CN104734714B - 辐射探测中单极性快脉冲的信号调理方法及信号调理系统 - Google Patents

Abstract

辐射探测中单极性快脉冲的信号调理方法及调理系统，该信号调理方法包括：1)将数采系统的差分输入峰峰值V_p‑p的一半作为直流参考电压；2)根据被测单极性快脉冲的极性，产生极性不同的直流偏置电压：当单极性快脉冲为正信号时，对直流参考电压进行极性转换，得到负相直流偏置电压‑1/2V_p‑p；当单极性快脉冲为负信号时，不对直流参考电压进行极性转换，得到正相直流偏置电压1/2V_p‑p；3)将直流偏置电压与单极性快脉冲信号按原幅度叠加，得到带有直流偏置的脉冲信号：正脉冲与负相直流偏置电压叠加得到带有直流偏置的正脉冲信号；负脉冲与正相直流偏置电压叠加得到带有直流偏置的负脉冲信号。本发明可扩大数采系统测量动态范围。

Description

辐射探测中单极性快脉冲的信号调理方法及信号调理系统

技术领域

本发明属于核电子学技术领域，涉及一种单极性快脉冲的信号调理方法及信号调理系统，尤其涉及一种可应用于辐射探测的、能够扩大数采系统测量单极性快脉冲动态范围的信号调理方法及信号调理系统。

背景技术

在强辐射环境下，探测对象为单极性快脉冲信号，常利用数采系统将被探测信号量化后通过光纤传输至控制端记录并保存。但是，由于数采系统的核心器件——模数转换器ADC的线性动态范围通常为-1/2V_p-p～1/2V_p-p(V_p-p为模数转换器ADC的差分输入峰峰值)，这对于双极性信号的测量是非常有用的；然而，在测量单极性信号时，模数转换器的动态范围只利用了一半。

目前，为扩大数采系统的动态范围，通常采用功率衰减的方法，即通过改变衰减器的衰减倍数使被探测信号幅度满足ADC的输入要求。但在测量单极性快脉冲时，该方法仍然只利用了模数转换器动态范围的一半。

发明内容

为了解决背景技术中存在的数采系统在测量单极性快脉冲信号时动态范围只利用一半的技术问题，本发明提供了一种能够扩大数采系统测量动态范围的辐射探测中单极性快脉冲的信号调理方法及信号调理系统。

本发明的技术解决方案是：

本发明提供了一种辐射探测中单极性快脉冲的信号调理方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)将数采系统的差分输入峰峰值V_p-p的一半即1/2V_p-p作为直流参考电压；

2)根据被测单极性快脉冲的极性，产生极性不同的直流偏置电压：

当被测单极性快脉冲为正信号时，对直流参考电压进行极性转换，得到负相直流偏置电压-1/2V_p-p；当被测单极性快脉冲为负信号时，不对直流参考电压进行极性转换，得到正相直流偏置电压1/2V_p-p；

3)将步骤2)所得直流偏置电压与被测单极性快脉冲信号按原幅度进行叠加，得到带有直流偏置的脉冲信号：

当被测单极性快脉冲为正信号时，将其与负相直流偏置电压-1/2V_p-p叠加，得到带有直流偏置的正脉冲信号；当被测单极性快脉冲为负信号时，将其与正相直流偏置电压1/2V_p-p叠加，得到带有直流偏置的负脉冲信号。

上述辐射探测中单极性快脉冲的信号调理方法在步骤3)之后还包括：

4)对步骤3)所得带有直流偏置的脉冲信号进行缓冲。

上述步骤1)的具体实现方式是：

将电压参考芯片与可变电阻器的始端相连，可变电阻器的终端接地，通过调节可变电阻器调节端的位置，使直流参考电压与数采系统的差分输入峰峰值V_p-p的一半相等。

一种辐射探测中单极性快脉冲的信号调理系统，其特殊之处在于：包括直流电源处理电路、直流参考电压产生电路、耦合电路、直流偏置电压产生电路、加法电路以及驱动电路；外部DC电压输入端通过直流电源处理电路分别与+5V电压输出端和-5V电压输出端相连；+5V电压输出端和-5V电压输出端均分别与直流参考电压产生电路、耦合电路、直流偏置电压产生电路、加法电路以及驱动电路的电源端相连；+5V电压输出端通过直流参考电压产生电路与直流参考电压产生电路输出端相连；直流参考电压产生电路输出端输出的直流参考电压值等于数采系统的差分输入峰峰值的一半；直流参考电压产生电路输出端以及被测单极性快脉冲信号的输入端分别与耦合电路相连；耦合电路分别与直流偏置电压产生电路和加法电路相连；直流偏置电压产生电路与加法电路相连；加法电路对被测单极性快脉冲信号与直流偏置电压产生电路输出的直流偏置电压按原幅度进行叠加；加法电路通过驱动电路与数采系统相连。

上述直流参考电压产生电路包括电压参考芯片D1以及可变电阻器R1；+5V电压输出端通过电压参考芯片D1与可变电阻器R1的始端相连；可变电阻器R1的终端接地，其调节端通过直流参考电压产生电路输出端与耦合电路相连。

上述耦合电路包括运算放大器A1、运算放大器A2以及由电阻R2和电容C1并联组成的补偿网络；被测单极性快脉冲信号的输入端与运算放大器A1的同相输入端相连；运算放大器A1的反相输入端通过电阻R2与运算放大器A1的输出端相连；运算放大器A1的输出端与加法电路相连；直流参考电压产生电路输出端与运算放大器A2的同相输入端相连，运算放大器A2的反相输入端与运算放大器A2的输出端相连；运算放大器A2的输出端通过直流偏置电压产生电路与加法电路相连。

上述直流偏置电压产生电路包括电阻R3、电阻R4、单刀双掷射频模拟开关K1、单刀双掷射频模拟开关K2、单刀双掷拨动开关K3以及放大系数为-1的运算放大器A3；单刀双掷射频模拟开关K1包括公共端a、常闭端a1以及常开端a2；单刀双掷射频模拟开关K2包括公共端b、常闭端b1以及常开端b2；运算放大器A2的输出端与公共端a相连，常闭端a1与常闭端b1相连，常开端a2与电阻R3一端相连，电阻R3的另一端分别与运算放大器A3的反相输入端以及电阻R4相连；运算放大器A3的同相输入端接地；运算放大器A3的反相输入端通过电阻R4与运算放大器A3的输出端相连；电阻R3与电阻R4的阻值相等；运算放大器A3的输出端与常开端b2相连；公共端b与加法电路相连；单刀双掷拨动开关K3包括公共端、第一端子以及第二端子，第一端子接地，第二端子与+5V电压输出端相连，公共端分别与单刀双掷射频模拟开关K1的控制端以及单刀双掷射频模拟开关K2的控制端相连。

上述加法电路包括运算放大器A4、输入电阻R5、输入电阻R6、反馈电阻R7、反馈电阻R8以及电容C2；输入电阻R5的一端与公共端b相连，另一端分别与运算放大器A4的同相输入端以及输入电阻R6连接；运算放大器A1的输出端与输入电阻R6相连；反馈电阻R8的一端接地，另一端与电容C2相连；电容C2与反馈电阻R7并联，运算放大器A4的反相输入端通过反馈电阻R7与运算放大器A4的输出端相连；输入电阻R5与输入电阻R6的阻值相等，反馈电阻R7与反馈电阻R8的阻值相等；所述驱动电路包括射频缓冲器A5；运算放大器A4的输出端与射频缓冲器A5的同相输入端相连；射频缓冲器A5的反相输入端与射频缓冲器A5的输出端相连；射频缓冲器A5的输出端与数采系统相连。

上述电压参考芯片D1的电压噪声峰峰值为1μV，温度漂移系数为3ppm/℃；所述运算放大器A1、运算放大器A4以及射频缓冲器A5的带宽均大于500MHz，输入电压噪声频谱密度均小于所述运算放大器A2以及运算放大器A3的电压噪声峰峰值均小于4μV。

上述运算放大器A1的单位增益带宽积为1.0GHz，输入电压噪声频谱密度为输入电流噪声频谱密度为所述运算放大器A2以及运算放大器A3的电压噪声峰峰值均为0.08μV，偏置电压均为75μV；所述运算放大器A4的单位增益带宽积为1.8GHz，输入电压噪声频谱密度为输入电流噪声频谱密度为所述射频缓冲器A5的带宽为1.75GHz，输入电压噪声频谱密度为闭环增益为1，驱动电流为75mA；

所述电压参考芯片D1的型号为ADR440；所述运算放大器A1的型号为AD8009；所述运算放大器A2以及运算放大器A3的型号均为AD8671；所述运算放大器A4的型号为THS3201；所述射频缓冲器A5的型号为LMH6559。

本发明提供了一种辐射探测中单极性快脉冲的信号调理方法及信号调理系统(简称：信号调理系统)，其具有以下优点：

1、以数采系统的差分输入峰峰值V_p-p的一半(即1/2V_p-p)作为直流参考电压，以带有极性的直流参考电压作为直流偏置电压，同时将该直流偏置电压与被测单极性快脉冲信号按原幅度进行叠加，实现了数采系统测量动态范围的2倍扩展。

2、采用电压参考芯片与电位计相结合的方法来产生直流参考电压，使信号调理系统可以针对差分输入峰峰值不同的数采系统，又有效降低了直流偏置电压的噪声，保证了信号调理系统的低噪声(电压噪声峰峰值小于3mV)。

3、采用基于电压跟随器的直接耦合电路实现单极性快脉冲信号和直流参考电压至后级电路的耦合，对二者在输入端进行了隔离，避免了单极性快脉冲信号与直流参考电压的串扰，保证了单极性快脉冲信号中低至直流的低频分量的耦合。

4、采用单刀双掷拨动开关与两个单刀双掷射频模拟开关相结合的方法控制单极性快脉冲信号的偏置方向，既保证了信号调理系统的高频特性(－3dB模拟带宽：350MHz)，又便于现场操作和实现，降低了信号调理系统与数采系统组合形成的数据获取装置的复杂度。

5、采用加法电路实现两路信号(即直流偏置电压信号与单极性快脉冲信号)的叠加，决定叠加系数大小的是加法电路中各电阻的比例系数(即输入电阻R5与输入电阻R6的比例系数、反馈电阻R7与反馈电阻R8的比例系数)，因而降低了对电阻寄生参数、温度系数等的要求。

本发明提供的辐射探测中单极性快脉冲的信号调理系统，其通频带以及噪声系数等方面均远远优于辐射探测的测量要求，同时很好地解决了数采系统动态范围只利用一半的技术问题。

附图说明

图1是本发明提供的辐射探测中单极性快脉冲的信号调理系统的原理框图；

图2是本发明采用的直流电源处理电路的示意图；

图3是本发明提供的直流参考电压产生电路的电路图；

图4是本发明提供的耦合电路的电路图；

图5是本发明提供的直流偏置电压产生电路的电路图；

图6是本发明提供的加法电路的电路图；

图7是本发明采用的驱动电路的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种辐射探测中单极性快脉冲的信号调理方法(简称：信号调理方法)，其包括以下步骤：

1)将数采系统的差分输入峰峰值V_p-p的一半即1/2V_p-p作为直流参考电压；

2)根据被测单极性快脉冲的极性，产生极性不同的直流偏置电压：

当被测单极性快脉冲为正信号时，对直流参考电压进行极性转换，得到负相直流偏置电压-1/2V_p-p；当被测单极性快脉冲为负信号时，不对直流参考电压进行极性转换，得到正相直流偏置电压1/2V_p-p；

3)将步骤2)所得直流偏置电压与被测单极性快脉冲信号按原幅度进行叠加，得到带有直流偏置的脉冲信号：

当被测单极性快脉冲为正信号时，将其与负相直流偏置电压-1/2V_p-p叠加，得到带有直流偏置的正脉冲信号；当被测单极性快脉冲为负信号时，将其与正相直流偏置电压1/2V_p-p叠加，得到带有直流偏置的负脉冲信号；

4)对步骤3)所得带有直流偏置的脉冲信号进行缓冲。

然后，可通过数采系统采集步骤4)所得的带有直流偏置的脉冲信号。通过该信号调理方法处理后，被测单极性快脉冲的最大幅度由1/2V_p-p增加到V_p-p，因而实现了在测量单极性快脉冲信号时数采系统测量动态范围的2倍扩展。

其中，步骤1)中将数采系统的差分输入峰峰值V_p-p的一半即1/2V_p-p作为直流参考电压的具体实现方式可以是：将可变电阻器连接成电位计形式，采用电压参考芯片与电位计相结合的方法来产生直流参考电压，即：将电压参考芯片与可变电阻器的始端相连，可变电阻器的终端接地，通过调节可变电阻器调节端的位置，使直流参考电压与数采系统的差分输入峰峰值V_p-p的一半相等。使用这种方式的优点是：使该信号调理方法可以针对差分输入峰峰值不同的数采系统。

参见图1，本发明还提供了一种辐射探测中单极性快脉冲的信号调理系统(简称：信号调理系统)，其包括直流电源处理电路、直流参考电压产生电路、耦合电路、直流偏置电压产生电路、加法电路以及驱动电路；外部DC电压输入端通过直流电源处理电路分别与+5V电压输出端和-5V电压输出端相连(如图2所示)；+5V电压输出端和-5V电压输出端均分别与直流参考电压产生电路、耦合电路、直流偏置电压产生电路、加法电路以及驱动电路的电源端相连；+5V电压输出端通过直流参考电压产生电路与直流参考电压产生电路输出端相连；直流参考电压产生电路输出端输出的直流参考电压值等于数采系统的差分输入峰峰值的一半；直流参考电压产生电路输出端以及被测单极性快脉冲信号的输入端分别与耦合电路相连；耦合电路分别与直流偏置电压产生电路和加法电路相连；直流偏置电压产生电路与加法电路相连；加法电路对被测单极性快脉冲信号与直流偏置电压产生电路输出的直流偏置电压按原幅度进行叠加；加法电路通过驱动电路与数采系统相连。

本发明的核心思想是：将数采系统的差分输入峰峰值V_p-p的一半(即1/2V_p-p)作为直流参考电压，以带有极性的直流参考电压作为直流偏置电压，将单极性快脉冲信号V_in与直流偏置电压按原幅度进行叠加：使正脉冲与负相直流偏置电压-1/2V_p-p叠加；负脉冲则与正相直流偏置电压1/2V_p-p叠加。因此，输入到信号调理系统的单极性快脉冲的最大幅度由1/2V_p-p增加到V_p-p，从信号调理系统输出的单极性快脉冲的最大幅度也由1/2V_p-p增加到V_p-p，从而实现了在测量单极性快脉冲信号时数采系统测量动态范围的2倍扩展。该信号调理系统的通频带为：DC～350MHz，电压噪声峰峰值小于3mV。

本发明中，直流电源处理电路(如图2所示)将外部DC输入转换并滤波，为整个信号调理系统提供所需的低噪声低温漂的+5V和-5V电压。

如图3所示，直流参考电压产生电路包括电压参考芯片D1以及可变电阻器R1；+5V电压输出端通过电压参考芯片D1与可变电阻器R1的始端相连；可变电阻器R1的终端接地，其调节端通过直流参考电压产生电路输出端与耦合电路相连。

直流参考电压产生电路输出的直流参考电压V_ref与数采系统差分输入峰峰值V_p-p的一半相等。由于电压参考芯片D1的输出为固定电压，为使信号调理系统可以针对差分输入峰峰值不同的数采系统，将电压参考芯片D1的输出与可变电阻器R1连接，将可变电阻器R1连接为电位计(如图3所示)形式，通过改变可变电阻器R1的调节端的位置，使直流参考电压产生电路输出的直流参考电压与数采系统差分输入峰峰值V_p-p的一半相等。为降低信号调理系统因直流参考电压所引入的噪声，需要选用低噪声、低温漂的电压参考芯片，本发明采用的电压参考芯片的电压噪声峰峰值为1μV，温度漂移系数为3ppm/℃，型号为ADR440。

如图4所示，耦合电路包括运算放大器A1、运算放大器A2以及由电阻R2和电容C1并联组成的补偿网络；被测单极性快脉冲信号的输入端与运算放大器A1的同相输入端相连；运算放大器A1的反相输入端通过电阻R2与运算放大器A1的输出端相连；运算放大器A1的输出端与加法电路相连；直流参考电压产生电路输出端与运算放大器A2的同相输入端相连，运算放大器A2的反相输入端与运算放大器A2的输出端相连；运算放大器A2的输出端通过直流偏置电压产生电路与加法电路相连。

耦合电路用于将输入的单极性快脉冲信号V_in、直流参考电压V_ref进行缓冲，实现输入至后级电路的耦合。运算放大器A1和运算放大器A2相互独立，均配置为电压跟随器模式(如图4所示)，对单极性快脉冲信号、直流参考电压在输入端进行隔离，避免单极性快脉冲信号与直流参考电压的串扰，保证单极性快脉冲信号中低至直流的低频分量的耦合。针对单极性快脉冲信号的耦合电路，采用超前补偿的方法，抑制高频信号过冲，保证信号调理系统幅频曲线的平坦度。

其中，运算放大器A1是一种高速电流反馈型运算放大器，为使信号调理系统能对单极性快脉冲无失真地进行调理，同时为降低信号调理系统的电压噪声，运算放大器A1的带宽须大于500MHz，输入电压噪声频谱密度须小于本发明采用的运算放大器A1，其单位增益带宽积为1.0GHz，输入电压噪声频谱密度为输入电流噪声频谱密度为型号为AD8009。运算放大器A2是单位增益稳定的低噪声、低偏置电压的精密运放，为使信号调理系统能对单极性快脉冲无失真地进行调理，同时为降低信号调理系统的电压噪声，运算放大器A2的电压噪声峰峰值须小于4μV。本发明采用的运算放大器A2，其电压噪声峰峰值为0.08μV，偏置电压为75μV，型号为AD8671。由于运算放大器A2的输入为直流参考电压V_ref，所以无高带宽要求。

此外，电阻R2是电流反馈型运算放大器形成反馈环路必不可少的器件，电阻R2的取值不同，信号调理系统的频谱曲线也不同。在该耦合电路中，电阻R2取为301Ω。电容C1的主要作用是抑制高频成分引起的系统振荡、信号过冲，此处电容C1取值为1pF。运算放大器A1的输出V_o1与输入的单极性快脉冲信号V_in相等，运算放大器A2的输出V_o2与直流参考电压V_ref相等。

如图5所示，直流偏置电压产生电路包括电阻R3、电阻R4、单刀双掷射频模拟开关K1、单刀双掷射频模拟开关K2、单刀双掷拨动开关K3以及放大系数为-1的运算放大器A3；单刀双掷射频模拟开关K1包括公共端a、常闭端a1以及常开端a2；单刀双掷射频模拟开关K2包括公共端b、常闭端b1以及常开端b2；运算放大器A2的输出端与公共端a相连，常闭端a1与常闭端b1相连，常开端a2与电阻R3一端相连，电阻R3的另一端分别与运算放大器A3的反相输入端以及电阻R4相连；运算放大器A3的同相输入端接地；运算放大器A3的反相输入端通过电阻R4与运算放大器A3的输出端相连；电阻R3与电阻R4的阻值相等；运算放大器A3的输出端与常开端b2相连；公共端b与加法电路相连；单刀双掷拨动开关K3包括公共端、第一端子以及第二端子，第一端子接地，第二端子与+5V电压输出端相连，公共端分别与单刀双掷射频模拟开关K1的控制端以及单刀双掷射频模拟开关K2的控制端相连。

直流偏置电压产生电路根据输入的单极性快脉冲信号V_in的极性(正或负)，产生相应的带有极性的直流偏置电压V_bias。其主要是由控制开关(即，单刀双掷射频模拟开关K1、单刀双掷射频模拟开关K2和单刀双掷拨动开关K3)来控制直流参考电压产生电路输出的正相直流参考电压是否接入运算放大器A3，接入则产生负相直流偏置电压；不接入时直流偏置电压为正相。

其中，运算放大器A3是放大系数为-1的精密运放，为使信号调理系统能对单极性快脉冲无失真地进行调理，同时为降低信号调理系统的电压噪声，运算放大器A3的电压噪声峰峰值须小于4μV。本发明采用的运算放大器A3，其电压噪声峰峰值为0.08μV，偏置电压为75μV，型号为AD8671。单刀双掷射频模拟开关K1、单刀双掷射频模拟开关K2的型号均为AD849。单刀双掷射频模拟开关K1和单刀双掷射频模拟开关K2的控制端并联，即将单刀双掷射频模拟开关K1、单刀双掷模拟开关K2配置为双刀双掷开关。单刀双掷拨动开关K3控制单刀双掷射频模拟开关K1、单刀双掷射频模拟开关K2的连接状态。

单刀双掷拨动开关K3的接通状态由单极性快脉冲信号的极性决定。当单极性快脉冲信号的极性为负时，手动将单刀双掷拨动开关K3接地，此时单刀双掷射频模拟开关K1以及单刀双掷射频模拟开关K2的控制信号为低电平，单刀双掷射频模拟开关K1的公共端a与常闭端a1接通，单刀双掷射频模拟开关K2的公共端b与常闭端b1接通，耦合电路中运算放大器A2的输出V_o2即为直流偏置电压V_bias，V_bias＝V_o2＝V_ref＝1/2V_p-p。当单极性快脉冲信号的极性为正时，手动将单刀双掷拨动开关K3与+5V高电平连接，此时单刀双掷射频模拟开关K1的公共端a与常开端a2接通，单刀双掷射频模拟开关K2的公共端b与常开端b2接通，耦合电路中运算放大器A2的输出端与运算放大器A3连接，运算放大器A3的输出V_o3为直流偏置电压V_bias，V_bias＝V_o3＝-V_o2＝-V_ref＝-1/2V_p-p。

如图6所示，加法电路包括运算放大器A4、输入电阻R5、输入电阻R6、反馈电阻R7、反馈电阻R8以及电容C2；输入电阻R5的一端与公共端b相连，另一端分别与运算放大器A4的同相输入端以及输入电阻R6连接；运算放大器A1的输出端与输入电阻R6相连；反馈电阻R8的一端接地，另一端与电容C2相连；电容C2与反馈电阻R7并联，运算放大器A4的反相输入端通过反馈电阻R7与运算放大器A4的输出端相连；输入电阻R5与输入电阻R6的阻值相等，反馈电阻R7与反馈电阻R8的阻值相等；运算放大器A4的输出端与驱动电路相连。

加法电路将耦合电路输出的单极性快脉冲信号与经直流偏置电压产生电路输出的带有极性的直流偏置电压进行叠加，形成带有直流偏置的脉冲信号：正脉冲偏置于数采系统动态范围的负轨(即-1/2V_p-p)，负脉冲偏置于数采系统动态范围的正轨(即1/2V_p-p)，从而实现数采系统测量动态范围2倍的扩展。

其中，为使信号调理系统能对单极性快脉冲无失真地进行调理，同时为降低信号调理系统的电压噪声，运算放大器A4的带宽须大于500MHz，输入电压噪声频谱密度须小于本发明采用的运算放大器A4，其单位增益带宽积为1.8GHz，输入电压噪声频谱密度为输入电流噪声频谱密度为型号为THS3201。电容C2的主要作用是抑制高频成分引起信号过冲，此处C2的值取1.2pF。输入电阻R5、输入电阻R6、反馈电阻R7和反馈电阻R8均为高精度低温度系数电阻。由叠加原理可得，运算放大器A4同相输入端的信号V_plus＝[R6/(R5+R6)]V_bias+[R5/(R5+R6)]V_o1，由于电路中输入电阻R5与输入电阻R6取值相等，V_o1＝V_in，则V_plus＝1/2(V_bias+V_in)。运算放大器A4的输出V_o4＝[1+(R7/R8)]V_plus，由于电路中反馈电阻R7与反馈电阻R8取值相等，则V_o4＝V_bias+V_in。因此，加法电路无失真地实现了单极性快脉冲信号与直流偏置电压以原幅度的叠加，使单极性快脉冲信号偏置于数采系统动态范围的正轨或负轨。

如图7所示，驱动电路包括射频缓冲器A5；运算放大器A4的输出端与射频缓冲器A5的同相输入端相连；射频缓冲器A5的反相输入端与射频缓冲器A5的输出端相连；射频缓冲器A5的输出端与数采系统相连。驱动电路实现对加法电路输出的带有直流偏置脉冲信号的缓冲，无失真地驱动具有容性负载特性的数采系统。

为使信号调理系统能对单极性快脉冲无失真地进行调理，同时为降低信号调理系统的电压噪声，运算放大器A5的带宽须大于500MHz，输入电压噪声频谱密度须小于本发明采用的射频缓冲器A5，其闭环增益为1，具有很强的容性负载驱动能力，常用于模数转换器ADC的输入端。具体地，本发明中射频缓冲器A5的带宽为1.75GHz，输入电压噪声频谱密度为驱动电流为75mA，型号为LMH6559。射频缓冲器A5的输出V_o即为本发明提供的信号调理系统的输出，V_o＝V_o4＝V_bias+V_in。当输入的单极性快脉冲为负信号时，V_o＝1/2V_p-p+V_in；当输入的单极性快脉冲为正信号时，Vo＝-1/2V_p-p+Vin。由此，输入到信号调理系统的单极性快脉冲的最大幅度由1/2V_p-p增加到V_p-p，从信号调理系统输出的单极性快脉冲的最大幅度也由1/2V_p-p增加到V_p-p，使数采系统测量单极性快脉冲信号的线性动态范围扩大了一倍。

Claims (10)

1.一种辐射探测中单极性快脉冲的信号调理方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将数采系统的差分输入峰峰值V_p-p的一半即1/2V_p-p作为直流参考电压；

2)根据被测单极性快脉冲的极性，产生极性不同的直流偏置电压：

当被测单极性快脉冲为正信号时，对直流参考电压进行极性转换，得到负相直流偏置电压-1/2V_p-p；当被测单极性快脉冲为负信号时，不对直流参考电压进行极性转换，得到正相直流偏置电压1/2V_p-p；

3)将步骤2)所得直流偏置电压与被测单极性快脉冲信号按原幅度进行叠加，得到带有直流偏置的脉冲信号：

当被测单极性快脉冲为正信号时，将其与负相直流偏置电压-1/2V_p-p叠加，得到带有直流偏置的正脉冲信号；当被测单极性快脉冲为负信号时，将其与正相直流偏置电压1/2V_p-p叠加，得到带有直流偏置的负脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的辐射探测中单极性快脉冲的信号调理方法，其特征在于：所述辐射探测中单极性快脉冲的信号调理方法在步骤3)之后还包括：

4)对步骤3)所得带有直流偏置的脉冲信号进行缓冲。

3.根据权利要求1或2所述的辐射探测中单极性快脉冲的信号调理方法，其特征在于：所述步骤1)的具体实现方式是：

将电压参考芯片与可变电阻器的始端相连，可变电阻器的终端接地，通过调节可变电阻器调节端的位置，使直流参考电压与数采系统的差分输入峰峰值V_p-p的一半相等。

4.一种辐射探测中单极性快脉冲的信号调理系统，其特征在于：包括直流电源处理电路、直流参考电压产生电路、耦合电路、直流偏置电压产生电路、加法电路以及驱动电路；外部DC电压输入端通过直流电源处理电路分别与+5V电压输出端和-5V电压输出端相连；+5V电压输出端和-5V电压输出端均分别与直流参考电压产生电路、耦合电路、直流偏置电压产生电路、加法电路以及驱动电路的电源端相连；+5V电压输出端通过直流参考电压产生电路与直流参考电压产生电路输出端相连；直流参考电压产生电路输出端输出的直流参考电压值等于数采系统的差分输入峰峰值的一半；直流参考电压产生电路输出端以及被测单极性快脉冲信号的输入端分别与耦合电路相连；耦合电路分别与直流偏置电压产生电路和加法电路相连；直流偏置电压产生电路与加法电路相连；加法电路对被测单极性快脉冲信号与直流偏置电压产生电路输出的直流偏置电压按原幅度进行叠加；加法电路通过驱动电路与数采系统相连。

5.根据权利要求4所述的辐射探测中单极性快脉冲的信号调理系统，其特征在于：所述直流参考电压产生电路包括电压参考芯片D1以及可变电阻器R1；+5V电压输出端通过电压参考芯片D1与可变电阻器R1的始端相连；可变电阻器R1的终端接地，其调节端通过直流参考电压产生电路输出端与耦合电路相连。

6.根据权利要求5所述的辐射探测中单极性快脉冲的信号调理系统，其特征在于：所述耦合电路包括运算放大器A1、运算放大器A2以及由电阻R2和电容C1并联组成的补偿网络；被测单极性快脉冲信号的输入端与运算放大器A1的同相输入端相连；运算放大器A1的反相输入端通过电阻R2与运算放大器A1的输出端相连；运算放大器A1的输出端与加法电路相连；直流参考电压产生电路输出端与运算放大器A2的同相输入端相连，运算放大器A2的反相输入端与运算放大器A2的输出端相连；运算放大器A2的输出端通过直流偏置电压产生电路与加法电路相连。

7.根据权利要求6所述的辐射探测中单极性快脉冲的信号调理系统，其特征在于：所述直流偏置电压产生电路包括电阻R3、电阻R4、单刀双掷射频模拟开关K1、单刀双掷射频模拟开关K2、单刀双掷拨动开关K3以及放大系数为-1的运算放大器A3；单刀双掷射频模拟开关K1包括公共端a、常闭端a1以及常开端a2；单刀双掷射频模拟开关K2包括公共端b、常闭端b1以及常开端b2；运算放大器A2的输出端与公共端a相连，常闭端a1与常闭端b1相连，常开端a2与电阻R3一端相连，电阻R3的另一端分别与运算放大器A3的反相输入端以及电阻R4相连；运算放大器A3的同相输入端接地；运算放大器A3的反相输入端通过电阻R4与运算放大器A3的输出端相连；电阻R3与电阻R4的阻值相等；运算放大器A3的输出端与常开端b2相连；公共端b与加法电路相连；单刀双掷拨动开关K3包括公共端、第一端子以及第二端子，第一端子接地，第二端子与+5V电压输出端相连，公共端分别与单刀双掷射频模拟开关K1的控制端以及单刀双掷射频模拟开关K2的控制端相连。

8.根据权利要求7所述的辐射探测中单极性快脉冲的信号调理系统，其特征在于：所述加法电路包括运算放大器A4、输入电阻R5、输入电阻R6、反馈电阻R7、反馈电阻R8以及电容C2；输入电阻R5的一端与公共端b相连，另一端分别与运算放大器A4的同相输入端以及输入电阻R6连接；运算放大器A1的输出端与输入电阻R6相连；反馈电阻R8的一端接地，另一端与电容C2相连；电容C2与反馈电阻R7并联，运算放大器A4的反相输入端通过反馈电阻R7与运算放大器A4的输出端相连；输入电阻R5与输入电阻R6的阻值相等，反馈电阻R7与反馈电阻R8的阻值相等；所述驱动电路包括射频缓冲器A5；运算放大器A4的输出端与射频缓冲器A5的同相输入端相连；射频缓冲器A5的反相输入端与射频缓冲器A5的输出端相连；射频缓冲器A5的输出端与数采系统相连。

9.根据权利要求8所述的辐射探测中单极性快脉冲的信号调理系统，其特征在于：所述电压参考芯片D1的电压噪声峰峰值为1μV，温度漂移系数为3ppm/℃；所述运算放大器A1、运算放大器A4以及射频缓冲器A5的带宽均大于500MHz，输入电压噪声频谱密度均小于所述运算放大器A2以及运算放大器A3的电压噪声峰峰值均小于4μV。

10.根据权利要求8或9所述的辐射探测中单极性快脉冲的信号调理系统，其特征在于：所述运算放大器A1的单位增益带宽积为1.0GHz，输入电压噪声频谱密度为输入电流噪声频谱密度为所述运算放大器A2以及运算放大器A3的电压噪声峰峰值均为0.08μV，偏置电压均为75μV；所述运算放大器A4的单位增益带宽积为1.8GHz，输入电压噪声频谱密度为输入电流噪声频谱密度为所述射频缓冲器A5的带宽为1.75GHz，输入电压噪声频谱密度为闭环增益为1，驱动电流为75mA；

所述电压参考芯片D1的型号为ADR440；所述运算放大器A1的型号为AD8009；所述运算放大器A2以及运算放大器A3的型号均为AD8671；所述运算放大器A4的型号为THS3201；所述射频缓冲器A5的型号为LMH6559。