CN106160678A - 电流灵敏脉冲快放大系统、方法及脉冲测量系统 - Google Patents

Abstract

电流灵敏脉冲快放大系统包括n级依次串联的放大电路、与最后一级放大电路的输出端相连的甄别电路，所有放大电路均为电流灵敏放大电路；第一级放大电路包括运算放大器U0、输入电阻R0、反馈电阻R1；U0的一个输入端接地或通过一个输入电阻接地，另一个输入端通过输入R0连接电缆；R1连接在U0的反相输入端与输出端之间；R0与电缆电阻匹配。电流灵敏脉冲快放大方法为采用前述电流灵敏脉冲快放大系统对电缆输出的信号进行放大。脉冲测量系统包括依次相连的探测器、电流灵敏脉冲快放大系统和脉冲计数装置。本发明对长电缆输出的脉冲信号进行放大后的信号稳定，支持脉冲计数装置稳定对脉冲信号的稳定测量，可应用于需要长电缆传输的系统中。

Description

电流灵敏脉冲快放大系统、方法及脉冲测量系统

技术领域

本发明涉及信号采集技术领域，具体地，涉及一种电流灵敏脉冲快放大系统、方法及脉冲测量系统。

背景技术

反应堆核仪表系统主要用于连续监测反应堆功率、功率变化等情况，测量范围从反应堆中子源水平启动到满功率(或更高)运行，一般需要在多个量程段使用不同的测量仪表分段测量。在反应堆启动阶段，通常选择计数管探测器配脉冲计数装置测量反应堆功率及其变化率。通常用最高线性计数率作为衡量脉冲测量系统性能的一个重要指标。对于源区脉冲信号的测量仪表，该指标越高，其测量范围越大，与核仪表系统中其他量程段的测量衔接性越好。

脉冲信号的测量原理通常有电压灵敏型、电荷灵敏型和电流灵敏型的放大方法。其中，电流灵敏型的输出脉冲的上升时间短、宽度窄且频带宽，可获得较高的计数率，有利于与反应堆在源量程段和中间量程段的量程衔接。

已有资料描述的电流灵敏型放大器其匹配的电缆长度有限，通常用作前置放大器，上述不能单独应用于核探测器的信号测量。一旦仪器需要维修更换，维护人员需要进入离堆芯较近的场所施工。该区域的辐射剂量较高，影响人员身体健康以及维修时间。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种电流灵敏脉冲快放大系统，该系统可对长电缆输出的脉冲信号进行放大，且放大后的信号稳定，能够支持脉冲计数装置稳定对脉冲信号的稳定测量，可应用于核仪表系统以及其他需要长电缆传输的系统中；本发明还提供了电流灵敏脉冲快放大方法以及基于电流灵敏脉冲快放大系统的脉冲测量系统。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

电流灵敏脉冲快放大系统，包括n级依次串联的放大电路、与最后一级放大电路的输出端相连的甄别电路，n为不小于3的自然数；所有放大电路均为电流灵敏放大电路；第一级放大电路包括运算放大器U0、输入电阻R0、反馈电阻R1；运算放大器U0的一个输入端接地或通过一个输入电阻接地，另一个输入端通过输入电阻R0连接电缆；反馈电阻R1连接在运算放大器U0的反相输入端与输出端之间；所述输入电阻R0与电缆电阻匹配。前述输入电阻R0与电缆电阻匹配是指匹配电阻R0阻值与所用电缆的特性阻抗值相近，以降低信号反射。在核测量领域中，由于测量对象信号微弱，直接引用通用的放大电路是不可能实现测量的。在核测量领域常用的方法一是匹配较短的电缆进行试验性质的研究，不具备工程应用条件；二是在探测器附近使用一个前置放大器，将信号放大后再通过长电缆送到后续放大电路中，但是这种应用中，探测器、前置放大器需要配合连接，相较于电缆直接连接探测器，前置放大器本身、前置放大器和探测器的连接都增加了故障的几率，一旦前置放大器或者与其连接的仪器需要维修更换，维护人员需要进入离堆芯较近的场所施工，该区域的辐射剂量较高，影响人员身体健康以及维修时间。而本技术方案中采用不小于3级依次串联的放大电路对长电缆输出的信号进行放大，不必在靠近堆芯的区域设置前置放大器，而是通过长电缆直接连接探测器输出信号，输出的信号经本技术方案中的电流灵敏脉冲快放大系统进行放大，就提高了靠近堆芯区域的探测器连接可靠性；且放大电路采用电流灵敏放大电路，从而采用电流灵敏型快放大方法：在核测量领域，对脉冲信号在稳定测量的前提下，希望得到更高的线性计数率，相比于电压型与电荷型来说，电流灵敏型在这方面的特性是最优的。由于在核测量领域，该系统的测量对象信号幅度微弱，而系统放大倍数大于1000倍，需要多级放大才能稳定地测量，因此本技术方案中设置至少3级放大电路，以充分满足放大要求。电缆长度越长对信号的影响越大，包括噪声以及降低信号频率等方面的影响，影响了信号的稳定测量以及计数率指标，因此电缆长度是制约脉冲测量系统工程应用的重要因素，采用本技术方案中的电流灵敏脉冲快放大系统可以支持120m长的电缆输出信号的测量，满足工程应用的要求。

作为本发明的进一步改进，所述输入电阻R0与电缆之间还连接有隔直电容C1，用于阻止高压信号流入信号输入端。

进一步，所述运算放大器U0为低噪声宽频带集成运放，所述运算放大器U0的带宽不低于30MHz，并且输入电压噪声不超过输入电流噪声不超过由于高计数率的频率是MHz级别，运算放大器U0的高频带是为保证实现高计数率的测量。由于本系统测量的信号很微弱，传输过程中的各环节噪声对信号影响很大，运放的噪声指标过高则会导致信号不能测量；故本技术方案中，运算放大器U0采用前述参数的低噪声宽频带集成运放。

进一步，所述第一级放大电路还包括反馈电容C0，反馈电容C0与反馈电阻R1并联。

进一步，所述运算放大器U0的同相输入端接地或通过一个匹配电阻接地，反相输入端通过输入电阻R0连接电缆。

优选的，n的值为3。

进一步，n级放大电路的结构相同，后一级放大电路的输入端连接前一级放大电路的输出端，最后一级放大电路的输出端连接甄别电路的输入端。

电流灵敏脉冲快放大方法，采用上述技术方案中的任一电流灵敏脉冲快放大系统对电缆输出的信号进行放大后再输入脉冲计数装置。

脉冲测量系统，包括探测器、放大装置和脉冲计数装置，所述探测器与放大装置之间通过长电缆连接，所述长电缆的长度小于或等于120m；所述放大装置为上述技术方案中的任一所述的电流灵敏脉冲快放大系统，该电流灵敏脉冲快放大系统的输出端连接脉冲计数装置。

综上，本发明的有益效果是：

1、本发明的电流灵敏脉冲快放大系统对长电缆输出的脉冲信号进行放大，且放大后的信号稳定，能够支持脉冲计数装置稳定对脉冲信号的稳定测量，可应用于核仪表系统以及其他需要长电缆传输的系统中；

2、本发明适用于探测器输出的100μV左右的脉冲信号，脉冲计数装置能够稳定测量120m长同轴电缆发送至的经电流灵敏脉冲快放大系统放大后的脉冲信号，其最高线性计数率达到5×10⁵cps，支持的电缆长度最长可达120m。

附图说明

图1是本发明的电流灵敏脉冲快放大系统的结构示意图；

图2是第一级放大电路的一个具体实施例的电路图。

具体实施方式

为了解决现有技术中电流灵敏型放大器通常用作前置放大器但是匹配的电缆长度有限、不能应用于需要较长的传输电缆的系统中的问题，本发明中采用多级放大电路加甄别电路对电缆输出的脉冲信号进行放大，并且每级放大电路均采用电流灵敏型的放大，第一级放大电路使用低噪声宽频带特性的集成运放，选择合适的电阻匹配长电缆，选择反馈电阻调节第一级放大电路的增益，以此实现在连接长电缆的条件下脉冲信号的快放大，便于脉冲计数装置对脉冲信号的稳定测量。下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此，图中的只是本发明应用的一个示例，对本发明的原理没有本质性的约束。

实施例1：

如图1所示，电流灵敏脉冲快放大系统，包括A₁～A_n共n级依次串联的放大电路、与最后一级放大电路的输出端相连的甄别电路，各级放大电路均为电流灵敏放大电路；脉冲信号经各级放大电路放大后送入甄别电路C_z比较输出。

如图2所示，第一级放大电路包括一个运算放大器U0、一个输入电阻R0、一个反馈电阻R1和一个隔直电容C1。输入电阻R0用于串接匹配探测器电缆，反馈电阻R1用于调节运算放大器U0信号放大的倍数，隔直电容C1用于阻止高压信号流入信号输入端，因此：所述运算放大器U0的同相输入端接地(实际应用中运算放大器U0的同相输入端也可以通过一个匹配电阻接地)，反相输入端连接电阻R0，电阻R0与探测器电缆之间还连接有隔直电容C0；反馈电阻R1连接在运算放大器U0的反相输入端与输出端之间。上述运算放大器U0使用低噪声宽频带特性的集成运放，上述输入电阻R0与电缆电阻匹配，即输入电阻R0的阻值与电缆特性阻抗相近，以降低信号反射。第一级放大电路的输入端即为输入电阻R0与电缆相连的一端，输出端即为运算放大器U0的输出端。

工作时，计数管探测器输出脉冲信号，第一级放大电路中的运算放大器U0的正端(同相输入端)接地，负端(反向输入端)“虚地”，电荷流过R1后形成电压信号。集成运放具有宽频带特性，信号直接作用在反馈电阻R1上，输出脉冲信号的时间特性与输入脉冲信号的基本相同，实现了第一级电路的脉冲快放大。

第一级电路放大后的信号再经过后续的n-1级放大电路以及甄别电路输出，最后甄别电路的输出信号幅度为TTL电平，实现了电流灵敏脉冲快放大。

本实施例中，运算放大器U0的带宽不低于30MHz、输入电压噪声在几左右(不超过)、输入电流噪声在几十左右(不超过)。由于信号微弱，且信号频率高，选用宽频带的放大器因为信号频率高要求放大器本身频率特性要求，30MHz是根据测量指标的要求，选用低噪声放大器是为了降低噪声对信号的影响，即提高信噪比。

本实施例中的n的值为3，实际应用中，根据放大需要，n的取值也可以做微调，取不小于3的自然数即可。

输入电阻R0、反馈电阻R1、隔直电容C1、反馈电容C0的取值可根据具体的使用需要设定参数，本实施例中以选用特性阻抗50欧姆的电缆为例，R0的阻值选取47欧姆，R1的阻值选取470欧姆，隔直电容C1选取0.33uF，反馈电容C0选取3pF。

电流灵敏脉冲快放大方法，采用上述的电流灵敏脉冲快放大系统对电缆输出的信号进行放大后再输入脉冲计数装置。

本实施例中的电流灵敏脉冲快放大系统和方法，能够支持脉冲计数装置稳定对脉冲信号的稳定测量，适用于探测器输出的100μV左右的脉冲信号，脉冲计数装置能够稳定测量120m长同轴电缆发送至的经电流灵敏脉冲快放大系统放大后的脉冲信号，其最高线性计数率达到5×10⁵cps(count per second，每秒的计数个数)，即每秒钟计数5×10⁵个，可应用于核仪表系统以及其他需要长电缆传输的系统中。

实施例2：

在实施例1的基础上，为了使运算放大器U0输出的信号更稳定，避免造成相位滞后，所述第一级放大电路还包括反馈电容C0，反馈电容C0与反馈电阻R1并联。在反馈电阻R1较小时，反馈电容C0的作用可忽略。具体地：本实施例中的电流灵敏脉冲快放大系统工作时，计数管探测器输出脉冲信号，第一级放大电路中的运算放大器U0的正端(同相输入端)接地，负端(反相输入端)“虚地”，电荷流过R1形成电压信号。运算放大器U0具有宽频带特性，反馈电容C0作用可忽略，信号不经过积分，直接作用在反馈电阻R1上，输出脉冲信号的时间特性与输入脉冲信号的基本相同，实现了第一级电路的脉冲快放大。

实施例3：

在实施例1或实施例2的基础上，本实施例中对电流灵敏脉冲快放大系统进行进一步改进：

n级放大电路中，每级放大电路的结构均相同，即第二级至第n级放大电路的结构均与第一级放大电路的结构相同，第二级放大电路的隔直电容连接第一级放大电路的运算放大器的输出端，第三级放大电路的隔直电容连接第二级放大电路的运算放大器的输出端，以此类推；第n级放大电路的输出端连接甄别电路的输入端。

本实施例中，甄别电路采用信号测量技术领域常用的甄别电路即可，为现有技术，本实施例中不再赘述其结构。

实施例4：

脉冲测量系统，包括探测器、放大装置和脉冲计数装置，所述探测器与放大装置之间通过长电缆连接，所述长电缆的长度为120m；所述放大装置为实施例1或实施例2或实施例3中的电流灵敏脉冲快放大系统，该电流灵敏脉冲快放大系统的输出端连接脉冲计数装置。实际应用中，所述长电缆的长度可以根据实际使用需要调整得更短，但其最长长度能够达到120m，电流灵敏脉冲快放大系统都能对其输出的脉冲信号进行快速放大，得到稳定的放大后脉冲信号，共脉冲计数装置进行技术。本实施例中的电流灵敏脉冲快放大系统中的电缆即本实施例中的长电缆。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.电流灵敏脉冲快放大系统，其特征在于，包括n级依次串联的放大电路、与最后一级放大电路的输出端相连的甄别电路，n为不小于3的自然数；

所有放大电路均为电流灵敏放大电路；

第一级放大电路包括运算放大器U0、输入电阻R0、反馈电阻R1；运算放大器U0的一个输入端接地或通过一个输入电阻接地，另一个输入端通过输入电阻R0连接电缆；反馈电阻R1连接在运算放大器U0的反相输入端与输出端之间；

所述输入电阻R0与电缆电阻匹配。

2.根据权利要求1所述的电流灵敏脉冲快放大系统，其特征在于，所述输入电阻R0与电缆之间还连接有隔直电容C1。

3.根据权利要求1所述的电流灵敏脉冲快放大系统，其特征在于，所述运算放大器U0为低噪声宽频带集成运放，所述运算放大器U0的带宽不低于30MHz，并且输入电压噪声不超过输入电流噪声不超过

4.根据权利要求1所述的电流灵敏脉冲快放大系统，其特征在于，所述第一级放大电路还包括反馈电容C0，反馈电容C0与反馈电阻R1并联。

5.根据权利要求1至4任一所述的电流灵敏脉冲快放大系统，其特征在于，所述运算放大器U0的同相输入端接地或通过一个匹配电阻接地，反相输入端通过输入电阻R0连接电缆。

6.根据权利要求1至4任一所述的电流灵敏脉冲快放大系统，其特征在于，n的值为3。

7.根据权利要求1至4任一所述的电流灵敏脉冲快放大系统，其特征在于，n级放大电路的结构相同，后一级放大电路的输入端连接前一级放大电路的输出端，最后一级放大电路的输出端连接甄别电路的输入端。

8.电流灵敏脉冲快放大方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一所述的电流灵敏脉冲快放大系统对电缆输出的信号进行放大后再输入脉冲计数装置。

9.脉冲测量系统，其特征在于，包括探测器、放大装置和脉冲计数装置，所述探测器与放大装置之间通过长电缆连接，所述长电缆的长度小于或等于120m；所述放大装置为权利要求1至7中任一所述的电流灵敏脉冲快放大系统，该电流灵敏脉冲快放大系统的输出端连接脉冲计数装置。