统功耗。
[0014] 本发明结合核能谱分析技术和数据采集技术的特点与优势，对现有仪器的剖析和 论证，首次将16位5MHZ高速高精度模数转换器引入多道能谱分析仪中，并且应用自主研发 的ARM7核心板控制数据的采集与传输，通过对前端调理电路和滤波电路的实时测量进行 适当修改，增加 ARM数字滤波功能，合理的设计人机交互软件，提高系统性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明实施例中结构示意图； 图2为本发明实施例中前端调理电路示意图。
[0016] 图3为本发明实施例中控制电路示意图。
【具体实施方式】
[0017] 本发明可以通过上述发明技术方案具体实施，通过下述技术实验报告及实施例作 进一步说明，然而，本发明的范围并不限于下述实施例。
[0018] 实施例1 : 一种基于ADS1605的多道能谱分析仪，它包括两部分，前端调理电路和控制电路，前端 调理电路包括前端放大电路U1、线性放大电路U2、滤波成形电路U3和差分转换电路U4 ;控 制电路包括电压基准电路U5、工作状态控制电路U6和时钟控制电路U7 ;差分转换电路U4、 电压基准电路U5、工作状态控制电路U6和时钟控制电路U7与ADS1605模数转换器U8连 接；输入电荷信号经前端放大电路U1、线性放大电路U2、滤波成形电路U3和差分转换电路 U4连接到ADS1605模数转换器U8的引脚4、5上；电压基准电路U5中输入电压与RER)28U 基准芯片U11连接，输出电压经过两个0PA2822U运算放大器U9、U10连接到ADS1605模数 转换器U8的引脚60、61、62、63、64 ;同时0PA2822U运算放大器U10的二级输出引脚7与差 分转换电路U4的VCM端连接；工作状态控制电路U6通过拨码开关旁接四路排阻经引脚5、 6、7、8分别连接到ADS1605模数转换器U8的工作控制位引脚13、15、21、22 ;外部时钟控制 电路U7中的时钟振荡器X0SM-573引脚3连接到ADS1605模数转换器U8引脚56。
[0019] 前端放大电路U1的核心元件是LF357运算放大器，模拟信号输入通过电容连接到 LF357运算放大器的2号引脚；一个电容和一个电阻并联后跨接在LF357运算放大器的2号 引脚端点和6号输出引脚端点处，LF357运算放大器6号输出引脚接电容并且连接到下一 个电路�？榈氖淙攵思创较咝苑糯蟮缏稶2的输入端。
[0020] 线性放大电路U2中，从上一级电路前端放大电路U1输出的信号通过电阻接到 NE5534运算放大器的2号引脚，一个电容和一个电阻并联后跨接在NE5534运算放大器的 2号引脚和6号引脚之间；两个电容并联后接在NE5534运算放大器的正负电源端引脚上， NE5534运算放大器的6号输出引脚接电容连接到下一级电路的输入端。
[0021] 电压基准电路U5中，输入电压经过四个容值不同的电容组成的滤波电路，接到 RER)28U基准芯片的2号引脚，经引脚6输出再经并联电容滤波后，分四路输出；其中两路 通过两个0PA2822U运算放大器U9、U10进行转换，形成电压基准信号，这两路连接如下：一 路信号通过电位器连接到0PA2822U运算放大器U9的引脚5，0PA2822U运算放大器U9的二 级输出引脚7号连接到ADS1605模数转换器U8的基准电压负级引脚60、61 ;-路信号通过 电位器连接到0PA2822U运算放大器U10的引脚3，0PA2822U运算放大器U10的一级输出引 脚1号连接到U8的基准电压正级引脚63、64 ;另两路连接如下：一路信号连接到0PA2822U 运算放大器U9的引脚3,经0PA2822U运算放大器U9的一级输出引脚1连接到U8的电压 中值引脚62,同时从引脚1输出的信号分两路连接到0PA2822U运算放大器U9的引脚6和 0PA2822U运算放大器U10的引脚2 ;另一路信号连接到0PA2822U运算放大器U10的引脚5， 经0PA2822U运算放大器U10的二级输出引脚7与差分转换电路U4的VCM端连接。
[0022] 结合附图再作进一步说明： 图1中，输入电荷信号经前端放大电路U1 -级放大，经过一级放大后的信号输入再 经线性放大电路U2主放大后，经过两级放大后的信号由外部噪声、系统噪声和有用信号叠 加组成的，通过滤波形成电路U3对信号进行消噪处理，将处理后的信号输入到差分输入 电路U4形成差模信号，通过滤波电路连接到16位模数转换器ADS1605U8 ;电压基准电路 U5中，输入电压经精密基准电压源芯片后再通过差分转换输出基准电压，连接到U8,这样 ADS1605将差分转换后的输入信号和差分转换后的基准电压作比较来进行数据量化；同时 工作状态控制电路U6中，通过外部电压输入，经过拨码开关连接到U8的工作控制位，控制 U8工作状态；最后外部时钟控制电路U7中，通过外接时钟振荡器连接到U8给ADS1605提 供稳定时钟信号控制△Σ调制器的数据采样。
[0023] 前端调理电路如图2所示。前端放大电路部分的核心元件是一个LF357运算放 大器，模拟信号输入通过电容连接到U9的2号引脚。一个电容和一个电阻并联后跨接在 LF357运算放大器的2号引脚端点和6号输出引脚端点处，LF357运算放大器输出6号引脚 接电容起过压保护作用连入到下一个电路�？榈氖淙攵思聪咝苑糯蟮缏返氖淙攵�。线性放 大电路中，从上一级电路前端放大电路输出的信号通过电阻接到NE5534运算放大器的2号 引脚，电容C4和电阻R3并联后跨接在NE5534运算放大器的2号引脚和6号引脚之间。两 个电容并联后接在NE5534运算放大器的正负电源端引脚，起到给信号滤波的作用，NE5534 运算放大器的6号输出引脚接电容起过压保护作用连到下一级电路的输入端。
[0024] 控制电路如图3所示。电压基准电路U5中，输入电压经过四个容值不同的电容组 成的滤波电路，接到REH)28U基准芯片U11的2号引脚，经引脚6输出的稳定电压经并联电 容滤波后，分四路输出。其中两路通过两个0PA2822U运算放大器U9、U10进行转换，形成 电压基准信号，这两路连接如下：一路信号通过电位器连接到0PA2822U运算放大器U9的 引脚5，0PA2822U运算放大器U9的二级输出引脚7号连接到ADS1605模数转换器U8的基 准电压负级引脚60、61 ;-路信号通过电位器连接到0PA2822U运算放大器U10的引脚3， 0PA2822U运算放大器U10的一级输出引脚1号连接到U8的基准电压正级引脚63、64。另 两路连接如下：一路信号连接到0PA2822U运算放大器U9的引脚3，经0PA2822U运算放大 器U9的一级输出引脚1连接到U8的电压中值引脚62,同时从引脚1输出的信号分两路连 接到0PA2822U运算放大器U9的引脚6和0PA2822U运算放大器U10的引脚2 ;另一路信号 连接到0PA2822U运算放大器U10的引脚5,经0PA2822U运算放大器U10的二级输出引脚7 提供给差分转换电路的VCM作数据量化比较。工作状态控制电路U6中，通过拨码开关旁接 四路排阻连接到U8的工作控制位引脚13、15、21、22。外部时钟控制电路U7中，时钟振荡器 X0SM-573引脚3连接到U8引脚56。
[0025] 本方案采用了 ADS1605模数转换芯片U8,它是16位，双极性差分输入通道，最快采 集速率达到5MSPS，低噪声，低偏置，低温漂，低功耗模数转换器，用于多道能谱分析仪模数 转换非常理想。
【权利要求】
1. 一种基于ADS1605的多道能谱分析仪，它包括两部分，前端调理电路和控制电路，其 特征在于： 前端调理电路包括前端放大电路U1、线性放大电路U2、滤波成形电路U3和差分转换电 路U4 ; 控制电路包括电压基准电路U5、工作状态控制电路U6和时钟控制电路U7 ; 差分转换电路U4、电压基准电路U5、工作状态控制电路U6和时钟控制电路U7与 ADS1605模数转换器U8连接； 输入电荷信号经前端放大电路U1 -级放大，再经线性放大电路U2主放大后，通过U3 滤波，经U4转换形成差分输入信号连接到ADS1605模数转换器U8的引脚4、5上；电压 基准电路U5中输入电压经精密基准电压源芯片后，再通过差分转换输出基准电压连接到 ADS1605模数转换器U8的引脚60、61、62、63、64, ADS1605模数转换器U8将差分转换后的 输入信号和差分转换后的基准电压作比较来进行数据量化；工作状态控制电路U6中外部 电压输入经过拨码开关连接到ADS1605模数转换器U8的工作控制位引脚13、15、21、22,控 制ADS1605模数转换器U8工作状态；最后时钟控制电路U7中，通过外接时钟振荡器连接到 ADS1605模数转换器U8的引脚56,给ADS1605提供稳定时钟信号控制Λ Σ调制器的数据 采样。
2. 根据权利要求书1所述的基于ADS1605的多道能谱分析仪，其特征在于：模拟输入 信号接入电路后，经过两个串联的独立放大电路，实现信号的一级放大和二级放大后连接 到滤波成形电路，由差分转换电路输出，通过外部时钟输入电路输入时钟信号和工作控制 电路硬件控制ADS1605片选位和读写位高、低电平，且采用差分的输入方式，实现了 16位 5ΜΗΖ高速度高精度信号的并行采集。
3. 根据权利要求书1或2所述的基于ADS1605的多道能谱分析仪，其特征在于：前端 放大电路U1的核心元件是LF357运算放大器U11，模拟信号输入通过电容连接到LF357运 算放大器的2号引脚；一个电容和一个电阻并联后跨接在LF357运算放大器的2号引脚端 点和6号输出引脚端点处，经6号输出，连接线性放大电路U2的输入端。
4. 根据权利要求书1或2所述的基于ADS1605的多道能谱分析仪，其特征在于：线性 放大电路U2中，从上一级电路前端放大电路U1输出的信号通过电阻接到ΝΕ5534运算放大 器U12的2号引脚，一个电容和一个电阻并联后跨接在ΝΕ5534运算放大器的2号引脚和6 号引脚之间；两个电容并联后接在ΝΕ5534运算放大器的正负电源端引脚上，由ΝΕ5534运 算放大器的6号输出。
5. 根据权利要求书1或2所述的基于ADS1605的多道能谱分析仪，其特征在于：电压基 准电路U5中，输入电压经过四个容值不同的电容组成的滤波电路，接到RER)28U基准芯片 的2号引脚，由引脚6输出的信号经滤波后，分四路输出：其中两路通过两个0PA2822U运算 放大器U9、U10进行转换，形成电压基准信号，这两路连接如下：一路信号通过电位器连接 到0PA2822U运算放大器U9的引脚5,0PA2822U运算放大器U9的二级输出引脚7号连接到 ADS1605模数转换器U8的基准电压负级引脚60、61 ;-路信号通过电位器连接到0PA2822U 运算放大器U10的引脚3, U10的一级输出引脚1号连接到ADS1605模数转换器U8的基准 电压正级引脚63、64 ;另两路连接如下：一路信号连接到0PA2822U运算放大器U9的引脚 3，经0PA2822U运算放大器U9的一级输出引脚1连接到ADS1605模数转换器U8的电压 中值引脚62,同时从引脚1输出的信号分两路连接到0PA2822U运算放大器U9的引脚6和 0PA2822U运算放大器U10的引脚2 ;另一路信号连接到0PA2822U运算放大器U10的引脚5， 经0PA2822U运算放大器U10的二级输出引脚7提供给差分转换电路的VCM作数据量化比 较。
6.根据权利要求书1或2所述的基于ADS1605的多道能谱分析仪，其特征在于：工 作状态控制电路U6中，通过拨码开关旁接四路排阻连接到ADS1605模数转换器U8的工作 控制位引脚13、15、21、22 ;外部时钟控制电路U7中，时钟振荡器X0SM-573引脚3连接到 ADS1605模数转换器U8引脚56。
【文档编号】G01T1/36GK104155679SQ201410429986
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】徐哈宁, 陈凯, 程琳, 黄昊, 韩成磊, 叶翔, 任强 申请人:东华理工大学
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