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

ot university, No5(7) – 2012 
thay đổi và lấy từ board logic (tại chân điện trở lấy mẫu dòng R21; khuếch đại so 
CTL-HV). Điện áp lối ra khuếch đại so sánh U3D. 
sánh được đệm nhờ Q1 và Q2 để cấp điện Khi có hiện tượng quá dòng, lối ra U3D 
áp nuôi cho biến áp xung T1. lên cao làm Q5 dẫn, kéo điện thế nuôi cho 
 Khối bảo vệ: Gồm bảo vệ quá cao áp và biến áp T1 về không. 
bảo vệ quá dòng cho 2 MOSFET. Khối bảo Các đặc trưng kĩ thuật thiết kế khối 
vệ quá cao áp gồm: khuếch đại đệm U2C; nguồn cao áp: 
khuếch đại so sánh U3B và transistor Q5. - Điện áp ra từ 0V đến 2 kV trên 256 bước. 
Khi điện áp cao áp lối ra cao quá mức qui - Dòng cao áp cực đại là 10mA tại 
định, lối ra U3B lên mức cao làm Q5 dẫn, 2000V, có nghĩa công suất cực đại nguồn 
kéo điện thế nuôi cho biến áp T1 về không, cao áp là 10VA. 
đồng thời LED D5 sáng báo có sự cố bảo - Đổi cực tính nguồn cao áp bằng bộ 
vệ. Bảo vệ quá dòng cho MOSFET gồm: chuyển cơ khí. 
 Hình 5: Sơ đồ nguyên lí khối cao thế 
 2.4. Khối nguồn nuôi điện áp thấp tạo thành bộ lọc điện lưới (line filter). Chỉnh 
 Sơ đồ nguyên lí trên hình 6. Khối nguồn lưu 2 bán kì điện áp dương: D14; D15; C29. 
nuôi điện áp thấp được xây dựng trên biến Ổn áp 12V, 5V nhờ IC U11 và U12. Chỉnh 
áp hạ áp T2 220VAC/15VAC, 15VAC, 40VA lưu 2 bán kì điện áp âm: D16; D17; C30. Ổn 
. Các linh kiện R38, R39, T3,C26, C27, C28 áp -12V nhờ 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
 R38 VI VO VI VO
 C31 C33
 GND
 1 T2 5 C29 GND
 8
 5 D15 1N4007
 2
 C26 T3 6 0VAC 2
 220VAC 
 4 8 D16 1N4007 C32
 4
 1 C30
 2
 R39 C28 1 3
 OUTPUT -12V
 15VAC VI VO
 D17 1N4007 GND
 LM7912
 U13
 Hình 6: Sơ đồ nguyên lí nguồn nuôi điện áp thấp 
 2.5. Giải thuật điều khiển, thu nhận Điều khiển điện áp cao áp: Khi vi điều 
phổ và các công cụ tiện ích khiển nhận byte thứ nhất là số 2, byte thứ là 
 Giải thuật đóng – mở và điều khiển con số 0-255, vi điều khiển lấy dữ liệu ở byte 
điện áp cao áp, điều khiển hệ số khuếch đại thứ hai điều khiển biến trở số U9-MCP41010 
khối khuếch đại: bằng giao thức SPI (tại mạch logic). 
 Máy vi tính điều khiển cho vi điều MCP41010 là biến trở số 10KW. Khi dữ liệu 
khiển tại máy phân tích bằng cách gửi 2 byte thứ hai là 255, điểm giữa W của biến trở 
byte qua cổng USB, byte thứ nhất tạm gọi số đi về điểm A và có điện thế bằng 5V, điện 
là mã lệnh để ra lệnh cho vi điều khiển thế lối ra này được đệm bởi U10-LM324 (tại 
làm công việc gì, byte thứ 2 là dữ liệu công mạch logic) tương ứng với điện thế cao áp lối 
việc cần điều khiển. Sau đây là bảng tổng ra cực đại là 2kV. Từ 0V đến 2KV được chia 
kết qui ước các byte điều khiển chuyển từ thành 255 bước, mỗi bước ứng với 8V. 
máy tính đến vi điều khiển. Điều khiển hệ số khuếch đại khối khuếch 
 Công việc điều Byte thứ nhất Byte thứ hai đại: Khi vi điều khiển nhận byte thứ nhất là 
 khiển (mã lệnh) (dữ liệu) số 3, byte dữ liệu thứ hai vi điều khiển dùng để 
 (dạng số thập (dạng số thập điều khiển biến trở số MCP41010 (tại mạch 
 phân) phân) khuếch đại phổ). Hệ số truyền của biến trở số 
 Đóng – mở cao áp 01 0: tắt cao áp tính theo công thức sau: 
 1: mở cao áp R
 A = WA (1) 
 Điều khiển điện áp 02 0 - 255 V
 R AB
 cao áp 
 Giải thuật hiển thị phổ: Một điểm phổ 
 Điều khiển hệ số 03 0-255 
 tượng trưng bởi một điểm (Shape1(i)), độ cao 
 khuếch đại khối 
 khuếch đại là hàm của số đếm M(i) và giá trị thanh 
 Bảng 1: Bảng tổng kết qui ước các byte điều khiển cuốn Vscroll1, đoạn mã nguồn hiển thị phổ: 
 chuyển từ máy tính đến vi điều khiển For i=0 to 1023 
 Shape1(i).top=5800 – Vscroll1.Value*M(i) 
 Đóng – mở cao áp: Khi vi điều khiển 
 Shape1(i).Left = 400 + i * 15 
nhận byte thứ nhất số 01, byte thứ hai số 
 Next 
0, vi điều khiển xuất ra mức cao bit RD5 
 Hai con trỏ có hình mũi tên (Image1 và 
làm Q5 (mạch cao thế) dẫn, kéo theo Q1, 
 Image2), con trỏ này chạy theo con trỏ 
Q2 ngưng dẫn làm mất điện áp nuôi cho 
 chuột máy tính khi kích chuột trái. Sau đây 
biến áp xung T1 (mạch cao thế) và tắt cao 
 là đoạn mã nguồn di chuyển con trỏ 1: 
áp. Ngược lại, byte thứ hai số 1, vi điều 
 If Button = 1 Then 
khiển xuất ra mức thấp bit RD5 làm Q5 
 If ((Image1.Left >= 200) And (Image1.Left <= 15600)) Then 
ngưng, kéo theo Q1, Q2 dẫn, có điện áp 
 Image1.Move Image1.Left + x - 180, 5000 'Image2.Top + Y – 
nuôi cho biến áp xung T1, có cao áp. 100 
 15 
Journal of Thu Dau Mot university, No5(7) – 2012 
 End if 
 - Yn,m (i) là đạo hàm bậc n của phổ làm 
 End if 
 Giải thuật làm trơn phổ: Mỗi đoạn phổ trơn tại kênh i; 
ngắn có thể xem như một đa thức toán học. - y(i+ k) là số đếm tại kênh thứ (i+k); 
Giá trị của đa thức và đạo hàm của nó có - Ck,n,m và Nn,m là các hằng số cho 
thể xem như là hàm của số đếm trong mỗi trong bảng (2); 
kênh của phổ và cho bởi công thức sau: - m liên hệ với số điểm làm trơn m’ là: 
 1 m
 m’= 2m+1 
 Yn,m (i)=+å C k,n,m y(i k) (2)
 Nn,m km=- Số điểm tối ưu dùng làm trơn phụ thuộc 
 Với: vào dạng cụ thể của vùng phổ đang xét. 
 r n m’ k 
 Nn,m 
 0 1 2 3 4 5 6 7 
 Ck,n,m 
 2 0 5 35 17 12 -3 
 3 7 21 7 6 3 -2 
 9 231 59 54 39 14 -21 
 Ck,n,m 
 11 429 89 84 69 44 9 -36 
 13 143 25 24 21 16 9 0 -11 
 15 1105 167 162 147 122 87 42 -13 -78 
 2 1 5 10 0 1 2 
 7 28 0 1 2 3 
 9 60 0 1 2 3 4 
 Ck,n,m 
 11 110 0 1 2 3 4 5 
 13 182 0 1 2 3 4 5 6 
 15 280 0 1 2 3 4 5 6 7 
 3 1 5 12 0 8 -1 
 7 252 0 58 67 -22 
 9 1188 0 126 193 142 -86 
 11 5148 0 296 503 532 294 -300 
 13 24024 0 832 1489 1796 1578 660 -1133 
 15 334152 0 7506 13843 17842 18334 14150 4121 -12922 
 2 2 5 7 -2 -1 
 3 7 42 -4 -3 
 9 462 -20 -17 
 11 429 -10 -9 
 13 1001 -14 -13 
 15 6188 -56 -53 
 Bảng 2: Các hệ số Nn,m và Ck,n,m 
 Với r là bậc của đa thức làm khớp -0.1; 3/21 = 0.14; 6/21 = 0.29; 7/21 = 0.33; 
m’=2m+1. Ví dụ: 6/21 = 0.29; 3/21 = 0.14; -2/21 = -0.1 
 - Làm trơn cửa sổ 5 điểm, bậc 2: r = 2, - Làm trơn cửa sổ 9 điểm, bậc 3: r=3, 
n=0, m’ = 5, ta có các hệ số làm trơn là: - n=0, m’=9, các hệ số làm trơn là: 
3/35 = -0.09; 12/35 = 0.34; 17/35 = 0.48; - 21/231 = -0.09; 14/231 = 0.06; 39/231 
12/35 = 0.34; -3/35 = -0.09 = 0.17; 54/231 = 0.23; 59/231 = 0.26 
 - Làm trơn cửa sổ 7 điểm, bậc 3: r = 3, - 54/231 = 0.23; 39/231 = 0.17; 14/231 = 
n = 0, m’ = 7, các hệ số làm trơn là: -2/21 = 0.06; -21/231 = -0.09 
 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: Lưu đồ thuật toán làm trơn phổ 
 Giải thuật lấy tích phân số đếm và Giải thuật lấy diện tích hình thang: 
hiển thị miền lấy tích phân: Tích phân giữa Diện tích hình thang giữa 2 vị trí con trỏ 
2 vị trí con trỏ là tổng các số đếm của các M(vtt1)+ M(vtt2)
 DTHT= (vtt2 - vtt1 + 1) (3) 
kênh giữa 2 vị trí con trỏ. Gọi vtt1 là kênh 2
của con trỏ bên trái và gọi vtt2 là kênh của Hiển thị diện tích hình thang: 
con trỏ bên phải, sau đây là đoạn mã nguồn ‘ line4: đoạn thẳng nối giữa 2 con trỏ 
lấy tích phân Line4.X1 = Shape1(Vtt1).Left 
 ‘ INTEGRAL: tích phân số đếm 
 Line4.X2 = Shape1(Vtt2).Left 
 For i=vtt1 to vtt2 
 Line4.Y1 = Shape1(Vtt1).Top 
 INTEGRAL=INTEGRAL+M(i) 
 Line4.Y2 = Shape1(Vtt2).Top 
 Next 
 Hiển thị miền lấy tích phân bằng cách Line4.Visible = True 
vẽ các đoạn thẳng từ điểm phổ xuống chân ‘ line3(Vtt1): đoạn thẳng nối từ chân đồ thị lên con trỏ 1 
đồ thị, sau đây là đoạn mã nguồn hiển thị Line3(Vtt1).X1 = Shape1(Vtt1).Left 
miền lấy tích phân Line3(Vtt1).X2 = Shape1(Vtt1).Left 
For i = Vtt1 To Vtt2 Line3(Vtt1).Y2 = Shape1(Vtt1).Top 
 Line3(i).X1 = Shape1(i).Left Line3(Vtt1).Y1 = 5800 
 Line3(i).X2 = Shape1(i).Left Line3(Vtt1).Visible = True 
 Line3(i).Y1 = 5800 ‘ 5800 là chân đồ thị ‘ line3(Vtt2): đoạn thẳng nối từ chân đồ thị lên con trỏ 2 
 Line3(i).Y2 = 5800 - VScroll1.Value * M(i) Line3(Vtt2).X1 = Shape1(Vtt2).Left 
 Line3(i).Visible = True Line3(Vtt2).X2 = Shape1(Vtt2).Left 
 Next Line3(Vtt2).Y2 = Shape1(Vtt2).Top 
 17 
Journal of Thu Dau Mot university, No5(7) – 2012 
 Line3(Vtt2).Y1 = 5800 X*AE= 
 Line3(Vtt2).Visible = True Để hệ phương trình đại số là có 
 Giải thuật chuẩn hóa năng lượng cho nghiệm thì m³+ n 1 
phổ: Nhân 2 vế phương trình trên với 
 XT ( XT là chuyển vị của X) từ bên trái, ta 
 Gọi x là vị trí kênh và E là năng lượng 
 i được: 
 TT
tại kênh x i , ta được đường chuẩn năng X*X*AX*E= (6) 
lượng bậc n theo công thức sau: Nhân 2 vế của phương trình (3.5) với 
 n n- 1 T
 E =an x + a n- 1 x + ... + a 1 x + a 0 (4) inv(X * X)( inv là hàm lấy nghịch đảo ma 
Tại điểm quan sát thứ nhất: trận), ta được: 
 n n- 1 A= inv(XTT * X) * X * E (7) 
 E1 =an x 1 + a n- 1 x 2 + ... + a 1 x 1 + a 0 
 Tại điểm quan sát thứ hai: Ta dùng phương trình (7) để tính các 
 n n- 1 hệ số a của hàm số xấp xỉ bằng đa thức. 
 E2 =an x 2 + a n- 1 x 2 + ... + a 1 x 2 + a 0 
  2.6. Các kết quả 
 Tại điểm quan sát thứ m: 2.6.1. Các đặc trưng thiết kế khối 
 n n- 1
 Em =an x m + a n- 1 x m + ... + a 1 x m + a 0 khuếch đại phổ 
 Đường chuẩn năng lượng được viết lại - Điều chỉnh hệ số khuếch đại từ x20-
dưới dạng ma trận: x130 / 256 bước, tương ứng 26db-42db/256 
 EX*A= (5) bước. 
 - X là ma trận (m,n+1), m hàng, n+1 cột - Điều chỉnh hệ số khuếch đại bằng 
 - A, E là ma trận cột, m cột phần mềm trên máy tính. 
 Để tìm các hệ số a, ta giải các phương - Độ trôi mức zero nhỏ hơn 
 o
trình đại số (4) ± 0.005%/ C trên toàn thang đo. 
 - Độ phi tuyến tích phân nhỏ hơn 
 ± 0.05% trên toàn thang đo. 
 NhËp c¸c kªnh X vµ møc - Độ phi tuyến vi phân nhỏ hơn 
 n¨ng l•ỵng t• ¬ng øng E ± 0.8% trên toàn thang đo. 
 2.6.2. Các kết quả đo và thu nhận phổ: 
 Giao diện đồ họa điều khiển máy phân 
 Thµnh lËp ma trËn X
 tích đa kênh trên máy vi tính được thiết kế 
 vµ thùc hiƯn biĨu thøc
 với các tính năng điều khiển cao áp; điều 
 A inv(XTT *X)*X *E
 khiển hệ số khuếch đại; đặt thời gian đo; hiển 
 thị thời gian đo; hiển thị phổ với các mode 
 hiển thị: toàn giải (Fullcale), nửa giải cao 
 ChuyĨn sè kªnh xi thµnh (High Half Scale), nửa giải thấp (low Half 
 møc n¨ng l •ỵng Ei
 n n 1 Scale). Hai con trỏ cho biết số đếm / số kênh 
 Ei an x i a n 1 x i ... a 1 x i a 0
 (Counts/channel) hoặc số đếm/mức năng 
 lượng (Counts/keV). Ngoài ra còn thiết kế các 
 KÕt t hĩc công cụ tiện ích như: tính tích phân giữa 2 vị 
 trí con trỏ; diện tích hình thang giữa 2 vị trí 
 Hình 8: Lưu đồ thuật toán chuẩn hóa năng lượng con trỏ; công cụ chuẩn năng lượng. 
 18 
 Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 5(7) - 2012 
Hình 9: Giao diện điều khiển và thu nhận phổ máy đa kênh 
 Hình 10: Phổ Cs-
 137 (đỉnh bên trái) 
 và Co-60 (hai đỉnh 
 bên phải) được đo 
 với thời gian 5 phút 
 Hình 11: Tính 
 năng tính tích phân 
 giữa 2 con trỏ 
 (phần tô xám) 
 19 
Journal of Thu Dau Mot university, No5(7) – 2012 
Hình 12: Tính năng 
tính diện tích hình thang 
giữa 2 con trỏ 
Hình 13: Phổ CS-137 đã 
làm trơn 1 lần với cửa sổ 3 
điểm 
 Hình 14: Công cụ chuẩn hóa 
 năng lượng cho phổ 
 Hình 15: Hình ảnh bên trong và bên ngoài máy phân tích đa kênh đã thiết kế và chế tạo 
 20 
 Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 5(7) - 2012 
3. Kết luận phân tích đa kênh Series 30 của 
 - Máy phân tích đa kênh (1024 kênh) CANBERRA. 
được thiết kế với các đặc trưng căn bản cho - Máy có thể sử dụng cho sinh viên tại 
thấy tương đương với các đặc trưng của máy các phòng thí nghiệm vật lí hạt nhân. 
 * 
 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. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Datasheet PIC18F4550 tại  
[2]. Jan Axelson (2005), USB Complete (3th Edition), Lakeview Reasearch LLC, Madison. 
[3]. Genie-2000 Spectrocopy System, Canberra Industries. 
[4]. Các tài liệu tại  
[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]. Bùi Quang Khánh (2009), Xử lí phổ gamma bằng thuật toán di truyền, luận văn thạc sĩ vật 
 lí Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia TPHCM. 
[10]. Đỗ Công Khanh, Nguyễn Minh Hằng, Ngô Thu Lương (2004), Toán cao cấp – Đại số tuyến 
 tính, NXB Đại học Quốc gia TPHCM. 
[11]. Millman-Halkias (1972), Integrated Electronics: Analog and Digital Circuits and Systems, 
 McGRAW-HILL. 
 21