河南科技大学本科毕业设计（论文）
第3章 整体设计
本课题的研究内容是设计一个性能优良的多道脉冲幅度分析器，由上一章我们知道，多道脉冲幅度分析器的主要功能是通过模数变换器将输入的模拟信号变换成离散的数字量并将数据存储。量化电平的间距就是道宽，数字量的地址码就是道址。同时，分析器还要将存储的道址传输到电脑上，通过软件分析，最后绘出该信号的幅度谱，这就涉及到了数据传输和数据处理。在本章中我们将分析这种设计方案，并确定整体设计思路。
§3.1 数据获取
经过模数转换的道址是数据传输和数据处理的对象，我们获得道址数据的方法采用线性放电法。
§3.1.1 线性放电法模数变换原理
线性放电法模数变换在五十年代初首次用于核电子学。近三十年来，尽管电子元件已经从电子管发展到集成电路，谱仪模数变换器也越来越精密和复杂，但国内外产品至今仍有用线性放电法制作的，因为线性放电法电路简单，道宽一致性好，便于设计。
①+A②！③○○ VcCHT0 A/T01M8/mV①Vc②dVc dV11c③T0④ m⑤ T
图3-1 线性放电法模数变换原理
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图3-1所示为线性放电法模数变换原理图。为了讨沦方便，假设电路中都是理想的元器件。输入信号○1使峰值保持器中的保持电容CH充电到等于其幅度V1，输入信号下降时，二极管D截止，CH上仍保留VC＝V1的电压。这种能够在一定时间保待峰值电位的电路称为峰值保持电路或展宽器，当CH充电到峰值V1，并保持一段时间以后，控制信号○3接通开关S，CH通过恒定电流放电。同时，控制信号○3打开计数门G，时钟信号○4通过G进入地址寄存器。当CH线性放电到零，控制信号○3结束，关闭计数门G，时钟信号不能通过门G送至地址寄存器，变换结束。
线性放电法模数变换的道宽一致性比较好，温度的变化对各道的影响也基本相同。但是，在线性放电法模数变换中，由于保持电容的放电速度是每个时钟周期T0放一道，所以最大变换时间T max=LmaxT0。总道数L max增多时，变换时间必然拉得很长，这是线性放电法的主要缺点。我们可以设法让保持电容先以每个时钟周期放电几十道的速度快放电，最后的余数再以每个时钟周期放电一道的速度慢放电，可以大大地减小放电时间，这就是两级直线放电法模数变换的基本思路。
26 H/T0VC=V120 H 1 H/T0T0M1M2 T0 20地址寄存器 26地址寄存器
图3-2 两级直线放电法模数变换原理图
图3-2为两级直线放电法模数变换原理图，设总道数L max=4096=212，我们取快放电速度为26H/T0（即64H/T0），慢放电速度为20H/T0即（1H/T0）。图中，先以26H/T0的速度快放电，历4个时钟周期后VC余数小于20H。通过线路的逻辑动作，在第4个时钟周期结束时，立即变快放电为慢放电。然
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后VC慢放电到零，设，慢放电到零电压需要经历10个周期。由图可知，快放电地址脉冲m1=4，慢放电地址脉冲数m=10，我们把快放电的地址脉冲加到地址寄存器26位输入端串行计数，把慢放电的地址脉冲加到地址寄存器20位输入端串行计数，地址寄存器的置位情况就反映了测量结果。在图中，输入脉冲的幅度相当于m1×64+m1×1=4×64+10=266道。
当L=4096时用两级放电法，快放电时间最长为26T，慢放电时间最长为26T，所以最大放电时间为：
T2max=（26+26）T0=128T0 （3-1）
可见变换时间缩短了，在一般情况下，如果分析器为L=2N道，把N分为N=X+Y，即2N=2X+Y=2X2Y，如果快放电速度为2XH/T0，则快放电时间最多为2YT0。慢放电时间最多为2XT0。从原理上讲，N一定时，X和Y的数值可以有任意的组合，但是，当2X=2Y=L时，T2max最小，所以通常取X=Y，这样
T1max/T2max?12L （3-2）
即道数为L的分析器，采用LH/T0快放电和1H/T0慢放电时，变换速度比一级线性放电法 提高
12L。对设计要求中的L=8192，N=13所以当
X=Y=6.5时放电时间最小。
§3.2 数据传输
数据传输常用的有以下几种方式：串口、EPP、ISA总线接口、USB（Universal Serial Bus）接口和并口。其中串口的设计简单，传输距离较远，传输线较少，是数据传输中广泛采用的一种标准。串行接口中有几种接口标准可以选择，如RS-232、RS-422等。现在，随着USB技术的发展，这种高速的数据传输接口也被越来越多地应用于多道脉冲分析器中。由于RS-232通信比较简单，以下着重介绍RS-232、USB接口。
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§3.2.1 USB接口概述
传统的分析器用ISA或PCI接口实现PC机与采样系统的数据交换[4]。这样的接口设计有许多局限性，内置式插卡很容易受到PC机箱内高频干扰的影响，降低系统的采样精度与稳定性，同时，插槽有限且常常伴 生着 PC机的I/O、中断、地址等资源冲突等问题。再加上安装不便，配置过程十分复杂，这些内置式接口将逐渐淡出智能仪器领域。也有一些仪器外挂在PC的RS-232串口或打印接口上工作，这些接口方便，是比较普通的方法。但这些接口提供的控制与应答信号太少，用起来不仅速度慢而且非常不利于智能仪器的开发与性能充分发挥。由于PC机外设日益增多与PC机 资源有限的矛盾催生了一种新的通用串行总线—USB（Universal Serial Bus）的出现。通用串行总线USB是由Intel等厂商制定的连接计算机与具有USB接口的多种 之间串行总线。其主要特点是速度快、安装方便、即插即用、扩展性好、可有效降低成本、简化设备的配置和连接。USB总线最多可支持127个USB外设连接到计算机。
USB总线是一种串行总线，支持在主机与各式各样的即插即用的外设之间进行数据传输。它由主机预定传输数据的标准协议，在总线上的各种外设上分享USB总线带宽。当总线上的外设和主机在运行时，允许自由添加、设置、使用以及拆除一个或多个外设。 (1) USB的体系结构
一个完整的USB总线系统可以分为三部分[5]：USB总线的主机、USB总线的设备以及它们之间的互连。在任何USB总线系统中，只能有一个主机。主机系统中提供USB总线接口驱动的模块，称作USB总线主机控制器。主机系统中整合有USB总线的根（节点）集线器，通过次级的集线器则可以连接更多的外设。USB总线的外设可以分为网络集线器和功能外设两大类。
USB总线连接外设和主机时，利用菊花链的形式对端点加以扩展，形成了如图3-3所示的金字塔型的外设连接方法，有效避免了PC机上的插槽数量对扩充外设的限制，减少PC机I/O接口的数量。
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图3-3 USB总线的外设连接
(2) USB的电气特性
USB设备通过4芯电缆PC机主控制器相连，这根线分别定义为：D+、D-、VBUS、GND[6]。VBUS与GND之间可对USB外设提供不大于100Ma/5V或500mA/5V的电源，低功耗外设可以从USB总线获取供电（功耗大的需采取自供电方式工作）。D+、D-传差分式信号，通过信号线D+、D-上的J/K状态改变来识别0/1信号。USB的插头和电缆如图3-4所示。
图3-4 USB的插头和电缆
串行接口引擎（SIE）对串行数据进行编码和解码、错误效验、位填充等处理。当USB外设通过4芯电缆接入PC机的USB插口时，PC机的USB集
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