CN104410378A - 一种光电探测器系统增益稳定的控制电路 - Google Patents

Abstract

一种光电探测器系统增益稳定的控制电路，主要包括放大电路、脉宽整形电路、电压甄别电路和控制电压动态调节电路。放大电路对光电探测器阳极输出的电流脉冲信号进行放大并将其转换成电压信号，脉宽整形电路去除无用脉冲信号并将尖峰脉冲信号转换成固定脉宽的方波频率信号，电压甄别电路通过上门限比较电压和下门限比较电压监控放大电路输出脉冲的增益，控制电压动态调节电路通过积分电容的充放电调节控制电压并调整光电探测器的工作电压，实现光电探测器工作时的增益稳定控制。

Description

一种光电探测器系统增益稳定的控制电路

技术领域

本发明涉及一种增益稳定控制电路，特别是一种可适应于温度变化的光电探测器系统增益稳定的控制电路。

背景技术

航天器着陆过程中需要使用γ高度表实现低高度测高，而光电探测器是γ高度表的重要部件，它接收从着陆面反散射的γ光子并将光信号转换成增益一定的电流脉冲信号，由后续信号处理电路根据脉冲信号的频率计数变化实现高度测量。

光电探测器输出的电流脉冲信号的增益受温度等环境因素影响，温度的降低会使光电探测器系统的电流增益减小，输出的脉冲信号幅度降低，经信号处理电路后获得的频率计数值就会减少，从而影响高度测量的精度。由于返回舱和探测器着陆时对高度执行信号的精度要求较高，因而需要将光电探测器的误差影响降至最低。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可自适应调节光电探测器系统增益的控制电路，可以有效解决光电探测器在应用中出现的系统增益不稳定现象，使其输出脉冲幅度保持一致，从而保证脉冲计数的正确性。

本发明的技术解决方案是：一种光电探测器系统增益稳定的控制电路，包括：放大电路、脉宽整形电路、电压甄别电路和控制电压动态调节电路，其中：

放大电路：将光电探测器阳极输出的电流脉冲信号转换为原始电压脉冲信号并进行放大，将放大后的原始电压脉冲信号送至电压甄别电路和脉宽整形电路；

脉宽整形电路：获取门限电压，将放大后的原始电压脉冲信号与门限电压比较，去除幅度低于门限电压的无用脉冲信号，并将去除无用脉冲信号后的放大后的原始电压脉冲信号调制成脉宽和幅度固定的频率脉冲信号，并分别送至电压甄别电路和控制电压动态调节电路；

电压甄别电路：同时接收频率脉冲信号和放大后的原始电压脉冲信号，利用频率脉冲信号对放大后的原始电压脉冲信号进行去重叠控制，得到连续的脉冲信号，将上门限比较电压、下门限比较电压分别与连续的脉冲信号比较，当连续脉冲信号幅度低于下门限电压时，输出两路高电平至控制电压动态调节电路，当连续脉冲信号幅度高于上门限电压时，输出两路低电平至控制电压动态调节电路，当连续脉冲信号幅度处于上门限电压和下门限电压之间时，同时输出一路高电平和一路低电平至控制电压动态调节电路；所述上门限比较电压与γ粒子能谱的峰值成正比，下门限比较电压与γ粒子能谱的谷值成正比；

控制电压动态调节电路：接收电压甄别电路的输出电平，并接收脉宽整形电路发送的频率脉冲信号，当频率脉冲信号为高电平且电压甄别电路两路输出都为高电平，则控制光电探测器的阴极电压增大，当频率脉冲信号为高电平且电压甄别电路两路输出都为低电平，则控制光电探测器的阴极电压减小，当频率脉冲信号为高电平且电压甄别电路两路输出分别为高电平和低电平，则不对光电探测器的阴极电压进行控制。

所述的放大电路进行电压信号的放大是二级放大，第一级放大控制在1.8V～2.1V，第二级放大为6V，将一级放大后的原始电压信号送至电压甄别电路，二级放大后的原始电压脉冲信号送至脉宽整形电路。

所述的脉宽整形电路包括起始门限比较器单元和双单稳触发器单元，起始门限比较器单元获取门限电压，将二级放大后的原始电压脉冲信号与门限电压比较，去除电路噪声引起的幅度低于门限电压的无用脉冲信号，并将去除无用脉冲信号后的二级放大的原始电压脉冲信号送至双单稳触发器单元，双单稳触发器单元将去除无用脉冲信号后的二级放大的原始电压脉冲信号调制成脉宽和幅度固定的频率脉冲信号，分别输出频率脉冲信号到电压甄别电路和控制电压动态调节电路。

所述的电压甄别电路包括选通开关单元、上门限比较器单元和下门限比较器单元，选通开关单元在频率脉冲信号控制下选通，对放大电路发送的一级放大后的原始电压脉冲信号进行去重叠控制，得到连续的脉冲信号并发送到上门限比较器单元和下门限比较器单元的反向输入端；上门限比较器单元的同向输入端接入上门限比较电压，下门限比较器单元的同向输入端接入下门限比较电压，上门限比较器单元和下门限比较器单元分别将各自的两路输入电压与放大电路发送的并经选通开关单元处理得到的连续脉冲信号的幅度比较，当连续脉冲信号幅度低于下门限电压时，上门限比较器和下门限比较器都截止且都输出高电平，当连续脉冲信号幅度高于上门限电压时，上门限比较器和下门限比较器都翻转且都输出低电平，当连续脉冲信号幅度处于上门限电压和下门限电压之间时，上门限比较器截止输出高电平，下门限比较器翻转输出低电平，上门限比较器和下门限比较器将输出电平送至控制电压动态调节电路。

所述的控制电压动态调节电路包括整形电路单元、积分器和压控电阻，整形电路单元包括第一整形电路和第二整形电路，第一整形电路接收上门限比较器单元的输出电平和脉宽整形电路发送的频率脉冲信号，第二整形电路接收下门限比较器单元的输出电平和脉宽整形电路发送的频率脉冲信号，当频率脉冲信号为高电平时，如果上门限比较器单元、下门限比较器单元输出都为高电平，则第一整形电路的JK触发器截止，第二整形电路的JK触发器输出低电平，控制积分器放电，减小压控电阻电压，使光电探测器的阴极电压增大，如果上门限比较器单元、下门限比较器单元输出都为低电平，则第一整形电路输出高电平，第二整形电路截止，控制积分器充电，增大压控电阻电压，使光电探测器的阴极电压减小，如果上门限比较器单元输出高电平、下门限比较器单元输出低电平，则第一整形整形电路输出高电平，第二整形电路输出低电平，控制积分器充放电处于平衡状态，不对光电探测器的阴极电压进行控制。

所述的脉宽整形电路中的起始门限比较器单元的门限电压为-0.7V。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明自动增益控制电路可以动态调节光电探测器的工作电压，与采用固定工作电压的工作方式相比，可以通过调节光电探测器的工作电压实现其系统增益的动态平衡；

(2)本发明自动增益控制电路通过γ粒子能谱的峰值和谷值确定上门限比较电压和下门限比较电压，在光电探测器前端固定1μCi的基准放射源(¹³⁷Cs),在加电工作状态可以实现对光电探测器系统增益的实时控制并保持稳定；

(3)本发明自动增益控制电路使光电探测器在温度等外界环境条件变化的情况下具有系统增益的自适应调节能力，减小环境因素对γ光子探测的影响，可以实现较高的测量精度。

附图说明

图1为本发明光电探测器增益稳定控制电路原理框图；

图2为本发明γ粒子能谱示意图；

图3为本发明光电探测器受外界影响后的能谱示例图；

图4为本发明放大电路结构图；

图5为本发明脉宽整形电路结构图；

图6为本发明整形电路结构图。

具体实施方式

本发明光电探测器系统增益稳定的控制电路由放大电路、脉宽整形电路、电压甄别电路和控制电压动态调节电路组成，其中放大电路将光电探测器阳极输出的电流脉冲信号及其它噪声信号进行线性放大，同时实现电流-电压信号的转换，放大电路的增益可通过反馈电阻进行调节；脉宽整形电路将放大的脉冲信号经门限比较去除无用的噪声脉冲信号，同时去除重叠的脉冲信号，并通过双单稳触发器将宽窄不一的尖峰脉冲信号调制成宽度相同的频率信号；电压甄别电路包括选通开关和上下门限比较器，经脉宽调整后的频率信号送至选通开关的选通端，从而控制到达上门限比较器和下门限比较器反向输入端的放大电路输出信号，选通开关的选通时间为两倍单脉冲宽度，可以实现对放大电路输出信号的去重叠控制，若输出的脉冲信号存在多个信号的重叠现象，则经去重叠控制后处理成单个脉冲信号。上门限比较器和下门限比较器的同向端分别接入上门限比较电压和下门限比较电压，上门限比较电压、下门限比较电压与放大电路输出信号的增益电平比较控制上门限比较器和下门限比较器的输出电平；控制电压动态调节电路的输入，电压甄别电路上门限比较器和下门限比较器的输出电平实质是监控过上门限和下门限的脉冲个数，由整形电路中JK触发器的触发/截止状态控制积分器中积分电容的充放电状态，积分器输出电压信号控制压控电阻来实现对控制电压的调节。电源变换器高压输出两端的压差是恒定的，通过调节控制电压调整高压电源的阳极电压，从而实现光电探测器阴极工作电压的调整，进而动态平衡光电探测器的电流放大增益。

电压甄别电路包括选通开关、上门限比较器和下门限比较器，上、下门限比较器的比较电压根据γ粒子能谱的峰值门限和谷值门限确定。当放大电路输出脉冲信号幅度低于下门限电压时，两个比较器都截止，输出高电平；当放大电路输出脉冲信号幅度高于上门限电压时，两个比较器都翻转，输出低电平；当放大电路输出脉冲信号幅度处于上门限电压和下门限电压之间时，上门限比较器截止输出为高电平，下门限比较器翻转输出为低电平。上、下门限比较器分别输出上门限脉冲信号和下门限脉冲信号到控制电压动态调节电路。其中上门限比较电压与γ粒子能谱的峰值门限成正比，下门限比较电压与γ粒子能谱的谷值门限成正比。

如图1所示，为本发明光电探测器增益稳定控制电路原理框图，由基准放射源、光电探测器、放大电路、脉宽整形电路、电压甄别电路、控制电压动态调节电路和电源变换器组成。光电探测器接收基准放射源辐射的γ光子并转换为微弱的电流脉冲信号输出，电流脉冲信号的幅度为20μA～100μA，极性为负；放大电路实现电流脉冲信号的放大，放大电路一般采用两级放大的形式，分别实现电流-电压信号的变换和电压信号的二次放大，脉冲信号经第一级反向放大后的信号幅度一般控制在1.8V～2.1V左右，一级放大后的脉冲信号去向电压甄别电路中的上门限、下门限比较电路，脉冲信号经第二级反向放大后输出的脉冲信号幅度一般控制在6V左右，其极性与光电探测器输出的脉冲信号相同，二级放大后的信号去向脉宽整形电路；脉宽整形电路将信号放大后的脉冲信号进行门限控制和去脉冲重叠控制，将电路噪声引发的幅度低于门限电压的无用脉冲信号去除，并通过双单稳触发器将宽窄不一的尖峰脉冲信号调制成脉宽和幅度固定的频率脉冲信号，双单稳输出的一路信号去向电压甄别电路控制选通开关，另一路信号去向控制电压动态调整电路；电压甄别电路通过来自脉宽整形电路的脉冲信号控制放大电路输出信号到上门限比较器和下门限比较器的反向输入端，经门限电压比较后输出上门限脉冲信号和下门限脉冲信号；控制电压动态调整电路对来自电压甄别电路的上门限脉冲信号和下门限脉冲信号进行整形后输入积分器的反向输入端，实现积分求和并输出控制电压信号，经压控电阻实现动态分压调节电源变换器的阳极电位，从而调节光电探测器的阴极工作电压并实现其增益的稳定控制。

如图2所示，为本发明γ粒子能谱示意图。对于加在光电探测器前端的1μCi左右的¹³⁷Cs基准放射源，其基准频率在(2±1)kHz。¹³⁷Cs的能谱具有单主峰且主峰两侧比较对称的特性，在谷值点和峰值点通过设置门限电压阈值，使过谷值点和峰值点右侧能量区间保持2：1的关系，即使放大电路输出过谷值门限的计数脉冲之和为两倍的过峰值门限之和，可以实现光电探测器增益稳定的动态控制。

如图3所示，为本发明光电探测器受外界影响后的能谱示例图，当温度降低时，会导致光电探测器增益下降，特性曲线左移，光电探测器经放大电路后通过下门限的脉冲个数(谷值点)将大于2倍的通过上门限脉冲个数(峰值点)，控制电压动态调整电路使控制电压减小，光电探测器工作电压升高，回路电流变大，光电探测器阳极增益提高，特性曲线右移，实现系统增益动态平衡；反之，当温度升高时，光电探测器增益上升，特性曲线右移，通过相同的控制过程使特性曲线左移，实现光电探测器增益稳定的自动控制功能。

如图4所示，为本发明放大电路结构图，放大电路采用两级放大的形式，分别实现电流-电压信号的变换和电压信号的二次放大，其中I_i为阳极脉冲电流输入信号，R1和R2为第一级和第二级放大电路反馈电阻，U₁和U₂为第一级和第二级放大电路输出电压信号。

如图5所示，为本发明脉宽整形电路结构图，由起始门限比较器和双单稳触发器组成，起始门限比较器的门限电压U_ref一般设置为-0.7V，实现对信号放大后脉冲幅值U2的鉴别，单稳触发器通过外围电路R3和C1的参数设置将尖峰脉冲信号调制成脉宽为400ns、脉冲幅度为5V的频率信号U3输出。

如图6所示，为本发明整形电路结构图，由JK触发器的触发/截止状态控制积分器中积分电容的充放电，其中U4为双单稳触发器输出信号，U5为上门限比较器输出信号，U6为下门限比较器输出信号，U7为去向积分器的脉冲电压信号，R4、C2和R5、C3的阻容参数设置使其充放电常数满足2:1的关系，二极管V1～V4实现充放电过程中的方向控制。当上、下门限脉冲输出都为高电平，上门限JK触发器截止，下门限JK触发器触发，积分电容放电；当上、下门限脉冲输出都为低电平，上门限JK触发器触发，下门限JK触发器截止，积分电容充电；当上门限脉冲输出为高电平，下门限脉冲输出为低电平，积分器充放电处于平衡状态。

增益稳定控制方法为：初始状态，设置上门限电压、下门限电压使放大电路输出过谷值门限的计数脉冲之和为两倍的过峰值门限之和，控制电压动态调节电路中积分器的积分电容充放电处于平衡状态，如图3中谷值门限右侧面积等于两倍峰值门限右侧面积。当外界影响(如温度降低时)会使光电探测器的增益减小，输出幅度降低，其能谱特性曲线就会左移，两倍过峰值脉冲数就小于过谷值脉冲数，这时上、下门限脉冲输出都为高电平，控制电压动态调节电路控制使积分电容放电，经积分器输出减少压控电阻电压，高压电源的阳极参考电压减小，从而使光电探测器阴极电压增大，输出信号幅度增加，能谱特性曲线右移，实现光电探测器增益的动态平衡。同理，若光电探测器的增益增大，上、下门限脉冲输出都为低电平，控制电压动态调节电路控制使积分电容充电，经积分器输出使高压电源的阳极参考电压增大，从而使光电探测器的阴极电压减小，输出信号幅度减小，同样实现光电探测器增益的动态平衡。其中控制电压是由积分器输出的压控电压信号调节反高压三极管组成的电压控制电路实现的。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种光电探测器系统增益稳定的控制电路，其特征在于包括：放大电路、脉宽整形电路、电压甄别电路和控制电压动态调节电路，其中：

放大电路：将光电探测器阳极输出的电流脉冲信号转换为原始电压脉冲信号并进行放大，将放大后的原始电压脉冲信号送至电压甄别电路和脉宽整形电路；

脉宽整形电路：获取门限电压，将放大后的原始电压脉冲信号与门限电压比较，去除幅度低于门限电压的无用脉冲信号，并将去除无用脉冲信号后的放大后的原始电压脉冲信号调制成脉宽和幅度固定的频率脉冲信号，并分别送至电压甄别电路和控制电压动态调节电路；

电压甄别电路：同时接收频率脉冲信号和放大后的原始电压脉冲信号，利用频率脉冲信号对放大后的原始电压脉冲信号进行去重叠控制，得到连续的脉冲信号，将上门限比较电压、下门限比较电压分别与连续的脉冲信号比较，当连续脉冲信号幅度低于下门限电压时，输出两路高电平至控制电压动态调节电路，当连续脉冲信号幅度高于上门限电压时，输出两路低电平至控制电压动态调节电路，当连续脉冲信号幅度处于上门限电压和下门限电压之间时，同时输出一路高电平和一路低电平至控制电压动态调节电路；所述上门限比较电压与γ粒子能谱的峰值成正比，下门限比较电压与γ粒子能谱的谷值成正比；

控制电压动态调节电路：接收电压甄别电路的输出电平，并接收脉宽整形电路发送的频率脉冲信号，当频率脉冲信号为高电平且电压甄别电路两路输出都为高电平，则控制光电探测器的阴极电压增大，当频率脉冲信号为高电平且电压甄别电路两路输出都为低电平，则控制光电探测器的阴极电压减小，当频率脉冲信号为高电平且电压甄别电路两路输出分别为高电平和低电平，则不对光电探测器的阴极电压进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种光电探测器系统增益稳定的控制电路，其特征在于：所述的放大电路进行电压信号的放大是二级放大，第一级放大控制在1.8V～2.1V，第二级放大为6V，将一级放大后的原始电压信号送至电压甄别电路，二级放大后的原始电压脉冲信号送至脉宽整形电路。

3.根据权利要求2所述的一种光电探测器系统增益稳定的控制电路，其特征在于：所述的脉宽整形电路包括起始门限比较器单元和双单稳触发器单元，起始门限比较器单元获取门限电压，将二级放大后的原始电压脉冲信号与门限电压比较，去除电路噪声引起的幅度低于门限电压的无用脉冲信号，并将去除无用脉冲信号后的二级放大的原始电压脉冲信号送至双单稳触发器单元，双单稳触发器单元将去除无用脉冲信号后的二级放大的原始电压脉冲信号调制成脉宽和幅度固定的频率脉冲信号，分别输出频率脉冲信号到电压甄别电路和控制电压动态调节电路。

4.根据权利要求2或3所述的一种光电探测器系统增益稳定的控制电路，其特征在于：所述的电压甄别电路包括选通开关单元、上门限比较器单元和下门限比较器单元，选通开关单元在频率脉冲信号控制下选通，对放大电路发送的一级放大后的原始电压脉冲信号进行去重叠控制，得到连续的脉冲信号并发送到上门限比较器单元和下门限比较器单元的反向输入端；上门限比较器单元的同向输入端接入上门限比较电压，下门限比较器单元的同向输入端接入下门限比较电压，上门限比较器单元和下门限比较器单元分别将各自的两路输入电压与放大电路发送的并经选通开关单元处理得到的连续脉冲信号的幅度比较，当连续脉冲信号幅度低于下门限电压时，上门限比较器和下门限比较器都截止且都输出高电平，当连续脉冲信号幅度高于上门限电压时，上门限比较器和下门限比较器都翻转且都输出低电平，当连续脉冲信号幅度处于上门限电压和下门限电压之间时，上门限比较器截止输出高电平，下门限比较器翻转输出低电平，上门限比较器和下门限比较器将输出电平送至控制电压动态调节电路。

5.根据权利要求2或3所述的一种光电探测器系统增益稳定的控制电路，其特征在于：所述的控制电压动态调节电路包括整形电路单元、积分器和压控电阻，整形电路单元包括第一整形电路和第二整形电路，第一整形电路接收上门限比较器单元的输出电平和脉宽整形电路发送的频率脉冲信号，第二整形电路接收下门限比较器单元的输出电平和脉宽整形电路发送的频率脉冲信号，当频率脉冲信号为高电平时，如果上门限比较器单元、下门限比较器单元输出都为高电平，则第一整形电路的JK触发器截止，第二整形电路的JK触发器输出低电平，控制积分器放电，减小压控电阻电压，使光电探测器的阴极电压增大，如果上门限比较器单元、下门限比较器单元输出都为低电平，则第一整形电路输出高电平，第二整形电路截止，控制积分器充电，增大压控电阻电压，使光电探测器的阴极电压减小，如果上门限比较器单元输出高电平、下门限比较器单元输出低电平，则第一整形整形电路输出高电平，第二整形电路输出低电平，控制积分器充放电处于平衡状态，不对光电探测器的阴极电压进行控制。

6.根据权利要求3所述的一种光电探测器系统增益稳定的控制电路，其特征在于：所述的脉宽整形电路中的起始门限比较器单元的门限电压为-0.7V。