第18卷 第3期 四川理工学院学报（自然科学版） Vol．18 No．3
JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY OF
2005年9月 SCIENCE & ENGINEERING（NATURAL SCIENCE EDITION） Sep．2005
文章编号：1673-1549（2005）03-0015-04
低频信号峰值保持器的设计
周 波
（四川理工学院电子与信息工程系，四川 自贡 643000）
摘 要：论述的是两种峰值保持器的设计，我们将看见虽然理论上都可行，但其中一种比另外一种在实际应用时性能和指标更优越。我们设计峰保持时间为6us（确保后续ADC所需的时间），然后将这个峰值迅速泄放至零。
关键词：模拟开关；峰保持
中图分类号：TN722.7+3 文献标识码：A
引 言
无论是在核物理和粒子物理实验研究中，或者是在其它核科学与技术的实验应用中（如测量航空中宇宙射线强度和考察太空中卫星正常运行区域，以防止高能量的粒子损坏卫星设施等）都需要采用电子学方法对核辐射进行测量，都要对核探测器输出的信号进行处理。在能谱测量时，所测的是脉冲的峰顶幅度，但探测器输出的信号经过放大或成形后的脉冲峰顶较窄，甚至是尖顶的，不能满足幅度分析器和其它仪器的要求，这时必须要由一个峰值保持电路将脉冲的峰值保持一定的时间，再送往后续电路。但此技术长期处于向国外购买的状态，价格比较贵，原因是长期以来，国产的在电路存在两个方面的不足：一个是被测信号峰值不能很好地保持6us的时间，另一个原因是噪声太大。另一方面，国外的设备体积较大（采用分离元件构成），对于现在大规模的实验需求是不可取的。因此，我们设计了自己的峰值保持器，即将滤波成形、放大后的信号的峰值水平延迟6us（6us为ADC进行转换的必需时间）后将这个峰值迅速泄放至零。这样，所测粒子的强度可以由计算机进行信号的处理和分析，让远离现场的实验人员可以很方便地掌握核辐射的强度。
在实验的过程中，我们采用了两种原理来构建，但我们最终采用了第二种方法来完成我们对于主放仪器的研制（不仅包括峰保持，还包括滤波成形的功能）。实践证明它不仅满足了我们对能谱测量线性测量的要求，同时其峰值保持的时间完全能够满足ADC的需要，因而使得该仪器的研制获得成功。 1 基本原理
a 信号 b 信号
图1 系统被测信号和被处理信号
收稿日期：2005-02-16
作者简介：周 波（1972 -），女，四川自贡人，硕士，主要从事电子技术研究。
16 四川理工学院学报（自然科学版） 2005年9月
如图1所示a信号为上升时间为10ns的尖脉冲信号，既可以是连续的又可以是单脉冲信号；b信号为a信号经过滤波成形后的半高斯波形（这种波形使得器件的躁声贡献最低），其幅度在10mv至10v以内、频率为1MHz以内的连续或单脉冲信号，我们将这种信号的峰值保持6us，然后将这个峰值迅速泄放至零。它们与输出的关系见图5所示。
图2是我们最先使用的一种办法。它包括比较器、单稳态、模拟开关、峰值保持电路等几个环节。 图3是我们最终采用的办法。它包括电路包括保持电路、两级前沿比较电路、6级反相电路、两级单稳态、D触发器、模拟开关。
图2 第一种峰保持电路原理
图3 （a）保持电路
（b）控制电路2 原理比较分析
（1）图2原理分析
我们在调试按照图二搭建的电路的时候发现：
第18卷 第3期 周 波：低频信号峰值保持器的设计 17
如果将两个二极管以短路线代替以及将C点断开，我们将得到线性非常好，上升速度非常快的峰值跟随波形。
一旦我们将C点连通，我们将看见波形在不到6us的时候峰值就衰减得非常厉害，我们为了防止信号的衰减，在A3和D之间加了两级串联反向二极管，而且用的是锗二极管，可是从示波器上我们看见的波形又有了两个问题：一个是波形的上升沿变得非常不平滑，另一方面是波形的峰值总比输入波形的峰值小0.2V左右。在我们的不断改进下，我们发现第二个问题就是解决不了。因此我们彻底放弃该原理的使用。
（2）图3原理分析
如图3所示，峰值保持电路主要由保持和控制两部分组成。其中保持电路由RC积分电路来完成，如图3（a）所示；而控制电路则由以下一些框图构成，如图3（b）所示。
其工作原理是：
① 对于保持电路来说，它不仅有R和C；还有两个模拟开关，其中一个是常闭开关K2(与电容并联)，一个是常开开关K1(与电阻串联)。当有输入时, K1闭合, K2断开，进行C的积分；由于RC的取值较小，故电容迅速充电，到达峰值后，保持几个微秒(由于模拟开关的断开电阻几乎为∞，故在此期间的电容电压泄放几乎为零)，然后在模拟开关的控制信号作用下，将K1断开，而K2闭合，对电容进行迅速放电，直至电压为零。值得注意的是K2的控制信号应该比K1的控制信号慢一些(ns数量级的时间)，否则信号的噪声会比较大一些。
② 对于控制电路来说，主要有两个前沿比较器和两级单稳态，以及一个D触发器。如图3（b）所示。
一方面，1信号来自第二级10倍放大电路处,我们将此信号经过一个前沿比较器，产生的信号经过两级反相后，变成典型的TTL信号；再以此信号触发一级单稳态电路，产生一个宽度可调的Q信号；再以此信号去驱动另一级单稳态电路，使之产生一个脉宽极小的清零脉冲5。
图4 峰保持的实际电路部分
另一方面，2信号来自极零补偿处，我们将此信号经过另一个前沿比较器和两级反相器，产生一个标准的TTL电平信号6；这个信号将使D触发器的Q输出变为高电平，当脉冲5到来时将使Q的输出清零。我们将这样的Q输出去驱动一个模拟开关的控制信号，控制模拟开关K1；而将D触发器的Q信号经过一级反相(起到延时的作用)后去驱动另一个模拟开关的控制信号，控制模拟开关K2。
这两部分电路结合起来如图4所示。K2对应图4中的右上脚的MAX314模拟开关，K1对应图4中的另一个MAX314模拟开关。
由上所述，我们可以看出峰值保持器处理的是1MHz以内的低频信号，但能分辨ns级的高频信号。
18 四川理工学院学报（自然科学版） 2005年9月 3 结 论
（1）输出波形
我们的信号源采用美国EG&G ORTEC公司生产的Model 419
精密脉冲产生器，将信号（如图1所示）输入我们的主放，在输出
端我们用示波器观察峰值保持的输出。其中横坐标为时间，单位是
us，纵坐标是对应输入波形幅度的输出波形幅度，可以看到如图5
波形所示。
可以看出：峰保持输出波形上冲到峰值后，能够保持6us，然后
将该峰值迅速泄放到零（在几个ns内完成泄放）。另外，幅度可以
通过调整反馈电容来严格跟随输入的峰值，所以峰值的保持效果非
常好。
（2）线性测试数据
经过计算，我们得到非线性指标为： 0.12％。同等条件下由分立元件构
建的、电路较为复杂的EG&G ORTEC公司生产的Model 673的非线性指标为0.09
％。可见我们的研制是成功的。 4 结束语
事实说明该设计满足了设计的要求，是成功的。由于该设计方案不仅简单(电路规模大约为进口仪器的四分之一左右)、价格低（大约为进口仪器的十分之一）而且电路性能可靠，能够满足大规模的应用，有良好的应用前景。
参 考 文 献：
[1] EG&G ORTEC, Model 673 Spectroscopy Amplifier and Gate Integrator Operating and Service Manual.
[2] 清华大学电子学教研组. 数字电子计数基础简明教程[M]. 北京：高等教育出版社, 1991.
[3] 王芝英. 核电子技术原理[M]. 北京：原子能出版社, 1989.
Design of Peak Holding
ZHOU Bo
(Dept.of Electronis and information Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China) Abstract: Two kind of peak holding are introduced. The theories are correct, but we can see that the second is better than the first in practice. The peak value can be holded in 6 us (that enough for the time of ADC later).Then the peak value is released down to zero in very moment.
Key words:
analog switches; peak holding
第18卷 第3期 四川理工学院学报（自然科学版） Vol．18 No．3
JOURNAL OF SICHUAN UNIVERSITY OF
2005年9月 SCIENCE & ENGINEERING（NATURAL SCIENCE EDITION） Sep．2005
文章编号：1673-1549（2005）03-0015-04
低频信号峰值保持器的设计
周 波
（四川理工学院电子与信息工程系，四川 自贡 643000）
摘 要：论述的是两种峰值保持器的设计，我们将看见虽然理论上都可行，但其中一种比另外一种在实际应用时性能和指标更优越。我们设计峰保持时间为6us（确保后续ADC所需的时间），然后将这个峰值迅速泄放至零。
关键词：模拟开关；峰保持
中图分类号：TN722.7+3 文献标识码：A
引 言
无论是在核物理和粒子物理实验研究中，或者是在其它核科学与技术的实验应用中（如测量航空中宇宙射线强度和考察太空中卫星正常运行区域，以防止高能量的粒子损坏卫星设施等）都需要采用电子学方法对核辐射进行测量，都要对核探测器输出的信号进行处理。在能谱测量时，所测的是脉冲的峰顶幅度，但探测器输出的信号经过放大或成形后的脉冲峰顶较窄，甚至是尖顶的，不能满足幅度分析器和其它仪器的要求，这时必须要由一个峰值保持电路将脉冲的峰值保持一定的时间，再送往后续电路。但此技术长期处于向国外购买的状态，价格比较贵，原因是长期以来，国产的在电路存在两个方面的不足：一个是被测信号峰值不能很好地保持6us的时间，另一个原因是噪声太大。另一方面，国外的设备体积较大（采用分离元件构成），对于现在大规模的实验需求是不可取的。因此，我们设计了自己的峰值保持器，即将滤波成形、放大后的信号的峰值水平延迟6us（6us为ADC进行转换的必需时间）后将这个峰值迅速泄放至零。这样，所测粒子的强度可以由计算机进行信号的处理和分析，让远离现场的实验人员可以很方便地掌握核辐射的强度。
在实验的过程中，我们采用了两种原理来构建，但我们最终采用了第二种方法来完成我们对于主放仪器的研制（不仅包括峰保持，还包括滤波成形的功能）。实践证明它不仅满足了我们对能谱测量线性测量的要求，同时其峰值保持的时间完全能够满足ADC的需要，因而使得该仪器的研制获得成功。 1 基本原理
a 信号 b 信号
图1 系统被测信号和被处理信号
收稿日期：2005-02-16
作者简介：周 波（1972 -），女，四川自贡人，硕士，主要从事电子技术研究。
16 四川理工学院学报（自然科学版） 2005年9月
如图1所示a信号为上升时间为10ns的尖脉冲信号，既可以是连续的又可以是单脉冲信号；b信号为a信号经过滤波成形后的半高斯波形（这种波形使得器件的躁声贡献最低），其幅度在10mv至10v以内、频率为1MHz以内的连续或单脉冲信号，我们将这种信号的峰值保持6us，然后将这个峰值迅速泄放至零。它们与输出的关系见图5所示。
图2是我们最先使用的一种办法。它包括比较器、单稳态、模拟开关、峰值保持电路等几个环节。 图3是我们最终采用的办法。它包括电路包括保持电路、两级前沿比较电路、6级反相电路、两级单稳态、D触发器、模拟开关。
图2 第一种峰保持电路原理
图3 （a）保持电路
（b）控制电路2 原理比较分析
（1）图2原理分析
我们在调试按照图二搭建的电路的时候发现：
第18卷 第3期 周 波：低频信号峰值保持器的设计 17
如果将两个二极管以短路线代替以及将C点断开，我们将得到线性非常好，上升速度非常快的峰值跟随波形。
一旦我们将C点连通，我们将看见波形在不到6us的时候峰值就衰减得非常厉害，我们为了防止信号的衰减，在A3和D之间加了两级串联反向二极管，而且用的是锗二极管，可是从示波器上我们看见的波形又有了两个问题：一个是波形的上升沿变得非常不平滑，另一方面是波形的峰值总比输入波形的峰值小0.2V左右。在我们的不断改进下，我们发现第二个问题就是解决不了。因此我们彻底放弃该原理的使用。
（2）图3原理分析
如图3所示，峰值保持电路主要由保持和控制两部分组成。其中保持电路由RC积分电路来完成，如图3（a）所示；而控制电路则由以下一些框图构成，如图3（b）所示。
其工作原理是：
① 对于保持电路来说，它不仅有R和C；还有两个模拟开关，其中一个是常闭开关K2(与电容并联)，一个是常开开关K1(与电阻串联)。当有输入时, K1闭合, K2断开，进行C的积分；由于RC的取值较小，故电容迅速充电，到达峰值后，保持几个微秒(由于模拟开关的断开电阻几乎为∞，故在此期间的电容电压泄放几乎为零)，然后在模拟开关的控制信号作用下，将K1断开，而K2闭合，对电容进行迅速放电，直至电压为零。值得注意的是K2的控制信号应该比K1的控制信号慢一些(ns数量级的时间)，否则信号的噪声会比较大一些。
② 对于控制电路来说，主要有两个前沿比较器和两级单稳态，以及一个D触发器。如图3（b）所示。
一方面，1信号来自第二级10倍放大电路处,我们将此信号经过一个前沿比较器，产生的信号经过两级反相后，变成典型的TTL信号；再以此信号触发一级单稳态电路，产生一个宽度可调的Q信号；再以此信号去驱动另一级单稳态电路，使之产生一个脉宽极小的清零脉冲5。
图4 峰保持的实际电路部分
另一方面，2信号来自极零补偿处，我们将此信号经过另一个前沿比较器和两级反相器，产生一个标准的TTL电平信号6；这个信号将使D触发器的Q输出变为高电平，当脉冲5到来时将使Q的输出清零。我们将这样的Q输出去驱动一个模拟开关的控制信号，控制模拟开关K1；而将D触发器的Q信号经过一级反相(起到延时的作用)后去驱动另一个模拟开关的控制信号，控制模拟开关K2。
这两部分电路结合起来如图4所示。K2对应图4中的右上脚的MAX314模拟开关，K1对应图4中的另一个MAX314模拟开关。
由上所述，我们可以看出峰值保持器处理的是1MHz以内的低频信号，但能分辨ns级的高频信号。
18 四川理工学院学报（自然科学版） 2005年9月 3 结 论
（1）输出波形
我们的信号源采用美国EG&G ORTEC公司生产的Model 419
精密脉冲产生器，将信号（如图1所示）输入我们的主放，在输出
端我们用示波器观察峰值保持的输出。其中横坐标为时间，单位是
us，纵坐标是对应输入波形幅度的输出波形幅度，可以看到如图5
波形所示。
可以看出：峰保持输出波形上冲到峰值后，能够保持6us，然后
将该峰值迅速泄放到零（在几个ns内完成泄放）。另外，幅度可以
通过调整反馈电容来严格跟随输入的峰值，所以峰值的保持效果非
常好。
（2）线性测试数据
经过计算，我们得到非线性指标为： 0.12％。同等条件下由分立元件构
建的、电路较为复杂的EG&G ORTEC公司生产的Model 673的非线性指标为0.09
％。可见我们的研制是成功的。 4 结束语
事实说明该设计满足了设计的要求，是成功的。由于该设计方案不仅简单(电路规模大约为进口仪器的四分之一左右)、价格低（大约为进口仪器的十分之一）而且电路性能可靠，能够满足大规模的应用，有良好的应用前景。
参 考 文 献：
[1] EG&G ORTEC, Model 673 Spectroscopy Amplifier and Gate Integrator Operating and Service Manual.
[2] 清华大学电子学教研组. 数字电子计数基础简明教程[M]. 北京：高等教育出版社, 1991.
[3] 王芝英. 核电子技术原理[M]. 北京：原子能出版社, 1989.
Design of Peak Holding
ZHOU Bo
(Dept.of Electronis and information Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China) Abstract: Two kind of peak holding are introduced. The theories are correct, but we can see that the second is better than the first in practice. The peak value can be holded in 6 us (that enough for the time of ADC later).Then the peak value is released down to zero in very moment.
Key words:
analog switches; peak holding