原创 【博客大赛】PET系统之幅度测量

PET系统之幅度测量

王敏志

概述

         在《PET之电子学基础》一文中介绍了PET系统主要要进行两项测量，即时间测量和幅度测量。本文试图介绍下所谓的PET系统的幅度测量。

PMT信号

图1：LYSO得到的典型PMT输出脉冲信号

         如图1所示，这是伽玛光子击中晶体并经过PMT采集后的输出信号。FEE电路从上述信号中调理出时间信息以及能量信息。

幅度测量

         传统习惯电路需要处理正电平，所以FEE的输出的信号首先是将图1的信号倒相，另外到幅度测量一路的信号需要进行滤波，滤除高频分离，尽量使脉冲上升和下降平滑并对称。所谓的幅度测量这里是指能量的测量，所以就是对脉冲信号进行积分得到能量，PET需要分析事件的能谱（参考《PMT能谱测试报告》）。

         幅度测量在大规模逻辑器件出现之前一般采用图2所示的方法来实现。

图2：幅度测量的原理方框图

图2所示的测量方法积分器加ADC的方案，即先积分再进行模数转换。有了大规模逻辑器件（FPGA）以后，可以把ADC前移，如图3所示，这有点和软件无线电类似，雷达设计ADC前移除了大规模逻辑器件的发展以外，还因为ADC的发展，所以可以在FPGA内部实现DDC了。与之相似的是在PET系统中图2中的积分器也同样可以在FPGA内实现。

图3：软件化积分器后的幅度测量原理框图

图3中ADC后面一系列功能都位于FPGA内部，为了减少功耗逻辑设计的时候对ADC的采样值只有在trigger有效时才开启积分器。积分器的原理框图如图4所示。

图4：积分器原理框图

结论

         本文介绍了PET的关键技术幅度测量，而幅度测量的关键在于信号的量化和积分。文章中提出了软件化积分器的方案。作为结论，这里给出实际FPGA处理ADC数据的实验结果。

         首先给出多个脉冲的采样值重建图，如图5和图6所示。图中脉冲实际情况并非靠的如此近，（除了幅度之外，我们还要分析PET关键技术之一的时间信息，需要产生一个时间标志 – trigger），图5和图6就是由每次trigger触发后保留连续的100个采样值，通过Virtual JTAG输出，由于Virtual JTAG工具里FIFO深度只有4096，所以看到一共只有4096个采样点。另外，图5和图6的区别是图5没有进行DC Cut，而图6进行DC Cut。

图5：100个脉冲采样值重建图（a）

图6：100个脉冲采样值重建图（b）

         图5和图6脉冲之间都是DC值，所以保存数据的时候只保留了脉冲附近的100个采样值，如此感觉所有脉冲似乎很接近。接下来，选取一个脉冲了解图3所示的ADC出来的采样数据通过FPGA直接输出（通过virtual JATG）并重建后的细节。图7是从图5中选取一个脉冲，而图8是从图6中选取的一个脉冲。比较发现DC Cut模块很好的去除了ADC数据中直流分量。比较图7、图8和图1的关系。另外，在测试的时候笔者通过ALTERA的SignalTapII抓取ADC的数据并直观观察波形图如图9所示。图10是示波器实际测量的波形，第一个通道就是PMT的实际输出，和图1一样，中间通道就是实际ADC的输入信号，最后一个通道就是trigger信号。

图7：未去直流的PMT脉冲信号

图8：去直流后的PMT脉冲信号

图9：在SignalTapII里看到的ADC采样结果

图10：FEE测量波形

         最后，ADC能正确采样以后，就要用ADC的采样数据进行积分，即完成图4所示的逻辑功能，大量的脉冲通过积分得到其能量，然后在逻辑里进行直方图分析，得到其能谱，如图11所示。

图11：能谱