一種可控型多通道電荷讀出裝置製造方法

2023-11-04 17:56:07 5

一種可控型多通道電荷讀出裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及用於束流監測的多通道電荷前端讀出電路【技術領域】，尤其是涉及一種可控型多通道電荷讀出裝置。其特點是包括依次相連的高速開關、帶洩放功能的積分器、多路復用器、控制邏輯電路、差分輸出驅動電路和數據採集卡，其用於束流監測分條電離室的電荷(電流)信號讀出，量程可控，積分時長可控，工作方式(連續讀出/間歇讀出)可控，可以靈活多變的使用；每通道含有兩路(A和B)積分器，它們可以分時工作，提高了信號處理效率；採用多路復用電路，實現信號串行輸出，可以有效降低數據採集和處理系統的複雜程度和製造成本，提高重離子治癌系統的精確性。該電路精度高、線性好、靈活性強、結構簡單。
【專利說明】—種可控型多通道電荷讀出裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及用於束流監測的多通道電荷前端讀出電路【技術領域】，尤其是涉及一種可控型多通道電荷讀出裝置。
【背景技術】
[0002]隨著重離子治癌技術的不斷發展，為了達到更加優良的治療效果，治療終端對束流品質的要求越來越高。在重離子治癌裝置中，束流空間分布的實時監控測量是該裝置中的關鍵部分之一。重離子治癌裝置的束流通過治療終端的分條電離室輸出多通道的微弱電荷(電流)信號，再通過多通道電荷(電流)讀出電路可實現束流空間分布的實時監測。通常情況下，治癌終端用於束流監測的分條電離室輸出的電荷(電流)信號較小，通道數較多，採用現有技術的電流電壓實時轉換電路會導致數據量很大，對後級的數據實時傳輸和處理要求較高，這樣導致製造成本相當昂貴，其次環境噪聲對電路的幹擾也較大，影響束流監測的準確性。

【發明內容】

[0003]本發明的目的在於避免現有技術的不足提供一種可控型多通道電荷讀出裝置，從而有效解決現有技術的問題。
[0004]為實現上述目的，本發明採取的技術方案為:所述的一種可控型多通道電荷讀出裝置，其特點是包括依次相連的高速開關、帶洩放功能的積分器、多路復用器、控制邏輯電路、差分輸出驅動電路和數據採集卡，所述的高速開關包括與十六路輸入信號相連的十六組聞速開關，每組聞速開關由並列相連的兩路聞速開關SAi和SBi ,兩路聞速開關Sm和SBi分別與積分器A和積分器B連接；積分器A的輸出端連接到多路復用器A，積分器B的輸出端連接到多路復用器B ;多路復用器A和多路復用器B的輸出端分別連接到差分輸出驅動電路，差分輸出驅動電路的輸出端連接到數據採集卡的模擬差分輸入端；數據採集卡與控制邏輯電路連接進行雙向通信，控制邏輯電路與高速開關相連。
[0005]所述的數據採集卡的數字輸出端發送外觸發信號給控制邏輯電路，控制邏輯電路發送採集時鐘信號與採集觸發信號給數據採集卡的數字輸入端；所述的控制邏輯電路通過光耦隔離後的控制信號控制多路復用器A和多路復用器B的通道選擇與切換；控制邏輯電路通過光耦隔離後的控制信號控制高速開關的斷開與閉合。
[0006]所述的積分器A輸出的16路VAi信號對應與16通道模擬多路復用器A的16個模擬輸入端S0-S15連接，16通道模擬多路復用器A由控制邏輯電路CPLD輸出經光耦隔離後的四路控制信號Caci?Ca3控制其切換，16通道模擬多路復用器A的輸出端輸出串行的電壓信號Votjta, Vouta與差分輸出驅動電路連接，差分輸出驅動器電路輸出的差分電壓信號與數據採集卡的模擬差分輸入端AIch1連接；積分器B輸出的16路VBi信號對應與16通道模擬多路復用器B的16個模擬輸入端S0-S15連接，16通道模擬多路復用器B由控制邏輯電路CPLD輸出經光耦隔離後的四路控制信號Cbci?Cb3控制其切換，16通道模擬多路復用器B的輸出端輸出串行的電壓信號Votjtb, Votjtb與差分輸出驅動器連接,差分輸出驅動器輸出的差分電壓信號與數據採集卡的模擬差分輸入端AI2_3連接。
[0007]所述的控制邏輯電路實現與數據採集卡的通信，並控制高速開關SA/Bi和積分器中的洩放開關SHA/Bi的通斷以及多路復用器的切換。
[0008]所述的數據採集卡的數字輸出口 D0、D1、D2、D3分別與控制邏輯電路CPLD的四個I/o 口連接，對應傳輸B通道工作觸發信號Trig-Bin、A通道工作觸發信號Trig-Ain、數據採集使能觸發信號DAQ-trig、數據採集時鐘信號DAQ-sclk。
[0009]所述的帶洩放功能的積分器由運放0P、可調積分電容和洩放開關組成，高速開關的輸出端與運放OP的反相輸入端連接，運放OP的正相輸入端接地，運放OP的反相輸入端與可調積分電容連接，電容的另一端連接到運放OP的輸出端，可調積分電容上並聯一個洩放開關，運放OP的輸出端輸出電壓信號；所述的高速開關Sm的輸出端與運放OP的反相輸入端連接，運放OP的正相輸入端接地，運放OP的反相輸入端與可調積分電容Cm連接，電容Cm的另一端連接到運放OP的輸出端，可調積分電容Cm上並聯一個洩放開關SHAi，運放OP的輸出端輸出電壓信號Vm ;高速開關Sm的輸出端與運放OP的反相輸入端連接,運放OP的正相輸入端接地，運放OP的反相輸入端與可調積分電容Cm連接，電容CBi的另一端連接到運放OP的輸出端,可調積分電容Cei上並聯一個洩放開關Smi,運放OP的輸出端輸出電壓信號Vm ;洩放開關Shm和洩放開關Shm由CPLD輸出經光耦隔離後的控制信號控制其是否洩放，洩放開關Shm和洩放開關Smi的動作時間均小於20ns。
[0010]所述的控制邏輯電路CPLD輸出模擬復用器A的四路控制信號CTRL-A至光耦隔離器，輸出模擬復用器B的四路控制信號CTRL-B至光耦隔離器，輸出16路高速開關Sm的控制信號至光耦隔離器，輸出16路高速開關Sm的控制信號至光耦隔離器，輸出16路洩放開關Shm的控制信號至光耦隔離器，輸出16路洩放開關Smi的控制信號至光耦隔離器。由於所有的Sm信號是同步的，還可以採用扇出電路得到對應16通道的Sm信號以減少控制邏輯電路CPLD器件I/O 口的使用，此種方法也同樣適用於得到所有的SB1、SHAi和Smi信號。
[0011]本發明的有益效果是:所述的一種可控型多通道電荷讀出裝置，其用於束流監測分條電離室的電荷(電流)信號讀出，量程可控，積分時長可控，工作方式(連續讀出/間歇讀出)可控，可以靈活多變的使用；每通道含有兩路(A和B)積分器，它們可以分時工作，提高了信號處理效率；採用多路復用電路，實現信號串行輸出，可以有效降低數據採集和處理系統的複雜程度和製造成本，提高重離子治癌系統的精確性。該電路精度高、線性好、靈活性強、結構簡單。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的原理框圖；
[0013]圖2是本發明的電路原理示意圖；
[0014]圖3是本發明工作時序圖。
【具體實施方式】
[0015]以下結合附圖對本發明的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本發明，並非用於限定本發明的範圍。[0016]如圖1至3所示，所述的一種可控型多通道電荷讀出裝置，特點是包括依次相連的高速開關、帶洩放功能的積分器、多路復用器、控制邏輯電路、差分輸出驅動電路和數據採集卡，所述的高速開關包括與十六路輸入信號相連的十六組高速開關，每組高速開關由並列相連的兩路高速開關Sm和SBi，兩路高速開關Sm和Sm分別與積分器A和積分器B連接；積分器A的輸出端連接到多路復用器A，積分器B的輸出端連接到多路復用器B ;多路復用器A和多路復用器B的輸出端分別連接到差分輸出驅動電路，差分輸出驅動電路的輸出端連接到數據採集卡的模擬差分輸入端；數據採集卡與控制邏輯電路連接進行雙向通信，控制邏輯電路與高速開關相連。
[0017]所述的數據採集卡的數字輸出端發送外觸發信號給控制邏輯電路，控制邏輯電路發送採集時鐘信號與採集觸發信號給數據採集卡的數字輸入端；所述的控制邏輯電路通過光耦隔離後的控制信號控制多路復用器A和多路復用器B的通道選擇與切換；控制邏輯電路通過光耦隔離後的控制信號控制高速開關的斷開與閉合。
[0018]所述的積分器A輸出的16路VAi信號對應與16通道模擬多路復用器A的16個模擬輸入端S0-S15連接，16通道模擬多路復用器A由控制邏輯電路CPLD輸出經光耦隔離後的四路控制信號Caci?Ca3控制其切換，16通道模擬多路復用器A的輸出端輸出串行的電壓信號Votjta, Vouta與差分輸出驅動電路連接，差分輸出驅動器電路輸出的差分電壓信號與數據採集卡的模擬差分輸入端AIch1連接；積分器B輸出的16路VBi信號對應與16通道模擬多路復用器B的16個模擬輸入端S0-S15連接，16通道模擬多路復用器B由控制邏輯電路CPLD輸出經光耦隔離後的四路控制信號Cbci?Cb3控制其切換，16通道模擬多路復用器B的輸出端輸出串行的電壓信號Votjtb, Votjtb與差分輸出驅動器連接,差分輸出驅動器輸出的差分電壓信號與數據採集卡的模擬差分輸入端AI2_3連接。
[0019]所述的控制邏輯電路實現與數據採集卡的通信，並控制高速開關SA/Bi和積分器中的洩放開關SHA/Bi的通斷以及多路復用器的切換。
[0020]所述的數據採集卡的數字輸出口 D0、D1、D2、D3分別與控制邏輯電路CPLD的四個I/o 口連接，對應傳輸B通道工作觸發信號Trig-Bin、A通道工作觸發信號Trig-Ain、數據採集使能觸發信號DAQ-trig、數據採集時鐘信號DAQ-sclk。
[0021]所述的帶洩放功能的積分器由運放0P、可調積分電容和洩放開關組成，高速開關的輸出端與運放OP的反相輸入端連接，運放OP的正相輸入端接地，運放OP的反相輸入端與可調積分電容連接，電容的另一端連接到運放OP的輸出端，可調積分電容上並聯一個洩放開關，運放OP的輸出端輸出電壓信號；所述的高速開關Sm的輸出端與運放OP的反相輸入端連接，運放OP的正相輸入端接地，運放OP的反相輸入端與可調積分電容Cm連接，電容Cm的另一端連接到運放OP的輸出端，可調積分電容Cm上並聯一個洩放開關SHAi，運放OP的輸出端輸出電壓信號Vm ;高速開關Sm的輸出端與運放OP的反相輸入端連接,運放OP的正相輸入端接地，運放OP的反相輸入端與可調積分電容Cm連接，電容CBi的另一端連接到運放OP的輸出端,可調積分電容Cei上並聯一個洩放開關Smi,運放OP的輸出端輸出電壓信號Vm ;洩放開關Shm和洩放開關Shm由CPLD輸出經光耦隔離後的控制信號控制其是否洩放，洩放開關Shm和洩放開關Smi的動作時間均小於20ns。
[0022]所述的控制邏輯電路CPLD輸出模擬復用器A的四路控制信號CTRL-A至光耦隔離器，輸出模擬復用器B的四路控制信號CTRL-B至光耦隔離器，輸出16路高速開關Sm的控制信號至光耦隔離器，輸出16路高速開關Sm的控制信號至光耦隔離器，輸出16路洩放開關Shm的控制信號至光耦隔離器，輸出16路洩放開關Smi的控制信號至光耦隔離器。由於所有的Sm信號是同步的，還可以採用扇出電路得到對應16通道的Sm信號以減少控制邏輯電路CPLD器件I/O 口的使用，此種方法也同樣適用於得到所有的SB1、SHAi和Smi信號。
[0023]所述的一種可控型多通道電荷讀出裝置，其工作時，數據採集卡輸出A系列通道工作觸發信號Trig-Ain和B系列通道工作觸發信號Trig-Bin,當Trig-Ain為高電平且Trig-Bin為低電平時，表示接下來的時間段的電荷(電流)信號將由A系列通道讀出，A系列通道的16個高速開關Sm閉合，16個積分器A中的洩放開關Shm斷開，B系列通道的16個高速開關SBi斷開，積分器A開始工作，將電荷(電流)在積分電容Cm上轉換成電壓信號。接下來可能會出現三種狀態，第一種狀態是Trig-Ain為高電平且Trig-Bin變為高電平，第二種狀態是Trig-Ain變為低電平且Trig-Bin也為低電平時，這兩種狀態發生時，表示接下來的時間段的電荷(電流)信號不需要讀出，此時A系列通道的16個高速開關Sm斷開，16個積分器A中的洩放開關Shm繼續斷開，B系列通道的16個高速開關SBi閉合，16個積分器B中的洩放開關Smi繼續閉合，數據採集使能觸發信號DAQ-trig變為高電平控制邏輯電路CPLD對應控制16路模擬復用器切換，輸出16個串行電壓信號，再經過差分輸出驅動器輸出16個串行差分電壓信號，同時數據採集時鐘信號DAQ-scIk發送16個採集脈衝信號對應採集A系列通道中的16個差分電壓信號，當全部完成A系列通道數據的採集，則數據採集使能觸發信號DAQ-trig和數據採集時鐘信號DAQ-sclk全部變為低電平，A系列通道的16個高速開關Sm斷開，16個積分器A中的洩放開關Shm閉合；第三種狀態是Trig-Ain變為低電平且Trig-Bin變為高電平時，表示接下來的時間段的電荷(電流)信號將由B系列通道讀出，此時A系列通道的16個高速開關Sm斷開，16個積分器A中的洩放開關Shm斷開，B系列通道的16個高速開關SBi閉合，16個積分器B中的洩放開關Smi斷開，積分器B開始工作，將電荷(電流)在積分電容Cm上轉換成電壓信號，同時進行第一種情況和第二種情況中所述的A系列通道數據的採集。在第一種狀態和第二種狀態進行中再出現第三種狀態時，A系列通道的數據採集按照原狀態繼續進行，電荷(電流)信號開始由B系列通道讀出。以上所述實現了 A系列通道讀出到B系列通道讀出的轉換過程，而B系列通道讀出轉換到A系列通道讀出的過程與以上所述類似。A系列通道與B系列通道按照此工作流程周而復始的工作從而實現了多通道電荷(電流)信號的讀出。
[0024]所述的一種可控型多通道電荷讀出裝置，可以無間斷讀出多通道電荷(電流)信號，也可以間歇讀出多通道電荷(電流)信號；可以通過調節積分器的積分電容大小實現輸入範圍為30fC?50uC正負電荷信號的讀出；積分時長由外部控制，但受限於數據採集時間，如果選用每個通道40MS/s採樣率的數據採集卡，則積分時長不得少於500ns，這樣可處理的事例率高達2*106counts/s ;輸出信號範圍為-5V?+5V ;可以通過這16路單元電路任意整數倍組合實現多通道電荷(電流)讀出；電路工作穩定，抗幹擾能力強，實現了多通道、寬動態範圍正負電荷(電流)的讀出。該發明還可以廣泛應用於核物理實驗和加速器系統的其它電荷(電流)信號的前端處理。能全程無間斷的讀出束診監測分條電離室輸出的多通道正/負電荷(電流)信號，且具有大動態範圍、良好的線性、智能化並可靈活操作等特點，從而為重離子治癌中的束流分布信息提供簡單可靠的監測方法與手段。
[0025]以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種可控型多通道電荷讀出裝置，其特徵是包括依次相連的高速開關、帶洩放功能的積分器、多路復用器、控制邏輯電路、差分輸出驅動電路和數據採集卡，所述的高速開關包括與十六路輸入信號相連的十六組高速開關，每組高速開關由並列相連的兩路高速開關SAi和SBi，兩路高速開關Sm和Sm分別與積分器A和積分器B連接；積分器A的輸出端連接到多路復用器A，積分器B的輸出端連接到多路復用器B ;多路復用器A和多路復用器B的輸出端分別連接到差分輸出驅動電路，差分輸出驅動電路的輸出端連接到數據採集卡的模擬差分輸入端；數據採集卡與控制邏輯電路連接進行雙向通信，控制邏輯電路與高速開關相連。
2.根據權利要求1所述的一種可控型多通道電荷讀出裝置，其特徵在於:所述的數據採集卡的數字輸出端發送外觸發信號給控制邏輯電路，控制邏輯電路發送採集時鐘信號與採集觸發信號給數據採集卡的數字輸入端；所述的控制邏輯電路通過光耦隔離後的控制信號控制多路復用器A和多路復用器B的通道選擇與切換；控制邏輯電路通過光耦隔離後的控制信號控制高速開關的斷開與閉合。
3.根據權利要求1所述的一種可控型多通道電荷讀出裝置，其特徵在於:所述的積分器A輸出的16路VAi信號對應與16通道模擬多路復用器A的16個模擬輸入端S0-S15連接，16通道模擬多路復用器A由控制邏輯電路CPLD輸出經光耦隔離後的四路控制信號Caci~Ca3控制其切換，16通道模擬多路復用器A的輸出端輸出串行的電壓信號VOTA，Vouta與差分輸出驅動電路連接，差分輸出驅動器電路輸出的差分電壓信號與數據採集卡的模擬差分輸入端AIch1連接；積分器B輸出的16路VBi信號對應與16通道模擬多路復用器B的16個模擬輸入端S0-S15連接，16通道模擬多路復用器B由控制邏輯電路CPLD輸出經光耦隔離後的四路控制信號Cbci~Cb3控制其切換，16通道模擬多路復用器B的輸出端輸出串行的電壓信號Votjtb, Voutb與差分輸出驅動器連接,差分輸出驅動器輸出的差分電壓信號與數據米集卡的模擬差分輸入端AI2_3連接。
4.根據權利要求1或2所述的一種可控型多通道電荷讀出裝置，其特徵在於:所述的控制邏輯電路實現與數據採集卡的通信，並控制高速開關SA/Bi和積分器中的洩放開關SHA/Bi的通斷以及多路復用器的切換。
5.根據權利要求1或2或3所述的一種可控型多通道電荷讀出裝置，其特徵在於:所述的數據採集卡的數字輸出口 D0、D1、D2、D3分別與控制邏輯電路CPLD的四個I/O 口連接，對應傳輸B通道工作觸發信號Trig-Bin、A通道工作觸發信號Trig-Ain、數據採集使能觸發信號DAQ-trig、數據採集時鐘信號DAQ-sclk。
6.根據權利要求1所述的一種可控型多通道電荷讀出裝置，其特徵在於:所述的帶洩放功能的積分器由運放0P、可調積分電容和洩放開關組成，高速開關的輸出端與運放OP的反相輸入端連接，運放OP的正相輸入端接地，運放OP的反相輸入端與可調積分電容連接，電容的另一端連接到運放OP的輸出端，可調積分電容上並聯一個洩放開關，運放OP的輸出端輸出電壓信號；所述的高速開關Sm的輸出端與運放OP的反相輸入端連接，運放OP的正相輸入端接地，運放OP的反相輸入端與可調積分電容Cm連接，電容Cm的另一端連接到運放OP的輸出端,可調積分電容Cm上並聯一個洩放開關SHAi,運放OP的輸出端輸出電壓信號vAi ;高速開關SBi的輸出端與運放OP的反相輸入端連接，運放OP的正相輸入端接地，運放OP的反相輸入端與可調積分電容Cm連接，電容Cm的另一端連接到運放OP的輸出端，可調積分電容CBi上並聯一個洩放開關SHBi ,運放OP的輸出端輸出電壓信號VBi ;洩放開關Smi和洩放開關Smi由CPLD輸出經光耦隔離後的控制信號控制其是否洩放，洩放開關Shm和洩放開關Smi的動作時間均小於20ns。
7.根據權利要求5所述的一種可控型多通道電荷讀出裝置，其特徵在於:所述的控制邏輯電路CPLD輸出模擬復用器A的四路控制信號CTRL-A至光耦隔離器，輸出模擬復用器B的四路控制信號CTRL-B至光耦隔離器，輸出16路高速開關Sm的控制信號至光耦隔離器，輸出16路高速開關Sm的控制信號至光耦隔離器，輸出16路洩放開關Shm的控制信號至光耦隔離器，輸出16路洩放開關Smi的控制信號至光耦隔離器。由於所有的Sm信號是同步的，還可以採用扇出電路得到對應16通道的Sm信號以減少控制邏輯電路CPLD器件I/O 口的使用，此種方法也同樣適用於得到所有的SB1、Smi和Smi信號。
【文檔編號】G01T1/29GK103969676SQ201410199336
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月11日 優先權日:2014年5月11日
【發明者】佘乾順, 蘇弘, 千奕, 馬曉莉, 孔潔, 趙紅贇, 張驚蟄, 牛曉陽 申請人:中國科學院近代物理研究所