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High Speed Analog-to-Digital Conversion Circuit Base on AD9220 in Nuclear Detection
Abstract: In nuclear detection field, it needs high speed date acquisition, and high speed analog-to-digital conversion circuit is its key. Based on high speed analog-to-digital converter AD9220, adopting AVR chip microprocessor ATmega128 as controller, design and implementation of the high speed analog-to-digital conversion circuit is introduced in this paper. It also shows its idiographic application in γ detection system.
Key words: Nuclear Detection，Data Acquisition，Analog-to-Digital Conversion，AVR Chip Microprocessor 摘要：在核探测领域中，需要高速数据采集，而高速模数转换电路是关键。介绍了以AVR单片机ATmega128为控制器，高速模数转换器AD9220为核心的高速模数转换电路的设计与实现，给出该电路在γ射线探测系统中的具体应用。
关键词：核探测，数据采集，模数转换，AVR单片机
在核探测领域中，需要高速数据采集，其探测通道必须具有高速模数转换电路，对探测器输出信号进行采集。以探测γ射线为例，γ射线探测器输出信号多为1～2µs[1]的脉宽，若要对其峰值进行采集，探测通道的采集速率必须大于1MS/s。目前典型的模数转换电路大部分是采用C51系列单片机作为控制器，选用AD574、AD674、AD774、AD1674作为模数转换器，这种电路的模数转换速率最高为100KS/s[2]。如果采用上述方法，根本不能满足要求。
我们设计的高速模数转换电路是采用AVR单片机ATmega128作为主控制器，取代C51系列单片机，选用高速模数芯片AD9220（10MSPS）代替原来的AD1674（100KSPS）作为模数转换器，转换速率高，可以达到5MS/s。实验证明，该电路应用到γ射线探测系统中，将整个系统探测通道的采集速率提高了几十倍。下文将对该电路的设计原理及其在γ射线探测系统的应用作详细介绍。
1 AD9220的工作原理
AD9220[3]是ADI公司一款性能优良的12位高速模数转换器，转换速率可高达10MSPS，具有单端和差分模拟输入方式，内部含有采样保持电路，可选择内部参考源和外部参考源。以选择外部参考源的单端输入方式为例，AD9220的外围电路如图1所示，电压输入范围为0～5V。
图1 AD9220采用外部参考源单端输入方式的外围电路
图中VINA是信号输入端。AD823是带宽为16MHz的高速运算放大器，输入阻抗为1013Ω，用其构成射极跟随器，极大地提高输入阻抗。VINB此时和VREF都作为参考电压输入端，MC1403是输出2.5V的参考电压模块；SENSE是参考电源选择端（当其为高电平时，AD9220选择外部参考电源）；CAPB和CAPB两端通过采用耦合电容网络来减小了参考端的电压噪声；CML是公共端；CLK是模数转换时钟输入端，该时钟信号由ATmega128产生。
AD9220进行模数转换的时序如图2所示，tC为模数转换时钟周期(tC≥100ns)，tOD是数据输出延时(8ns≤tOD≤19ns)。从图中可以看出，每次采样量化需要一个时钟周期，数据输出滞后3个时钟周期。
2 AD9220模数转换电路设计
AD9220模数转换电路的速率取决于输入时钟的频率，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时只能达到1MIPS的性能，输出方波的周期最小为2µs（频率为0.5MHz），此时模数转换速率最高为0.5MS/s，不能满足要求。
为了最大化实现AD9220的高速模数转换性能，需要高频率的时钟信号，往往由硬件电路来实现。例如采用可编程逻辑器件，这是高速采集卡普遍采用的方法，实现起来比较复杂。AVR系列单片机ATmega128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。其机器周期为1个时钟周期，绝大多数指令为单周期指令，比C51单片机的速度要高[4]。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。
由于ATmega128内部仅含有4K的数据存储器，当数据采集量大于4K时，采用62256(32K)扩展外部数据存储器。ATmega128与AD9220的接口电路及其数据存储器扩展电路如图3所示。
图 3 ATmega128与AD9220的接口电路及其数据存储器扩展电路
ATmega128采用16MHz晶振，机器周期为62.5ns。通过软件编程在PD5端口产生周期为125ns的方波，作为AD9220进行模数转换的时钟信号（CLK）。结合图4可知，AD9220进行一次采样需要一个时钟周期。由于每次采样后，ATmega128还要进行数据存储（一次数据存储需要62.5ns），故一次模数转换（包括数据存储）需要187.5 ns（理论值）。经测试该电路模数转换速率可达到5MS/s。
3在γ射线探测系统中应用
γ射线探测系统主要用来测量4MeV正离子静电加速器在运转过程中产生的γ射线强度及吸收剂量率，以为加速器防辐射安全提供了确切依据。主要由γ射线探测器、放大电路、峰值保持电路、高速模数转换电路、USB接口电路和PC机组成。
探测器输出与γ射线能量成正比的电压脉冲[5]经过放大后进入峰值保持电路，ATmega128控制AD9220对其峰值进行模数转换，最后由PC机发出读取数据的命令，将采集到的数据通过USB接口电路传输给上位机，并进行数据处理显示。
利用γ射线探测系统探测137CS得到的全能峰如图4所示，横坐标为能量，分4096道，纵坐标为每道的记数值。从图中右侧参数表中可以看出137CS的半高宽为174，能量分辨率为7.73%。
4 结束语
该电路模数转换的速率高达5MS/s，提高了整个γ射线探测系统探测通道的采集速率、灵敏度及能量分辨率。采用该模数转换电路的探测通道不仅能用来探测γ射线辐射，在更换探测器和进行参数调整后，还能用来探测α、β、X、快中子等不同的放射性辐射。对该模数转换电路稍加改造，还可适用于其它类似的高速数据采集系统中。
参考文献
[1]谢一冈,陈昌,王曼,等. 粒子探测器与数据获取[M]. 北京:科学出版社, 2003. 201-202
[2]基于单片机AT89S8252与A/D1674的数据采集[J]. 微计算机信息, 2005, 21(2):121-122, 185.
[3] A/D Converter AD9220 Data Sheet. Analog Device Inc, www.21icsearch.com/searchpdf/adi/1936.pdf. 2005.
[4]宋建国. AVR单片机原理及应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2000. 46-49
[5]赖万昌,葛良全,等.新型便携式微机多道γ能谱仪的研制[J].核电子学与探测技术,2004,24(1):37-40.
本文创新点：AD9220是ADI公司一款性能优良的12位高速（10MSPS）模数转换器，模数转换时序简单，易于控制实现。该高速模数转换电路采用了高速AVR单片机ATmega128作为主控制器，转换速率高，可以达到5MS/s。应用到整个γ射线探测系统中去，使整个探测通道的采集速率提高了几十倍。 作者简介：杨全玖，男，1949年9月出生。1978年7月毕业于郑州大学物理系，现任郑州大学物理工程学院测控技术与仪表专业副教授，目前主要从事探测技术及核电子学方面的研究。
联系地址：郑州市大学路75号郑州大学物理工程学院 杨全玖 邮编：450052
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