CN107589316B - 电荷测量电路 - Google Patents

Abstract

一种电荷测量电路，包含IV转换电路、多个电压跟随电路、多个电压转电荷电路和ASIC电路，IV转换电路用于将探测的电荷脉冲信号转换为电压脉冲信号；电压跟随电路用于对电压脉冲信号电压跟随，产生跟随电压脉冲信号，以及对前后电路的缓冲隔离；多个电压转电荷电路与多个电压跟随电路数量一致，一一对应地设置于电压跟随电路的后端，用于将电压跟随电路输出的电压脉冲信号转换成电荷脉冲信号，电压转电荷电路各路接入不同容值电容以扩大测量动态范围；ASIC电路用于对多个所述电压转电荷电路输出的电荷脉冲信号分别进行测量。本发明的电荷测量电路具有较高的测量精度和大动态范围以及良好的线性。

Description

电荷测量电路

技术领域

本发明涉及一种测量电路，特别是涉及一种电荷测量技术。

背景技术

进入21世纪以来，全世界科学家们都在加速开展星际环境科学的探测与探索，由于地球大气层以外环境中充斥着大量不同种类、能量各异的辐射粒子，主要包括电子、质子、α粒子和重离子，若想精确测量这些粒子的能谱、元素种类和通量的特征及其变化规律，就需要一种高精度、大动态范围的电荷测量电路，如要求能量分辨率10％，动态范围3.5×103。目前星际环境参数国外是对我国封锁的，所有的星际环境参数都需要我国科学家们自己探索获得。所以，设计一款高精度、大动态范围的电荷测量电路尤为重要，目前该类型电路也是空间测量电路设计的难点，一般实现了高能量的测量，就不能兼顾低能量的粒子能量测量，反之，实现了低能量的粒子测量，就不能兼顾高能量粒子的测量，另外，空间粒子会使卫星中的元器件产生单粒子效应，严重影响卫星在轨运行的稳定性，卫星上发生的故障中至少20％是由单粒子效应引起的，所以器件选择上也极为困难，既要选择性能指标达到要求的，又要选择抗辐照强的。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种电荷测量电路，以期解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种电荷测量电路，包含IV转换电路、多个电压跟随电路、多个电压转电荷电路和ASIC电路；

所述IV转换电路用于将探测的电荷脉冲信号转换为电压脉冲信号；

所述电压跟随电路用于对所述电压脉冲信号电压跟随，产生跟随电压脉冲信号，增加IV转换电路输出的电压脉冲信号的驱动能力，以及对前后电路的缓冲隔离；

多个所述电压转电荷电路与多个电压跟随电路数量一致，一一对应地设置于电压跟随电路的后端，用于将电压跟随电路输出的电压脉冲信号转换成电荷脉冲信号，所述电压转电荷电路各路接入不同容值的电容以扩大测量动态范围；

所述ASIC电路用于对多个所述电压转电荷电路输出的电荷脉冲信号分别进行测量。

优选地，所述IV转换电路包含第一运算放大器和并联负反馈电路，所述第一运算放大器的反向输入端前接入耦合电容以起阻隔直流电压作用，所述并联负反馈电路包括并联的反馈电阻和反馈电容，所述反馈电阻和反馈电容的一端接入所述第一运算放大器的反向输入端，所述反馈电阻和反馈电容的另一端接入所述第一运算放大器的输出端。

优选地，所述IV转换电路还包括钳位电路、偏置电路和第一电源去耦电路，所述钳位电路用于当所述第一运算放大器的反向输入端电压过高或过低时，保护所述第一运算放大器不被损坏；所述偏置电路用于调节所述第一运算放大器的偏置电压；所述第一电源去耦电路接入所述第一运算放大器的电源端用于降低电源噪声对电路的干扰。

优选地，所述钳位电路包括第一钳位二极管和第二钳位二极管，所述第一钳位二极管的正向端接入所述第一运算放大器的反向输入端，所述第一钳位二极管的反向端接入负电源电压，所述第二钳位二极管的反向端接入所述第一运算放大器的反向输入端，所述第二钳位二极管的正向端接地；

所述偏置电路包括在所述第一运算放大器的正向输入端接入的并联电阻和电容，所述并联电阻和电容的另一端接地；

所述第一电源去耦电路包括接入正、负电源电压的去耦电容和串联电阻。

优选地，所述IV转换电路还包括刻度电路，所述刻度电路将信号源产生的指数脉冲信号接入CALI端，以对整个电路做线性刻度扫描。

优选地，每个所述电压跟随电路包括第二运算放大器和接入所述第二运算放大器的电源端的电源去耦电路，所述第二运算放大器的正向输入端接入一电阻，所述第二运算放大器的反向输入端通过另一电阻接入运算放大器的输出，所述第二电源去耦电路包括接入正、负电源电压的去耦电容和串联电阻。

优选地，ASIC电路包括ASIC芯片和其内部的前置放大电路、成形电路、采样保持电路、缓冲电路及差分输出电路；

所述前置放大电路对输入的电荷脉冲信号积分，转化成积分电压；

所述成形电路把积分后的电压信号通过交流耦合到成形电路中，所得成形脉冲的高度正比于前置放大器的输出；

所述采样保持电路包括模拟开关和电容，当无保持信号时，模拟开关导通，电容上的电压跟随成形放大器的输出，当成形放大器输出信号达峰后，控制逻辑给出保持信号，模拟开关断开，电容上的电压保持不变，在控制信号的作用下，经缓冲电路缓冲后由差分输出电路输出。

基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)实现高精度、低噪声电荷电压转换：就近在探测器处将电荷信号通过IV转换电路处理转换为电压信号，一方面可以降低噪声，提高信噪比；另一方面整个信号处理过程都是通过线性放大器配合电阻电容实现的，整个电路线性很好，可满足电荷测量电路高精度要求，最低能检测到50keV(2.2飞库@Si探测器)的电荷信号。

(2)实现大动态范围的测量：探测器输入的电荷信号转换成电压信号后经过电压跟随电路输入到高精度的不同电容值后，转换成不同大小的电荷脉冲信号，实现了将同一信号进行放大与衰减，扩大了测量动态范围。

(3)实现了高集成度的电荷测量：在电压转电荷电路中通过电容转换成的电荷脉冲信号，接入到ASIC芯片，ASIC芯片为采用多通道输入的器件，如32通道，同时可以测量32路电荷信号，所以电路功能比较紧凑，集成度比较高。

(4)能够处理输入能量范围为50keV～350MeV跨3个数量级并信号上升时间不小于2ns的随机电荷脉冲信号；电路安装在金属屏蔽盒中，测试其积分非线性好于0.5％，电路工作稳定，并且抗干扰能力强。这种宽量程的电荷测量电路，具有较高的测量精度和大的动态范围以及良好的线性，从而为星际环境探测及其它相关领域中的高精度、大动态范围的电荷测量，提供一种简单、可靠的方法与手段。

附图说明

图1为本发明实施例的电路原理方框图。

图2为本发明实施例的IV转换电路图。

图3为本发明实施例电压跟随器电路图。

图4为本发明实施例电压转电荷电路和ASIC电路图。

图5为本发明实施例ASIC电路时序图。

图6为本发明实施例测试图4中电容C13和C14所在两路信号的结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明针对电荷测量电路提出了一种可行的方案，既解决了高精度、也解决了大动态范围电荷测量的难题，提高了系统处理信号的能力，为星际环境粒子探测提供了一种高精度、大动态范围电荷测量的技术方案，具有较大的实用性和优越性，在多项空间科学和工程任务有着广泛的应用前景。

具体地，如图1所示，本发明提出了一种电荷测量电路，包括IV转换电路，电压跟随电路，电压转电荷电路和ASIC电路。

如图2所示，探测器输出的电荷脉冲信号与IV转换电路相连，IV转换电路由高速运算放大器及外围的电阻电容组成，探测器输出的电荷脉冲信号首先接入耦合电容C1，电容C1起到阻隔直流电压的作用，取值为几千个pF量级，电容C1的输出接入电阻R1的一端，电阻R1的另一端接入运算放大器U1的反向输入端，在运算放大器U1的正向输入端接入偏置电路，在本实施例中包括并联的电阻R5和电容C2，电阻R5接入运算放大器U1的正向输入端以配合调节运算放大器的偏置电压，电容C2与电阻R5并联以起滤波作用，电阻R5和电容C2的另一端接地，在运算放大器U1的电源端接入有电源去耦电路，包括电容C3、C4、C16、C17和电阻R6、R7，电容C3、C4、C16、C17为电源退耦电容，其中一端分别接入正、负电源电压，另一端接地，其中电容C3、C4取值10nF，电容C16、C17取值2.2uF；电阻R6、R7既起到限流作用，又和电容C3、C4、C16、C17组成RC滤波电路。为了在噪声条件满足要求的前提下获得更大的输出动态范围，这里采用了响应速度快、频带宽的运算放大器构成IV电路，电路的供电电压范围是±15V。在运算放大器U1上并联负反馈电路，包括并联的反馈电阻Rf和反馈电容Cf，电容Cf是反馈滤波电容，通常为2pF，电阻Rf是反馈电阻，用于引入负反馈，使之具有“虚短”和“虚断”的特点又用于稳定放大器直流工作点。在运算放大器U1的反向输入端接入钳位电路，包括钳位二极管D1、D2，在这里可使用快恢复二极管，二极管D1正向端接入运算放大器U1的反向输入端，二极管D1反向端接负电源电压，二极管D2反向端接入运算放大器U1的反向输入端，D2正向端接地，当运算放大器U1的反向输入端电压过高或过低时，使其钳位在负电源电压，以保护运算放大器U1，二极管D1、D2配合也可以消除一部分二极管漏电流。电容C5与电阻R8组成刻度电路，通过信号源产生指数脉冲信号接入CALI端，以对整个电路做线性刻度扫描。

如图3所示，在本实施例中IV转换电路的输出扇出成3路后分别进入电压跟随电路，增加输出电压的驱动能力。电压跟随电路由和运算放大器U1同型号的高速运算放大器及外围电阻电容组成。IV转换电路的输出扇出成3路分别通过一个小电阻R9、R10、R11进入运算放大器U2、U3、U4的正向输入端，反向输入端分别通过几百欧姆电阻R18、R19、R20接入运算放大器的输出O2、O3、O4，电阻R18、R19、R20起到匹配作用，防止震荡。在运算放大器U2、U3和U4的电源端分别接入电源耦合电路，包括电容C6、C7、C8、C9、C10、C11和电阻R12、R13、R14、R15、R16、R17，其中电容C6、C7、C8、C9、C10、C11为电源退耦电容，其中一端接入电源电压，另一端接地，电阻R12、R13、R14、R15、R16、R17串联接入电源电压起到限流作用，又和电容C6、C7、C8、C9、C10、C11组成RC滤波电路。

如图4所示，电压跟随电路的输出接入电压转电荷电路，利用后端ASIC电路输入端的“虚地”和不同值的电容组成了电压转电荷电路，实现了电压到电荷的转换。本实施例中，三路所述电压转电荷电路分别包括串联的电容C12和电阻R21、电容C13和电阻R22、电容C14和电阻R23，这里电容C12、C13、C14选择高精度、温度稳定性好的电容。根据Q＝CV定理，对于同一个电压信号经过不同的电容C12、C13、C14得到的电荷不同，这是本设计实现大动态范围电荷测量的的关键所在。电阻R21、R22、R23起到限流作用，保护后端ASIC电路。由本实施例可知，当然并不限于将IV转换电路的输出扇出3路，通过扇出多路的选择，可以实现更大动态范围的测量。

电压转电荷电路的输出进入ASIC电路的模拟输入端，ASIC电路可以实现多通道、高集成度、低功耗的设计需求。ASIC电路包括ASIC芯片及其内部主要电路，包括前置放大、成形、采样保持、缓冲、控制电路及差分输出电路。电荷信号送入ASIC芯片模拟输入端后，前置放大器将输入的电荷脉冲积分，把输入的电荷转化成积分电压。积分电压信号通过交流耦合送到成形电路中，其脉冲峰值正比于前置放大器的输出，信号在一定时间到达最高值。采样保持电路由一个模拟开关和电容构成，无触发时，模拟开关导通，电容上的电压跟随成形放大器的输出，当触发到达后，延时一段固定时间模拟开关断开，电容上的电压保持不变，最后在控制电路信号的作用下，经缓冲后由差分输出电路输出，ASIC电路时序图如图5所示。

本发明实施例的电荷测量电路的工作过程：电路上电后立即启动电荷脉冲信号的测量工作。探测器产生的随机电荷脉冲信号经过耦合电容C1在运算放大器U1的反馈电阻Rf上积累电荷，形成电压信号，完成了探测器输出的电荷脉冲信号转换成电压脉冲信号，该电压脉冲信号O1扇出成3路分别进入3个电压跟随器U2、U3、U4，以提高信号的驱动能力，电压跟随器的输出O2、O3、O4进入已知的不同容值的高精度电容C12、C13、C14实现电压转电荷，该电荷脉冲信号再分别接入ASIC芯片的不同模拟输入端，在ASIC内部完成电荷信号的积分、成形、采样保持，经缓冲后输出。假设电容C12为50pF，电容C13为10pF，电容C14为2pF，当电容C12的这一路通道信号已饱和，可以取电容C13这一路通道信号。当电容C13的这一路通道信号已饱和(此时电容C12也已经饱和)，可以取电容C14这一路通道信号。若电容C12这一路通道信号、电容C13这一路通道信号和电容C14这一路通道信号都未饱和，取电容C12这一路通道信号。

自ASIC电路输出的三路信号可以通过信号调理后送入ADC进行模数变换，变换后的数字信号送入可编程控制器如FPGA进行数字组帧、打包后发送到载荷管理器的存储单元，等待卫星入站后由数传通道下行到地面。

如图6所示，为其中两路的实验室测试结果，选择电容C13为10pF，电容C14为2pF，在实验室由信号源产生电压信号送入刻度电路端，信号经过刻度电路转换成相应电荷后送入IV转换电路，经过电压跟随电路、电压转电荷电路、ASIC电路后通过信号调理送入ADC进行模数变换得到的结果。测试电压输入信号幅值为0mV—2V信号，步长为100mV。得到的数据通过数据分析处理软件得到图6的线性关系，表明电容C13这一路信号和电容C14这一路信号都未饱和，取电容C13这一路信号。电容C13的这一路信号饱和时，可以取电容C14这一路信号，从图中看出线性关系比较好。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电荷测量电路，包含IV转换电路、多个电压跟随电路、多个电压转电荷电路和ASIC电路，其特征在于：

所述IV转换电路用于将探测的电荷脉冲信号转换为电压脉冲信号；

所述电压跟随电路用于对所述电压脉冲信号电压跟随，产生跟随电压脉冲信号，增加IV转换电路输出的电压脉冲信号的驱动能力，以及对前后电路的缓冲隔离；

多个所述电压转电荷电路与多个电压跟随电路的数量一致，一一对应地设置于电压跟随电路的后端，用于将电压跟随电路输出的电压脉冲信号转换成电荷脉冲信号，各所述电压转电荷电路接入不同容值的电容以扩大测量动态范围；

所述ASIC电路用于对多个所述电压转电荷电路输出的电荷脉冲信号分别进行测量。

2.根据权利要求1所述的电荷测量电路，其特征在于，所述IV转换电路包含第一运算放大器和并联负反馈电路，其中，

所述第一运算放大器的反向输入端前接入耦合电容以阻隔直流电压；

所述并联负反馈电路包括并联的反馈电阻和反馈电容，所述反馈电阻和反馈电容的一端接入所述第一运算放大器的反向输入端，所述反馈电阻和反馈电容的另一端接入所述第一运算放大器的输出端。

3.根据权利要求2所述的电荷测量电路，其特征在于，所述IV转换电路还包括钳位电路、偏置电路和第一电源去耦电路，其中，

所述钳位电路用于当所述第一运算放大器的反向输入端电压过高或过低时，保护所述第一运算放大器不被损坏；所述偏置电路用于调节所述第一运算放大器的偏置电压；所述第一电源去耦电路接入所述第一运算放大器的电源端，用于降低电源噪声对电路的干扰。

4.根据权利要求3所述的电荷测量电路，其特征在于，所述钳位电路包括第一钳位二极管和第二钳位二极管，其中，

所述第一钳位二极管的正向端接入所述第一运算放大器的反向输入端，所述第一钳位二极管的反向端接入负电源电压；

所述第二钳位二极管的反向端接入所述第一运算放大器的反向输入端，所述第二钳位二极管的正向端接地；

所述偏置电路包括在所述第一运算放大器的正向输入端接入的并联电阻和电容，所述并联电阻和电容的另一端接地；

所述第一电源去耦电路包括接入正、负电源电压的去耦电容和串联电阻。

5.根据权利要求1所述的电荷测量电路，其特征在于，所述IV转换电路包括刻度电路，所述刻度电路用于将信号源产生的指数脉冲信号接入CALI端，以对整个电路做线性刻度扫描。

6.根据权利要求1所述的电荷测量电路，其特征在于，各所述电压跟随电路包括第二运算放大器和第二电源去耦电路，所述第二电源去耦电路接入所述第二运算放大器的电源端用于降低电源噪声对电路的干扰。

7.根据权利要求6所述的电荷测量电路，其特征在于，所述第二运算放大器的正向输入端接入一电阻，所述第二运算放大器的反向输入端通过另一电阻接入运算放大器的输出，所述第二电源去耦电路包括接入正、负电源电压的去耦电容和串联电阻。

8.根据权利要求1所述的一种电荷测量电路，其特征在于，所述ASIC电路包括ASIC芯片和其内部的前置放大电路、成形电路、采样保持电路、缓冲电路、控制电路及差分输出电路；

所述前置放大电路对输入的电荷脉冲信号积分，转化成积分电压；

所述成形电路把积分后的电压信号通过交流耦合到成形电路中，所得成形脉冲的高度正比于前置放大器的输出；

所述采样保持电路包括模拟开关和电容，当无保持信号时，模拟开关导通，电容上的电压跟随成形放大器的输出，当成形放大器输出信号达峰后，由控制电路给出保持信号，模拟开关断开，电容上的电压保持不变，在控制电路信号的作用下，经缓冲电路缓冲后由差分输出电路输出。