CN101533099B - 电荷频率转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明是测量电荷(电流)信号并将其转换成频率输出的前端测量电路。一种电荷频率转换器，其主要特点在于：电流信号输入端P1通过电阻R2与积分电路(1)的输入端连接；积分电路(1)的输出端通过幅度鉴别电路(2)与窄脉冲成形电路(3)的输入端相连接；窄脉冲成形电路(3)的输出1端分别与延时电路(4)的输入端、输出脉冲整形电路(6)的输入端和第一泄放开关(8)的控制端相连接；延时电路(4)的输出端通过幅度控制与耦合电路(5)与泄放支路相连接；窄脉冲成形电路(3)的输出2端与第二泄放开关(9)的控制端相连接；输出脉冲整形电路(6)的输出端与频率输出级电路(7)相连接。本发明为束流强度检测探测器的信号读出提供了一种结构简单、性能可靠的测量电路。
Description
技术领域
本发明是测量电荷(电流)信号并将其转换成频率输出的前端测量电路。
背景技术
在重离子治癌装置中，重离子束流大小的实时监控测量电路是该装置中的一个关键部分。重离子束流通过束流强度探测器(电离室)，感应输出弱电流信号，通过测量此弱小电流，可以实现对束流强度/照射剂量的实时监测。
通常情况下，由于粒子探测器输出的电荷/电流信号一般都比较小，而且电荷/电流信号一般不方便直接进行测量，通常的做法是要将其转换成电压信号并进行放大，然后对电压信号进行ADC采样，间接实现对探测器输出电流的测量，需要较复杂的过程和较多的仪器。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种电荷频率转换器。本发明为束流强度检测探测器的信号读出提供了一种结构简单、性能可靠的测量电路，为束流强度/照射剂量的实时监测提供了一种快速、直接、准确的方法与途径，减少了对束流强度检测、分析、处理所需的时间，大大将低了束流对被照射对象损伤的风险。本发明可以广泛用在粒子物理实验探测系统及其它相关核科学与技术的实际应用当中，作为各种电离室的读出测量电路。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种电荷频率转换器，其主要特点在于：电流信号输入端P1通过电阻R2与积分电路(1)的输入端连接；积分电路(1)的输出端通过幅度鉴别电路(2)与窄脉冲成形电路(3)的输入端相连接；窄脉冲成形电路(3)的输出1端分别与延时电路(4)的输入端、输出脉冲整形电路(6)的输入端和第一泄放开关(8)的控制端相连接；延时电路(4)的输出端通过幅度控制与耦合电路(5)与泄放支路相连接；窄脉冲成形电路(3)的输出2端与第二泄放开关(9)的控制端相连接；输出脉冲整形电路(6)的输出端与频率输出级电路(7)相连接。
所述的电荷频率转换器，所述的积分电路(1)为放大器A1的反向输入端与电流信号输入端相连接，放大器A1的输出端与幅度鉴别电路的输入端相连接，所述放大器A1的同向输入端通过电阻R1接地，在所述放大器A1的反向输入端和输出端还连接有电容C1。
所述的电荷频率转换器，所述积分电路(1)的输出端与幅度鉴别电路的输入端相连接，所述的幅度鉴别电路既是幅度比较器U1，积分电路(1)的输出端与幅度比较器U1的同向输入端连接，反向输入端为参考电压输入端，幅度比较器U1的输出端与窄脉冲成形电路的输入端相连接。
所述的电荷频率转换器，所述的窄脉冲成形电路(3)包括有触发器U2，与门U5、U6、电阻R6和电容C4；所述的幅度鉴别电路的输出端与触发器U2的时钟信号输入端相连接；所述触发器U2的一个输出端分别与与门U6的一个输入端和第二泄放开关(9)的控制端相连接，与门U6的输出端通过电阻R6与与门U5的一个输入端相连接，与门U5的输出端与触发器U2的复位端相连接；在电阻R6与与门U5之间还连接有电容C4并接地；所述的触发器U2的D输入端、两个与门的另一个输入端还与供电电压连接；触发器U2的另一个输出端分别与延时电路(4)、输出脉冲整形电路(6)的输入端和第一泄放开关(8)的控制输入端相连接。
所述的电荷频率转换器，所述的延时电路(4)包括两个逻辑门U7和U8、电阻R7及电容C3；所述的逻辑门U7和U8通过电阻R7串联，在U7的输入端还连接有电容C3并接地。
所述的电荷频率转换器，所述的幅度控制与耦合电路(5)为电阻R4与电容C2串联，在电阻R4与电容C2之间与电阻R5连接并接地；电容C2的另一端与泄放支路相连接；电阻R4的另一端与延时电路的输出端相连接。
所述的电荷频率转换器，所述的泄放支路包括有第一泄放开关(8)S1和第二泄放开关(9)S2；开关S1和开关S2为三端器件(1端为输入/输出，2端为输出/输入，3端为控制端)，开关S1的1端通过R3与电流信号输入端连接，开关S1的3端与触发器U2的一个输出端和延迟电路中U8的输入端相连接；开关S2的3端与触发器U2的另一个输出端连接，1端通过与幅度控制耦合电路的输出节点O点与开关S1串联，S2的2端接地。
所述的电荷频率转换器，所述的输出脉冲整形电路(6)包括有触发器U3，二极管D1，电容C5和电阻R8，触发器U3的时钟信号输入端与窄脉冲成形电路(3)的一个输出端相连接，触发器U3的一个输出端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极又与电容C5和电阻R8组成的并联电路相连接，并与触发器U3的复位端相连接；电容C5和电阻R8组成的并联电路的另一端接地；触发器U3的另一个输出端与频率输出级电路(7)的输入端相连接。
所述的电荷频率转换器，所述的频率输出级电路(7)包括有电阻R9，三极管U4，二极管D2和电阻R10，输出脉冲整形电路(6)的输出端与三极管U4的发射极连接，三极管U4的基极与窄脉冲成形电路的一个输出端相连接、与二极管D2的负极相连接，并通过电阻R9与供电电压相连接，，三极管U4的集电极与供电电压连接；三极管U4的发射极连接二极管D2的正极；三极管U4的发射极串联通过电阻R10接地，二极管D2的正极与频率输出端连接。
所述的电荷频率转换器，所述的电容C1并接有多个电容，用跳线器、或手动开关、或继电器开关、或模拟开关进行选择。
所述的电荷频率转换器，所述的电流信号输入端P1、频率输出(P2)的连接器是BNC/CC5/LEMO型连接器。
所述的电荷频率转换器，还包括有电路基板为印刷电路板PCB或是为三氧化二铝(Al2O3)陶瓷基板厚膜电路型基板。
本发明的有益效果是：在于测量了重离子治癌装置中重离子束流的强度，为束流强度/照射剂量的实时监测提供了一种快速、直接、准确的方法与途径，简化了现有的弱小电流测量方案和实验测量系统。这种电荷-频率转换器主要采用高输入阻抗高带宽的放大器(A1)、电容(C1)构成积分电路，模拟开关(S1、S2)和电阻(R3)构成可控制型泄放通路，实现了一种特殊的电流积分(充电)、泄放量可控放电电路结构，这种构建模型就形成了本发明的最显著特点。采用这种新的电流积分(充电)、泄放量可控放电模式进行工作，该电路的每个输出脉冲代表800fC。电路结构简单、体积小、制作成本低，易于小型化，便于多通道集成。测量范围从100pA～10μA跨越多个数量级而不用切换元器件，输出标准TTL频率信号，转换系数≥0.7MHz/μA，电路工作稳定。
本发明实现了电荷量或弱小电流量的测量，直接将电荷量/弱小电流量转化为脉冲数，实现电荷量到数字量的直接转换提供了一种新的手段。对简化大型的实验测量系统，起到了很好的作用。
本发明也可以直接用于其它研究领域里的弱小电流/电荷的测量，并直接将电荷量/弱小电流量转化为脉冲数，实现电荷量/电流量到数字量的直接转换。
附图说明
图1为本发明的电路原理方框图。
图2为本发明的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
见图1，一种电荷频率转换器，电流信号输入端P1通过电阻R2与积分电路1的输入端连接；积分电路1的输出端通过幅度鉴别电路2与窄脉冲成形电路3的输入端相连接；窄脉冲成形电路3的输出1端分别与延时电路4的输入端、输出脉冲整形电路6的输入端和第一泄放开关8的控制端相连接；延时电路4的输出端通过幅度控制与耦合电路5与泄放支路相连接；窄脉冲成形电路3的输出2端与第二泄放开关9的控制端相连接；输出脉冲整形电路6的输出端与频率输出级电路7相连接。
见图2，一种电荷频率转换器，所述的积分电路1为放大器A1的反向输入端与电流信号输入端相连接，放大器A1的输出端与幅度鉴别电路的输入端相连接，所述放大器A1的同向输入端通过电阻R1接地，在所述放大器A1的反向输入端和输出端还连接有电容C1。
所述积分电路1的输出端与幅度鉴别电路的输入端相连接，所述的幅度鉴别电路既是幅度比较器U1，积分电路1的输出端与幅度比较器U1的同向输入端连接，反向输入端为参考电压输入端，幅度比较器U1的输出端与窄脉冲成形电路的输入端相连接。
所述的窄脉冲成形电路3包括有触发器U2，与门U5、U6、电阻R6和电容C4；所述的幅度鉴别电路的输出端与触发器U2的时钟信号输入端相连接；所述触发器U2的一个输出端分别与与门U6的一个输入端和第二泄放开关9的控制端相连接，与门U6的输出端通过电阻R6与与门U5的一个输入端相连接，与门U5的输出端与触发器U2的复位端相连接；在电阻R6与与门U5之间还连接有电容C4并接地；所述的触发器U2的D输入端、两个与门的另一个输入端还与供电电压连接；触发器U2的另一个输出端分别与延时电路4、输出脉冲整形电路6的输入端和第一泄放开关8的控制输入端相连接。
所述的电荷频率转换器，所述的延时电路(4)包括两个逻辑门U7和U8、电阻R7及电容C3；所述的逻辑门U7和U8通过电阻R7串联，在U7的输入端还连接有电容C3并接地。
所述的电荷频率转换器，所述的幅度控制与耦合电路(5)为电阻R4与电容C2串联，在电阻R4与电容C2之间与电阻R5连接并接地；电容C2的另一端与泄放支路相连接；电阻R4的另一端与延时电路的输出端相连接。
所述的电荷频率转换器，所述的泄放支路包括有第一泄放开关(8)S1和第二泄放开关(9)S2；开关S1和开关S2为三端器件(1端为输入/输出，2端为输出/输入，3端为控制端)，开关S1的1端通过R3与电流信号输入端连接，开关S1的3端与触发器U2的一个输出端和延迟电路中U8的输入端相连接；开关S2的3端与触发器U2的另一个输出端连接，1端通过与幅度控制耦合电路的输出节点O点与开关S1串联，S2的2端接地。
所述的电荷频率转换器，所述的输出脉冲整形电路(6)包括有触发器U3，二极管D1，电容C5和电阻R8，触发器U3的时钟信号输入端与窄脉冲成形电路(3)的一个输出端相连接，触发器U3的一个输出端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极又与电容C5和电阻R8组成的并联电路相连接，并与触发器U3的复位端相连接；电容C5和电阻R8组成的并联电路的另一端接地；触发器U3的另一个输出端与频率输出级电路(7)的输入端相连接。
所述的电荷频率转换器，所述的频率输出级电路(7)包括有电阻R9，三极管U4，二极管D2和电阻R10，输出脉冲整形电路(6)的输出端与三极管U4的发射极连接，三极管U4的基极与窄脉冲成形电路的一个输出端相连接、与二极管D2的负极相连接，并通过电阻R9与供电电压相连接，，三极管U4的集电极与供电电压连接；三极管U4的发射极连接二极管D2的正极；三极管U4的发射极串联通过电阻R10接地，二极管D2的正极与频率输出端连接。
所述的电容C1并接有多个电容，用跳线器、或手动开关、或继电器开关、或模拟开关进行选择。
所述的电流信号输入端P1、频率输出(P2)的连接器是BNC/CC5/LEMO型连接器。
所述的电荷频率转换器，还包括有电路基板为印刷电路板PCB或是为三氧化二铝(Al2O3)陶瓷基板厚膜电路型基板。
所述的电荷频率转换器，可以是单通道，即在单块电路板上只安装有一路所述的电荷频率转换器，或者是多通道，即在单块电路板上设计安装了多路所述的电荷频率转换器。
多通道电荷频率转换器，在满足性能要求的条件下，可以选择不同封装类型的器件，以满足通道数、体积、结构等应用要求；所采用的元器件可以是单片单路器件，或是单片多路器件，例如，单片4运放，即在一块芯片上封装了4个相同的运算放大器。
探测器电流信号输入P1，逻辑脉冲输出P2；输出脉冲的频率与输入电流/电荷量成正比；输入信号经过电阻R2进入高阻放大器A1和电容C1进行积分；积分单元电路输出馈入比较器U1，比较器输出信号触发D触发器U2；D触发器U2的Q输出，一路与模拟开关S1的控制端相连，作为开关控制信号，另一路与延迟单元的输入与门U8相连，与门U8的输出信号经电阻R7、电容C3、与门U7产生延时信号；D触发器U2的Q输出，一路与与门U6的输入相连，与门U6的输出信号经电阻R6、电容C4、与门U5产生D触发器U2的复位信号，另一路与模拟开关S2的控制端相连，作为开关控制信号；延时信号U7输出经过电阻R4、R5进行分压以后通过微分电容C2，馈送到电路中的O点，产生泄放量控制信号。
通过控制模拟开关S1导通，S2截至来完成一次电容C1的泄放工作。每泄放一次电容C1，比较器U1反转一次，同时D触发器U2产生一个完整的脉冲。D触发器U2的输出信号经过D触发器U3整形成一定宽度和幅度的输出脉冲，最后再经过输出三极管U4输出，以便增强输出驱动能力。
在本实施例中，通过改变积分电容C1的电容值可以改变积分时间常数，提高测量的精度；改变积分电容C1的电容值也可以改变电路的量程。设置不同的参考比较电压Vref，可以调节比较器U1的阈值，改变输出频率。改变电阻电容C3、C4、R6、R7的值，可以调节反馈延时，以便使电路达到最佳的稳定工作效果。通过改变电阻R4、R5的比值R5/(R4+R5)，可以改变O点信号Vo的大小，并进而可以控制泄放电流的大小Vo/R3。通过改变微分电容C2的电容值，可以适量控制泄放电流的速度。由此可知，改变分压电阻R4、R5和电容C2的值，可以调节泄放电流的大小和泄放电流的速度，从而可以达到改变输出信号频率目的。改变电阻R8和电容C5的值可以调节输出频率的脉冲宽度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电荷频率转换器，其特征在于：电流信号输入端P1通过电阻R2与积分电路(1)的输入端连接；积分电路(1)的输出端通过幅度鉴别电路(2)与窄脉冲成形电路(3)的输入端相连接；窄脉冲成形电路(3)的输出1端分别与延时电路(4)的输入端、输出脉冲整形电路(6)的输入端和第一泄放开关(8)的控制端相连接；延时电路(4)的输出端通过幅度控制与耦合电路(5)与泄放支路相连接；窄脉冲成形电路(3)的输出2端与第二泄放开关(9)的控制端相连接；输出脉冲整形电路(6)的输出端与频率输出级电路(7)相连接；所述的窄脉冲成形电路(3)包括有触发器U2，与门U5、U6、电阻R6和电容C4；所述的幅度鉴别电路的输出端与触发器U2的时钟信号输入端相连接；所述触发器U2的一个输出端分别与与门U6的一个输入端和第二泄放开关(9)的控制端相连接，与门U6的输出端通过电阻R6与与门U5的一个输入端相连接，与门U5的输出端与触发器U2的复位端相连接；在电阻R6与与门U5之间还连接有电容C4并接地；所述的触发器U2的D输入端、两个与门的另一个输入端还与供电电压连接；触发器U2的另一个输出端分别与延时电路(4)、输出脉冲整形电路(6)的输入端和第一泄放开关(8)的控制输入端相连接；所述的延时电路(4)包括两个逻辑门U7和U8、电阻R7及电容C3；所述的逻辑门U7和U8通过电阻R7串联，在U7的输入端还连接有电容C3并接地；所述的幅度控制与耦合电路(5)为电阻R4与电容C2串联，在电阻R4与电容C2之间与电阻R5连接并接地；电容C2的另一端与泄放支路相连接；电阻R4的另一端与延时电路的输出端相连接；所述的泄放支路包括有第一泄放开关(8)S1和第二泄放开关(9)S2；开关S1的1端通过R3与电流信号输入端连接，开关S1的3端与触发器U2的一个输出端和延迟电路中U8的输入端相连接；开关S2的3端与触发器U2的另一个输出端连接，1端通过与幅度控制耦合电路的输出节点O点与开关S1串联，S2的2端接地。
2.如权利要求1所述的电荷频率转换器，其特征在于：所述的积分电路(1)为放大器A1的反向输入端与电流信号输入端相连接，放大器A1的输出端与幅度鉴别电路的输入端相连接，所述放大器A1的同向输入端通过电阻R1接地，在所述放大器A1的反向输入端和输出端还连接有电容C1。
3.如权利要求1或2所述的电荷频率转换器，其特征在于：所述积分电路(1)的输出端与幅度鉴别电路的输入端相连接，所述的幅度鉴别电路既是幅度比较器U1，积分电路(1)的输出端与幅度比较器U1的同向输入端连接，反向输入端为参考电压输入端，幅度比较器U1的输出端与窄脉冲成形电路的输入端相连接。
4.如权利要求1所述的电荷频率转换器，其特征在于：所述的输出脉冲整形电路(6)包括有触发器U3，二极管D1，电容C5和电阻R8，触发器U3的时钟信号输入端与窄脉冲成形电路(3)的一个输出端相连接，触发器U3的一个输出端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极又与电容C5和电阻R8组成的并联电路相连接，并与触发器U3的复位端相连接；电容C5和电阻R8组成的并联电路的另一端接地；触发器U3的另一个输出端与频率输出级电路(7)的输入端相连接。
5.如权利要求1所述的电荷频率转换器，其特征在于：所述的频率输出级电路(7)包括有电阻R9，三极管U4，二极管D2和电阻R10，输出脉冲整形电路(6)的输出端与三极管U4的发射极连接，三极管U4的基极与窄脉冲成形电路的一个输出端相连接、与二极管D2的负极相连接，并通过电阻R9与供电电压相连接，，三极管U4的集电极与供电电压连接；三极管U4的发射极连接二极管D2的正极；三极管U4的发射极串联通过电阻R10接地，二极管D2的正极与频率输出端连接。
6.如权利要求1所述的电荷频率转换器，其特征在于：所述的电容C1并接有多个电容，用跳线器、或手动开关、或继电器开关、或模拟开关进行选择。
7.如权利要求1所述的电荷频率转换器，其特征在于：所述的电流信号输入端P1、频率输出(P2)的连接器是BNC/CC5/LEMO型连接器。
8.如权利要求1所述的电荷频率转换器，其特征在于：还包括有电路基板为印刷电路板PCB或是为三氧化二铝(Al2O3)陶瓷基板厚膜电路型基板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |