CN104931996A - 辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统 - Google Patents

Abstract

一种辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统包括直流电源处理电路、两等分电路、衰减电路、过压限幅保护电路以及驱动电路。本发明通过对被测大动态快脉冲进行两等分后两路测量范围的相互补充，实现了对大动态快脉冲的调理，从而将数采系统的动态范围扩大到毫伏级到几百伏；采用基于开关二极管正向保护原理的过压限幅保护电路，既保证了较小信号的等幅度传输，同时对大信号进行限幅，实现了对数采系统的有效保护；采用先衰减后放大的思想，在保持信号原有特征的基础上有效抑制了因开关二极管导通时微变电阻改变系统阻抗所造成的反射。

Description

辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统

技术领域

本发明属于核电子学技术领域，涉及一种脉冲辐射探测中的信号调理系统，尤其涉及一种用于大动态快脉冲辐射探测的信号调理系统。

背景技术

在强辐射环境下，探测对象为快脉冲信号，其频率最大可达200MHz，其幅度的不确定性较大，幅值可能为几个毫伏，也可能是几百伏，因此该类型的脉冲信号也称之为大动态脉冲信号。对于此类快脉冲信号的测量，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的输入峰峰值通常只有几伏(一般小于2V)，因此数采系统的动态范围远不能满足测量要求。

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，即将快脉冲信号先通过衰减器衰减后再以数采系统进行测量。该方法中衰减器的衰减倍数无法同时满足快脉冲信号为毫伏级时的测量精度及几百伏时的正确测量，也就是说功率衰减法仍然不能全部覆盖快脉冲信号的动态范围。

发明内容

为了解决背景技术中存在的快脉冲信号探测中数采系统动态范围不够的技术问题，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大动态快脉冲的信号调理系统。

本发明的技术解决方案是：

一种辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统，其特殊之处在于：包括两等分电路、衰减电路及过压限幅保护电路；

所述两等分电路用于将输入的被测大动态快脉冲等分为第一半脉冲和第二半脉冲，

所述衰减电路用于将幅度大于数采系统输入峰值的半脉冲信号进行衰减；所述过压限幅保护电路用于将幅度小于数采系统输入峰峰值的半脉冲信号进行等幅度传输，同时对超过数采系统输入峰峰值的半脉冲信号进行限幅；

所述衰减电路的输入端和过压限幅保护电路的输入端分别与第一半脉冲和第二半脉冲对应相连；所述衰减电路的输出端和过压限幅保护电路的输出端输出调理信号。

以上为本发明的基本保护方案，基于该基本方案，本发明还做出以下优化限定：

为了实现对衰减电路、过压限幅保护电路输出的脉冲信号的缓冲，无失真地驱动具有容性负载特性的数采系统，本发明的信号调理系统还包括驱动电路，所述驱动电路的输入端与衰减电路的输出端和过压限幅保护电路的输出端分别相连，所述驱动电路的输出端输出调理信号。

为避免系统低噪声低温漂影响并且为过压限幅电路和驱动电路提供+5V和-5V电压，本发明还包括一个直流电源处理电路，直流电源处理电路与外部DC连接用于产生+5V电压及-5V电压，+5V电压的输出端与过压保护电路的电源端连接，-5V电压的输出端与驱动电路的电源端相连。

本发明的两等分电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3；电阻R1的一端与被测的大动态快脉冲的输入信号Vin的输入端相连，另一端与电阻R2、电阻R3的一端相连；电阻R2的另一端为第一半脉冲输出端，电路电阻R3的另一端为第二半脉冲输出端。

本发明的衰减电路还可以采用其它的形式，如衰减倍数固定的集成衰减器，在本发明中提供了一种衰减电路的形式，该衰减电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6；所述电阻R5的一端与第一半脉冲的输出端连接，所述电阻R5的另一端为衰减电路的输出端，所述电阻R4及电阻R6的连接在电阻R5的两端，且电阻R4及电阻R6接地；电阻R4、电阻R5的阻值相等。

进一步，为降低因阻抗不匹配造成对被测信号的影响，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6的精度均为0.1％。为提高衰减电路的通频带，并保证通频带内幅频曲线的平坦度，同时考虑到被测信号的脉冲宽度，电阻R4、电阻R5、电阻R6均采用表贴1206封装的厚膜高频电阻。

本发明所提供过压限幅保护电路包括衰减器AT1、阻抗匹配电阻R7、正相限幅二极管D1、负相限幅二极管D2、运算放大器A1、反馈电阻R8、反馈电阻R9及补偿电容C1；

所述衰减器AT1的输入端与第一半脉冲的输出端连接，其输出端分别与电阻R7的一端、正相限幅二极管D1的正端、负相限幅二极管D2的负端及运算放大器A1的同相输入端相连；电阻R7的另一端、正相限幅二极管D1的负端、负相限幅二极管D2的正端分别与地GND相连；运算放大器A1的反相输入端分别通过反馈电阻R8和补偿电容C1与运算放大器A1的输出端相连；所述反馈电阻R9的一端与运算放大器A1的负相输入端相连；电阻R9的另一端与地GND相连；运算放大器A1的输出端作为过压限幅保护电路的输出端。

能够应用于本发明的过压限幅保护电路不限于本发明所提供的这一种，基于具体的应用环境和测量系统的参数及要求，过压限幅保护电路都有可能做一些结构上的变动，比如衰减器AT1衰减倍数、反馈电阻R8和反馈电阻R9的阻值、正相限幅二极管D1和负相限幅二极管D2的数量等。

本发明中的驱动电路包括射频缓冲器A2、射频缓冲器A3；射频缓冲器A2的同相输入端与衰减电路的输出端相连，反相输入端与输出端相连，输出端与第一数采系统相连；射频缓冲器A3的同相输入端与过压限幅保护电路的输出端相连，反相输入端与输出端相连，输出端与第二数采系统相连。

进一步的，过压限幅保护电路中的运算放大器A1的单位增益带宽积为1.0GHz，输入电压噪声频谱密度为型号为AD8009；驱动电路中所述射频缓冲器A2、射频缓冲器A3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，型号为LMH6559。运算放大器A1、射频缓冲器A2、射频缓冲器A3的选择，使辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统的-3dB带宽达到DC～250MHz，噪声峰峰值小于2.5mV。

本发明与现有技术相比，优点是：

本发明提供了一种辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统(简称：信号调理系统)，其具有以下优点：

1、通过对被测大动态快脉冲进行两等分，一分路以过压限幅保护达到幅度小于数采系统输入峰峰值快脉冲信号的测量，另一分路以100倍衰减实现幅度大于数采系统输入峰峰值快脉冲信号的测量，两分路测量范围相互补充，实现了大动态快脉冲的调理，从而将数采系统的动态范围扩大到毫伏级到几百伏。

2、采用表贴型1206封装的高精度厚膜高频电阻所设计的两等分电路、100倍衰减电路，既减小了系统体积，满足了系统功率要求，又降低了因引线所产生的寄生电容的影响，保证了信号调理系统的高频特性(－3dB模拟带宽：250MHz)，保证了通频带内幅频曲线的平坦度，并保证了两等分电路、100倍衰减电路50Ω的输入阻抗。

3、采用基于开关二极管正向保护原理的过压限幅保护电路实现对幅度小于数采系统输入峰峰值快脉冲的等幅度传输，同时对超过数采系统输入峰峰值的信号进行限幅，实现了对数采系统的有效保护。

4、本发明的过压限幅保护电路采用先衰减后放大的思想，在保持信号原有特征的基础上有效抑制了因开关二极管导通时微变电阻改变系统阻抗所造成的反射，并减小了开关二极管的使用数量，降低了因多个开关二极管串联产生的寄生电容对信号调理系统带宽的影响。

5、本发明采用大驱动电流射频缓冲器来驱动具有容性负载特性的数采系统，既避免了因数采系统的容性造成信号调理系统的振荡，又实现了信号的无失真传递。

本发明提供的辐射探测中大动态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，同时很好地解决了以数采系统测量大动态快脉冲时动态范围较小的技术问题。

附图说明

图1是本发明提供的辐射探测中大动态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是本发明提供的两等分电路的电路图；

图4是本发明提供的100倍衰减电路的电路图；

图5是本发明提供的过压限幅保护电路的电路图；

图6是本发明提供的驱动电路的电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一个优选实例进行说明。该例中，系统的输入阻抗要求为50Ω，所选取的衰减倍数为100倍。

参见图1，本发明提供了一种辐射探测中大动态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、两等分电路、100倍衰减电路、过压限幅保护电路以及驱动电路；外部DC电压输入端通过直流电源处理电路产生的+5V电压、-5V电压的输出端(如图2所示)均分别与过压保护电路、驱动电路的电源端相连；被测的大动态快脉冲的输入信号Vin的输入端与两等分电路相连；两等分电路分别与100倍衰减电路和过压限幅保护电路相连；100倍衰减电路和过压限幅保护电路分别与驱动电路相连；驱动电路的两个输出端分别与数采系统1和数采系统2相连，数采系统1和数采系统2性能相同。

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。

本发明中，两等分电路如图3所示，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3；电阻R1的一端与被测的大动态快脉冲的输入信号Vin的输入端相连，另一端与电阻R2、电阻R3的一端相连；电阻R2的另一端与100倍衰减电路相连；电阻R3的另一端与过压限幅保护电路相连。

由于被测信号测量环境的限制，要求两等分电路的阻抗为50Ω，因此电阻R1、电阻R2、电阻R3的阻值均为16.7Ω，精度均为0.1％。为提高两等分电路的带宽，降低因引线所产生的寄生电容的影响，同时为满足信号调理系统对功率的要求，电阻R1、电阻R2、电阻R3均采用1206表贴封装的厚膜高频电阻。

本发明中，100倍衰减电路如图4所示，包括电阻R4、电阻R5、电阻R6，用于将被测大动态快脉冲两等分后其中一分路脉冲信号进行100倍的衰减，并保持100倍衰减电路输入阻抗为50Ω。

100倍衰减电路按照π型衰减网络设计，其中R4＝R6＝51.1Ω，R5＝2.49k。为使100倍衰减电路保持50Ω输入阻抗的精度，降低因阻抗不匹配造成对被测信号的影响，电阻R4、电阻R5、电阻R6的精度均为0.1％。为提高100倍衰减电路的通频带，并保证通频带内幅频曲线的平坦度，同时考虑到被测信号的脉冲宽度，电阻R4、电阻R5、电阻R6均采用表贴1206封装的厚膜高频电阻。

本发明中，过压限幅保护电路如图5所示，包括衰减器AT1、阻抗匹配电阻R7、正相限幅二极管D1、负相限幅二极管D2、运算放大器A1、反馈电阻R8、反馈电阻R9、补偿电容C1。过压限幅保护电路用于将被测大动态快脉冲两等分后其中另一分路幅度小于数采系统输入峰峰值的信号进行等幅度传输，同时对超过数采系统输入峰峰值的信号进行限幅。

过压限幅保护电路是基于开关二极管的正向保护原理，正相限幅二极管D1、负相限幅二极管D2均为高频快恢复开关二极管，其正向导通压降为0.7V，用于对正相信号或负相信号进行限幅。衰减器AT1的衰减倍数为3，用于衰减由于正相限幅二极管D1或负相限幅二极管D2导通时因导通电阻所产生的反射，消除该反射对被测信号的影响。运算放大器A1用于恢复被衰减信号的原始幅度，其放大倍数等于衰减器AT1的衰减倍数3。当被测大动态快脉冲两等分后的其中一分路经衰减器衰减3倍后仍大于正相限幅二极管D1或负相限幅二极管D2的正向导通阈值时，运算放大器A1的输入被箝位于开关二极管的正向导通压降值，输出被箝位于衰减倍数与开关二级管的正向导通压降的乘积，即2.1V。该箝位电压即为予以保护的数采系统的输入峰峰值。此值既是过压限幅保护电路不发生保护动作时最大输出电压(即限幅范围)，也是发生保护动作时最大输出电压。

反馈电阻R8、反馈电阻R9的比值决定运算放大器A1的放大倍数，二者的阻值分别为619Ω、300Ω。补偿电容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C1的值取1.2pF。阻抗匹配电阻R7是为了保证过压限幅保护电路的阻抗特性，其阻值为50Ω。阻抗匹配电阻R7、反馈电阻R8和反馈电阻R9均为高精度低温度系数表贴厚膜电阻。

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被测的大动态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350MHz，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型号为AD8009。

本发明中，驱动电路如图6所示，包括射频缓冲器A2、射频缓冲器A3，驱动电路实现对100倍衰减电路、过压限幅保护电路输出的脉冲信号的缓冲，无失真地驱动具有容性负载特性的数采系统。射频缓冲器A2、射频缓冲器A3的闭环增益均为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。其带宽为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A2的输出Vo1、射频缓冲器A3的输出Vo2即为本发明提供的信号调理系统的两路输出。

Claims (10)

1.一种辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统，其特征在于：包括两等分电路、衰减电路及过压限幅保护电路；

所述两等分电路用于将输入的被测大动态快脉冲等分为第一半脉冲和第二半脉冲，

所述衰减电路用于将幅度大于数采系统输入峰值的半脉冲信号进行衰减；所述过压限幅保护电路用于将幅度小于数采系统输入峰峰值的半脉冲信号进行等幅度传输，同时对超过数采系统输入峰峰值的半脉冲信号进行限幅；

所述衰减电路的输入端和过压限幅保护电路的输入端分别与第一半脉冲和第二半脉冲对应相连；所述衰减电路的输出端和过压限幅保护电路的输出端输出调理信号。

2.根据权利要求1所述的辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统，其特征在于：

所述信号调理系统还包括驱动电路，所述驱动电路用于实现对衰减电路及过压限幅保护电路输出信号的缓冲，所述驱动电路的输入端与衰减电路的输出端和过压限幅保护电路的输出端分别相连，所述驱动电路的输出端输出调理信号。

3.根据权利要求2所述的辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统，其特征在于：

所述调理系统还包括直流电源处理电路，所述直流电源处理电路与外部DC连接用于产生+5V电压及-5V电压，+5V电压的输出端与过压保护电路的电源端连接，-5V电压的输出端与驱动电路的电源端相连。

4.根据权利要求1或2或3所述的辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统，其特征在于：

所述两等分电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3；电阻R1的一端与被测的大动态快脉冲的输入信号Vin的输入端相连，另一端与电阻R2、电阻R3的一端相连；电阻R2的另一端为第一半脉冲输出端，电路电阻R3的另一端为第二半脉冲输出端。

5.根据权利要求1或2或3所述的辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统，其特征在于：

所述衰减电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6；

所述电阻R5的一端与第一半脉冲的输出端连接，所述电阻R5的另一端为衰减电路的输出端，

所述电阻R4及电阻R6连接在电阻R5的两端，且电阻R4及电阻R6接地；

电阻R4、电阻R5的阻值相等。

6.根据权利要求1或2或3所述的辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统，其特征在于：

所述过压限幅保护电路包括衰减器AT1、阻抗匹配电阻R7、正相限幅二极管D1、负相限幅二极管D2、运算放大器A1、反馈电阻R8、反馈电阻R9及补偿电容C1；

所述衰减器AT1的输入端与第一半脉冲的输出端连接，其输出端分别与电阻R7的一端、正相限幅二极管D1的正端、负相限幅二极管D2的负端及运算放大器A1的同相输入端相连；电阻R7的另一端、正相限幅二极管D1的负端、负相限幅二极管D2的正端分别与地GND相连；运算放大器A1的反相输入端分别通过反馈电阻R8和补偿电容C1与运算放大器A1的输出端相连；所述反馈电阻R9的一端与运算放大器A1的负相输入端相连；电阻R9的另一端与地GND相连；运算放大器A1的输出端作为过压限幅保护电路的输出端。

7.根据权利要求2或3所述的辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统，其特征在于：

所述驱动电路包括射频缓冲器A2、射频缓冲器A3；射频缓冲器A2的同相输入端与衰减电路的输出端相连，反相输入端与输出端相连，输出端与第一数采系统相连；射频缓冲器A3的同相输入端与过压限幅保护电路的输出端相连，反相输入端与输出端相连，输出端与第二数采系统相连。

8.根据权利要求4所述的辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统，其特征在于：所述两等分电路中电阻R1、电阻R2、电阻R3，衰减电路中电阻R4、电阻R5、电阻R6精度均为表贴型1206封装的厚膜高频电阻，精度为0.1％。

9.根据权利要求6所述的辐射探测中大动态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型号为AD8009。

10.根据权利要求7所述的辐射探测中大动态快脉冲的信号调理系统，其特征在于：

所述射频缓冲器A2、射频缓冲器A3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，型号为LMH6559。