CN106053961A - 一种抗随机噪声的脉冲信号同步积分测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种抗随机噪声的脉冲信号同步积分测量装置及方法，针对具有同步特征的可能存在高脉冲堆积概率的脉冲信号强度测量，发明内容主要包括定电荷反向充电积分电路、同步门控数据采集电路及降低并扣除随机噪声脉冲的测量方法。定电荷反向充电积分电路包含积分电路和定电荷反向充电电路，积分电路用于对电容充电，把被测脉冲信号的强度信息转变为电压幅度信息；由电平触发的定电荷反向充电电路用于将积分电路的输出电压限定在其线性范围之内，其中反向充电脉冲可被延迟，以避免其对数据采集的影响。在测量方法方面，本发明利用分时测量的方法测量随机噪声信号的强度，并在数据处理中过程中进一步扣除随机噪声脉冲。

Description

一种抗随机噪声的脉冲信号同步积分测量装置及方法

技术领域

本发明涉及质谱学领域，具体针对脉冲离子源产生的具有同步特征的离子信号测量，是一种抗随机噪声的脉冲信号积分测量方法。

背景技术

在采用二次电子倍增器作为离子探测器的质谱系统中，目前测量该探测器输出脉冲信号的方法一般采用非同步甄别-计数法测量。该方法由于其非同步特点，比较适用于连续离子流信号的测量。在采用脉冲离子源的质谱系统中，离子信号按照一定周期产生，其持续时间相对系统重复周期较小，如某采用激光脉冲离子源的质谱系统中，100μs重复周期内离子信号仅持续2～5μs。而系统中的噪声脉冲，则往往是时域平均的。对于这样的系统，该方法不能区别信号和噪声脉冲，信号和噪声被无区别地计入测量结果。同时，当信号较强时，在较短的信号持续时间内脉冲堆积严重，该方法测量的线性动态范围受到严重影响。为避免脉冲堆积的影响，另一种测量方法是非同步的模拟法，通过积分电路将来自探测器的电流脉冲信号转换为电压，并采用非同步模数转换器完成数字化。该方法虽然允许测量较强的离子流，但是同样由于其非同步特点，随机噪声被不加区别地计入测量结果。

发明内容

本发明针对脉冲离子流的测量问题，提出了一种抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量电路及方法，在有效扩展测量动态范围的同时能够将非信号时域区间的随机噪声排除在测量结果之外。

本发明的目的在于提供一种抗随机噪声的脉冲信号积分测量方法，其技术方案如下：

本发明要求信号发生系统提供外同步信号，外同步信号是数字脉冲信号，与被测脉冲具有相同的频率和稳定的延迟关系。

本发明所提供的抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置，包括积分电路和数据采集电路，所述积分电路把被测脉冲信号的强度信息转变为电压幅度信息；其特殊之处在于：

还包括定电荷反向充电电路，所述定电荷反向充电电路由电平触发，用于将积分电路的输出电压限定在其线性范围之内；

所述数据采集电路为门控数据采集电路，所述门控数据采集电路在数据时刻采集数据，并对数据进行处理。

以上为本发明同步脉冲信号积分测量装置的基本发明构思，基于该基本结构，本发明还做出以下优化限定：

进一步的，上述积分电路包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2及积分电容C1；

所述第一运算放大器A1用于检出输入电流信号，所述第一运算放大器A1的反向输入端接被测信号，所述第一运算放大器A1的同向输入端接地，第一运算放大器A1具有低输入偏置电流特性；

所述第二运算放大器A2用于提高积分电路的带宽和输出摆率，所述第二运算放大器A2的同向输入端与第一运算放大器A1的输出端连接，所述第二运算放大器A2的反向输入端通过电阻R2接地，所述第二运算放大器A2的反向输入端通过电阻R3与第二运算放大器A2的输出端连接；

所述积分电容C1是被测脉冲电流信号转换为电压信号的信息载体，所述积分电容C1的一端与第一运算放大器A1的反向输入端连接，所述积分电容C1的另一端与第二运算放大器A2的输出端连接。

本发明的积分电路还可采用单运算放大器和积分电容C1的形式。运算放大器的反向输入端接被测信号和积分电容C1的一端，运算放大器的正向输入端接地，运算放大器的输出端接积分电容C1的另一端。此时要求运算放大器具备低输入偏置电流和高增益带宽积特性。

再进一步，上述定电荷反向充电电路包括比较器、单稳态脉冲产生器、恒流源、模拟开关、逻辑门电路及单稳态脉冲发生器，

所述比较器用于提供积分电容反向充电的预触发信号，所述比较器的第一输入端与所述积分电路的输出端连接；所述比较器的第二输入端与阈值电压连接，阈值电压设置为积分电路线性输出范围的最大值或最小值；

所述逻辑门电路的一个输入端与比较器的输出端连接，所述逻辑门电路的另一个输入端与输入禁止时间信号连接；所述禁止时间信号由本装置中的可编程延迟脉冲发生器产生，是同步于外同步信号的一个或一组延迟脉冲，用于控制定电荷反向充电的过程，可被调节为与模数转换器的采样同步，也可以根据数据处理的要求设置为其它的延迟时间和脉冲宽度。；当来自比较器的预触发信号有效同时禁止时间信号无效时，逻辑门电路输出触发脉冲信号；当预触发信号有效而禁止时间信号有效时，逻辑门电路不输出触发信号，直到禁止信号变为无效时再输出触发脉冲信号；

所述单稳态脉冲产生器用于产生一定时间宽度的脉冲，该脉冲用于控制反向充电的时间，所述单稳态脉冲产生器的输入端与逻辑门电路的输出端连接，所述单稳态脉冲发生器的第一输出端与模拟开关连接，第二输出端与外部的门控数据采集电路连接

所述模拟开关的控制端与单稳态脉冲发生器的输出端连接，所述模拟开关包括一个动触点及两个静触点，所述动触点通过电阻R1与电压基准连接，所述两个静触点中的一个与第一运算放大器A1的反向输入端连接，另一个静触点接地；其中的R1与电压基准决定了反向充电的电流大小；

当模拟开关的控制端电压有效时，模拟开关的动触点与第一运算放大器A1的反向输入端连通，积分电路反向充电；当模拟开关的控制电压无效时，模拟开关的动触点与地连接，积分电路正常积分。

本发明中的定电荷反向充电电路具有受控延迟的特点，其反向充电的电荷量比较稳定。

再进一步的，上述数据采集电路包括模拟数字转换器、门控计数器以及在线数字信号处理器；

所述模拟数字转换器用于将输入的模拟电压信号转化为数字信号并传递给在线数字信号处理器；所述模拟数字转换器包括输入端和控制端及输出端，其中输入端与积分电路的输出端连接，控制端输入采集控制信号，所述的采集控制信号由本装置的可编程脉冲发生器产生，是同步于外同步信号的一个或多个脉冲，用于控制模拟数字转换器的采样，采集控制信号同样与被测信号同步；所述模拟数字转换器的输出端与在线数字信号处理器的输入端连接；

所述门控计数器用于对定电荷反向充电电路的反向充电脉冲进行计数，并将计数结果提供给在线数字信号处理器，所述门控计数器的输入端与定电荷反向充电电路的第二输出端连接，所述门控计数器的输出端与在线数字信号处理器的输入端连接；

所述在线数字信号处理器用于对测量的数据进行减法及累加操作。

再进一步的，上述积分测量装置还包括可编程延迟脉冲发生器，可编程延迟脉冲发生器以外同步信号作为同步时间基准，可产生特定延迟时间和宽度的脉冲信号，以使定电荷反向充电电路、门控计数器以及同步模拟数字转换器协调运行；

所述可编程延迟脉冲发生器的输入端连接外同步信号，所述可编程延迟脉冲发生器的输出端分别与定电荷反向充电电路、门控计数器及模数转换器连接。

利用上述的抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置对被测脉冲信号进行积分测量的方法，

其特殊之处在于：测量方法包括以下步骤：

1)积分器将来自输入端的电流信号，包括被测脉冲信号和随机本底信号的强度信息转变为电压幅度信息；

2)通过一定延迟的外同步信号控制模拟数字转换器的数据采样时刻，在每个脉冲信号脉冲的之前和之后数微秒的时刻，得到两个电压数据Va和Vb；

3)通过在线数字信号处理器中的减法器得到两个数据的差值Vb-Va；

4)通过门控计数器得到每个脉冲电流信号期间的反向充电次数k；

5)计算被测电流信号的积分电荷量

每一周期电荷量可表示为(V_b-V_a)×C₁+k×I_r×t_r；

其中反向充电电流为I_r，反向充电时间为t_r；

当实施N周期测量时，由累加器得到∑(V_b-V_a)、∑k，N周期累加电荷量可表示为：

$Q_{sN}=C_1\×\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(V_b-V_a)+I_r\×t_r\×\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}k.$

该测量方法能够排除非信号时段的噪声，但信号时段的噪声仍被计入测量结果中。

为了进一步排除信号时段的噪声干扰，上述步骤2中采集电路采用双采集通道的方式；

设第一通道测量非信号时段的电压和计数，其模拟数字转换器两次采集的时间间隔为t_w1，模拟数字转换器测得的两个电压分别为V_b1和V_a1，反向充电计数记为k₁；

第二通道测量信号时段的电压和计数，其模拟数字转换器两次采集的时间间隔t_w2，模拟数字转换器测得的两个电压分别为V_b2和V_a2，计数记为k₂；

当完成N周期测量后，按照如下的公式得到扣除噪声后的信号累加电荷量Q_s；

$Q_s=Q_{sN}-\frac{Q_{nN}\×t_{w2}}{t_{w1}}$

其中：

$Q_{nN}=C_1\×{\mathrm{\Σ}}_1^N(V_{b1}-V_{a1})+I_r\×t_r\×{\mathrm{\Σ}}_1^N{k}_1.$

本发明与现有技术相比，优点是：

1、本发明定电荷反向充电电路的反向充电脉冲由积分电压触发，与被测脉冲信号不同步。这样在弱信号测量中，积分电压可在多个周期保持较低电平，不触发反向充电，从而模拟开关的注入电荷总量较小，有效降低了注入电荷对积分电路的干扰。

2、本发明积分电路在强信号测量中，允许在一个积分周期内多次达到触发电平并触发反向充电，由于反向充电的电荷量被脉冲宽度和恒流源限定为确定值，因而可通过对反向充电脉冲的计数测量，提高测量的动态范围。

3、为避免反向充电时积分电压的大幅度摆动对数据采集的影响，本发明的定电荷反向充电电路的触发脉冲可受系统中禁止时间信号的控制，禁止时间信号被设定为与采样时段同步，从而可禁止积分器在数据采集电路采样期间反向充电。

4、本发明的数据采集部分通过可编程延迟脉冲发生器输出控制脉冲作为模拟数字转换器的外同步信号，模拟数字转换器以该信号作为触发条件进行采样和转换。

5、本发明的测量方法，降低随机噪声脉冲的基本原理是利用数据采集电路的外同步采样功能，逐周期采集并数字化被测信号在积分器输出上升/下降沿前、后的电压并求差，并在多周期测量中通过采集电路的累加功能将数据累加。当被测信号的持续时间相对信号重复周期较小时，仅有少量与被测信号同时出现的随机噪声脉冲被计入测量结果。

6、本发明方法中进一步扣除随机噪声的方法利用分时测量的方法。由于在同一周期，有效脉冲信号仅在一定时间区间出现，而噪声是全时域随机出现的，因此可采用单积分器双采集通道的方式。其第一采集通道测量被测脉冲非有效期间一定时间段的噪声脉冲积分电压，第二采集通道采集有效信号区间的信号积分电压。利用噪声随机均匀的特征，结合各自通道的时间占空比扣除噪声。

7、本发明的积分电路与其它通用的积分电路相比，优点是瞬态响应快，能够对微秒量级的电流脉冲信号输出较理想积分波形。

附图说明

图1-1为积分电路原理图；

图1-2为可用于本发明的另一种积分电路原理图；

图2为电路的同步采集测量示意图；

图3为电路的同步采集测量波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做详细说明。

本发明的抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置，包括定电荷反向充电积分电路、同步门控数据采集电路，定电荷反向充电积分电路包括积分电路及反向充电电路，其中定电荷反向充电电路由电平触发，用于将积分电路的输出电压限定在其线性范围之内；数据采集电路为门控数据采集电路，所述门控数据采集电路在数据时刻采集数据，并对数据进行处理。

图1-1为积分电路原理图，积分电路中的第一运算放大器A1和第二运算放大器A2两者级联可看做是一个具有更高性能的运算放大器，该放大器的输入偏置电流小、增益带宽积较大，具有较高的输出电压摆率。将第一运算放大器A1的正、负输入端看作虚地点，则通过放大器的输出驱动积分电容C1的电流与输入电流大小相等，方向相反。从而积分电容C1的电压在一段时间内的变化可反映该时间段内的电流积分值。如果可获得单运算放大器，该放大器同时具备小偏置电流、高带宽和电压摆率，则积分电路可简化为图1-2的形式。

定电荷反向充电电路的作用是保证积分器电路始终处于线性输出范围内。当积分器的输出超过设定的阈值电压时，比较器输出反向充电预触发信号，若此时禁止时间信号无效，则逻辑门电路输出触发信号，单稳态脉冲产生器产生预定宽度的脉冲，模拟开关在该脉冲控制下接通反向充电电流，积分器输出改变一定的差值。若禁止时间信号有效，则逻辑门电路不输出触发信号，直到禁止时间信号无效再输出触发信号。

以激光共振电离质谱仪为例，采用激光共振电离离子源，激光脉冲宽度约几十纳秒，电离几乎瞬间完成，离子经质量分析器及电子倍增器后由倍增器输出信号，被测信号与激光脉冲的同步时钟具有固定的延迟时间。其噪声来源主要为热电离离子、倍增器的暗噪声，其噪声脉冲的平均计数率不随时间变化。

如图2、图3所示，采用同步采集测量方法。通过可编程延迟脉冲发生器产生采集控制信号，其时间间隔大于被测信号的时间宽度，模拟数字转换器由该信号触发采样和模数转换。在积分器中，当被测信号到来时(倍增器输出电子流，为负信号)，积分电容C1充电，积分器输出电压快速上升，在图示的第一周期，比较器正向输入端电压低于阈值电压，输出为低电平，而在第二周期，积分器输出电压超过比较器阈值时，输出高电平。与门产生的高电平作为计数信号接入计数器中计数。比较器输出在禁止信号允许的条件下，触发单稳态脉冲产生器产生放电信号，开关接到S2，通过精密电阻R1对电容反向充电，反向充电时间由脉冲宽度控制。因时间与电流恒定，使得电荷量恒定，积分电容C1的电压下降，之后又因被测信号的到来上升，如此重复。

数据采集测量的每个周期，模拟数字转换器得到V_a与V_b，由减法器求出差值V_b-V_a，此时(V_b-V_a)×C₁即代表该周期被测信号(含部分噪声)的电荷量。当存在k次反向充电时，设反向充电电流为I_r，反向充电时间为t_r，则电荷量可表示为(V_b-V_a)×C₁+k×I_r×t_r。则当实施N周期测量时，可由累加器得到∑(V_b-V_a)、∑k，并在采集完成后将数据送入计算机。在计算机的数据处理中，可由一组累加信号得到被测信号的电荷量：

$Q_{sN}=C_1\×\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(V_b-V_a)+I_r\×t_r\×\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}k$

与传统的非同步连续采集测量相比，以此得到的Q_sN值将非信号时段的噪声排除在外。不过由于其中仍然包含与被测信号同时出现的噪声脉冲，为了扣除这部分噪声，本发明采用分时采集校正的方式。考虑采用双通道数据采集，设第一通道测量非信号时段的电压和计数，其模拟数字转换器两次采集的时间间隔为t_w1，模拟数字转换器测得的两个电压分别为V_b1和V_a1，反向充电计数记为k₁；第二通道测量信号时段的电压和计数，其模拟数字转换器两次采集的时间间隔t_w2，模拟数字转换器测得的两个电压分别为V_b2和V_a2，计数记为k₂。当完成N周期测量后，可用如下的公式得到扣除噪声后的信号累加电荷量Q_s。

$Q_s=Q_{sN}-\frac{Q_{nN}\×t_{w2}}{t_{w1}}$

其中：

$Q_{sN}=C_1\×\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(V_{b2}-V_{a2})+I_r\×t_r\×\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{k}_2$

$Q_{nN}=C_1\×{\mathrm{\Σ}}_1^N(V_{b1}-V_{a1})+I_r\×t_r\×{\mathrm{\Σ}}_1^N{k}_1.$

Claims (7)

1.一种抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置，包括积分电路和数据采集电路，所述积分电路把被测脉冲信号的电流强度信息转变为电压幅度信息；其特征在于：

所述积分测量装置还包括定电荷反向充电电路，所述定电荷反向充电电路由电平触发，用于将积分电路的输出电压限定在其线性范围之内；

所述数据采集电路为门控数据采集电路，所述门控数据采集电路在指定时刻采集数据，并对数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置，其特征在于：

所述积分电路包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2及积分电容C1；

所述第一运算放大器A1用于检出输入电流信号，所述第一运算放大器A1的反向输入端接被测信号，所述第一运算放大器A1的同向输入端接地；

所述第二运算放大器A2用于提高积分电路的带宽和输出摆率，所述第二运算放大器A2的同向输入端与第一运算放大器A1的输出端连接，所述第二运算放大器A2的反向输入端通过电阻R2接地，所述第二运算放大器A2的反向输入端通过电阻R3与第二运算放大器A2的输出端连接；

所述积分电容C1是被测脉冲电流信号转换为电压信号的信息载体，所述积分电容C1的一端与第一运算放大器A1的反向输入端连接，所述积分电容C1的另一端与第二运算放大器A2的输出端连接。

3.根据权利要求1或2所述的抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置，其特征在于：

所述定电荷反向充电电路包括比较器、单稳态脉冲产生器、恒流源、模拟开关、逻辑门电路及单稳态脉冲发生器，

所述比较器用于提供积分电容反向充电的预触发信号，所述比较器的第一输入端与所述积分电路的输出端连接；所述比较器的第二输入端与阈值电压连接，阈值电压设置值介于为积分电路线性输出范围的最大值和最小值之间；

所述逻辑门电路的一个输入端与比较器的输出端连接，所述逻辑门电路的另一个输入端与输入禁止时间信号连接；所述禁止时间信号是同步于外同步信号的一个或一组延迟脉冲，用于控制定电荷反向充电的过程；所述外同步信号是由被测信号产生系统提供的数字脉冲信号，与被测脉冲具有相同的频率和稳定的延迟关系；当来自比较器的预触发信号有效同时禁止时间信号无效时，逻辑门电路输出触发脉冲信号；当预触发信号有效而禁止时间信号有效时，逻辑门电路不输出触发信号，直到禁止信号变为无效时再输出触发脉冲信号；

所述单稳态脉冲产生器用于产生一定时间宽度的脉冲，该脉冲用于控制反向充电的时间，所述单稳态脉冲产生器的输入端与逻辑门电路的输出端连接，所述单稳态脉冲发生器的第一输出端与模拟开关连接，第二输出端与外部的门控数据采集电路连接；

所述模拟开关的控制端与单稳态脉冲发生器的输出端连接，所述模拟开关包括一个动触点及两个静触点，所述动触点通过电阻R1与电压基准连接，所述两个静触点中的一个与第一运算放大器A1的反向输入端连接，另一个静触点接地；其中的R1与电压基准决定了反向充电的电流大小；

当模拟开关的控制端电压有效时，模拟开关的动触点与第一运算放大器A1的反向输入端连通，积分电路反向充电；当模拟开关的控制电压无效时，模拟开关的动触点与地连接，积分电路正常积分。

4.根据权利要求3所述的抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置，其特征在于：

所述数据采集电路包括模拟数字转换器、门控计数器以及在线数字信号处理器；

所述模拟数字转换器用于将输入的模拟电压信号转化为数字信号并传递给在线数字信号处理器；所述模拟数字转换器包括输入端和控制端及输出端，其中输入端与积分电路的输出端连接，控制端输入采集控制信号；所述的采集控制信号是同步于外同步信号的一个或多个脉冲，用于控制模拟数字转换器的采样，采集控制信号同样与被测信号同步；所述模拟数字转换器的输出端与在线数字信号处理器的输入端连接；

所述门控计数器用于对定电荷反向充电电路的反向充电脉冲进行计数，并将计数结果提供给在线数字信号处理器，所述门控计数器的输入端与定电荷反向充电电路的第二输出端连接，所述门控计数器的输出端与在线数字信号处理器的输入端连接；

所述在线数字信号处理器用于对测量的数据进行减法及累加操作。

5.根据权利要求4所述的抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置，其特征在于：

所述积分测量装置还包括可编程延迟脉冲发生器，所述可编程延迟脉冲发生器以外同步信号作为同步时间基准，可产生特定延迟时间和宽度的脉冲信号，以使定电荷反向充电电路、门控计数器以及模拟数字转换器协调运行；

所述可编程延迟脉冲发生器的输入端连接外同步信号，所述可编程延迟脉冲发生器的输出端分别与定电荷反向充电电路、门控计数器及模数转换器连接。

6.利用权利要求1或2或3或4或5所述的抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置对被测脉冲信号进行积分测量的方法，其特征在于：测量方法包括以下步骤：

1)积分器将来自输入端的电流信号，包括被测脉冲信号和随机本底信号的强度信息转变为电压幅度信息；

2)通过一定延迟的外同步信号控制模拟数字转换器的数据采样时刻，在每个脉冲信号脉冲的之前和之后数微秒的时刻，得到两个电压数据V_a和V_b；

3)通过在线数字信号处理器中的减法器得到两个数据的差值V_b-V_a；

4)通过门控计数器得到每个脉冲电流信号期间的反向充电次数k；

5)计算被测电流信号的积分电荷量

每一周期电荷量可表示为(V_b-V_a)×C₁+k×I_r×t_r；

其中反向充电电流为I_r，反向充电时间为t_r；

当实施N周期测量时，由累加器得到∑(V_b-V_a)、∑k，N周期累加电荷量可表示为：

7.根据权利要求6所述的对被测脉冲信号进行积分测量的方法，其特征在于：

所述步骤2中模拟数字转换器采用双采集通道的方式；

设第一通道测量非信号时段的电压和计数，其模拟数字转换器两次采集的时间间隔为t_w1，模拟数字转换器测得的两个电压分别为V_b1和V_a1，反向充电计数记为k₁；

第二通道测量信号时段的电压和计数，其模拟数字转换器两次采集的时间间隔t_w2，模拟数字转换器测得的两个电压分别为V_b2和V_a2，计数记为k₂；

当完成N周期测量后，按照如下的公式得到扣除噪声后的信号累加电荷量Q_s；

$Q_s=Q_{sN}-\frac{Q_{nN}\×t_{w2}}{t_{w1}}$

其中：

$Q_{nN}=C_1\×{\mathrm{\Σ}}_1^N(V_{b1}-V_{a1})+I_r\×t_r\×{\mathrm{\Σ}}_1^N{k}_1.$