其中τ , 是 RC 是成形放大电路的时间常数 τ 闪烁晶体输出信号的发光衰减时间 , 不同荧光 衰减常数产生的信号波形如图 1 , 电子学电路 通过测量信号的宽度 ,来区分 Na I 、 CsI 信号 ,这 ( ) 种电路叫脉冲形状甄别 PSD 电路 。波形宽度 超过阈值宽度就认为是 CsI 信号 , 这个阈值叫 做甄别阈 。

　　硬 X 射线调制望远镜 HXM T ( Hard X2ray Modulatio n Telescope) 的研究属于国家重点基 础研究发展规划项目之一 《天体高能辐射的空 间观测与研究》 ,它是基于我国学者李惕碚和吴 枚创建的直接解调方法 [ 1 ] , 对硬 X 射线keV ) 进行高灵敏度和角分辨率的巡 天和定点观测 ,将填补硬 X 射线高灵敏巡天观 测的空白 。

　　对 PSD 模块的性能检测实验包括测试电 路的信号处理完整性 、 信号处理准确性 、 多路选 通对时间谱的影响和功耗 。实验中信号发生器 信号为双指数周期脉冲信号 ,输出阻抗 50Ω ,输 出幅度 2V 。 2. 1. 1 完整性实验 完整性包括两个方面 , 一是各路的脉冲信 号处理是否按完整的设计时序进行 , 二是各路 是否对每个输入脉冲信号进行了处理 。实验 中 ,逐路给电路输入信号发生器信号 ,测量相应 编码信号线的频率 ,同时从示波器看输入信号 、 特征编码线和峰保输出信号的时序 。实验结果 完全符合设计要求 。 2. 1. 2 准确性实验 将实际探测器信号接入电路 , 通过多道测 量 V Pul W , 得到图 4a 脉冲宽度分布谱 。Na I 计数 , CsI 计数和康普顿平台计数的比例大约 为 19. 2 % 、 76. 0 % 、 4. 8 % 。

　　针对 H XM T 项目的多路脉冲形状甄别电 路在设计中需要解决以下几个问题 。

　　首先 , H XM T 系统共 18 个探头 ,每个探测 器输出信号的τRC 和τ存在不一致 ,它们的甄别 阈各不相同 , 应此要求甄别电路能够独立调节 各个探头对应的甄别阈 。 另外 ,由于宇宙射线中簇射现象和大质量 带电粒子的存在 , 会造成探头输出满幅的极宽 脉冲信号 ,脉冲宽度可达到几十 μs , 这类事例 在前放的输出信号的后沿非常不稳定 ( 图 1 ) , 而实际中前放又很难对这类信号进行分离成 型 。在甄别电路的处理过程中 , 这种信号后沿 的抖动会导致很多误触发和误甄别事例 , 简单 的延长电路后沿放电时间 ( 放电期间电路停止 处理输入信号) 的处理方法会造成系统的死时 间增加 。 最后 ,由于项目为空间应用 ,太阳能电池的 功率和载荷的体积都有限 ,需要对 18 路信号的 甄别电路进行高效的集成 ,并尽可能降低功耗 。 基于 CPLD 的数字化设计方案 , 采用高频

　　( Байду номын сангаасa) 晶体 。前者的荧光衰减常数τ 为 230ns ,

　　而后者为 630ns 。可以证明 , 闪烁晶体在光电 管输出端造成的电流脉冲被成形电路积分放大

　　基于脉冲前后沿甄别 [ 2 ] 的 PSD 电路的原 理如图 2 ,光电倍增管输出的信号经过前置放 大后输入 PSD 电路的峰值保持电路 ,得到该脉 冲的幅度信息 , 然后通过分压电阻得到两个固 定百分数的电平 ,分别与延迟信号作比较 ,得到 代表脉冲前后沿的信号 , 通过电路成形得到矩 形脉冲 ,可以证明 ,此矩形脉冲的宽度和信号脉 冲所包含的荧光衰减时间相对应 。通过测量和 比较脉冲宽度 ,就可以甄别 Na I/ CsI 信号 。

　　阈才选通多路 ,这必然使信号损失一部分前沿 , 对于低幅度信号 , 将使测得的脉宽信息变小 。 通过两个措施来减少这个影响 , 一是尽量降低 下阈电压 ,二是提高前沿比较电压 。下阈电压 受整个电路的噪声水平限制 , 太小的下阈电压 容易 使 电 路 由 于 误 触 发 而 不 稳 定 , 实 际 取

　　脉冲进行 脉宽 测量 , 将脉 宽信 息数 字 化 。在 CPLD 内 ,可以方便地对各路输入信号的数字 化脉宽信息进行分别甄别 , 解决了电路设计的 第 1 个问题 。在进行信号甄别的时候 , 设计采 用窗函数代替传统的单边甄别阈 , 剔除了由于 超大信号后沿噪声引起的窄宽度误触发信号 , 很好地解决第 2 个问题 , 大大的降低了系统的 误触发和误甄别率 。另外 , 采用 CPLD 的这个 设计方案 ,大大简化了电路 ,减少了模块体积和 功耗 ,很好解决了电路设计的第 3 个要求 。 1. 2 电路实现 电路采用前后沿甄别的原理 , 用模拟电路 得到代表脉冲信号宽度的前后沿信号 , 将信号 送入数字电路 ,进行 Na I 、 CsI 的甄别处理 ,每个 电路能处理 6 路信号 。将整个电路分为模拟电 路和数字电路两个模块 ,如图 3 。

　　摘要 : 在前后沿甄别原理的基础上 ,对脉冲形状甄别电路进行了数字化设计 ,用高频脉冲计数方法

　　测量信号脉宽 ,在 CPLD 内对各路信号进行甄别 ,实现了多路处理的集成 。在信号甄别的过程中 ,用窗 函数代替传统的单边甄别阈 ,解决了甄别电路处理超大信号的难题 ,大大降低了系统的误触发和误甄别 率 。此设计方案在 HXM T 望远镜电子学系统中得到了成功应用 。 关键词 :CPLD ; PSD ; HXM T 中图分类号 : TL822. 4 文献标识码 : A 文章编号 : 025820934 ( 2007) 0320458204

　　模拟子模块电路和传统 PSD 相同 ,包含信 号下阈 、 电压跟随 、 峰值保持 、 延迟电路和前后

　　沿比较 。 1. 2. 2 数字子模块电路 数字子模块是整个电路的核心 , 它位于一

　　片型号为 EPM7512A E TC144 的 CPLD 中 , 电 路采用 80M Hz 主频 。数字电路用输入的前后 沿信号完成对 Na I/ CsI 的甄别 ,包括脉冲成型 , 上升沿检测 ,下降沿检测 , 脉冲宽度测量 ,Na I/ CsI 甄别 ,事例仲裁处理 , 峰保电路放电处理 7 个模块 。 1. 2. 3 调试扩展电路 电路调试时 ,需要测量脉冲宽度分布谱 ,即 信号宽度的分布图 ,为了方便 ,电路中加了一个 脉冲宽度分布谱电压输出的模块 。在 CPLD 内 ,通过脉宽串行输出模块把脉宽测量模块得 到的并行数据转成串行数据 , 并输出给数字电 位器 ,则数字电位器的分压值 V Pul W 和信号 宽度成正比 , 通过多道测量 V Pul W , 就可以得 到脉冲宽度分布谱 。

　　从完整性实验和准确性实验的结果可知 , 输入信号在电路处理频率设计要求的范围内 时 ,每个输入信号都按设计的处理时序进行处 理 ,提取出信号准确的时间信息 ,Na I 计数 ,CsI 计数和康普顿平台计数的比例和蒙卡模拟计算 结果[ 3 ] 相符 ,整个电路很好达到设计指标 。 由于存在多路选通 , 只有信号超过信号下

　　子探测 。复合晶体闪烁探测器是用一块闪烁效 率足够高的厚晶体与一块能量分辨好的薄闪烁 晶体符合在一起 , 利用同一光电倍增管收集荧 光 ,两者以反符合方式工作 ,后面的厚晶体是对 弥漫背景和前方来的 Co mpto n 事件的有效屏 蔽。 用于 HXM T 的复合晶体闪烁探测器的主 晶体采用 Na I ( Tl ) 晶体 ,而屏蔽晶体则采用 CsI

　　将实际探测器信号输入电路 , 同时在多路 选通模块中固定多路选通为输入通路 , 通过多 道测量 V Pul W , 得到图 4b 脉冲宽度分布谱 。

　　直接计数 ,完成信号的类型甄别 ,大大简化了甄 别电路 ,减小了系统功耗 。 另外 ,当环境温度变化时 ,脉冲宽度分布谱 会发生平移 , 需要在线调节甄别阈才能使甄别 电路保持最佳甄别效果 。本电路可以通过扩展 与总线的操作 , 将测得的 脉宽 信息 直接 读入 CPU 模块 ,在线分析最佳甄别阈 , 然后直接修 改 CPLD 内的甄别阈 , 达到甄别阈的在线调 节 ,这为解决温度变化问题提供了一个很好的 解决方法 。

　　结果知 , 固定多路相对选通多路的脉冲宽度分 布谱整体有很小的左移 , 但是 Na I 、 CsI 和康普 顿平台的比例基本保持不变 , 所以由于多路选 通的存在引起的时间谱变化对甄别影响不大 。 通过测量表明 , 传统电路 6 路信号处理的 总功耗约为 3. 2W 左右 , 而本电路为 2. 1W , 采 用 CPLD 的设计降低了系统功耗 。