CN110716226A - 一种用于剔除无效事例的反符合电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于剔除无效事例的反符合电路及方法，其特征在于，包括IV转换电路、信号求和电路、数字模拟转换器、滞回比较器、微分电路、整形电路和FPGA电路；若干IV转换电路用于将外部输入的一路电荷脉冲信号转换为相应幅度的电压脉冲信号；信号求和电路用于得到一路电压信号；数字模拟转换器用于产生阈值信号；所述比较电路用于对信号求和电路发送的电压信号进行滞回比较得到一路脉冲信号；微分电路用于将该脉冲信号微分转换为尖脉冲波信号；整形电路用于将该尖脉冲波信号整形为固定脉宽的数字脉冲信号；FPGA电路用于确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号，并剔除无效的数字脉冲信号，完成无效事例的剔除，本发明可广泛用于空间粒子探测领域中。

Description

一种用于剔除无效事例的反符合电路及方法
技术领域
本发明涉及一种反符合电路及方法，特别是关于一种用于剔除无效事例的反符合电路及方法，属于空间粒子探测领域。
背景技术
中国的空间粒子探测呈以下的发展趋势：发展专用卫星探测，利用专用卫星进行粒子探测，可以搭载更多的探测仪器，实现更多的物理目标，轨道高度和卫星姿态均完全由粒子探测目的控制；从普查到精细测量，现在更准确的物理分析和空间物理机制的研究依靠于对各个物理量的精细测量，例如对能谱和同位素的测量现今已越来越精细；探测仪器从简单到复杂，从普通型到智能型，粒子探测仪器往往为达到更多目的而设计的较复杂，一台仪器，不仅可作不同能量段的能谱测量，还可以进行元素的鉴别；反符合探测器用于消除视场外的带电粒子的影响。
反符合方法是利用反符合电路来剔除满足时间宽度内符合事件的脉冲信号。在反符合电路中，主探测器脉冲信号的通道称为分析道，反符合探测器脉冲信号的通道称为反符合道，反符合探测器脉冲信号通过定时电路后作为门控信号用于剔除满足反符合条件的脉冲信号。在反宇宙射线γ谱仪中，为提高反符合效率，反符合探测器环绕在主探测器周围和底部，用于消除视场外进入探测器的带电粒子和穿透视场的高能带电粒子，其设计应满足以下技术要求：屏蔽大部分视场外的粒子事例，即利用反符合方式消除视场外的带电粒子事例的影响；屏蔽视场内的超过测量能量上限的粒子事例，通过反符合方式使得带电粒子到达主探测器时的信号不被记录，但给予标识。
塑料闪烁体常作为反符合探测器，读出使用光电倍增管(PMT)或硅光电倍增管(SiPM)，反符合探测器在降低宇宙射线硬成分μ子对本底计数率的贡献方面十分有效，根据文献调研情况，当在主探测器四周布置塑料闪烁体为反符合探测器时，该探测装置在能量区间为30keV～2700keV处的积分本底计数率可以降低五到六倍，而在能量较高的能量区间内(10MeV以上)，反符合屏蔽措施可以减少因宇宙射线贡献的99％的本底计数。
然而，传统的反符合电路基本均是购买的商用反符合电路插件，自行设计的较少，购买的商用反符合插件一方面存在功耗大和成本高的问题，另一方面，由于宇宙中有很强的辐射，商用反符合插件往往会发生单粒子效应，抗辐射能力弱，无法在宇宙中使用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种功耗低、成本低且抗辐射能力强的用于剔除无效事例的反符合电路及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于剔除无效事例的反符合电路，其特征在于，包括IV转换电路、信号求和电路、数字模拟转换器、滞回比较器、微分电路、整形电路和FPGA电路；若干所述IV转换电路用于将外部输入的一路电荷脉冲信号转换为相应幅度的电压脉冲信号；所述信号求和电路用于对多路电压脉冲信号进行求和运算，得到一路电压信号；所述数字模拟转换器用于在所述FPGA电路的控制下，产生阈值信号；所述滞回比较器用于根据所述数字模拟转换器发送的阈值信号，对所述信号求和电路发送的电压信号进行滞回比较，得到一路脉冲信号；所述微分电路用于将该脉冲信号微分转换为尖脉冲波信号；所述整形电路用于将该尖脉冲波信号整形为固定脉宽的数字脉冲信号；所述FPGA电路用于确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号，并剔除无效的数字脉冲信号，完成无效事例的剔除。
进一步地，所述FPGA电路确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号采用触发符合运算，具体过程为：FPGA电路内部完成触发符合运算，确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号，如果运算的结果为高电平1，则该反符合触发有效，为有效反符合触发信号，抛弃引起该次触发的数字脉冲信号，以剔除无效事例；如果运算的结果为低电平0，则该反符合触发无效，为反符合无效触发信号，不需抛弃引起该次触发的数字脉冲信号。
进一步地，所述信号求和电路采用功耗小于30mW且噪声小于-69dB的运算放大器。
进一步地，所述滞回比较器内的比较器采用小于10ns的低延时比较器。
进一步地，若干所述IV转换电路均接收对应塑闪探测器经对应光电倍增管或硅光电倍增管发送的一路电荷脉冲信号。
一种用于剔除无效事例的反符合方法，其特征在于，包括以下内容：1)每一IV转换电路均接收外部输入的一路电荷脉冲信号，并将该电荷脉冲信号转换为相应幅度的电压脉冲信号发送至信号求和电路；2)信号求和电路对多路电压脉冲信号进行求和运算后，输出一路电压脉冲信号至滞回比较器；3)滞回比较器的输入正向端接收该电压脉冲信号，滞回比较器的输入负向端接收数字模拟转换器发送的阈值信号，进行比较后输出一路滤除尾部杂散信号的脉冲信号，并发送至微分电路；4)微分电路将脉冲信号微分转换为尖脉冲波信号发送至整形电路；5)整形电路将尖脉冲波信号整形为可被FPGA电路接收的固定脉宽的数字脉冲信号，并发送至FPGA电路；6)整形电路发送的数字脉冲信号作为反符合触发信号，在FPGA电路内部完成触发符合运算，确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号，并剔除无效的数字脉冲信号，完成无效事例的剔除；7)FPGA电路按照数字模拟转换器收据手册向数字模拟转换器发送固定时序的命令，使数字模拟转换器产生阈值信号，并发送至滞回比较器。
进一步地，所述步骤6)的具体过程为：整形电路发送的数字脉冲信号作为反符合触发信号，在FPGA电路内部完成触发符合运算，确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号，如果运算的结果为高电平1，则该反符合触发有效，为有效反符合触发信号，抛弃引起该次触发的数字脉冲信号，以剔除无效事例；如果运算的结果为低电平0，则该反符合触发无效，为反符合无效触发信号，不需抛弃引起该次触发的数字脉冲信号。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将反符合探测器输出的电荷信号转换为电压信号进行求和累加后，使多路信号转换为一路信号后再进行处理，这样可以大大减少元器件的使用量，节约成本、降低功耗，也减小电路面积。2、本发明中滞回比较器的阈值由数字模拟转换器(DAC)提供，这样设计人员可以方便在地面上通过发指令进行调整，使之能够应用于空间粒子探测环境下，得到最佳阈值。3、普通的比较器输入电压在阈值电压附近的任何微小变化，均会引起输出电压的跃变，抗干扰能力差，尤其是快比较器，例如延迟<10ns，往往在输出脉冲的后半部分带很多毛刺，然而，本发明的滞回比较器具有滞回特性和抗干扰能力强的特点，可以消除输出脉冲后半部分带的毛刺。4、本发明选用低噪声、低功耗的元器件，可以降低电路的功耗和噪声，使之能够广泛应用于空间带电粒子测量等卫星中。
附图说明
图1是本发明反符合电路的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明提供的用于剔除无效事例的反符合电路包括IV(电流电压)转换电路1、信号求和电路2、数字模拟转换器3、滞回比较器4、微分电路5、整形电路6和FPGA(现场可编程门阵列)电路7。
若干IV转换电路1用于接收对应塑闪探测器经对应光电倍增管或硅光电倍增管发送的一路电荷脉冲信号，并转换为相应幅度的电压脉冲信号后，分别发送至信号求和电路2。
信号求和电路2用于对多路IV转换电路1输出的电压脉冲信号进行求和运算，得到一路电压信号，并发送至滞回比较器4。
数字模拟转换器3用于在FPGA电路7的控制下，产生一定幅值的阈值信号，并发送至滞回比较器4，作为滞回比较器4的触发阈值，该阈值的取值比信号噪声大即可，例如30mV。
滞回比较器4用于根据数字模拟转换器3发送的阈值信号，对信号求和电路2发送的电压信号进行滞回比较，得到一路脉冲信号，并发送至微分电路5，可以消除滞回比较器4输出脉冲后半部分带的毛刺。
微分电路5用于将该脉冲信号微分转换为尖脉冲波信号，并发送至整形电路6，微分电路5的输出波形只反映输入波形的突变部分。
整形电路6用于将该尖脉冲波信号整形为可被FPGA电路7接收的固定脉宽的数字脉冲信号，并发送至FPGA电路7，其中，固定脉宽可以根据实际情况或技术要求决定，例如脉冲取值为500ns。
FPGA电路7用于确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号，并剔除无效的数字脉冲信号，完成无效事例的剔除。
在一个优选的实施例中，FPGA电路7内部完成触发符合运算，确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号，如果运算的结果为高电平1，则该反符合触发有效，为有效反符合触发信号，抛弃引起该次触发的数字脉冲信号，以剔除无效事例；如果运算的结果为低电平0，则该反符合触发无效，为反符合无效触发信号，不需抛弃引起该次触发的数字脉冲信号。
在一个优选的实施例中，信号求和电路2可以采用功耗小于30mW且噪声小于-69dB的低功耗、低噪声的运算放大器。
在一个优选的实施例中，滞回比较器4由低延时(<10ns)比较器、电阻和电容等构成，该电路加入滞回功能，可以将比较器输出的信号尾部的多余信号处理掉，使比较器只输出一个脉冲信号，其中，滞回比较器4的具体结构为现有技术公开的内容，在此不多做赘述。
在一个优选的实施例中，整形电路6由触发器、电阻、电容等器件组成，其中，整形电路6的具体结构为现有技术公开的内容，在此不多做赘述。
基于上述用于剔除无效事例的反符合电路，本发明还提供一种用于剔除无效事例的反符合方法，包括以下步骤：
1)塑闪探测器被带电粒子击中产生荧光，荧光经光电倍增管或硅光电倍增管光电转换为相应电荷量的电荷脉冲信号，每一IV转换电路1均将一路该电荷脉冲信号转换为相应幅度的电压脉冲信号发送至信号求和电路2。
2)信号求和电路2对多路电压脉冲信号进行求和运算后，输出一路电压脉冲信号至滞回比较器4。
3)滞回比较器4的输入正向端接收该电压脉冲信号，滞回比较器4的输入负向端接收数字模拟转换器3发送的阈值信号，进行比较后输出一路滤除尾部杂散信号的脉冲信号，并发送至微分电路5。
4)微分电路5将脉冲信号微分转换为尖脉冲波信号发送至整形电路6。
5)整形电路6将尖脉冲波信号整形为可被FPGA电路7接收的固定脉宽的数字脉冲信号，并发送至FPGA电路7。
6)整形电路6发送的数字脉冲信号作为反符合触发信号，在FPGA电路7内部完成触发符合运算，确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号，如果运算的结果为高电平1，则该反符合触发有效，为有效反符合触发信号，需要抛弃引起该次触发的数字脉冲信号，以剔除无效事例；如果运算的结果为低电平0，则该反符合触发无效，为反符合无效触发信号，不需抛弃引起该次触发的数字脉冲信号。
7)FPGA电路7按照数字模拟转换器收据手册向数字模拟转换器3发送固定时序的命令，控制数字模拟转换器3，使数字模拟转换器3产生一定幅值的阈值信号，并发送至滞回比较器4。在太空或宇宙中，根据具体情况，在地面发送控制指令，与空间中的卫星通过通信接口和FPGA通信，控制数字模拟转换器3输出一定幅值的电压信号，作为滞回比较器4的阈值电压，使之得到一个最理想的阈值。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种用于剔除无效事例的反符合电路，其特征在于，包括IV转换电路、信号求和电路、数字模拟转换器、滞回比较器、微分电路、整形电路和FPGA电路；
若干所述IV转换电路用于将外部输入的一路电荷脉冲信号转换为相应幅度的电压脉冲信号；
所述信号求和电路用于对多路电压脉冲信号进行求和运算，得到一路电压信号；
所述数字模拟转换器用于在所述FPGA电路的控制下，产生阈值信号；
所述滞回比较器用于根据所述数字模拟转换器发送的阈值信号，对所述信号求和电路发送的电压信号进行滞回比较，得到一路脉冲信号；
所述微分电路用于将该脉冲信号微分转换为尖脉冲波信号；
所述整形电路用于将该尖脉冲波信号整形为固定脉宽的数字脉冲信号；
所述FPGA电路用于确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号，并剔除无效的数字脉冲信号，完成无效事例的剔除。
2.如权利要求1所述的一种用于剔除无效事例的反符合电路，其特征在于，所述FPGA电路确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号采用触发符合运算，具体过程为：
FPGA电路内部完成触发符合运算，确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号，如果运算的结果为高电平1，则该反符合触发有效，为有效反符合触发信号，抛弃引起该次触发的数字脉冲信号，以剔除无效事例；如果运算的结果为低电平0，则该反符合触发无效，为反符合无效触发信号，不需抛弃引起该次触发的数字脉冲信号。
3.如权利要求1至2任一项所述的一种用于剔除无效事例的反符合电路，其特征在于，所述信号求和电路采用功耗小于30mW且噪声小于-69dB的运算放大器。
4.如权利要求1至2任一项所述的一种用于剔除无效事例的反符合电路，其特征在于，所述滞回比较器内的比较器采用小于10ns的低延时比较器。
5.如权利要求1至2任一项所述的一种用于剔除无效事例的反符合电路，其特征在于，若干所述IV转换电路均接收对应塑闪探测器经对应光电倍增管或硅光电倍增管发送的一路电荷脉冲信号。
6.一种用于剔除无效事例的反符合方法，其特征在于，包括以下内容：
1)每一IV转换电路均接收外部输入的一路电荷脉冲信号，并将该电荷脉冲信号转换为相应幅度的电压脉冲信号发送至信号求和电路；
2)信号求和电路对多路电压脉冲信号进行求和运算后，输出一路电压脉冲信号至滞回比较器；
3)滞回比较器的输入正向端接收该电压脉冲信号，滞回比较器的输入负向端接收数字模拟转换器发送的阈值信号，进行比较后输出一路滤除尾部杂散信号的脉冲信号，并发送至微分电路；
4)微分电路将脉冲信号微分转换为尖脉冲波信号发送至整形电路；
5)整形电路将尖脉冲波信号整形为可被FPGA电路接收的固定脉宽的数字脉冲信号，并发送至FPGA电路；
6)整形电路发送的数字脉冲信号作为反符合触发信号，在FPGA电路内部完成触发符合运算，确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号，并剔除无效的数字脉冲信号，完成无效事例的剔除；
7)FPGA电路按照数字模拟转换器收据手册向数字模拟转换器发送固定时序的命令，使数字模拟转换器产生阈值信号，并发送至滞回比较器。
7.如权利要求6所述的一种用于剔除无效事例的反符合方法，其特征在于，所述步骤6)的具体过程为：
整形电路发送的数字脉冲信号作为反符合触发信号，在FPGA电路内部完成触发符合运算，确定该数字脉冲信号是否为有效触发信号，如果运算的结果为高电平1，则该反符合触发有效，为有效反符合触发信号，抛弃引起该次触发的数字脉冲信号，以剔除无效事例；如果运算的结果为低电平0，则该反符合触发无效，为反符合无效触发信号，不需抛弃引起该次触发的数字脉冲信号。
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