CN112671405B - 一种电离室电荷信号读出装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电离室电荷信号读出装置，属于加速器技术领域，包括电荷积分电路、布设在电荷积分电路输出端的模拟转换器ADC，特点是：在电荷积分电路输入端和输出端之间，还布设有用于实现自动放电的放电电路、以及用于校准差值的校准电路、及用于控制放电电路和校准电路的DSP控制单元，该DSP控制单元与电荷积分电路输出端同侧布设。本发明克服了传统的偏见，即积分器采样和放电必须将相关电路断开才能进行采样或放电的偏见。积分器自动放电过程利用了给积分器输入端施加正向电流、反向电流的原理，使得正负电流形成的正负电荷相互抵消，通过自动校准电路，以及自动放电电路，解决了由于采样断路和放电短路造成的积分器丢失电荷的“死时间”问题。

Description

一种电离室电荷信号读出装置

技术领域

本发明属于加速器领域，具体涉及一种电离室电荷信号读出装置。

背景技术

微弱信号的数字化读出通常使用三种方法：第一种方法是电流电压实时转换+ADC，该方法可对信号的具体细节进行分析，但是数据量大、成本高、系统复杂；第二种方法是电流频率转换+计数器，这是一种时间段处理方法，将电流转换成脉冲输出，单个脉冲代表固定的电荷量，该方法实现成本低，但是技术难度大；第三种方法是门控积分器+ADC。电荷积分器利用放大器输入虚地的概念，把电荷信号直接积分到电路中的积分电容，从而放大器的输出，便是所有电荷量的总和的输出。

第三种方法虽然是当前普遍被采用的方法，但仍然存在不理想性：当积分器在处于保持状态或放电状态时会产生“死时间”，“死时间”造成电离室电荷信号读出不准确。

积分器采样阶段产生的“死时间”：任何电子放大器本身都存在偏置电压偏置电流，积分电容本身也存在漏电流，这两种原因导致了在电荷转换出现误差。这种误差只有在积分器工作状态下才会产生。现有技术解决的办法是：当需要测量电荷总输出时，让积分器停止工作：让积分器停止工作的方法是将积分电容和输入电荷之间的通路断开，这样，积分器两端的电压就稳定了，从而可以准确地进行电荷的读数。但积分器处于保持状态的这段时间电荷的源头并没有掐断，电荷只是不再流向积分器而是流向其他地方，这段时间的电荷被积分器漏掉了，称这段时间称为积分器处于保持状态时的“死时间”。

积分器放电阶段产生的“死时间”：如图1所示，当积分器放电时，S1打开、S2关闭，S2关闭后电容短路产生放电，但是积分器放电这段时间，电荷输入端的源头没有切断，只是电荷通向积分器的分支通过S1的打开被断路，但由于电荷源头没有断，电荷没有流向积分器而是流向了其它分支(其它分支图1中未标注)，这段时间的电荷被积分器漏掉了，称这段时间称为积分器处于放电状态时的“死时间”。

综上，积分器处于保持状态下的“死时间”，是因为当需要测量电荷总输出时，让积分器停止工作、将电容和电荷之间的通路断开、导致电荷流向其它分支而产生“死时间”；积分器处于放电状态下的“死时间”，是因为当需要电荷放电时，通向积分器的电荷分支电路被切断，导致电荷流向其它分支而产生“死时间”。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种电离室电荷信号读出装置，目的在于解决现有技术下电荷积分电路在积分器处于保持状态或放电状态下出现“死时间”、造成电离室电荷信号读出不准确的问题。

本发明为解决其技术问题提出以下技术方案

一种电离室电荷信号读出装置，包括电荷积分电路、布设在电荷积分电路输出端的模拟转换器ADC，其特征在于：在电荷积分电路输入端和输出端之间，还布设有用于实现自动放电的放电电路、以及用于校准差值的校准电路、以及用于控制放电电路和校准电路的DSP控制单元，该DSP控制单元与电荷积分电路输出端同侧布设。

所述的校准电路包括数模转换器DAC、精密电阻、高绝缘阻抗继电器及其开关控制电路；精密电阻、数模转换器DAC分别布设在该校准电路的靠近电荷积分电路的输入端侧和靠近电荷积分电路的输出端侧。

该校准后的参数保存在EEPROM中；所述DAC为双极性、16位以上，由于校准电流需要非常精确，因此需要精密电阻，精度在1％以上；高绝缘阻抗的继电器需要绝缘阻抗为10GΩ以上。

所述放电电路包括单刀双掷选择开关SPDT Switch、数模转换器DAC、放电电阻，该放电电阻布设在靠近运算放大器的输入端侧，该DAC布设在靠近运算放大器的输出端侧、且与DSP控制单元相连接，DSP控制单元分两路控制DAC，一路控制DAC输入的幅值，一路控制DAC输入的脉宽。

所述的DAC要求双极性、16位以上，SPDT Switch电荷注入在1pC以内，漏电流100pA以内。

所述电荷积分电路包括：电荷信号输入接口、运算放大器、积分电容、分压电阻；积分电容一端连接电荷信号输入接口，另一端连接运算放大器输出端口；所述的积分电容要求为NP0电容，对温度变化不敏感；所述的高绝缘阻抗的继电器绝缘阻抗为10GΩ以上。

所述的模拟转换器ADC用于实现积分电压的数字化，要求最低为16位，采样率在250k以上。

所述的电离室电荷信号读出装置还包括高压模块，该高压模块包括高压电源及其输出调节机构-可调电位器；另外，还包括高压回读电路，利用分压电阻实现电压回读，通过ADC实现高压回读值采样和数字化读取。高压模块要求能够输出高达2kV的电压。

本发明的优点效果

1、本发明克服了传统的偏见，即积分器采样和放电必须将相关电路断开才能进行采样或放电的偏见。积分器自动放电过程利用了给积分器两端输入正向电流、反向电流的原理，使得正负电流形成的正负电荷相互抵消，从而在不间断输入端电荷的情况下完成自动放电、放电完成以后从零开始自动进入下一次的积分。通过自动校准电路，以及自动放电电路，代替了现有技术的积分器采样的断路开关和积分器放电的断路开关，解决了由于采样断路和放电断路造成的积分器丢失电荷的“死时间”问题。

2、本发明放电电路基于固定脉宽和可调幅值的放电脉冲加上高精度放电电阻实现，能够根据输入信号的变化实时调节放电脉冲的幅值，可以对积分电路实现精确放电。

3、本发明的积分电路采用偏置电流小的运放ICL7652加NP0电容实现，电容值随温度变化无影响，测量结果精确，稳定性高。或者最大bias current为750fA的精密跨阻抗放大器IVC102实现，测量结果受元件本身影响小。

4、本发明提供校准装置能够实现积分电路的校准，能够排除由于积分电容误差对积分结果的影响，能够在测量开始前对增益系数进行校准，同时能够实现输入电路offset调节。

附图说明

图1为现有技术电荷积分电路原理图；

图2为本发明电离室电荷信号读出装置图；

图3为MUX多路选择器应用局部放大图；

图4为本发明电离室电荷信号读出流程图；

图5为本发明积分、放电时序图。

具体实施方式

本发明的设计原理

1、本发明和现有技术的区别：图1为现有技术的电荷积分电路原理图，图2为本发明改造后的电离室电荷信号读出装置图，区别在于，本发明去掉了S1、S2两个开关，增加了放电电路和校正电路、以及用于控制放电电路和校正电路的DSP。高压模块不作为本发明必要技术特征。

2、用本发明的校正电路和自动采样代替现有技术的积分器保持采样。校正电路从左到右包括放电电阻R、MUX、DAC、DSP，理想的积分电路当输入端信号为零时，输出电压也应该为零，但由于电路中偏置偏流、漏电流等的存在，使得积分电压会有一个微小的值，当DSP检测出积分器输出端信号与理论值零之间存在差值时，给DAC一个数字信号，DAC输出一个电压信号加载在校正电阻R上形成校正电流，该电流返回到积分器信号输入端从而完成校正，使得在输入端无信号输入时，积分电压输出也为零。由于校正一次以后，在一个很长的时间内维持校正后的状态而不再发生变化，所以，一般每天只需要积分器工作前校正一次就可以了。当校正完成以后，由于在一个相当长的时间内不存在输入输出端的误差问题，所以积分器能够实现在电容和电荷之间通路始终连接的情况下自动采样，而无需采样前将电容和电荷之间的通路断开、让积分器进入保持状态下才能采样。前述保持阶段死时间的出现正是因为将电容和电荷之间的通路断开期间，此时，电荷的源头并没有关闭而是电荷不再流向积分器了而是流向其它地方，这段时间积分器丢失了电荷，称这段时间为死时间。由于本发明改进后，使得积分器采样无需断路，所以从根本上杜绝了积分器采样阶段的死时间问题。

3、用本发明的放电电路代替现有技术的积分器断路放电。放电阶段的死时间是因为输入端与积分器连接的分支电路断路，而电荷的源头并没有关闭，所以在分支电路断路到放电完成的这段时间，一部分电荷流到其他地方，被积分器丢失了，称这段时间为死时间。本发明放电电路输入端并不设置开关S1，放电期间电荷源头到积分器的电荷流动始终是存在的，只是一个正向、一个反向，假设积分器放电的电荷为反向、则输入端的电荷就为正向，当正负抵消时放电完成。假设积分器积累了100个电荷，应该放负电荷100个，当需要放电时，DSP给放电电路的DAC一个反向电压的数字信号，DAC输出一个反向电压给放电电阻从而形成反向电流，反向电流在一定脉宽的脉冲作用下即形成反向电荷，所述反向电压就是和积分器电容电压相反的电压。当这两个电压产生的正负100个电荷相互抵消时放电完成，然后输入端又从101个电荷开始继续给积分器输入正电荷，直到积分器积累100个电荷后再次放电、周而复始继续下去。由于本发明放电过程输入端并没有断路，而是利用电容两端分别加正向电压和反向电压的方法，因此，解决了电荷丢失问题，同时解决了死时间问题。

基于以上原理，本发明设计了一种电离室电荷信号读出装置。

一种电离室电荷信号读出装置，如图2、图3所示，包括电荷积分电路、布设在电荷积分电路输出端的模拟转换器ADC，其特征在于：在电荷积分电路输入端和输出端之间，还布设有用于实现自动放电的放电电路、以及用于校准差值的校准电路、以及用于控制放电电路和校准电路的DSP控制单元，该DSP控制单元与电荷积分电路输出端同侧布设。

补充说明：

电荷积分器利用放大器输入虚地的概念，把电荷信号直接积分到电路中的积分电容，从而放大器的输出，便是所有电荷量的总和的输出。一段时间内电流对时间的积分为电荷量：对于积分电路而言，输出电压和电荷量之间的关系为U＝Q/C。针对本发明，两次读数过程中测量的电荷量和测量平均电流为：

Q＝k(ADCend-ADCstart)

i＝Q/t

其中，k为增益系数，t为采样时间间隔。

一次采样完成后需要根据测得的信号值对积分电容进行放电-即反向充电，为使电容电量维持到积分前的原始状态，放电的电荷量应该等于之前的积分电荷量，即Qdis＝Q，放电过程通过施加在放电电阻上的脉冲电压来实现，放电电阻一端接放电脉冲，一端接积分电路的输入端，放电脉冲的脉宽固定不变为T，幅值U由DSP根据测得输入信号值进行等效设定，最终

Qdis＝Q＝U*T/R

T＝Tdis＝TADC/3

所述的校准电路包括数模转换器DAC、精密电阻、高绝缘阻抗继电器及其开关控制电路；精密电阻、数模转换器DAC分别布设在该校准电路的靠近电荷积分电路的输入端侧和靠近电荷积分电路的输出端侧。

该校准后的参数保存在EEPROM中；所述DAC为双极性、16位以上，由于校准电流需要非常精确，因此需要精密电阻，精度在1％以上；高绝缘阻抗的继电器需要绝缘阻抗为10GΩ以上。

所述放电电路包括单刀双掷选择开关SPDT Switch、数模转换器DAC、放电电阻，该放电电阻布设在靠近运算放大器的输入端侧，该DAC布设在靠近运算放大器的输出端侧、且与DSP控制单元相连接，DSP控制单元分两路控制DAC，一路控制DAC输入的幅值，一路控制DAC输入的脉宽。

所述的DAC要求双极性、16位以上，SPDT Switch电荷注入在1pC以内，漏电流100pA以内。

所述电荷积分电路包括：电荷信号输入接口、运算放大器、积分电容、分压电阻；积分电容一端连接电荷信号输入接口，另一端连接运算放大器输出端口；所述的积分电容要求为NP0电容，对温度变化不敏感；所述的高绝缘阻抗的继电器绝缘阻抗为10GΩ以上。

所述的模拟转换器ADC用于实现积分电压的数字化，要求最低为16位，采样率在250k以上。

所述的电离室电荷信号读出装置还包括高压模块，该高压模块包括高压电源及其输出调节机构-可调电位器；另外，还包括高压回读电路，利用分压电阻实现电压回读，通过ADC实现高压回读值采样和数字化读取。高压模块要求能够输出高达2kV的电压。

本发明还实现了一种电离室电荷信号读出方法，该方法基于以上电离室电荷信号的读出装置，该方法包括以下步骤：

基于以上发明原理和电离室电荷信号读出装置，本发明设计了一种电离室电荷信号读出方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、积分开始前的零输入零输出方式的自动电路校准；

具体过程如下：

1)令当前积分电路输入端信号为零；

2)DSP检测当前积分电路输出端信号是否为零；

如果不为零则存在差值，则继续过程3)，如果为零，无需电路校准，结束；

3)DSP给DAC一个校准数字信号；

4)DAC输出一个校正电压信号给校正电阻R形成校正电流；

5)该校正电流返回到积分器信号输入端；

6)当输入端无信号输入、输出端积分电压输出为零时完成校准。

步骤二、基于电路校准后的电压稳定时域内的自动积分采样；

具体过程如下：

1)电荷源头输入电荷给积分器；

2)积分器积分电压采样；

3)DSP判定是否连续采样3次；

如果小于3次返回过程2)，如果等于3次，进入步骤三的放电过程。

步骤三、通过加载反向电压使得正负电荷抵消完成自动放电；

具体过程如下：

1)DSP在一个积分周期的第3个采样周期完成后向DAC发送反向电压信号，且反向电压信号的幅值根据此前三次积分电压的采样值进行设定；

补充说明：

DSP在一个积分周期内的第3个采样周期完成积分电压采样后，向DAC发送反向电压信号，并根据此前三次采样的积分电压值设定DAC输出反向放电电压的幅值，此放电电压经放电电阻形成电流，在一定脉宽的脉冲作用下形成与积分器此前累积的电荷量相等符号相反的电荷，从而正负电荷相互抵消实现自动放电过程；

2)DAC给放电电阻施加反向电压；

3)积分器电容上的正负电荷抵消，完成自动放电。

步骤四、ADC从下一个采样周期开始再次进入积分采样；

具体过程如下：

1)正负电荷抵消后ADC等待进入下一个时钟周期；

2)在下一个时钟周期的上升沿ADC开始积分电压采样。

实施例一

一种电离室电荷信号读出装置，该信号读出装置包括运算放大器、积分电容、模数转换器ADC、放电电路、DSP控制单元、高压模块、校准模块等。

积分电路可以由运放+积分电容实现，也可以采用专用的积分电路芯片来实现。电荷信号输入接口实现信号的输入，和积分线路的输入端进行连接、运算算放大器输入端并联积分电容，同样可以可通过外部并联大电容的方式实现更宽范围的输入信号测量；外接电容一端接继电器实现导通和关断控制，一端接到并联端；积分电压输出经Buffer到ADC进行采样。

所述的放电电路包括数模转换器DAC、单刀双掷选择开关、放电电阻，DAC通过DSP的控制实现放电脉冲幅值的设置，经过选择开关后脉宽设定为采样频率的1/3倍。

校准模块包括数模转换器DAC、精密电阻、高绝缘阻抗继电器及其开关控制电路，电路能够根据标准电流源计算积分电路的增益值，能够确定积分电容的实际值，校准后的参数保存在EEPROM中。

高压模块包括高压电源及其输出调节机构-可调电位器；另外，还包括高压回读电路，利用分压电阻实现电压回读，通过ADC实现高压回读值采样和数字化读取。

DSP控制单元包括数字信号处理器DSP、光纤通信模块、USB通信模块、EEPROM、JTAG等。DSP控制ADC实现积分电压的数字化以及高压值的回读；控制DAC实现积分电路的校准以及放电脉冲幅值的设定。放电脉冲的频率为采样频率的三分之一。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电离室电荷信号读出装置，包括电荷积分电路、布设在电荷积分电路输出端的模拟转换器ADC，其特征在于：在电荷积分电路输入端和输出端之间，还布设有用于实现自动放电的放电电路、以及用于校准差值的校准电路、以及用于控制放电电路和校准电路的DSP控制单元，该DSP控制单元与电荷积分电路输出端同侧布设；

所述放电电路包括单刀双掷选择开关SPDT Switch、数模转换器DAC、放电电阻，该放电电阻布设在靠近运算放大器的输入端侧，该DAC布设在靠近运算放大器的输出端侧、且与DSP控制单元相连接，DSP控制单元分两路控制DAC，一路控制DAC输入的幅值，一路控制DAC输入的脉宽；

所述DSP控制单元一路控制DAC输入的幅值，既是DSP在一个积分周期内的第3个采样周期完成积分电压采样后，向DAC发送反向电压信号，并根据此前三次采样的积分电压值设定DAC输出反向放电电压的幅值，此放电电压经放电电阻形成电流，在一定脉宽的脉冲作用下形成与积分器此前累积的电荷量相等符号相反的电荷，从而正负电荷相互抵消实现自动放电过程。

2.根据权利要求1所述一种电离室电荷信号读出装置，其特征在于：所述的校准电路包括数模转换器DAC、精密电阻、高绝缘阻抗继电器及其开关控制电路；精密电阻、数模转换器DAC分别布设在该校准电路的靠近电荷积分电路的输入端侧和靠近电荷积分电路的输出端侧。

3.根据权利要求2所述一种电离室电荷信号读出装置，其特征在于：该校准后的参数保存在EEPROM中；所述DAC为双极性、16位以上，由于校准电流需要非常精确，因此需要精密电阻，精度在1%以上；高绝缘阻抗的继电器需要绝缘阻抗为10GΩ以上。

4.根据权利要求1所述一种电离室电荷信号读出装置，其特征在于：所述的DAC要求双极性、16位以上，SPDT Switch电荷注入在1pC以内，漏电流100pA以内。

5.根据权利要求2所述一种电离室电荷信号读出装置，其特征在于：所述电荷积分电路包括：电荷信号输入接口、运算放大器、积分电容、分压电阻；积分电容一端连接电荷信号输入接口，另一端连接运算放大器输出端口；所述的积分电容要求为NP0电容，对温度变化不敏感；所述高绝缘阻抗继电器绝缘阻抗为10GΩ以上。

6.根据权利要求1所述一种电离室电荷信号读出装置，其特征在于：所述的模拟转换器ADC用于实现积分电压的数字化，要求最低为16位，采样率在250k以上。

7.根据权利要求1所述一种电离室电荷信号读出装置，其特征在于：所述的电离室电荷信号读出装置还包括高压模块，该高压模块包括高压电源及其输出调节机构-可调电位器；另外，还包括高压回读电路，利用分压电阻实现电压回读，通过ADC实现高压回读值采样和数字化读取，高压模块要求能够输出高达2kV的电压。