Kỹ thuật hạt nhân
PHẦN IV

CÁC MÁY PHÂN TÍCH ĐA KÊNH

GIỚI THIỆU VỀ MCA

Sự phát triển nhanh của công nghệ máy tính và sự bổ sung nó vào thiết bị đo
đạc có ảnh hưởng rất lớn trong máy phân tích đa kênh. Cách đây vài năm,
chúng ta chỉ biết đến các máy MCA độc lập. Nhưng ngày nay đã có một số
sự lựa chọn hấp dẫn: các ADC riêng biệt như các module NIM với một số bộ
nhớ trung gian được kết nối với máy tính dường như là lựa chọn kinh tế hơn.
Cũng như nhiều thiết bị được thêm vào, việc chuyển đổi máy tính cá nhân
thành MCA có thể tìm thấy trên thị trường.
Các bộ biến đổi loại Willkinson vẫn còn chiếm ưu thế trên thị trường, sự biến
đổi với tốc độ nhanh khoảng 450MHz. Tuy nhiên, với bộ biến đổi 16.000
kênh, thời gian biến đổi không thể ngắn hơn 30s. Do đó, các kỹ thuật mới
như: bộ biến đổi xấp xỉ gần đúng liên tiếp và bộ biến đổi flash mà trước đây
không sử dụng trong MCA được khảo sát kỹ càng. Trong hai phương pháp
này, bộ biến đổi xấp xỉ gần đúng liên tiếp chấp nhận sự không tuyến tính vi
phân lớn hơn ít nhất 10 lần so với bộ biến đổi Willkinson. Khiếm khuyết này
được bù trừ bằng cách sử dụng mạch bù. Trong tương lai công nghệ sẽ mang
lại những cải tiến hơn nữa.
Do dó, một vài kỹ thuật biến đổi được nghiên cứu trong phần IV. Các thành
quả được dùng trong thiết kế của bộ biến đổi Willkinson. Bộ biến đổi này có
thể trao đổi với máy chủ thông qua bộ liên kết ADC và máy tính. Hai vấn đề
cuối được trình bày trong phần VI của biên soạn do tính phức tạp của nó.

216

Kỹ thuật hạt nhân

THÍ NGHIỆM 4.1

PULSE STRETCHER -BỘ GIÃN XUNG

I. Mục đích
Để nghiên cứu tính chất của các pulse stretcher - một thiết bị lưu trữ các giá
trị đỉnh xung hạt nhân cho đến khi ADC thực hiện biến đổi.
II. Tổng quan
Các bộ biến đổi tương tự - số đã sử dụng trong phổ kế hạt nhân cần một
khoảng thời gian nhất định để biến đổi thế đo được thành giá trị tương đương
nhị phân của nó. Do đó, giá trị đỉnh của các xung từ khuếch đại phổ phải
được giữ cho đến khi việc chuyển đổi hoàn tất. Đây là mục đích của PULSE
STRETCHER chỉ ra trong Hình 4.1.1 như là một hộp đen.
Một số yêu cầu của PULSE STRETCHER là phải:
-

Ghi nhận và giữ đỉnh của xung.

-

Báo cho ADC biết xung đến.

-

Tự ngắt nó ra khỏi nguồn xung.
217



Kỹ thuật hạt nhân
-

Nhận một tín hiệu từ ADC và chỉ ra rằng sự biến đổi đã được thực
hiện.

-

Xả điện của tụ đang giữ đỉnh.

-

Tự nối lại với nguồn xung để lặp lại quá trình.

Hình 4.1.1: Pulse Strecher như một hộp đen
Hình 4.11 là một sơ đồ khối của mạch sẽ thực hiện đầy đủ các nhiệm vụ trên.
Sơ đồ này cũng chỉ rõ các biểu đồ của dạng sóng tại các điểm quan tâm trong
mạch. Các biểu đồ này và các dạng sóng khác cũng xuất hiện trong Hình
4.1.3, trong một sơ đồ thời gian hoạt động của Pulse Stretcher.

Hình 4.1.2: Sơ đồ khối của Pulse Strecher
Các hộp khác nhau trong Hình 4.1.2 sẽ được thảo luận chi tiết hơn. Việc thảo
luận sẽ dựa vào 6 nhiệm vụ đã được liệt kê ở trên.
Nhiệm vụ thứ nhất là nhiệm vụ quan trọng và được thực hiện bởi máy ghi
nhận biên độ đỉnh. Tụ là một thiết bị tích điện mà qua đó điện áp đỉnh có mặt.
Khuếch đại thuật toán và diot là một bộ phân thế bổ sung, nó cho phép điện
áp qua tụ theo sau điện áp xung đến trong suốt thời gian tăng của xung nhưng
218



Kỹ thuật hạt nhân
nó ngăn chặn điện áp tụ giảm xuống khi điện áp xung giảm. Rõ ràng khi xung
đến lối vào (+) của khuếch đại thuật toán (S mở), mạch điện hoạt động như
một bộ chia thế cấp dòng từ điot đến tụ C để đưa điện áp tăng đến điện áp của
xung. Tuy nhiên khi thế của xung giảm, diot sẽ ngăn dòng của C xả vào
khuếch đại thuật toán. Ở điều kiện này, lối vào (+) trở nên thấp hơn lối vào (), khuếch đại thuật toán hoạt động như một bộ so sánh và điện áp lối vào của
nó giảm đến điện áp nguồn (-).

Hình 4.1.3: Dạng sóng
Dĩ nhiên, điot giữ cho tụ không xả điện, do đo thế của nó được duy trì tại thế
đỉnh của xung. Bộ chia thế chỉ là một thiết bị được đặt vào trong mạch điện
để ngăn chặn ADC và máy ghi nhận đỉnh khỏi việc nạp của tụ.
Ghi nhận đỉnh là chìa khoá cho hai nhiệm vụ tiếp theo. Khi điện áp lối vào từ
bộ phân thế (điện áp này bằng với điện áp qua tụ - điện áp đỉnh xung) lớn hơn
thế lối ra của khuếch đại thuật toán thứ nhất (điện áp này sẽ xuống thấp khi
đỉnh xung đã qua) thì điện áp lối ra của ghi nhận đỉnh giảm. Việc giảm này
thông báo thời điểm đến của đỉnh, báo cho ADC bắt đầu xác định đỉnh và báo
cho mạch lật điều khiển công tắc đóng S1, vì vậy việc cô lập ADC khỏi
nguồn xung bằng cách nối đất lối vào (+) của khuếch đại thuật toán thứ nhất.
Các mạch flip-flop điều khiển cùng nhận một tín hiệu từ ADC khi ADC đã
hoàn thành công việc của mình, do đó thực hiện nhiệm vụ thứ 4 đã đề cập ở
trên.
Mạch flip-flop điều khiển xả điện bật nguồn dòng không đổi, nguồn dòng này
xả tụ - hoàn thành nhiệm vụ thứ 5

219


Kỹ thuật hạt nhân
Bây giờ, mạch lật điều khiển công tắc mở công tắc S - kết thúc nhiệm vụ thứ

6 và Pulse Stretcher sẵn sàng nhận xung tiếp theo. Khi xung này đến, bộ phân
biệt ngưỡng thấp tìm ra thời điểm đến của nó thông qua mạch flip-flop điều
khiển xả điện, tụ dòng không đổi và ngắt mạch xả tụ của nguồn dòng không
đổi.
Nếu hiểu biết tốt về điện tử hạt nhân ngay lập tức sẽ nhận ra một vải khó
khăn trong mạch điện này. Đó là vấn đề thời gian nhỏ. Ngay khi S mở, để các
xung có thể nhận tiếp, tụ vẫn chưa xả hết. Do đó, mạch vẫn chưa thực sự sẵn
sàng để nhận thêm xung. Tuy nhiên không có tổn hại nào có thể xảy ra, bởi vì
nếu xung quá nhỏ, nó sẽ bị bỏ qua bởi sự ghi nhận đỉnh và nếu nó đủ lớn, nó
sẽ được đo chính xác. Hiệu ứng thực chỉ tăng ít trong khoảng thời gian chết.
Chúng ta không cần một mạch số phức tạp để giải quyết vấn đề này. Tương
tự khuếch đại thuật toán lối vào bão hoà theo chiều âm. Bất kì chất bán dẫn
bão hoà nào đều đòi hỏi thời gian phục hồi tương đối dài. Diot trong các ghi
nhận biên độ xung có một dòng nghịch đảo hữu hạn, dòng này có khuynh
hướng xả tụ C. Công tắc và một số khối khác vẫn chưa thảo luận chi tiết. Thử
vẽ bằng tay một mạch làm việc cho các khối này.
Một phiên bản làm việc của Pulse Stretcher này bao gồm một vài cải tiến
được cho trong Hình 4.1.4 với khối có trong Hình 4.1.3. Dễ ràng chỉ ra Q1
với S1, Q3 với ghi nhận đỉnh, U4 với bộ phân biệt ngưỡng thấp và các
transitor BC182 với nguồn dòng không đổi và các điều kiện của nó.
Bộ chia thế đã được chia thành vòng phản hồi của khuếch đại thuận toán thứ
nhất và một diot thêm vào để bù cho phần trở nghịch hữu hạn của các diot.
Diot D1 được thêm vào để ngăn U1 khỏi bão hoà theo chiều âm bằng cách
chặn lối ra xuống dưới -0.7V. Các điện trở R1 và R2, tụ C1 được thêm vào để
ngăn chặn dao động. Điện trỏ R là điện trở tách (decoupling).
III. Thí nghiệm
Lắp rắp mạch điện và kiểm tra hoạt động của nó. Thế được lưu trữ ổn định
như thế nào? Độ ổn định thời gian có thể cải thiện bằng cách đưa vào tụ C2
với giá trị lớn hơn. Tuy nhiên, bây giờ mạch không thể đáp ứng chính xác với
các xung rất ngắn. Đánh giá mối liên hệ giữa độ rộng xung và điện dung đối

với giá trị cho phép việc ghi nhận biên độ xung.

220


Kỹ thuật hạt nhân

221


Kỹ thuật hạt nhân

THÍ NGHIỆM 4.2

ADC WILLKINSON

I. Mục đích
Nghiên cứu bộ biến đổi ADC Wilkinson cơ bản và thiết kế phiên bản thực tế
đã mô tả trong phần III như một dự án đặc biệt.
II. Tổng quan
Bộ biến đổi tương tự số (ADC) là cốt lõi của bộ phân tích đa kênh. Chúng ta
sẽ nghiên cứu hoạt động của một phiên bản ADC Wilkinson đơn giản. Công
việc được minh hoạ trong Hình 4.2.1. Điện áp chưa biết Ux được nối với lối
vào INP. Khi thiết bị bị kích hoạt bởi một xung tại lối vào START, nó lấy tín
hiệu mẫu của thế lối vào và tạo ra mã nhị phân tương đương của nó tại lối ra.
Đường dữ liệu lối ra 8-bit D0-D7 có giá trị sau khi có xung xuất hiện tại EOC
(End of Conversion)

222



Kỹ thuật hạt nhân
Hình 4.2.1: Hộp đen biểu diễn bộ biến đổi
Sơ đồ khối của ADC được chỉ ra trong Hình 4.2.2
Để thực hiện chuyển đổi, các hoạt động (Hình 4.2.3) được đưa ra;
1. Thông thường transitor Q1 dẫn bởi vì điện thế cao tại cực collector của
transitor Q2. Khi có một xung dương cấp cho lối vào START, tín hiệu
từ lối vào INP xuất hiện tại lối vào không đảo của khuếch đại thuật
toán U1. Thế qua tụ C là 0, do đó thế lối ra của khuếch đại thuật toán ở
mức cao. Dòng đi vào C cho đến khi điện thế tại lối vào đảo và không
đảo bằng nhau. Xung START phải đủ dài để nạp đầy tụ C
2. Xung START đã đảo Q2 và bộ đảo xoá dữ liệu bộ đếm.
3. Xung START kết thúc
a. Sườn giảm của nó đạt đến ONE SHOT nhờ Q2 và bộ đảo
(INVERTER) khởi phát ONE SHOT mà nó tạo ra một xung ngắn
b. Cổng lối vào transitor Q1 trở lại dẫn lối vào không đảo của khuếch
đại thuật toán được nối đất. Vì điện thế lưu trữ dương qua C; lối ra của
khuếch đại thuật toán đạt tới trạng thái bão hoà âm. Mạch ở bên trái của điôt
thì không ảnh hưởng nhiều.

Hình 4.2.2: Sơ đồ khối của bộ biến đổi

223


Kỹ thuật hạt nhân

Hình 4.2.3: Dạng sóng
4. Xung từ ONE SHOT kết thúc; mạch flip-flop RS đuợc thiết lập.
a. GATED CLOCK bắt đầu cấp xung cho COUNTER

b. CONSTANT CURRENT SOURCE được kích hoạt. Vì dòng không
đổi sinh ra từ tụ C, điện thế qua C thì giảm tuyến tính. Thời gian phóng điện
của tụ sẽ tỉ lệ với điện thế ban đầu qua tụ.
5. ZERO – DISCRIMINATOR: thông báo điện thế 0 ra tụ
a. Xung sinh ra tại lối ra ZERO – DISCRIMINATOR sẽ thiết lập lại
mạch lật. Nguồn dòng không đổi bị ngắt, thế qua tụ bằng 0
b. GATED CLOCK bị dừng. Con số cuối cùng trong bộ đếm tỉ lệ với
thời gian đếm và do đó tỉ lệ với điện áp đo được.
6.
6a. Tại lối vào không đảo của khuếch đại thuật toán là một điện thế
dương nhỏ từ Q1. Điện thế tại lối vào đảo (bằng điện thế qua tụ đã phóng
điện) là 0. Do đó, điện thế lối ra của khuếch đại thuật toán sẽ cao và sẽ nạp
cho tụ cho đến khi sự khác biệt giữa lối vào đảo và không đảo là 0. Điện trở
R1 mắc song song với tụ C sẽ cho qua một dòng nhỏ liên tục từ khuếch đại
qua điot vào tụ . Điện trở này ngăn nhiễu từ việc điều khiển điện thế âm trong

224


Kỹ thuật hạt nhân
tụ. Nghĩa là, khuếch đại giữ điện thế của C không quá 0; và R 1 giữ điện thế
không quá 0.
6b. Lối ra ZERO – DISCRIMINATOR sẽ thấp, mạch flip-flop RS có
thể được kích hoạt lại nếu xung START sẽ xuất hiện
Bây giờ chúng ta định nghĩa các khối trong các hộp đen của sơ đồ khối (Hình
4.2.4)

Hình 4.2.4: Các khối cơ bản của bộ biến đổi
ZERO – DISCRIMINATOR phải có dòng lối vào nhỏ. Chúng ta sử
dụng vi mạch LF356, bộ khuếch đại thuật toán với các lối vào FET. Một số

các mạch phản hồi dương sẽ cải thiện thời gian đáp ứng. Thế lối ra trong
khoảng giữa 2 thế cấp vào. Mạch này phải được giới hạn theo chiều âm để
phù hợp với các mạch CMOS, vì thế xu hướng chúng ta là sử dụng trong
mạch flip-flop RS và EOC.

225


Kỹ thuật hạt nhân
Khối EOC là một mạch ONE SHOT được khởi phát bởi sườn giảm
của xung lối ra ZERO – DISCRIMINATOR. Mạch CMOS4093 (1 cổng
NAND tứ giác có tính trễ) tạo ra một ONE SHOT đơn giản
ONE SHOT phải được khởi phát từ cao xuống thấp. Mạch điện được
chỉ ra với khối EOC
GATED CLOCK là một bộ dao động phục hồi được làm bằng một vi
mạch 4093. Nó dao động khi cổng ở mức cao.
Các mạch lật RS được làm từ 2 cổng NOR 4001
Nguồn dòng không đổi GATED (GCS) trong một bài tập trước đây. Hình
4.2.4 chỉ ra phiên bản đã chỉnh sửa có sử dụng tín hiệu CMOS cho mạch
Sơ đồ chi tiết được đưa ra trong hình 4.2.5

Hình 4.2.5: Sơ đồ kết nối của bộ biến đổi
III. Thí nghiệm
Lắp ráp mạch và cố gắng thực hiện các thủ tục kiểm tra. Cấp 1 thế không đổi,
dương khoảng vài Volt cho lối vào INP và các xung TTL (1KHz) trong suốt
10s cho lối vào start.
Kiểm tra lại hoạt động và đưa ra các chú ý đặc biệt. Đưa ra các gợi ý như
những gì nên được cải tiến để đạt được hiệu suất chuyên môn.

226



Kỹ thuật hạt nhân
Để một vài bit thêm vào có thể được thực thi, mạch mới này có đủ tốt không?
Câu trả lời có thể nhận được từ việc nghiên cứu hiện trạng các kênh của
chúng.
Nối một điện thế lối vào tương ứng với toàn dải. Tăng điện thế rất chậm và
quan sát bit cuối cùng trên dao động ký. Nó sẽ thấp trong khoảng điện thế
không xác định, sau đó thì cao, vào sau đó lại thấp trở lại. Trong trường hợp
của ADC, chuyển tiếp này nên xảy ra tại một điện thế xác định chính xác như
Hình 4.2.6. Tuy nhiên, trong trường hợp của chúng ta, sẽ có một chuyển tiếp
phẳng từ thấp đến cao và sau đó từ cao xuống thấp.

Hình 4.2.6: Sự xác định sườn nghiêng của xung
Có thể tìm thấy thế lối vào mà tại đó bit cuối cùng vẫn thấp tại mọi thời điểm
(A trong phần thấp hơn của hình 4.2.6). Sau đó chúng ta có thể tìm thấy điện
thế mà tại đó bít cuối cùng có một nửa thời gian là thấp (theo thứ tự ngẫu
nhiên), và một nửa là cao (B trong cùng hình), và cuối cùng điện thế mà ở đó
bít cuối cùng là cao tại mọi thời điểm (C). Sau đó lặp lại các thủ tục tương tự
với sườn giảm, chúng ta thông tin theo kênh đó. Sự rõ nét là các chuyển đổi
giữa 2 lần đọc nhị phân liên tiếp, các bit cao hơn có thể được đưa ra.

227


Kỹ thuật hạt nhân

THÍ NGHIỆM 4.3

ADC XẤP XỈ GẦN ĐÚNG LIÊN TIẾP


I. Mục đích
Thí nghiệm này giới thiệu một số khái niệm cơ bản của việc biến đổi trực tiếp
tương tự thành số thông qua việc xây dựng và phân tích một mạch rất đơn
giản.
II. Tổng quan

228


Kỹ thuật hạt nhân
Có một số các điểm khác nhau giữa các tín hiệu số và tương tự. Các tín hiệu
số thì dễ dàng lưu trữ và điều khiển. Các tín hiệu tương tự là các tín hiệu sinh
ra bởi hầu hết các máy truyền sóng trong thế giới thực. Một tín hiệu tương tự
có thể nhận một giá trị bất kỳ giữa 2 giới hạn hợp lý xác định. Các tín hiệu số
có thể nhận chỉ một giá trị hữu hạn (phụ thuộc vào số các bit sẵn có) giữa các
giới hạn tương tự. Bộ chuyển đổi tương tự thành số (ADC) cho phép chúng ta
chuyển đổi một tín hiệu từ dạng tương tự thành một tín hiệu số.
Như VD: Xét một tín hiệu tương tự có thể nhận giá trị bất kỳ giữa 0 và 10V.
Để chuyển đổi tín hiệu tương tự thành một tín hiệu số 3 bit. Nghĩa là chúng ta
tạo ra 23 hoặc 8 ô nhớ khác nhau; mỗi một ô được ký hiệu với một số nhị
phân khác biệt. Nhiệm của ADC là xem xét rằng tín hiệu tương tự được đưa
vào các ô nhớ tương đương. Tất nhiên, số ô nhớ phụ thuộc vào số bit (n)
trong các số theo một mối liên hệ; số ô nhớ bằng 2n.
Trường hợp của chúng ta được minh hoạ trong Hình 4.3.1

Hình 4.3.1: Mối liên hệ giữa tín hiệu tương tự và số
Ở đây khoảng 0 – 10V của tín hiệu tương tự được chia thành 8 ô nhớ với các
phép chia gắn với các bit đặc trưng. Nếu chỉ 2 bit được sử dụng, các đường
chấm chấm gắn với các bit có ý nghĩa ít nhất sẽ bị xoá bằng cách bỏ đi 4 ô

nhớ (22). Nếu 1 bit khác đã có sẵn, mỗi ô nhớ đang tồn tại được chia làm 2
tạo thành 16 ô nhớ (24). Rõ ràng nhiều ô nhớ sẽ cho độ phân giải tốt hơn
nhưng khó chuyển đổi hơn.
Sơ đồ khối cho 1 ADC đơn giản được chỉ ra trong hình 4.3.2

229


Kỹ thuật hạt nhân

Hình 4.3.2: Sơ đồ khối của ADC đơn giản
Chi tiết của các khối logic phụ thuộc mạnh mẽ vào từng loại ADC, nhưng
trong nhiều trường hợp nó phụ thuộc vào lối ra của bộ so sánh và sinh ra bộ 3
số. Số này được cấp cho ADC. Một lần nữa DAC có thể nhận một số dạng
nhưng tất cả đều tạo ra tại lối ra 1 tín hiệu tương tự tương ứng với số lượng
con số. Các tín hiệu đó được so sánh với tín hiệu gốc trong bộ so sánh với kết
quả trả về cho các khối logic để kiểm tra tiếp, vì thế hệ lặp lại chính nó cho
đến khi số lượng các con số đúng được tìm thấy

Hình 4.3.3: Sơ đồ mạch của bộ so sánh Hình 4.3.4: DAC kết nối dạng bậc
thang
Tiếp theo: một ví dụ đơn giản về ADC này. Một mạch so sánh khả dĩ được
chỉ ra trên hình 4.3.3. Bộ so sánh có dòng lối vào thấp, - bộ so sánh lối ra cực
thu hở. Trong trường hợp này nó điều khiển một đèn LED: đèn LED này sẽ
sáng lên khi lối vào từ DAC nhỏ hơn lối vào tương tự. Ở đây, mạch ADC là
một mạng các con trở nối theo kiểu bậc thang (Hình 4.3.4)
Các mạch ADC khác chẳng hạn như cái mà đã nghiên cứu trong thí nghiệm
2.2 có thể được sử dụng, nhưng mạch này có ưu điểm thụ động: cho một lối
ra phân cực phải và vẫn được sử dụng trong trong thí nghiệm tiếp theo. DAC


230


Kỹ thuật hạt nhân
là một khối quan trọng trong mạch. Tính hữu dụng của ADC phụ thuộc vào
độ chính xác mà ADC xác định các tín hiệu trong các ô nhớ
Khối logic được sử dụng bao gồm chủ yếu là 3 công tắc, 1 EPROM và logic
điều khiển: Xem Hình 4.3.5

III. Thí nghiệm
Xây dựng mạch như hình 4.3.

6

Hình 4.3.5: Khối ADC logic
Lập tức bạn sẽ nhận ra tất cả các khối chúng ta đã thảo luận và bạn sẽ thấy
không có các chi tiết nào của EPROM được đưa ra. Điều đó là bởi vì bạn sẽ
là một EPROM, và bây giờ bạn sẽ được lập trình.
Bắt đầu với tất cả các công tắc được nối đất: nghĩa là ở trạng thái 0 hoặc thấp.
Đặt một điện thế cho lối vào. Bộ so sánh đèn LED màu xanh sẽ được chỉ ra
rằng tín hiệu cao hơn tín hiệu số. Thay đổi trạng thái của bit quan trọng nhất
bằng cách bật/ tắt D2

231


Kỹ thuật hạt nhân

Hình 4.3.6: Sơ đồ mạch ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp
Hoạt động đó thiết lập bắt đầu từ ô nhớ tương ứng với 5V đến 1/2 của điện áp

lớn nhất (10V) (Hình 4.3.1). Việc tiếp theo của bạn phụ thuộc vào hoặc là
đèn LED được duy trì hoặc là tắt.
Nếu đèn LED của bộ so sánh vẫn còn bật, bạn biết rằng thế tương tự lớn hơn
tín hiệu số và msb được thiết lập chính xác. Bây giờ tập trung đến bit thứ 2.
Tuy nhiên nếu LED thứ 2 màu xanh tắt, bạn biết rằng điện thế tương tự thấp
hơn tín hiệu số và nghĩa là msb (theo sách) quá cao. Tắt trạng thái đúng của
nó và tập trung vào bit thứ 2 như trước đó, lặp lại cho đến tận khi tất cả các
bit được thiết lập đúng. Chú ý rằng, thủ tục này sẽ cung cấp ít nhất việc đặt
các công tắc khả dĩ.
Chuyển đổi một vài thế tương tự khác nhau thành số. Xác định cẩn thận mỗi
tín hiệu ô nhớ. Có phải tất cả các ô nhớ được đặt đúng vị trí của nó hay
không? Có phải tất cả chúng có cùng độ rộng không? Từ đó giải thích vì sao?
Đưa ra một thủ tục để tạo một mạch giống hệt mạch biến đổi tương tự thành
số bằng cách tăng số bước. So sánh số công tắc thay đổi trong phương pháp
này và phương pháp trước đó. Chú ý rằng số công tắc trung bình thay đổi
trong phương pháp này tăng tỉ lệ với số bit trong ADC. Việc tăng trong ADC
xấp xỉ gần đúng liên tiếp chỉ tỉ lệ với chỉ log của số bit: đưa ra thủ tục tạo ra
232


Kỹ thuật hạt nhân
mạch này giống như 1 ADC (ADC tracking). Trong các trường hợp nào, thủ
tục mới này tốt hơn các thủ tục trước.
Trong thực tế, khối logic sẽ nhận một tín hiệu để bắt đầu quá trình chuyển
đổi, và sẽ gửi một tín hiệu ra khi nó đã thực hiện một chuyển đổi. Tín hiệu lối
vào sẽ được lấy từ mạch điện giống như xung mở rộng đã nghiên cứu ở phần
đầu của chương. Tất nhiên, trong thực tế các sự tắt bật của công tắc sẽ thực
hiện tự động và logic.

Hình 4.3.7: ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp 4 bit

Sơ đồ mạch có thể thực hiện sự tắt bật tự động được chỉ ra trên Hình 4.3.7.
mạch điện này thực tế là một ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp 4 bit hoàn chỉnh.
Xác định vị trí các phần phụ mà bạn đã nghiên cứu, bộ so sánh ở bên trái, các
con trỏ DAC ở trên đỉnh. IC 42 cung cấp các xung làm hoạt động các mạch
flip-flop JK (mỗi mạch flip-flop cho một con số). Ở giữa, đặt các bit của nó
sau đó kiểm tra bộ so sánh để xem nó có duy trì việc đặt không. Phần này của
mạch sẽ tự động thực hiện những gì bạn đã làm với các công tắc trong mạch.
Mạch khóa cung cấp tín hiệu kết thúc việc biến đổi (EOC) đã thảo luận trong
thí nghiệm 4.1. Mạch cụ thể này không hỗ trợ cho việc nhận tín hiệu START,
nó hoạt động liên tục. Một mạch flip-flop RS tại lối vào clock sẽ cấp tín hiệu
START.
THÍ NGHIỆM 4.4

233


Kỹ thuật hạt nhân

HIỂU CHỈNH THANG ĐO CỦA ADC XẤP XỈ GẦN ĐÚNG LIÊN
TIẾP

I. Mục đích
Mục đích của thí nghiệm là chứng minh tầm quan trọng của việc hiệu chỉnh
thang đo trong ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp và để chứng minh các nguyên
tắc thiết kế của một mạch ADC phù hợp cho thay thế sự hiệu chỉnh.
II. Tổng quan
Các ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp đã xây dựng trong dạng tích hợp là các
ADC tương đối nhanh, chính xác, không đắt và dễ dàng sử dụng. Tuy nhiên,
trong các ứng dụng đo phổ, một yêu cầu thiết yếu là độ rộng kênh phải giống
nhau, và đặc trưng này của hệ thống được thể hiện qua độ tuyến tính vi phân.

Sự giống nhau này của các kênh là một đặc trưng của ADC loại Wilkinson, ở
đó độ rộng của mọi kênh được xác định bằng các thành phần vật lý tương tự.
Trong các ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp (trong loại ADC flash) độ rộng của
các kênh khác nhau được xác định bằng tổ hợp vi phân của một bộ các thành
phần vật lí, chẳng hạn như nhóm các mạng điện trở kết nối bậc thang có ý
nghĩa cho một giá trị của bộ hiệu chỉnh xấp xỉ gần đúng liên tiếp. Kết quả là
độ rộng kênh không giống nhau nhiều, nếu không có sự hiệu chỉnh phù hợp
không thể sử dụng nó trong các ứng dụng đo phổ. Vấn đề này được thảo luận
trong TECDOC 363 và sẽ không được mô tả chi tiết ở đây. Một thủ tục hiệu
chỉnh phù hợp cộng vào mỗi xung lối vào một sự hiệu chỉnh biên độ tương
ứng với hệ số nhân đã cho của độ rộng w kênh trung bình. Để biết điều này,
giả sử rằng biên độ xung lối vào tương ứng với kênh c và rằng thế cộng vào –
v tương ứng với n kênh trung bình (v = n x w). Một ADC lý tưởng sẽ cho
một giá trị biến đổi c+n, và kết quả hiệu chỉnh thu được bằng việc lấy các giá
trị chuyển đổi trừ cho n. Nếu n kênh đã cộng thay đổi ngẫu nhiên giữa 0 và N
cho mỗi xung mới có biên độ c, ảnh hưởng của độ rộng kênh kết hợp với các
xung này là các độ rộng trung bình của tất cả các xung từ c đến c+N. Do đó,

234


Kỹ thuật hạt nhân
ảnh hưởng về độ rộng các kênh không giống nhau bị suy giảm mạnh. (Xem
thảo luận chi tiết trong TECDOC 363).
Thế hiệu chỉnh: v = n x w thật dễ dàng thu được từ một bộ biến đổi số thành
tín hiệu tương tự (DAC), độ chính xác tương đương với ADC, nhưng chỉ sử
dụng một bộ số bít có ý nghĩa nhất. Điện thế này – thang chia tỉ lệ được cộng
vào xung đến và ứng với giá trị của n là một số đã được trừ từ kết quả chuyển
đổi.
Sơ đồ khối của một mạch hiệu chỉnh trên được chỉ ra trong Hình 4.4.1


Hình 4.4.1: Sơ đồ khối của mạch hiệu chỉnh thang chia
Trước khi thảo luận chung chung về mạch chi tiết, chúng ta nên có lời chú
giải. Một bộ đếm 5 bít mà số đếm được cộng vào khi kết thúc chuyển đổi
điều khiển DAC, do đó, thế hiệu chỉnh - v theo một mô hình xác định khi
thực hiện từ chuyển đổi này đến chuuyển đổi tiếp theo. Thủ tục này không
phải là lần lượt nếu nếu chúng ta đang phân tích các xung từ một máy ghi
nhận. Như đã thảo luận trong TECDOC 363, nó không phù hợp với các ramp
- máy phát hoặc các thiết bị khác mà các xung lối ra của các thiết bị này cho
phép một mô hình xác định (một máy phát xung chuẩn ngẫu nhiên được thảo
luận như một ứng dụng của các máy ghi nhận độ trôi trong thí nghiệm 3.8).
Một mạch thay thế cho sơ đồ khối ở trên được chỉ ra trong Hình 4.4.2. Nó sử
dụng một ADC 8 bít (256 kênh) và một máy hiệu chỉnh thế 5 bít (32 kênh).
Do đó ADC hiệu chỉnh thang chia có 224 kênh
Bây giờ chúng ta tạo một vài câu lệnh cho sơ đồ, bỏ qua sự giải thích chi tiết
của nó như một bài tập. Phép trừ được thực hiện trong hai bộ cộng 83 mà

235


Kỹ thuật hạt nhân
dùng phần bù của 2 của số đã bị trừ. Phần bù này thu được nhờ việc đảo tất
cả các bít (phần bù của chúng) và rồi cộng với 1 để được số này (Thông qua
lối vào cộng của bộ cộng trọng số thấp nhất). Lối ra dữ liệu của ADC thường
xuyên cho phép, mach ba trạng thái rất cần cho việc kết nối tới bus dữ liệu
hai chiều được cấp bởi mạch lật bát phân 574. Một tín hiệu RD bị đảo để
khoá kết quả chuyển đổi đã hiệu chỉnh vào trong 574 và việc kích hoạt
RD cho phép bộ đệm lối ra ba trạng thái.

III. Thí nghiệm

Bạn phải lắp ráp bảng mạch đã chuẩn bị và thử nó với tín hiệu từ đầu dò NaI.
Các công tắc chỉ ra trong sơ đồ Hình 4.4.2 sẽ cho phép bạn so sánh dễ dàng
các kết quả thu được với một ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp chưa hiệu chỉnh
với các kết quả thu được từ sự hiệu chỉnh thang chia. Các kết quả được hiện
thị trong máy tính và chúng liên kết với nhau. Sự hiệu chỉnh chi tiết được
thảo luận trong dự án kết nối ADC- máy tính trong phần VI của biên soạn
này.

236


Kỹ thuật hạt nhân

Hình 4.4.2: Sơ đồ của mạch hiệu chỉnh thang đo

237


Kỹ thuật hạt nhân
THÍ NGHIỆM 4.5

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP THÀNH TẦN SỐ

I. Mục đích
Mục đích của thí nghiệm là mô tả các bộ biến đổi điện áp thành tần số và
thảo luận việc thiết kế các bộ tích phân dòng và điện áp lắp đặt xung quanh
các bộ biến đổi này.
II. Tổng quan
Các bộ biến đổi A/D sử dụng trong máy phân tích xung theo biên độ thuộc
loại Wilkinson hoặc loại ADC xấp xỉ gần đúng liên tiếp với mạch hiệu chỉnh

phù hợp cho độ rộng kênh không đồng nhất. Các bộ biến đổi A/D loại Flash
được sử dụng trong các thí nghiệm mà ở đó chúng ta chủ yếu quan tâm tới
tốc độ biến đổi cao và độ phi tuyến vi phân lớn có thể xảy ra của bộ biến. Tất
cả các loại này của bộ biến đổi hoạt động dựa trên sự lấy mẫu tức thời của
các tín hiệu vào. Chúng là các bộ chuyển đổi không tích phân.

Hình 4.5.1:Nguyên tắc hoạt động của VFC

238


Kỹ thuật hạt nhân
Trong các thí nghiệm liên quan tới các ứng dụng hạt nhân, các bộ biến đổi
A/D loại tích hợp cũng rất cần thiết. VD: trường hợp để đo tổng chùm hạt
tích điện trong một thí nghiệm của máy gia tốc. Chùm hạt tích điện thu được
bằng việc tích luỹ dòng điện tích. Với các IC hiện đại, điều này có thể đạt
được một cách chính xác mà không quá khó khăn. Trong thí nghiệm này,
chúng ta thảo luận một mạch được thiết kế xung quanh vi mạch LM331; một
bộ biến đổi tích phân điện áp thành tần số mà có thể đạt tới độ chính xác
0,01% (cách đánh giá tương đương với ½ LSB trong ADC 12bit)
III. Thí nghiệm
Trong hình 4.5.1, chúng ta mô tả một sơ đồ minh họa nguyên tắc hoạt động
của mạch điện đã thiết kế và chú ý đến các thành phần bên ngoài vi mạch
LM331. Dòng lối vào Ii được chia nhỏ trong tụ C thông qua hoạt động của
khuếch đại thuật toán. Bộ so sánh bên trong vi mạch 331 khởi phát ONE –
SHOT mà ONE – SHOT này bật hoặc tắt công tắc. Một dòng không đổi Iref
phân cực ngược với Ii sau đó sẽ nạp vào tụ tích phân C trong một khoảng thời
gian T được xác định bởi ONE – SHOT. Điện tích được dẫn bởi dòng Ii trong
suốt thời gian này phải nhỏ hơn Iref x T (ngược lại hệ thống sẽ không hoạt
động, như bạn có thể hiểu được từ thảo luận này). Do đó, bộ so sánh trở lại

trạng thái ban đầu và một chu trình mới bắt đầu. Một xung lối ra được tạo ra
mỗi lần ONE- SHOT khởi phát. Tần số của các xung này tỉ lệ với dòng lối
vào trong hình, tổng số đếm xung thì tỉ lệ với tổng điện tích được truyền dẫn
bởi dòng lối vào.
Ảnh hưởng của các thành phần bên ngoài tới độ chính xác của mạch được
đánh dấu trong sơ đồ đơn giản với số lượng của chúng trong sơ đồ chi tiết
trong hình 4.5.2. Thế so sánh Vcomp không ảnh hưởng: nó cũng không ảnh
hưởng tới ngưỡng mà tại ngưỡng đó dòng cân bằng Iref được bật lên. Thế
Vcomp thu được từ điện áp cấp thông qua một mạng chia. Trở R4 xác định
dòng Iref; R11 và C2 xác định thời gian τ trong khi Iref đi qua tụ tích phân. Do
đó, các thành phần này ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Tụ phải là
một loại polistinen hoặc một loại chất lượng cao. Các điện trở phải là các
màng kim loại và cảm biến nhiệt. Trên thực tế, nếu R11 tăng, trong suốt thời
gian truyền Iref tăng; nhưng nếu R4 cũng tăng thì dòng cân bằng sẽ giảm để
bù thời gian tăng. Tất nhiên, yêu cầu đối với khuếch đại thuật toán này là
dòng bias có thể bỏ qua. Thế lối vào Offset trở nên không quan trọng nếu
dòng Ii được cấp từ một nguồn dòng, nhưng nếu Ii đến từ 1 nguồn thế thông
239


Kỹ thuật hạt nhân
qua Ri thì thế offset của khuếch đại là hệ số giới hạn chính cho độ chính xác
và khoảng thay đổi.
Bây giờ chúng ta đề cập đến sơ đồ mạch điện chi tiết. Sơ đồ này tương tự với
một trong những sơ đồ đã thảo luận trong (Biên soạn các ứng dụng) Linear
Application handbook of National Semiconductor. Vi mạch 331 sử dụng một
nguồn cấp riêng và các chân không được điều khiển bởi thế âm. Điot D4 và
D5 bảo vệ chân số 7 khỏi bất kỳ thế âm có thể nào nằm trong khoảng thế lối
ra của khuếch đại thuật toán. Dòng đảo của các điot được trở lại nối đất bởi
R16, vì vậy không làm nhiễu phép đo. Thế Vcomp đến bộ so sánh 331 thu

được từ nguồn cấp nhờ bộ chia R9-R10. Các điot D1-D3 cùng với R1-R2 bù
cho các thay đổi theo nhiệt độ, điện trở tổng cộng thường khoảng 450K. R6
đóng góp một cải tiến nhỏ về độ tuyến tính. Phân thế P3 được sử dụng để xóa
thế offset của khuếch đại. Việc xóa này quan trọng trong các trường hợp mà
ở đó dòng cấp cho lối vào của bộ đảo 356 đến từ một nguồn thế thông qua 1
điện trở. Để nhấn mạnh điểm này, chúng ta lắp vào sơ đồ này một bộ chuyển
đổi dòng thành thế mà ở đó không có sự hiệu chỉnh nào về thế offset của
khuếch đại thuật toán được sử dụng (khuếch đại lối vào có một dòng trôi
khoảng 1pA và có thể được sử dụng với các điện trở rất lớn)
Phân thế P2 được sử dụng để điều chỉnh hệ số cân bằng bằng cách điều chỉnh
Iref Pot và R3 cùng với R3 xác định Iref (không chỉ R4). Với các thành phần đã
chỉ ra, độ rộng xung ONE – SHOT vào khoảng 80 µs (=1.1 x R11 x C2). Dòng
vào 10 µA sẽ tạo ra một tần số 1KHz với một dòng Iref khoảng 130 µA.

240