CN103412183A

CN103412183A - 多通道电流型辐射探测实时比对测量装置

Info

Publication number: CN103412183A
Application number: CN2013102988209A
Authority: CN
Inventors: 王晶; 渠红光; 田耕; 李海涛; 阮林波; 张雁霞
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-07-16
Also published as: CN103412183B

Abstract

一种多通道电流型辐射探测实时比对测量装置，包括1至8路放大及I-V转换电路、量程控制电路、一个8通道A/D转换电路、一个中央控制单元、为A/D转换电路提供电压参考的电路和为A/D转换电路提供时钟信号的电路、触控液晶显示终端以及电源转换分路单元。本发明采用了译码电路、光电隔离电路和串联加入量程控制电路相结合的方法，实现了八通道共计32个量程的自动量程切换，从而增加了系统的测量范围，提高了程控能力和抵抗数字串扰的能力。本发明可以进行多通道大动态微弱电流测量、可实时显示记录和比对，可应用于辐射探测的测量系统。

Description

多通道电流型辐射探测实时比对测量装置

技术领域

本发明属于核电子学技术领域，具体涉及一种可以进行多通道大动态微弱电流测量和实时比对的测量系统。

背景技术

在辐射探测中，电流法是最为基本的方法之一。许多探测器都是将辐射信号转换成电流信号进行测量。每种探测器都具有自己的特点和测试范围，因此常常需要多路探测器同时参与探测，然后对测试结果进行实时比对。所需测量的电流范围横跨±10mA至±0.01pA，测量仪器不但需要克服极微弱信号测量时的信号串扰，还要同时完成各通路的量程频率控制和实时测量、处理、传输、记录。另外，辐射探测往往测量空间有限，对测量设备的体积也有一定要求。

以往的电流测试设备一般为单通道测量的模式，要完成比对测量就需要和探测器数目相同的测试设备，实验规模大，成本过高。由于时钟信号和电压参考等全部各自独立，各通路测试设备间存在测试误差，即便具有触发功能，也难于完全时间同步，需要进行精密的触发延迟同步设计。

现有的多通道测试技术，大多通过多路复用开关实现多通道测试信号的切换。但这种方法即使开关切换再快，在同一时刻也只有一路信号进行有效测量和记录，达不到多路信号同时测试记录并比对的目的。

发明内容

为解决多通道微弱电流测量和实时比对的难题，本发明提供了一种多通道电流型辐射探测实时比对测量装置。该系统可实现1至8通道的大动态微弱电流测量，每个通道的测量范围是±0.01pA～±20mA，测量范围正负相接，可自动判断输入信号极性和量程。实时五位半分辨率显示，计算机应用软件操控存储和触控液晶屏控制。

本发明的技术解决方案为：

多通道电流型辐射探测实时比对测量装置，其特殊之处是，所属测量系统包括1至8路的放大及I-V转换电路（A1-A8）、量程控制电路(C1-C8)、一个8通道A/D转换电路U1、一个中央控制单元U2、为A/D转换电路提供电压参考的电路U3和为A/D转换电路提供时钟信号的电路U4、触控液晶显示终端U5、计算机应用软件终端U6以及电源转换分路单元U7。

上述放大及I-V转换电路（A1-A8）用于将微弱输入电流信号放大并转换为电压信号，包括集成运算放大器，电源处理电路和反馈网络。反馈网络由8个电阻组成，在不同量程的设置下，不同的继电器会被驱动，从而将不同量级阻抗值的电阻加入到反馈网络中。A1-A8具有相同的结构，互相隔离，独立工作。输出端接8通道A/D转换电路的其中一路输入。

上述量程控制电路(C1-C8)，包括继电器驱动电路、光电隔离电路(G1-G8)和译码电路(Y1-Y8)三部分组成。反馈网络的初始化状态下，无继电器驱动且反馈阻抗最小，为100Ω。其他量程下都只需驱动一个继电器。这种“串联加入式”的量程控制方法具有功耗小、电磁干扰小、可抵抗上电突发大电流的优点。由于这种控制方式将单刀双掷继电器的非驱动一端直接接入了反馈网络，因此要求继电器的接触电阻要十分低(所选器件接触电阻为30～50mΩ），绝缘电阻要十分高（所选器件绝缘电阻为500V下1000MΩ），且驱动电流应该尽可能小以减少继电器线圈驱动时产生的干扰。

上述8通道A/D转换电路U1，其主要器件为一个8通道差分输入的单片ADC。各通道的采集结果在该单元中经过整合，由SPI接口传送给中央控制单元U2。传输的数据长度固定（27个字节），由帧头、八通道16进制原始采集数据两部分构成。采用单片集成这样的电压采集方式既可以保证采集数据的独立性和同步性，又可以大大节省空间，较少设计的复杂程度。传输数据的规范化定义，有助于中央控制单元U2进行数据完整性验证和数据拆分处理。

上述中央控制单元U2，完成系统初始化、量程控制、数据接收、数据处理和数字滤波、数据发送、以及对用户终端控制信号的中断响应。其中，为了便于计算机应用程序U6对所有通道数据和参数进行显示和存储，发送给终端的数据也进行了数据再封装和整合，除了帧头、数据信息以外，还包括了8个通道的量程、频率、是否开启、是否自动等参数信息。

本发明所具有的优点：

该系统各通道的放大转换电路、量程控制电路和采集信道相互独立，互不影响。

多通道采集单元的时钟参考和电压参考完全相同，同时采集信号，同时处理和发送数据，无需同步触发也能时间同步。

中央控制单元同时接收和发送所有测试通道的测量数据，同时向各测试通道的量程控制电路发送控制信号，量程控制实时性强。

系统单个通道的放大转换、量程控制、隔离和译码电路进行了集成模块化设计，因此通道数可根据需要装配，可扩展性向强。

辐射探测往往测量空间受限，本发明可集成8通道电流测量，大大减小了实验规模，节约了成本。

附图说明

图1为本发明用于辐射探测的8通道电流型辐射探测实时比对测量装置系统框图；

图2为本发明多通道电流型辐射探测实时比对测量装置其中一个通道的放大及I-V转换电路A1、量程控制电路C1、光电隔离驱动电路G1和译码电路Y1的实施例电路图。

具体实施方式

本发明多通道电流型辐射探测实时比对测量装置，参见图1，包括1至8路的放大及I-V转换电路（A1-A8）、量程控制电路(C1-C8)、一个8通道A/D转换电路U1、一个中央控制单元U2、为A/D转换电路提供电压参考的电路U3和为A/D转换电路提供时钟信号的电路U4、触控液晶显示终端U5、计算机应用软件终端U6以及电源转换分路单元U7。

1至8路的放大及I-V转换电路（A1-A8），参见图2，用于将微弱输入电流信号放大并转换为电压信号，包括集成运算放大器，电源处理电路和反馈网络。集成运算放大器（Amp1-Amp8）具有相同的结构，互相隔离，独立工作。其正相输入端接地，集成运算放大器（Amp1-Amp8）的输出端分别接8通道A/D转换电路U1的8路差分输入端。集成运算放大器(Amp1-Amp8)的反相输入端和输出端之间是反馈网络。通过A1～A8的转换，输入电流便可转换为适于模数转换的电压。以A1为例，反馈网络由8个电阻组成，受量程控制电路C1控制，可选则继电器开关K1～K8的闭合，在不同量程的设置下，不同的继电器会被驱动，从而将不同量级阻抗值的电阻加入到反馈网络中。从而选择不同反馈通路，完成不同量程的切换。

反馈网络由8个电阻（R1-R8）和8个继电器开关(K1-K8)组成，继电器开关K1的输入端与集成运算放大器的反相输入端相连，非驱动输出端直接连接继电器开关K2的输入端，驱动输出端串联反馈阻抗R1后与继电器开关K2的输入端相连。继电器开关(K2-K6)的输入端接继电器（K1-K5）的非驱动输出端和相应反馈阻抗（R1-R5）的连接点，继电器开关(K2-K6)的非驱动输出端直接连接继电器开关（K3-K7）的输入端，继电器开关(K2-K6)的驱动输出端串联相应反馈阻抗(R2-R6)后与继电器开关(K3-K7)的输入端相连。在不同量程的设置下，不同的继电器会被驱动，从而将不同量级阻抗值的电阻加入到反馈网络中。继电器开关K7的输入端接继电器开关K6的非驱动输出端和反馈阻抗R6的连接点，非驱动输出端直接连接最小的反馈阻抗R8，驱动输出端串联反馈阻抗R7后与反馈阻抗R8相连。

量程控制电路(C1-C8)，包括继电器驱动电路、光电隔离电路(G1-G8)和译码电路(Y1-Y8)三部分组成。量程控制电路(C1-C8)分别用于控制放大及I-V转换电路（A1-A8）的反馈网络阻抗，具有相同的结构。以量程控制电路C1为例，可选则继电器开关(K1～K8)的闭合，在不同量程的设置下，不同的继电器会被驱动，从而将不同量级阻抗值的电阻加入到反馈网络中。从而选择不同反馈通路，完成不同量程的切换。控制量程设置的信号S1～S3由中央控制单元U2发出，经过译码器(Y1)的译码，转换成7路控制信号。这7路信号经过光电隔离电路(G1)与模拟电路部分的继电器(K1-K7)的控制端分别相连，当这7路数字信号的某一路逻辑为1时，光电耦合器相应的管脚被驱动，相应的继电器线圈通电，驱动继电器开关吸合，从而将相应的反馈电阻加入反馈通路。

8通道A/D转换电路U1，主要器件为一个单片ADC，它具有8通道差分输入，每通道24bit分辨率的Σ-Δ过采样电压采集。采用最高精度的配置，500sps传输速率，12.5μV_p-p输入参考噪声。各通道的采集结果在该单元中经过整合，通过SPI接口与中央控制单元U2进行通讯。传输的数据长度固定（27个字节），由帧头、八通道16进制原始采集数据和帧尾三部分构成。帧头为0xC00，每通道的采集数据分别占用24bit顺次排列。

中央控制单元U2，为一个C8051内核单片机，用于完成系统初始化、量程控制、数据接收、数据处理和数字滤波、数据发送、以及对用户终端控制信号的中断响应。其中，为了便于计算机应用程序U6对所有通道数据和参数进行显示和存储，发送给终端的数据也进行了数据再封装和整合，除了帧头、数据信息以外，还包括了8个通道的量程、频率、是否开启、是否自动等参数信息，共计29个字节。数据经过字符串处理，还可以通过串口在触控液晶显示终端U5上实时显示。中央控制单元U2受计算机应用软件终端U6和触控液晶显示终端U5的控制，可以改变采样频率和量程选择控制的控制信号，从而实现计算机控制和触摸屏控制。

电压参考产生电路U3和时钟信号发生电路U4为8通道A/D转换电路U1的每个通道统一提供电压参考和时钟信号。

触控液晶显示终端U5，采用的是4.3英寸可触控型图形点阵65K色工业串口液晶显示模块。该屏幕可以根据需求设计触控式和触控后的显示效果，上传需要的字库文件和背景图片，并将触摸信息转换成串口命令传送给中央控制单元U2。触控液晶显示终端U5通过UART接口与中央控制单元U2连接，实现触摸屏控制操作和实时数据参数显示。

计算机应用软件终端U6，通过USB接口与中央控制单元U2连接，实现控制操作和数据显示记录。具体控制内容包括量程选择(包括自动量程和手动量程档位的选择)，采样频率选择等。控制操作作为中断请求发送给中央控制单元U2，U2做出相应的处理和操作后再将新的数据和参数传回给计算机应用软件终端。计算机应用软件终端U6将每个传来的数据帧都进行完整性判断、数据拆分和处理和显示操作。需要记录数据时，可根据记录时间，采用“*.txt”文件的形式存储起来。

由于本系统所需供电的模块多，且电压各不相同，包括八个放大电路供电（±2.5V），八个继电器驱动电路（+5V），ADC数字部分和中央控制单元供电（+3.3V），电压参考单元和ADC模拟部分供电（±2.5V）。为了节省系统空间，本发明采用上述电源转换分路单元U7，完成对共用±12V输出AC-DC电源模块的分路转换，对模拟和数字电源进行分别处理和相互隔离，并为各个模块提供电压合适的，滤波处理过的电源。

反馈网络电阻（R1-R8）为高精度低温度系数电阻。反馈网络电阻阻值之比为R1：R2：R3：R4：R5：R6：R7：R8＝1G:100M:10M:1M:100k:10k:1k:100。反馈网络的初始化状态下，无继电器驱动且反馈阻抗最小，为100Ω。例如：R1=1GΩ、R2=100MΩ、R3=10MΩ、R4=1MΩ、R5=100kΩ、R6=10kΩ、R7=1kΩ、R8=100Ω，则当输入电流范围为±2nA～±20nA时，中央控制单元U2对输入信号进行判断后输出逻辑为S1=0，S2=1，S3=0。这时K2被驱动，反馈通路的等效电阻约为100M，经微弱电流放大及I-V转换电路A1后，输出电压Vout＝Iin×100MΩ，8通道A/D转换电路U1将Vout转换为数字信号，并将其与其他通路的采集结果一起整合后传给中央控制单元U2进行处理、存储并通信。中央控制单元U2将处理好的数据分别传送给触控液晶显示终端U5和计算机应用软件终端U6，触控液晶显示终端U5和计算机应用软件终端U6将结果实时显示出来，这就完成了一次实时测量。

假设通道1设置为自动判断量程，当输入信号超出目前量程的最佳测量范围时，中央控制单元U2会根据8通道A/D转换电路U1的测量结果判断出应该变到的量程，并发出新的量程控制信号S1～S3，于是新的继电器被驱动，反馈网络等效阻抗改变，量程改变。

光电隔离电路(G1-G8)为贴片式集成光电耦合器，译码电路(Y1-Y8)为贴片式3-8译码器。8通道A/D转换电路U1为ADS1298。触控液晶显示终端U5为4.3寸触控液晶模块。

控制量程设置的信号S1～S3由中央控制单元U2发出，经过译码器的译码，转换成7路控制信号。这7路信号经过光电耦合器与模拟电路部分的继电器控制端分别相连，当这7路数字信号的某一路逻辑为1时，光电耦合器相应的管脚被驱动，相应的继电器线圈通电，驱动继电器开关吸合，从而将相应的反馈电阻加入反馈通路。

Claims

1.一种多通道电流型辐射探测实时比对测量装置，其特征在于：包括量程控制电路、N路放大及I-V转换电路、与多路放大及I-V转换电路输出端联接的N通道A/D转换电路、中央控制单元、为N通道A/D转换电路提供电压参考的电压参考产生电路、为A/D转换电路提供时钟信号的时钟信号发生电路、输入输出单元以及电源转换分路单元；所述N通道A/D转换电路的输出端通过SPI接口与中央控制单元进行通讯；其中，N为大于1的整数；

所述放大及I-V转换电路包括集成运算放大器和反馈网络；所述集成运算放大器正相输入端接地，其反相输入端接输入信号，其输出端接多通道A/D转换电路的其中一路差分输入端；所述反馈网络联接在集成运算放大器的反相输入端和输出端之间；

所述反馈网络包括基础电阻和N-1个电阻单元，所述基础电阻与N-1个电阻单元依次串联；所述每个电阻单元包括电阻和继电器；所述继电器的开关的输入端作为电阻单元的一端，其驱动输出端接电阻的一端，其非驱动输出端与电阻的另一端联接后作为电阻单元的另一端；所述电阻单元的电阻的阻值分别是基础电阻的10¹倍、10²倍、……、10^N-1倍；

所述量程控制电路包括译码电路、光电隔离电路、与放大及I-V转换电路一一对应的N-1个继电器驱动电路；所述译码电路接收中央控制单元发出的控制量程设置的信号，并转换成N-1路控制信号；所述N-1路控制信号经过光电隔离电路与相应N-1个继电器的控制端分别相连。

2.根据权利要求1所述的多通道电流型辐射探测实时比对测量装置，其特征在于：所述N通道A/D转换电路的传输数据包括帧头、依次排列的N个通道的原始采集数据、帧尾；所述每个通道的原始采集数据的位数相同。

3.根据权利要求1或2所述的多通道电流型辐射探测实时比对测量装置，其特征在于：所述中央控制单元用于完成系统初始化、量程控制、数据接收、数据处理和数字滤波、数据发送、以及对用户终端控制信号的中断响应；所述电压参考产生电路为N通道A/D转换电路的每个通道统一提供电压参考；所述时钟信号发生电路为N通道A/D转换电路的每个通道统一提供时钟信号。

4.根据权利要求3所述的多通道电流型辐射探测实时比对测量装置，其特征在于：所述输入输出单元为触控液晶显示终端；所述触控液晶显示终端通过UART接口与中央控制单元连接，实现触摸屏控制操作和实时数据参数显示。

5.根据权利要求3所述的多通道电流型辐射探测实时比对测量装置，其特征在于：所述电源转换分路单元通过对共用±12V输出的AC-DC电源模块的分路转换，实现模拟电源和数字电源的分别处理和相互隔离，并为各个模块提供电压合适且滤波处理过的电源。

6.根据权利要求3所述的多通道电流型辐射探测实时比对测量装置，其特征在于：所述反馈网络的基础电阻为100Ω。

7.根据权利要求3所述的多通道电流型辐射探测实时比对测量装置，其特征在于：所述N=8；所述光电隔离电路为贴片式集成光电耦合器，所述译码电路为贴片式3-8译码器；所述N通道A/D转换电路为ADS1298；所述触控液晶显示终端为4.3寸触控液晶模块。

8.根据权利要求3所述的多通道电流型辐射探测实时比对测量装置，其特征在于：所述继电器的接触电阻为30～50mΩ、绝缘电阻为500V下1000MΩ。