Thiết kế và chế tạo máy phân tích đa kênh ghép máy tính qua cổng USB

Journal of Thu Dau Mot university, N^o5(7) – 2012

THIEÁT KEÁ VAØ CHEÁ TAÏO MAÙY PHAÂN TÍCH ÑA KEÂNH

GHEÙP MAÙY TÍNH QUA COÅNG USB

Nguyeãn Vaên Sôn

Tröôøng Ñaïi hoïc Thuû Daàu Moät

TOÙM TAÉT

Baøi baùo naøy giôùi thieäu vieäc thieát keá phaàn cöùng vaø giaûi thuaät phaàn meàm maùy phaân tích

ña keânh (1024 keânh) gheùp vôùi maùy tính qua coång USB, moät phöông aùn khaû thi vaø reû tieàn ñeå

cheá taïo maùy ña keânh. Phaàn cöùng: Thieát keá vaø cheá taïo caùc khoái chöùc naêng cuûa maùy phaân tích

ña keânh goàm: Khoái khueách ñaïi phoå vaø phaùt xung ñieàu khieån ADC; Khoái nguoàn nuoâi cao aùp;

Khoái logic vaø giao tieáp PC qua coång USB; Khoái nguoàn nuoâi theá thaáp. Phaàn meàm goàm phaàn

giaûi thuaät ñieàu khieån vaø thu thaäp döõ lieäu treân maùy vi tính vaø caùc coâng cuï thieát yeáu cuûa maùy

ña keânh. Caùc ñaëc tröng kó thuaät caên baûn cuûa heä cheá taïo ño ñöôïc laø ñoä phaân giaûi naêng löôïng

40 keV taïi ñænh Cs-137 664keV duøng vôùi detector nhaáp nhaùy Bicron Model 302-2x2 cuûa

CANBERRA, ñoä troâi phoå nhoû hôn ± 0.01%^oC treân toaøn thang ño, ñoä phi tuyeán tích phaân

nhoû hôn ± 0.05% treân toaøn thang ño, ñoä phi tuyeán vi phaân nhoû hôn ± 3.4% treân toaøn thang

ño. Vôùi caùc ñaëc tröng vöøa neâu, maùy ñöôïc thieát keá vaø cheá taïo khaû naêng ñaùp öùng nhu caàu

thöïc taäp moân vaät lí haït nhaân cuûa sinh vieân ngaønh vaät lí haït nhaân.

Töø khoùa: maùy phaân tích ña keânh, khueách ñaïi phoå

*

Caùc maùy phaân tích ña keânh hôïp boä nhö

maùy phaân tích ña keânh serie 30, serie 40

cuûa Canberra raát ñaét tieàn vaø quaù phöùc taïp

ñeå thieát keá vaø cheá taïo ôû ñieàu kieän Vieät Nam,

moät phöông aùn khaû thi vaø reû tieàn laø cheá taïo

maùy phaân tích ña keânh gheùp vôùi maùy vi

tính. Thieát keá maùy phaân tích ña keânh baèng

thieát bò aûo treân maùy vi tính coù caùc thuaän lôïi:

phaàn cöùng keát noái vôùi maùy vi tính khoâng

quaù phöùc taïp, thuaän tieän cho vieäc thieát keá vaø

thi coâng; treân phaàn cöùng keát noái vôùi maùy vi

tính khoâng coøn caùc phuï kieän nhö boä chuyeån

keânh, caùc nuùm bieán trôû, coâng taéc… maø caùc

phuï kieän naøy trôû thaønh caùc phuï kieän aûo treân

maøn hình maùy vi tính. Thöïc hieän ñeà taøi naøy

goùp phaàn giaûi quyeát vaán ñeà thieáu thoán veà

thieát bò taïi caùc phoøng thí nghieäm vaät lí haït

nhaân maø maùy phaân tích ña keânh laø thieát bò

1. Giôùi thieäu

Maùy phaân tích ña keânh laø thieát bò chuû löïc

cuûa caùc phoøng thí nghieäm vaät lí haït nhaân.

Laâu nay thieát bò naøy vaãn phaûi nhapä ngoaïi vaø

ñaây laø thieát bò ñaét tieàn. Neáu töï cheá taïo ñöôïc

maùy phaân tích ña keânh thì seõ chuû ñoäng cung

caáp thieát bò. Ngoaøi vaná ñeà veà kinh teá, töï cheá

taïo maùy ña keânh conø coù caùc yù nghóa sau:

- Cung caáp maõ nguoàn cuûa thieát bò cho

ngöôøi söû duïng, cho pheùp ngöôøi söû duïng phaùt

trieån caùc coâng cuï phaân tích vaø thu thaäp döõ

lieäu. Ñieàu naøy laø khoâng theå coù ñöôïc neáu

mua thieát bò cuûa nöôùc ngoaøi.

- Cheá taïo maùy phaân tích ña keânh taïo tieàn

ñeà ñeå cheá taïo caùc thieát bò khaùc cho phoøng thí

nghieäm vaät lí haït nhanâ theo yeâu caàu cuûa vieäc

nghieân cöùu veà vaät lí haït nhaân.

10

Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 5(7) - 2012

chuû löïc. Do ñaây laø ñeà taøi thöû nghieäm neân soá

FET neân coù taïp aâm thaáp vaø ñaùp öùng töông

ñoái nhanh. Ñaàu vaøo cuûa khueách ñaïi tuyeán

tính laø maïch boå chính pole-zero ñeå trieät

böôùu aâm. Boä phaän tích phaân hoaït goàm

U4B, U4C, U4D , taùc duïng boä phaän tích

phaân hoaït laø söûa daïng xung thaønh daïng

Gauss. Boä phaän ñieàu khieån heä soá khueách

ñaïi xaây döïng treân bieán trôû soá MCP41010

cuûa haõng Microchip, bieán trôû soá 8 bit neân

coù 256 möùc chænh heä soá khueách ñaïi. Maïch

phuïc hoài ñöôøng khoâng (phuïc hoài möùc cô

baûn) goàm caùc linh kieän: U5A, U5C vaø U5D.

Nguyeân taéc maïch phuïc hoài ñöôøng khoâng laø

söû duïng voøng phaûn hoài aâm thaønh phaàn DC

ñeå oån ñònh möùc moät chieàu. U5C laø maïch tích

phaân ñeå laáy thaønh phaàn moät chieàu cuûa voøng

phaûn hoài. U5A laø taàng khueách ñaïi ñeäm

Av=1, trôû khaùng loái vaøo lôùn, trôû khaùng loái ra

beù. U5D laø taàng khueách ñaïi ñaûo daáu. Coång

phuïc hoài ñöôøng cô baûn goàm caùc linh kieän:

U5B, U9, U8A, caëp vi sai Q1, Q2 vaø U7.

keânh thieát keá chæ laø 1024 keânh khoâng baèng

soá keânh caùc maùy phaân tích ña keânh hieän ñaïi

cuûa nöôùc ngoaøi laø 2048, 4096 keânh, nhöng

vôùi soá keânh naøy cuøng vôùi chæ tieâu ñoä phaân

giaûi naêng löôïng toát cuõng ñuû thoûa maõn veà

chaát löôïng cho sinh vieân laøm caùc baøi thí

nghieäm vaät lí haït nhaân.

2. Noäi dung

2.1. Khoái khueách ñaïi phoå vaø khoái logic

phaùt xung ñieàu khieån ADC

Khoái khueách ñaïi phoå goàm caùc boä phaän:

boä phaän khueách ñaïi tuyeán tính, boä phaän

tích phaân hoaït, maïch phuïc hoài ñöôøng

khoâng (BLR: Base Line Restorer), coång

phuïc hoài ñöôøng cô baûn (Base Line Restorer

Gating) vaø boä phaän ñieàu khieån heä soá

khueách ñaïi. Boä phaän khueách ñaïi tuyeán tính

xaây döïng treân caùc IC U1, U2, U3 vaø U4.

U1, U2 laø OP37 ñaùp öùng nhanh vaø taïp aâm

thaáp, U3, U4A laø TL084 laø OP-AM loái vaøo

Hình 1: Sô ñoà nguyeân lí khoái khueách ñaïi phoå

Maïch phuïc hoài ñöôøng cô baûn taùc ñoäng khi

khoâng coù xung xuaát hieän, khi coù xung xuaát

hieän caàn laøm maát taùc ñoäng maïch phuïc hoài

ñöôøng cô baûn. U9 laø taàng ngöôõng ñeå phaùt

hieän coù xung, U8A laø maïch ñôn oån ñeå phaùt

xung coù ñoä roäng bao phuû xung, caëp vi sai

11

Journal of Thu Dau Mot university, N^o5(7) – 2012

Q1-Q2 coù chöùc naêng boä khoùa doøng phaân cöïc

cho U7 trong thôøi gian xuaát hieän xung laøm

xoùa ñi taùc ñoäng maïch phuïc hoài ñöôøng

khoâng trong thôøi gian xung xuaát hieän.

Sô ñoà nguyeân lí khoiá logic phatù xung ñieàu

khieån ADC cho vi ñieàu khieån trenâ hình 2. Loái

ñaïi pho.å U3A, D1, C19 taïo thaønh taàng giöõ

ñænh, daïng xung giöõ ñænh ñöôïc khuecá h ñaïi ñeäm

nhôø U3C phuïc vuï cho bieán ñoåi AD. Khoái phaùt

xung ñieàu khieån ADC xaây döïng treân 2 ñôn oån

CD4528, hoaït ñoäng khoái phaùt xung naøy minh

hoïa baèng giaûn ñoà xung treân hình 3.

vaøo cuûa taàng naøy noiá tôiù loái ra cuûa khoái khueách

INPUT

R20 10 12V

5V

POT4

1K

C15

C16

0.1uF

10uF

C20 0.01uF

U4

2

5

6

U3B

R24 1k

POT5

10K

2

+

-

7

1

2

CX

RCX

6

7

To RD4

TL084

ZEN 4.7V

D2

D1

3

2

U3A

1N4148

4

5

+

-

1

R22

10k

5V

TL084

C19

0.01uF

5V

3

R

C21

2

From RB4

C17

C18

10uF

POT6

1K

1nF

10

U3C

8

15

14

+

0.1uF

CX

RCX

10

9

-

Q1

TL084

12

11

1

C1815

R21 10

1

-12V

13

R

CD4528

5V

To AN0

R23 10k

Hình 2: Khoái logic phaùt xung ñieàu khieån ADC cho vi ñieàu khieån

vi ñieàu khieån PIC18F4550 vôùi caùc lí do: 1)

Vi ñieàu khieån naøy coù ADC 10 bit töông öùng

vôùi 1024 keânh cuûa maùy phaân tích ; 2) Vi

ñieàu khieån naøy tích hôïp coång USB 2.0. Vi

ñieàu khieån naøy ñaûm nhaän caùc chöùc naêng:

- Bieán ñoåi AD: Xung khueách ñaïi phoå

ñöôïc giöõ ñænh ñöa vaøo pin 2 (AN0) ñeå bieán

ñoåi AD. Möùc logic cao taïi RD4 töø khoái phaùt

xung ñieàu khieån ADC duøng laøm tín hieäu baét

ñaàu bieán ñoåi AD. Sau khoaûng thôøi gian bieán

ñoåi AD (15 us) tín hieäu ra taïi chaân 10 U4

kích daãn transistor Q1 ñeå xoùa ñieän tích

treân tuï giöõ ñænh C19.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Hình 3: Giaûn ñoà xung khoái phaùt xung ñieàu khieån

ADC: (a) Tín hieäu loái vaøo (+) U3A; (b) Tín hieäu loái

ra giöõ ñænh taïi loái ra U3C; (c) Tín hieäu loái ra U3A;

(d) Tín hieäu ra taïi chaân 6 U4, ñoä roäng 15us; (e) Tín

hieäu ra taïi chaân 10 U4 duøng ñeå xoùa ñieän tích treân

tuï C19, ñoä roäng 2 us

- Ñieàu khieån heä soá khueách ñaïi: Vi

ñieàu khieån ñieàu khieån heä soá khueách ñaïi

cuûa khueách ñaïi phoå thoâng qua caùc ñöôøng

daây ñieàu khieån RB5, RB6, RB7 tôùi vi

maïch bieán trôû soá MCP41010 taïi maïch

khueách ñaïi phoå.

2.2. Khoái ñieàu khieån

Sô ñoà nguyeân lí khoái ñieàu khieån treân

hình 4. Khoái ñieàu khieån ñöôïc xaây döïng treân

12

Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 5(7) - 2012

VDD=5V

R37

4.7K

U8 PIC18F4550

1

2

40

39

38

37

36

35

34

33

32

31

30

29

28

27

26

25

24

23

22

21

VDD=5V

RB7

RB6

RB5

RB4

MCLR/Vpp/RE3

RA0/AN0

RB7

RB6

AN0

3

U9

RA1/AN1

RB5

VCC=12V

4

MCP41010

RA2/AN2/VREF-/CVREF

RA3/AN3/VREF+

RA4/TOCKI

RA5/SS

RB4

R38

526

U10

5

RB3

CS

VDD

LM324A

-

+

6

2

3

RB2

SCK

SI

B

W

A

1

CTL- HV

7

RB1

U10A

8

RE0/RD

RB0/INT

VDD

Vss

9

VDD=5V

RE1/WR

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

-VCC=-12V

C25

100nF

RE2/CS

Vss

VDD=5V

VDD

RD7/PSP7

RD6/PSP6

RD5/PSP5

RD4/PSP4

RC7/RX/DT

RC6/TX/CK

RC5/D+/VP

RC4/D-/VM

RD3/PSP3

RD2/PSP2

C24

100nF

20MHz

Vss

X1

OSC1/CLKIN

OSC2/CLKOUT

RC0/T1OSO/T1CKI

RC1/T1OSI/CCP2

RC2/CCP1

VUSB

C22

C23

RD4

20pF

CONN USB

4

3

2

1

3

2

1

RD0/PSP0

RD1/PSP1

Hình 4: Sô ñoà nguyeân lí taàng vi ñieàu khieån ñieàu khieån caùc quaù trình trong maùy phaân tích

vaø giao tieáp vôùi maùy tính

50%) vaø taïo xung pha ngöôïc nhau laáy ra taïi Q

2.3. Khoái cao theá

Q

vaø

cuûa U5A. Caùc linh kieän D6,C11, R32 vaø

Sô ñoà nguyeân lí treân hình 5. Khoái cao

theá coù theå phaân thaønh caùc khoái chöùc naêng:

dao ñoäng (U6); taïo xung ñieàu khieån cho 2

MOSFET (U5A,U4A-U4D); linh kieän ngaét-

môû laø MOSFET IRF840 (Q3, Q4), taïo xung

cao aùp nhôø bieán aùp ferit T1; chænh löu taïo

ñieän aùp döông (D6, D7) vaø caùc tuï ñieän (C5,

C6, C9); chænh löu taïo ñieän aùp aâm (D8, D9)

vaø caùc tuï ñieän (C7, C8, C10); khoái phaûn hoài

taïo oån ñònh cao aùp (U1C, U1D, U1A, U1B,

U2B vaø Q1, Q2); khoái baûo veä quaù cao aùp

(U2C, U2A, U3B, U3A); khoái baûo veä quaù

doøng cho Q3 vaø Q4 (U3D, U3A).

Khoái dao ñoäng vaø taïo xung ñieàu khieån

ngaét môû cho MOSFET: dao ñoäng nhôø U6 –

LM555, taàn soá dao ñoäng ñöôïc ñieàu chænh

nhôø bieán trôû POT5 ñeå coù taàn soá dao ñoäng laëp

laïi côõ 32KHz, tæ soá ñoä roäng xung (duty

factor) laø tuøy yù. Xung dao ñoäng töø U6 –

LM555 ñöa ñeán boä chia ñoâi taàn soá treân U5A-

CD4013B, muïc ñích vieäc chia ñoâi taàn soá laø

cho ra xung caân xöùng (heä soá ñoä roäng xung laø

D7,C12, R33 coù coâng duïng co hepï ñoä roäng

xung, heä soá ñoä roäng xung beù hôn 50% coù coâng

duïng traùnh hieän töôïng 1 MOSFET chöa taét

haún trong khi MOSFET kia ñaõ kích daãn.

Khoái taïo xung cao aùp vaø chænh löu:

Taêng bieân ñoä xung nhôø bieán aùp, ñeå bieân ñoä

xung ñöôïc 1KV vaø khi chænh löu nhaân hai

ñöôïc 2KVDC tæ soá bieán aùp phaûi thoûa maõn laø

1:100. Chænh löu döông nhaân hai ñieän aùp

nhôø diode D6, D7 vaø C5, C6, san baèng

nhaáp nhoâ nhôø R30, C9. Töông töï, phaàn

chænh löu aâm goàm caùc linh kieän D8, D9, C7,

C8 vaø san baèng nhaáp nhoâ nhôø R31, C10.

Khoái phaûn hoài taïo oån ñònh cao aùp: Boä

phaän laáy maãu ñieän aùp goàm R8, R9 vaø

POT1, khueách ñaïi ñieän aùp laáy maãu U1C,

U1A, U1B vaø khueách ñaïi ñaûo daáu khi duøng

cao aùp cöïc tính aâm laø U1D, khueách ñaïi so

saùnh laø U2B, ñieän aùp chuaån ñöa vaøo ñaàu

treân cuûa bieán trôû POT2, ñieän aùp chuaån naøy

laø thay ñoåi ñeå mong muoán ñieän aùp loái ra

13

Journal of Thu Dau Mot university, N^o5(7) – 2012

thay ñoåi vaø laáy töø board logic (taïi chaân

CTL-HV). Ñieän aùp loái ra khueách ñaïi so

saùnh ñöôïc ñeäm nhôø Q1 vaø Q2 ñeå caáp ñieän

aùp nuoâi cho bieán aùp xung T1.

Khoái baûo veä: Goàm baûo veä quaù cao aùp vaø

baûo veä quaù doøng cho 2 MOSFET. Khoái baûo

veä quaù cao aùp goàm: khueách ñaïi ñeäm U2C;

khueách ñaïi so saùnh U3B vaø transistor Q5.

Khi ñieän aùp cao aùp loái ra cao quaù möùc qui

ñònh, loái ra U3B leân möùc cao laøm Q5 daãn,

keùo ñieän theá nuoâi cho bieán aùp T1 veà khoâng,

ñoàng thôøi LED D5 saùng baùo coù söï coá baûo

veä. Baûo veä quaù doøng cho MOSFET goàm:

ñieän trôû laáy maãu doøng R21; khueách ñaïi so

saùnh U3D.

Khi coù hieän töôïng quaù doøng, loái ra U3D

leân cao laøm Q5 daãn, keùo ñieän theá nuoâi cho

bieán aùp T1 veà khoâng.

Caùc ñaëc tröng kó thuaät thieát keá khoái

nguoàn cao aùp:

- Ñieän aùp ra töø 0V ñená 2 kV treân 256 böôùc.

- Doøng cao aùp cöïc ñaïi laø 10mA taïi

2000V, coù nghóa coâng suaát cöïc ñaïi nguoàn

cao aùp laø 10VA.

- Ñoåi cöïc tính nguoàn cao aùp baèng boä

chuyeån cô khí.

Hình 5: Sô ñoà nguyeân lí khoái cao theá

2.4. Khoái nguoàn nuoâi ñieän aùp thaáp

Sô ñoà nguyeân lí treân hình 6. Khoái nguoàn

nuoâi ñieän aùp thaáp ñöôïc xaây döïng treân bieán

aùp haï aùp T2 220VAC/15VAC, 15VAC, 40VA

. Caùc linh kieän R38, R39, T3,C26, C27, C28

taïo thaønh boä loïc ñieän löôùi (line filter). Chænh

löu 2 baùn kì ñieän aùp döông: D14; D15; C29.

OÅn aùp 12V, 5V nhôø IC U11 vaø U12. Chænh

löu 2 baùn kì ñieän aùp aâm: D16; D17; C30. OÅn

aùp -12V nhôø IC U13.

14

Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 5(7) - 2012

OUTPUT 12V

U11

U12

D14 1N4007

LM7812

LM7805

C27

15VAC

1

3

1

3

OUTPUT 5V

VI

VO

VI

VO

R38

C31

C33

1

4

5

6

8

C29

C30

T2

D15 1N4007

0VAC

C26

T3

220VAC

D16 1N4007

C32

R39

C28

1

3

OUTPUT -12V

VI

VO

15VAC

D17 1N4007

LM7912

U13

Hình 6: Sô ñoà nguyeân lí nguoàn nuoâi ñieän aùp thaáp

2.5. Giaûi thuaät ñieàu khieån, thu nhaän

phoå vaø caùc coâng cuï tieän ích

Giaûi thuaät ñoùng – môû vaø ñieàu khieån

ñieän aùp cao aùp, ñieàu khieån heä soá khueách ñaïi

khoái khueách ñaïi:

Maùy vi tính ñieàu khieån cho vi ñieàu

khieån taïi maùy phaân tích baèng caùch göûi 2

byte qua coång USB, byte thöù nhaát taïm goïi

laø maõ leänh ñeå ra leänh cho vi ñieàu khieån

laøm coâng vieäc gì, byte thöù 2 laø döõ lieäu coâng

vieäc caàn ñieàu khieån. Sau ñaây laø baûng toång

keát qui öôùc caùc byte ñieàu khieån chuyeån töø

maùy tính ñeán vi ñieàu khieån.

Ñieàu khieån ñieän apù cao aùp: Khi vi ñieàu

khieån nhanä byte thöù nhaát laø soá 2, byte thöù laø

con soá 0-255, vi ñieàu khieån laáy döõ lieäu ôû byte

thöù hai ñieàu khieån bieán trôû soá U9-MCP41010

baèng giao thöùc SPI (taïi maïch logic).

MCP41010 laø bieán trôû soá

. Khi döõ lieäu

10KW

byte thöù hai laø 255, ñieåm giöõa W cuaû bieán trôû

soá ñi veà ñieåm A vaø coù ñieän theá banè g 5V, ñieän

theá loái ra naøy ñöôïc ñeäm bôûi U10-LM324 (taïi

maïch logic) töông öùng vôùi ñieän theá cao aùp loái

ra cöïc ñaïi laø 2kV. Töø 0V ñeán 2KV ñöôïc chia

thaønh 255 böôùc, moãi böôùc öùng vôùi 8V.

Ñieàu khienå heä soá khueách ñaïi khoái khueách

ñaïi: Khi vi ñieàu khienå nhaän byte thöù nhaát laø

soá 3, byte döõ lieäu thöù hai vi ñieàu khieån duøng ñeå

ñieàu khienå bieán trôû soá MCP41010 (taïi maïch

khueách ñaiï phoå). Heä soá truyeàn cuûa bieán trôû soá

tính theo conâ g thöùc sau:

Coâng vieäc ñieàu

khieån

Byte thöù nhaát

(maõ leänh)

Byte thöù hai

(döõ lieäu)

(daïng soá thaäp

phaân)

(daïng soá thaäp

phaân)

Ñoùng – môû cao aùp

01

0: taét cao aùp

1: môû cao aùp

0 - 255

R_WA

A_V=

(1)

Ñieàu khieån ñieän aùp

cao aùp

02

03

R_AB

Giaûi thuaät hieån thò phoå: Moät ñieåm phoå

töôïng tröng bôûi moät ñieåm (Shape1(i)), ñoä cao

laø haøm cuûa soá ñeám M(i) vaø giaù trò thanh

Ñieàu khieån heä soá

khueách ñaïi khoái

khueách ñaïi

0-255

cuoán Vscroll1, ñoaïn maõ nguoàn hieån thò phoå:

Baûng 1: Baûng toång keát qui öôùc caùc byte ñieàu khieån

For i=0 to 1023

chuyeån töø maùy tính ñeán vi ñieàu khieån

Shape1(i).top=5800 – Vscroll1.Value*M(i)

Shape1(i).Left = 400 + i * 15

nhaän byte thöù nhaát soá 01, byte thöù hai soá

0, vi ñieàu khieån xuaát ra möùc cao bit RD5

laøm Q5 (maïch cao theá) daãn, keùo theo Q1,

Q2 ngöng daãn laøm maát ñieän aùp nuoâi cho

bieán aùp xung T1 (maïch cao theá) vaø taét cao

aùp. Ngöôïc laïi, byte thöù hai soá 1, vi ñieàu

khieån xuaát ra möùc thaáp bit RD5 laøm Q5

ngöng, keùo theo Q1, Q2 daãn, coù ñieän aùp

nuoâi cho bieán aùp xung T1, coù cao aùp.

Hai con troû coù hình muõi teân (Image1 vaø

Image2), con troû naøy chaïy theo con troû

chuoät maùy tính khi kích chuoät traùi. Sau ñaây

laø ñoaïn maõ nguoàn di chuyeån con troû 1:

If Button = 1 Then

If ((Image1.Left >= 200) And (Image1.Left <= 15600)) Then

Image1.Move Image1.Left + x - 180, 5000 'Image2.Top + Y –

100

15

Journal of Thu Dau Mot university, N^o5(7) – 2012

End if

Y (i)

-

laø ñaïo haøm baäc n cuûa phoå laøm

n,m

trôn taïi keânh i;

Giaûi thuaät laøm trôn phoå: Moãi ñoaïn phoå

ngaén coù theå xem nhö moät ña thöùc toaùn hoïc.

Giaù trò cuûa ña thöùc vaø ñaïo haøm cuûa noù coù

theå xem nhö laø haøm cuûa soá ñeám trong moãi

keânh cuûa phoå vaø cho bôûi coâng thöùc sau:

-

y(i+ k) laø soá ñeám taïi keânh thöù (i+k);

C_k,n,m

N_n,m

vaø

laø caùc haèng soá cho

trong baûng (2);

- m lieân heä vôùi soá ñieåm laøm trôn m’ laø:

m’= 2m+1

Soá ñieåm toái öu duøng laøm trôn phuï thuoäc

vaøo daïng cuï theå cuaû vuøng phoå ñang xeùt.

m

1

(2)

C_k,n,my(i+ k)

Y (i) =

å

n,m

N_n,m

k= - m

Vôùi:

n

r

m’

k

N_n,m

0

1

2

3

4

5

6

7

C_k,n,m

2

0

5

35

17

7

12

6

-3

3

2

7

21

3

-2

9

231

429

143

1105

59

89

25

167

54

84

24

162

39

69

21

147

14

44

16

122

-21

9

C_k,n,m

11

13

15

-36

0

9

-11

-13

87

42

-78

1

2

5

10

0

1

2

7

28

3

9

60

4

C_k,n,m

11

13

15

110

182

280

5

6

7

3

5

12

0

8

-1

7

252

58

67

-22

9

1188

5148

24024

126

296

832

7506

193

503

1489

13843

142

-86

11

13

15

532

294

-300

660

1796

17842

1578

18334

-1133

4121

334152

14150

-12922

2

3

5

7

-2

-1

7

42

-4

-3

9

462

429

1001

6188

-20

-10

-14

-56

-17

-9

11

13

15

-13

-53

N

C_k,n,m

vaø

Baûng 2: Caùc heä soá

n,m

Vôùi r laø baäc cuûa ña thöùc laøm khôùp

m’=2m+1. Ví duï:

- Laøm trôn cöûa soå 5 ñieåm, baäc 2: r = 2,

n=0, m’ = 5, ta coù caùc heä soá laøm trôn laø: -

3/35 = -0.09; 12/35 = 0.34; 17/35 = 0.48;

12/35 = 0.34; -3/35 = -0.09

-0.1; 3/21 = 0.14; 6/21 = 0.29; 7/21 = 0.33;

6/21 = 0.29; 3/21 = 0.14; -2/21 = -0.1

- Laøm trôn cöûa soå 9 ñieåm, baäc 3: r=3,

n=0, m’=9, caùc heä soá laøm trôn laø:

- 21/231 = -0.09; 14/231 = 0.06; 39/231

= 0.17; 54/231 = 0.23; 59/231 = 0.26

- 54/231 = 0.23; 39/231 = 0.17; 14/231 =

0.06; -21/231 = -0.09

- Laøm trôn cöûa soå 7 ñieåm, baäc 3: r = 3,

n = 0, m’ = 7, caùc heä soá laøm trôn laø: -2/21 =

16

Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 5(7) - 2012

Khëi t¹o:

i= 0

i=i+1

SPL(i)=-0.09*M(i)+0.34*M(i+1)+0.48*M(i+2)+0.34*M(i+3)-0.09*M(i+4)

N

i>1019

Y

SPL(0) = 0.48*M(0)+0.68*M(1)-0.18*(M2)

SPL(1) = 0.34*M(0)+0.48*M(1)+0.34*M(2)-0.18*M(3)

SPL(1022)=-0.18*M(1020)+0.34*M(1021)+0.48*M(1022)+0.34*M(1023)

SPL(1023) = -0.18*M(1021)+0.68*M(1022)+0.48*M(1023)

Dõng

Hình 7: Löu ñoà thuaät toaùn laøm trôn phoå

Giaûi thuaät laáy tích phaân soá ñeám vaø

Giaûi thuaät laáy dieän tích hình thang:

Dieän tích hình thang giöõa 2 vò trí con troû

M(vtt1)+ M(vtt2)

hieån thò mieàn laáy tích phaân: Tích phaân giöõa

2 vò trí con troû laø toång caùc soá ñeám cuûa caùc

keânh giöõa 2 vò trí con troû. Goïi vtt1 laø keânh

cuûa con troû beân traùi vaø goïi vtt2 laø keânh cuûa

con troû beân phaûi, sau ñaây laø ñoaïn maõ nguoàn

laáy tích phaân

(3)

DTHT =

(vtt2- vtt1+ 1)

2

Hieån thò dieän tích hình thang:

‘ line4: ñoaïn thaúng noái giöõa 2 con troû

Line4.X1 = Shape1(Vtt1).Left

Line4.X2 = Shape1(Vtt2).Left

Line4.Y1 = Shape1(Vtt1).Top

Line4.Y2 = Shape1(Vtt2).Top

Line4.Visible = True

‘ INTEGRAL: tích phaân soá ñeám

For i=vtt1 to vtt2

INTEGRAL=INTEGRAL+M(i)

veõ caùc ñoaïn thaúng töø ñieåm phoå xuoáng chaân

ñoà thò, sau ñaây laø ñoaïn maõ nguoàn hieån thò

mieàn laáy tích phaân

‘ line3(Vtt1): ñoaïn thaúng noiá töø chaân ñoà thò leân con troû 1

Line3(Vtt1).X1 = Shape1(Vtt1).Left

Line3(Vtt1).X2 = Shape1(Vtt1).Left

Line3(Vtt1).Y2 = Shape1(Vtt1).Top

Line3(Vtt1).Y1 = 5800

For i = Vtt1 To Vtt2

Line3(i).X1 = Shape1(i).Left

Line3(i).X2 = Shape1(i).Left

Line3(i).Y1 = 5800 ‘ 5800 laø chaân ñoà thò

Line3(i).Y2 = 5800 - VScroll1.Value * M(i)

Line3(i).Visible = True

Line3(Vtt1).Visible = True

‘ line3(Vtt2): ñoaïn thaúng noiá töø chaân ñoà thò leân con troû 2

Line3(Vtt2).X1 = Shape1(Vtt2).Left

Line3(Vtt2).X2 = Shape1(Vtt2).Left

Line3(Vtt2).Y2 = Shape1(Vtt2).Top

Journal of Thu Dau Mot university, N^o5(7) – 2012

X* A = E

Line3(Vtt2).Y1 = 5800

Ñeå heä phöông trình ñaïi soá laø coù

nghieäm thì m³ n+ 1

Line3(Vtt2).Visible = True

Giaûi thuaät chuaån hoùa naêng löôïng cho

phoå:

Nhaân 2 veá phöông trình treân vôùi

X^TX^Tlaø chuyeån vò cuûa X) töø beân traùi, ta

(

Goïi x laø vò trí keânh vaø E_ilaø naêng löôïng

ñöôïc:

X^T* X* A = X^T*E

(6)

Nhaân 2 veá cuûa phöông trình (3.5) vôùi

taïi keânh x_i, ta ñöôïc ñöôøng chuaån naêng

löôïng baäc n theo coâng thöùc sau:

inv(X^T* X)

E = a_nxⁿ+ a_{n- 1}x^{n- 1}+ ...+ a₁x + a₀

( inv laø haøm laáy nghòch ñaûo ma

(4)

traän), ta ñöôïc:

Taïi ñieåm quan saùt thöù nhaát:

A = inv(X^T* X)* X^T*E

(7)

E₁= a_nx₁ⁿ+ a_{n- 1}x₂^{n- 1}+ ...+ a₁x₁+ a₀

Ta duøng phöông trình (7) ñeå tính caùc

heä soá a cuûa haøm soá xaáp xæ baèng ña thöùc.

Taïi ñieåm quan saùt thöù hai:

n

E₂= a_nx₂+ a_{n- 1}x₂^{n- 1}+ ...+ a₁x₂+ a₀

2.6. Caùc keát quaû

…

Taïi

ñieåm

quan

saùt

thöù

m:

2.6.1. Caùc ñaëc tröng thieát keá khoái

khueách ñaïi phoå

E_m= a_nx_mⁿ+ a_{n- 1}x_m^{n- 1}+ ...+ a₁x_m+ a₀

- Ñieàu chænh heä soá khueách ñaïi töø x20-

x130 / 256 böôùc, töông öùng 26db-42db/256

böôùc.

- Ñieàu chænh heä soá khueách ñaïi baèng

phaàn meàm treân maùy tính.

Ñöôøng chuaån naêng löôïng ñöôïc vieát laïi

döôùi daïng ma traän:

(5)

E= X* A

- X laø ma traän (m,n+1), m haøng, n+1 coät

- A, E laø ma traän coät, m coät

Ñeå tìm caùc heä soá a, ta giaûi caùc phöông

-

Ñoä troâi möùc zero nhoû hôn

0.005%/^oC treân toaøn thang ño.

±

trình ñaïi soá (4)

- Ñoä phi tuyeán tích phaân nhoû hôn

treân toaøn thang ño.

± 0.05%

- Ñoä phi tuyeán vi phaân nhoû hôn

treân toaøn thang ño.

NhËp c¸c kªnh X vµ møc

n¨ng l îng t ¬ng øng E

± 0.8%

2.6.2. Caùc keát quaû ño vaø thu nhaän phoå:

Giao dieän ñoà hoïa ñieàu khieån maùy phaân

tích ña keânh treân maùy vi tính ñöôcï thieát keá

vôùi caùc tính naêng ñieàu khieån cao aùp; ñieàu

khieån heä soá khueách ñaiï ; ñaët thôøi gian ño; hieån

thò thôøi gian ño; hienå thò phoå vôùi caùc mode

hieån thò: toaøn giaûi (Fullcale), nöûa giaûi cao

(High Half Scale), nöaû giaûi thapá (low Half

Scale). Hai con troû cho bieát soá ñemá / soá keânh

(Counts/channel) hoaëc soá ñeám/möùc naêng

löôïng (Counts/keV). Ngoaøi ra coøn thieát keá caùc

coâng cuï tieän ích nhö: tính tích phaân giöõa 2 vò

trí con tro;û dieän tích hình thang giöõa 2 vò trí

con troû; coâng cuï chuaån naêng löôïng.

Thµnh lËp ma trËn X

vµ thùc hiÖn biÓu thøc

A

inv(X^T* X)* X^T*E

ChuyÓn sè kªnh xi thµnh

møc n¨ng l îng Ei

1

E_ia_nx_iⁿa_{n 1}x_iⁿ

... a₁x_ia₀

KÕt thóc

Hình 8: Löu ñoà thuaät toaùn chuaån hoùa naêng löôïng

18

Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 5(7) - 2012

Hình 9: Giao dieän ñieàu khieån vaø thu nhaän phoå maùy ña keânh

Hình 10: Phoå Cs-

137 (ñænh beân traùi)

vaø Co-60 (hai ñænh

beân phaûi) ñöôïc ño

vôùi thôøi gian 5 phuùt

Hình 11: Tính

naêng tính tích phaân

giöõa 2 con troû

(phaàn toâ xaùm)

19

Journal of Thu Dau Mot university, N^o5(7) – 2012

Hình 12: Tính naêng

tính dieän tích hình thang

giöõa 2 con troû

Hình 13: Phoå CS-137 ñaõ

laøm trôn 1 laàn vôùi cöûa soå 3

ñieåm

Hình 14: Coâng cuï chuaån hoùa

naêng löôïng cho phoå

Hình 15: Hình aûnh beân trong vaø beân ngoaøi maùy phaân tích ña keânh ñaõ thieát keá vaø cheá taïo

20

Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 5(7) - 2012

3. Keát luaän

phaân tích ña keânh Series 30 cuûa

CANBERRA.

- Maùy phaân tích ña keânh (1024 keânh)

ñöôïc thieát keá vôùi caùc ñaëc tröng caên baûn cho

thaáy töông ñöông vôùi caùc ñaëc tröng cuûa maùy

- Maùy coù theå söû duïng cho sinh vieân taïi

caùc phoøng thí nghieäm vaät lí haït nhaân.

*

DESIGNING AND PRODUCING THE MULTI-CHANNEL ANALYSING

MACHINE COMBING COMPUTERS THROUGH USB GATE

Nguyen Van Son

Thu Dau Mot University

ABSTRACT

This paper introduces the design of hardware and software algorithms multichannel

analyzer connected with computer via USB port that is a feasible and inexpensive to

manufacture multi-channel analyzer. Hardware: Design and fabrication of functional blocks of

multi-channel analyzer includes: spectral amplifier; ADC control; high-voltage power supply;

USB interface; low voltage power supply. The software consists of a control algorithm and

data acquisition computer and the essential tools of multi-channel analyzer. The basic

specifications of manufactured multi-channel analyzer were measured: The energy resolution

is less than 39keV at peak Cs-137 664 KeV using CANBERRA Bicron model 302-2x2

scintillation detector; The peak drift is less than ±0.01%/^oC of full scale; The integral

nonlinearity is less than ±0.05% over total output range; The differential nonlinearity is less

than ±3.4 over total output range. For technical characteristics mentioned above, the machine

was designed and built can be used by students to practice nuclear physics.

TAØI LIEÄU THAM KHAÛO

[1]. Datasheet PIC18F4550 taïi http://WWW.MICROCHIP.COM .

[2]. Jan Axelson (2005), USB Complete (3th Edition), Lakeview Reasearch LLC, Madison.

[3]. Genie-2000 Spectrocopy System, Canberra Industries.

[4]. Caùc taøi lieäu taïi http://www.canberra.com .

[5]. Kenneth L. Short, Microprocessors and Programmed Logic, Prentice-Hall, INC, Englewood

Cliffs, New Jersey 07632.

[6]. Analog to digital converter 7070-CANBERRA.

[7]. Analog to digital converter 8075-CANBERRA.

[8]. SPECTROSCOPE AMPLIFIER 2021-CANBERRA.

[9]. Buøi Quang Khaùnh (2009), Xöû lí phoå gamma baèng thuaät toaùn di truyeàn, luaän vaên thaïc só vaät

lí Tröôøng Ñaïi hoïc Khoa hoïc Töï nhieân – Ñaïi hoïc Quoác gia TPHCM.

[10]. Ñoã Coâng Khanh, Nguyeãn Minh Haèng, Ngoâ Thu Löông (2004), Toaùn cao caáp – Ñaïi soá tuyeán

tính, NXB Ñaïi hoïc Quoác gia TPHCM.

[11]. Millman-Halkias (1972), Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems,

McGRAW-HILL.

21