CN111786659A - 一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路及工作方法，控制芯片控制数模变换芯片的电压输出；数模变换芯片通过运算放大器与电阻组成的电压跟随器提高负载能力；运算放大器的输出与三个双掷开关常开管脚相连；控制芯片通过控制三选一开关的导通来控制三个双掷开关的切换，且三个双掷开关在同一时间只有一个会发生切换；双掷开关的常闭管脚接下拉电阻后接地；双掷开关在切换后与电容器相连并将运算放大器的输出电压加在电容器上给电容器充电；电容器充电过程中产生电荷脉冲输出；三个不同容值的电容器可以产生不同范围的电荷脉冲且在嵌套开关的控制下保证只有一个电容器进行充电，实现了电荷量范围达四个数量级的宽范围高精度电荷脉冲输出。

Description

一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路及工作方法
技术领域
本实发明属于核辐射探测技术领域，涉及核探测器读出系统领域电荷收集前端电子学系统刻度电路，具体涉及一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路及工作方法。
背景技术
随着核探测领域的发展，越来越多空间分辨率好、线性范围宽、能量分辨高、响应时间短、体积小、能耗低的探测器在辐射测量领域得到相当广泛的应用，同时对前端电子学系统提出了更高的要求，在探测器读出系统中，前端电子学系统负责对探测器微弱的电荷信号进行调理，在长期复杂辐照环境的使用中需要周期性的对前端电子学系统通道进行在线测量刻度以矫正误差，所以一个满足功耗低、集成度高、宽范围且高精度的电荷生成电路十分重要。
当前前端电子学系统使用的刻度电路多数为使用固定电压值与单个电容器组合而成的固定电荷量生成电路或者由数模转换器与单个电容器组成的可变电荷生成电路。在固定电荷量生成电路中，由于电荷量固定无法对整个线性区间进行测量刻度，只能得到大致的偏差值；而简单的可变电荷生成电路受到数模变换器积分非线性的影响，在进行较低范围生成的电荷量误差较大。
此外，使用单个电容器的电荷生成电路生成的电荷量范围较窄，随着新型电荷灵敏性电荷测量专用集成电路的应用，前端电子学板的动态范围可以从几个fC到几十pC，横跨三四个数量级。而如果现有的电荷生成电路要满足相应的需求需要有高精度的数模变换器支持，成本较高。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路及工作方法，该电荷脉冲生成电路的电荷脉冲输出量范围达四个数量级。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路，该电荷脉冲生成电路的电荷脉冲输出量范围达四个数量级，包括控制芯片IC2，控制芯片IC2的第一I/O管脚2-1与数模变换芯片IC1的数据输入管脚1-2相连；控制芯片IC2通过I/O管脚2-1控制数模变换芯片IC1的电压输出管脚1-1的电压输出；控制芯片IC2的第二I/O管脚2-2和第三I/O管脚2-3分别与三选一开关SW4的第一控制管脚4-1和第二控制管脚4-2相连；控制芯片IC2的第四I/O管脚2-4与三选一开关SW4的公用管脚4-3相连；控制芯片IC2通过控制第一控制管脚4-1和第二控制管脚4-2的高低电平来控制三选一开关SW4导通的通路，在同一时间三选一开关SW4的公用管脚4-3只会和第一常开管脚4-6、第二常开管脚4-5和第三常开管脚4-4中的其中一个在芯片内部导通；数模变换芯片IC1的电压输出管脚1-1与运算放大器OP的同相输入管脚3-1直接相连；运算放大器OP的反相输入管脚3-2接电阻R1后与运算放大器OP的输出管脚3-3相连；运算放大器OP构成一个电压跟随器提高数模变换芯片IC1的电压驱动能力；运算放大器OP的输出管脚3-3引出后分为三路分别与第一双掷开关SW1的常开管脚5-2、第二双掷开关SW2的常开管脚6-2和第三双掷开关SW3的常开管脚7-2相连；第一双掷开关SW1的常闭管脚5-1、第二双掷开关SW2的常闭管脚6-1和第三双掷开关SW3的常闭管脚7-1彼此相连后通过下拉电阻R2接地，第一双掷开关SW1的公用管脚5-3、第二双掷开关SW2的公用管脚6-3和第三双掷开关SW3的公用管脚7-3分别通过高容值电容器C1、中容值电容器C2和低容值电容器C3后汇聚输出电荷；三选一开关SW4的第一常开管脚4-6、第二常开管脚4-5和第三常开管脚4-4分别与第一双掷开关SW1的控制管脚5-4、第二双掷开关SW2的控制管脚6-4和第三双掷开关SW3的控制管脚7-4相连；三选一开关SW4的三个常开管脚通过高低电平变化控制双掷开关三个双掷开关的通路切换；在同一时间三个双掷开关只有一个开关会发生通路切换。
所述电阻R1阻值为50欧姆。
所述下拉电阻R2阻值为10k欧姆。
所述高容值电容器C1容值为10pF。
所述中容值电容器C2容值为1pF。
所述低容值电容器C3容值为0.1pF。
所述的一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路的工作方法，上电之后，控制芯片IC2通过第一I/O管脚2-1管脚控制数模变换芯片IC1电压输出管脚1-1的电压输出，数模变换芯片IC1电压输出管脚1-1的电压输入到运算放大器OP组成的电压跟随器提高负载能力并由运算放大器OP的输出管脚3-3输出；控制芯片IC2通过第二I/O管脚2-2和第三I/O管脚2-3控制三选一开关SW4的连通；当控制芯片IC2的第二I/O管脚2-2和第三I/O管脚2-3为低电平时，三选一开关SW4的公用管脚4-3不与三选一开关SW4的任何常开管脚接通；当控制芯片IC2的第二I/O管脚2-2和第三I/O管脚2-3为高电平时，三选一开关SW4的公用管脚4-3与三选一开关SW4的第一常开管脚4-6接通；当控制芯片IC2的第二I/O管脚2-2为高电平，第三I/O管脚2-3为低电平时，三选一开关SW4的公用管脚4-3与三选一开关SW4的第二常开管脚4-5接通；当控制芯片IC2的第二I/O管脚2-2为低电平，第三I/O管脚2-3为高电平时，三选一开关SW4的公用管脚4-3与三选一开关SW4的第四常开管脚4-4接通；
三选一开关SW4的公用管脚4-3与第一常开管脚4-6、第二常开管脚4-5和第三常开管脚4-4中的其中一个接通后，控制芯片IC2的第四I/O管脚2-4输出高电平，切换与三选一开关SW4已经接通的常开管脚相连的双掷开关，三个双掷开关之一闭合后，在与其相连的电容器上充电，形成电荷脉冲输出，电荷脉冲输出量范围达四个数量级。
本发明电路简单、控制方便、切换迅速，使用三个电容器进行电荷生成，使用三选一开关控制三个电容器的充放电，可以产生几fC到几十pC大范围的精确电荷量电流脉冲。
附图说明
图1是本发明一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路的电路原理图。
具体实施方式
为更好地说明本发明，现结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路，该电荷脉冲生成电路的电荷脉冲输出量范围达四个数量级，包括控制芯片IC2，控制芯片IC2的第一I/O管脚2-1与数模变换芯片IC1的数据输入管脚1-2相连；控制芯片IC2通过I/O管脚2-1控制数模变换芯片IC1的电压输出管脚1-1的电压输出；控制芯片IC2的第二I/O管脚2-2和第三I/O管脚2-3分别与三选一开关SW4的第一控制管脚4-1和第二控制管脚4-2相连；控制芯片IC2的第四I/O管脚2-4与三选一开关SW4的公用管脚4-3相连；控制芯片IC2通过控制第一控制管脚4-1和第二控制管脚4-2的高低电平来控制三选一开关SW4导通的通路，在同一时间三选一开关SW4的公用管脚4-3只会和第一常开管脚4-6、第二常开管脚4-5和第三常开管脚4-4中的其中一个在芯片内部导通；数模变换芯片IC1的电压输出管脚1-1与运算放大器OP的同相输入管脚3-1直接相连；运算放大器OP的反相输入管脚3-2接电阻R1后与运算放大器OP的输出管脚3-3相连；运算放大器OP构成一个电压跟随器提高数模变换芯片IC1的电压驱动能力；运算放大器OP的输出管脚3-3引出后分为三路分别与第一双掷开关SW1的常开管脚5-2、第二双掷开关SW2的常开管脚6-2和第三双掷开关SW3的常开管脚7-2相连；第一双掷开关SW1的常闭管脚5-1、第二双掷开关SW2的常闭管脚6-1和第三双掷开关SW3的常闭管脚7-1彼此相连后通过下拉电阻R2接地，第一双掷开关SW1的公用管脚5-3、第二双掷开关SW2的公用管脚6-3和第三双掷开关SW3的公用管脚7-3分别通过高容值电容器C1、中容值电容器C2和低容值电容器C3后汇聚输出电荷；三选一开关SW4的第一常开管脚4-6、第二常开管脚4-5和第三常开管脚4-4分别与第一双掷开关SW1的控制管脚5-4、第二双掷开关SW2的控制管脚6-4和第三双掷开关SW3的控制管脚7-4相连；三选一开关SW4的三个常开管脚通过高低电平变化控制双掷开关三个双掷开关的通路切换；在同一时间三个双掷开关只有一个开关会发生通路切换。
作为本发明的优选实施方式，所述电阻R1阻值为50欧姆。
作为本发明的优选实施方式，所述下拉电阻R2阻值为10k欧姆。
作为本发明的优选实施方式，所述高容值电容器C1容值为10pF。
作为本发明的优选实施方式，所述中容值电容器C2容值为1pF。
作为本发明的优选实施方式，所述低容值电容器C3容值为0.1pF。
所述的一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路的工作方法，上电之后，控制芯片IC2通过第一I/O管脚2-1管脚控制数模变换芯片IC1电压输出管脚1-1的电压输出，数模变换芯片IC1电压输出管脚1-1的电压输入到运算放大器OP组成的电压跟随器提高负载能力并由运算放大器OP的输出管脚3-3输出；控制芯片IC2通过第二I/O管脚2-2和第三I/O管脚2-3控制三选一开关SW4的连通；当控制芯片IC2的第二I/O管脚2-2和第三I/O管脚2-3为低电平时，三选一开关SW4的公用管脚4-3不与三选一开关SW4的任何常开管脚接通；当控制芯片IC2的第二I/O管脚2-2和第三I/O管脚2-3为高电平时，三选一开关SW4的公用管脚4-3与三选一开关SW4的第一常开管脚4-6接通；当控制芯片IC2的第二I/O管脚2-2为高电平，第三I/O管脚2-3为低电平时，三选一开关SW4的公用管脚4-3与三选一开关SW4的第二常开管脚4-5接通；当控制芯片IC2的第二I/O管脚2-2为低电平，第三I/O管脚2-3为高电平时，三选一开关SW4的公用管脚4-3与三选一开关SW4的第四常开管脚4-4接通；
三选一开关SW4的公用管脚4-3与第一常开管脚4-6、第二常开管脚4-5和第三常开管脚4-4中的其中一个接通后，控制芯片IC2的第四I/O管脚2-4输出高电平，切换与三选一开关SW4已经接通的常开管脚相连的双掷开关，三个双掷开关之一闭合后，在与其相连的电容器上充电，形成电荷脉冲输出，电荷脉冲输出量范围达四个数量级。

Claims (7)

1.一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路，其特征在于，该电荷脉冲生成电路的电荷脉冲输出量范围达四个数量级，包括控制芯片(IC2)，控制芯片(IC2)的第一I/O管脚(2-1)与数模变换芯片(IC1)的数据输入管脚(1-2)相连；控制芯片(IC2)通过I/O管脚(2-1)控制数模变换芯片(IC1)的电压输出管脚(1-1)的电压输出；控制芯片(IC2)的第二I/O管脚(2-2)和第三I/O管脚(2-3)分别与三选一开关(SW4)的第一控制管脚(4-1)和第二控制管脚(4-2)相连；控制芯片(IC2)的第四I/O管脚(2-4)与三选一开关(SW4)的公用管脚(4-3)相连；控制芯片(IC2)通过控制第一控制管脚(4-1)和第二控制管脚(4-2)的高低电平来控制三选一开关(SW4)导通的通路，在同一时间三选一开关(SW4)的公用管脚(4-3)只会和第一常开管脚(4-6)、第二常开管脚(4-5)和第三常开管脚(4-4)中的其中一个在芯片内部导通；数模变换芯片(IC1)的电压输出管脚(1-1)与运算放大器(OP)的同相输入管脚(3-1)直接相连；运算放大器(OP)的反相输入管脚(3-2)接电阻(R1)后与运算放大器(OP)的输出管脚(3-3)相连；运算放大器(OP)构成一个电压跟随器提高数模变换芯片(IC1)的电压驱动能力；运算放大器(OP)的输出管脚(3-3)引出后分为三路分别与第一双掷开关(SW1)的常开管脚(5-2)、第二双掷开关(SW2)的常开管脚(6-2)和第三双掷开关(SW3)的常开管脚(7-2)相连；第一双掷开关(SW1)的常闭管脚(5-1)、第二双掷开关(SW2)的常闭管脚(6-1)和第三双掷开关(SW3)的常闭管脚(7-1)彼此相连后通过下拉电阻(R2)接地，第一双掷开关(SW1)的公用管脚(5-3)、第二双掷开关(SW2)的公用管脚(6-3)和第三双掷开关(SW3)的公用管脚(7-3)分别通过高容值电容器(C1)、中容值电容器(C2)和低容值电容器(C3)后汇聚输出电荷；三选一开关(SW4)的第一常开管脚(4-6)、第二常开管脚(4-5)和第三常开管脚(4-4)分别与第一双掷开关(SW1)的控制管脚(5-4)、第二双掷开关(SW2)的控制管脚(6-4)和第三双掷开关(SW3)的控制管脚(7-4)相连；三选一开关(SW4)的三个常开管脚通过高低电平变化控制双掷开关三个双掷开关的通路切换；在同一时间三个双掷开关只有一个开关会发生通路切换。
2.如权利要求1所述的一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路，其特征在于，所述电阻(R1)阻值为50欧姆。
3.如权利要求1所述的一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路，其特征在于，所述下拉电阻(R2)阻值为10k欧姆。
4.如权利要求1所述的一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路，其特征在于，所述高容值电容器(C1)容值为10pF。
5.如权利要求1所述的一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路，其特征在于，所述中容值电容器(C2)容值为1pF。
6.如权利要求1所述的一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路，其特征在于，所述低容值电容器(C3)容值为0.1pF。
7.权利要求1至7任一项所述的一种宽范围高精度电荷脉冲生成电路的工作方法，其特征在于，上电之后，控制芯片(IC2)通过第一I/O管脚(2-1)管脚控制数模变换芯片(IC1)电压输出管脚(1-1)的电压输出，数模变换芯片(IC1)电压输出管脚(1-1)的电压输入到运算放大器(OP)组成的电压跟随器提高负载能力并由运算放大器(OP)的输出管脚(3-3)输出；控制芯片(IC2)通过第二I/O管脚(2-2)和第三I/O管脚(2-3)控制三选一开关(SW4)的连通；当控制芯片(IC2)的第二I/O管脚(2-2)和第三I/O管脚(2-3)为低电平时，三选一开关(SW4)的公用管脚(4-3)不与三选一开关(SW4)的任何常开管脚接通；当控制芯片(IC2)的第二I/O管脚(2-2)和第三I/O管脚(2-3)为高电平时，三选一开关(SW4)的公用管脚(4-3)与三选一开关(SW4)的第一常开管脚(4-6)接通；当控制芯片(IC2)的第二I/O管脚(2-2)为高电平，第三I/O管脚(2-3)为低电平时，三选一开关(SW4)的公用管脚(4-3)与三选一开关(SW4)的第二常开管脚(4-5)接通；当控制芯片(IC2)的第二I/O管脚(2-2)为低电平，第三I/O管脚(2-3)为高电平时，三选一开关(SW4)的公用管脚(4-3)与三选一开关(SW4)的第四常开管脚(4-4)接通；
三选一开关(SW4)的公用管脚(4-3)与第一常开管脚(4-6)、第二常开管脚(4-5)和第三常开管脚(4-4)中的其中一个接通后，控制芯片(IC2)的第四I/O管脚(2-4)输出高电平，切换与三选一开关(SW4)已经接通的常开管脚相连的双掷开关，三个双掷开关之一闭合后，在与其相连的电容器上充电，形成电荷脉冲输出，电荷脉冲输出量范围达四个数量级。
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