一種電荷頻率轉換器的製作方法

2024-01-21 22:17:15 1

專利名稱：一種電荷頻率轉換器的製作方法
技術領域：
本實用新型是測量電荷(電流)信號並將其轉換成頻率輸出的前端測量電路。
背景技術：
在重離子治癌裝置中，重離子束流大小的實時監控測量電路是該裝置中的一個關 鍵部分。重離子束流通過束流強度探測器(電離室)，感應輸出弱電流信號，通過測量此弱 小電流，可以實現對束流強度/照射劑量的實時監測。 通常情況下，由於粒子探測器輸出的電荷/電流信號一般都比較小，而且電荷/電 流信號一般不方便直接進行測量，通常的做法是要將其轉換成電壓信號並進行放大，然後 對電壓信號進行ADC採樣，間接實現對探測器輸出電流的測量，需要較複雜的過程和較多 的儀器。

實用新型內容本實用新型的目的在於避免現有技術的不足提供一種電荷頻率轉換器。本實用新 型為束流強度檢測探測器的信號讀出提供了一種結構簡單、性能可靠的測量電路，為束流 強度/照射劑量的實時監測提供了一種快速、直接、準確的方法與途徑，減少了對束流強度 檢測、分析、處理所需的時間，大大將低了束流對被照射對象損傷的風險。本實用新型可以 廣泛用在粒子物理實驗探測系統及其它相關核科學與技術的實際應用當中，作為各種電離 室的讀出測量電路。 為實現上述目的，本實用新型採取的技術方案為一種電荷頻率轉換器，其主要特 點在於電流信號輸入端P1通過電阻R2與積分電路(1)的輸入端連接；積分電路(1)的輸 出端通過幅度鑑別電路(2)與窄脈衝成形電路(3)的輸入端相連接；窄脈衝成形電路(3) 的輸出l端分別與延時電路(4)的輸入端、輸出脈衝整形電路(6)的輸入端和第一洩放開 關(8)的控制端相連接；延時電路(4)的輸出端通過幅度控制與耦合電路(5)與洩放支路 相連接；窄脈衝成形電路(3)的輸出2端與第二洩放開關(9)的控制端相連接；輸出脈衝整 形電路(6)的輸出端與頻率輸出級電路(7)相連接。 所述的電荷頻率轉換器，所述的積分電路(1)為放大器A1的反向輸入端與電流信 號輸入端相連接，放大器A1的輸出端與幅度鑑別電路的輸入端相連接，所述放大器A1的同 向輸入端通過電阻R1接地，在所述放大器A1的反向輸入端和輸出端還連接有電容C1。 所述的電荷頻率轉換器，所述積分電路(1)的輸出端與幅度鑑別電路的輸入端相 連接，所述的幅度鑑別電路既是幅度比較器U1，積分電路(1)的輸出端與幅度比較器U1的 同向輸入端連接，反向輸入端為參考電壓輸入端，幅度比較器U1的輸出端與窄脈衝成形電 路的輸入端相連接。 所述的電荷頻率轉換器，所述的窄脈衝成形電路(3)包括有觸發器U2，與門U5、 U6、電阻R6和電容C4 ;所述的幅度鑑別電路的輸出端與觸發器U2的時鐘信號輸入端相連 接；所述觸發器U2的一個輸出端分別與與門U6的一個輸入端和第二洩放開關(9)的控制端相連接，與門U6的輸出端通過電阻R6與與門U5的一個輸入端相連接，與門U5的輸出端 與觸發器U2的復位端相連接；在電阻R6與與門U5之間還連接有電容C4並接地；所述的觸 發器U2的D輸入端、兩個與門的另一個輸入端還與供電電壓連接；觸發器U2的另一個輸出 端分別與延時電路(4)、輸出脈衝整形電路(6)的輸入端和第一洩放開關(8)的控制輸入端 相連接。 所述的電荷頻率轉換器，所述的延時電路(4)包括兩個邏輯門U7和U8、電阻R7及 電容C3 ;所述的邏輯門U7和U8通過電阻R7串聯，在U7的輸入端還連接有電容C3並接地。 所述的電荷頻率轉換器，所述的幅度控制與耦合電路(5)為電阻R4與電容C2串 聯，在電阻R4與電容C2之間與電阻R5連接並接地；電容C2的另一端與洩放支路相連接； 電阻R4的另一端與延時電路的輸出端相連接。 所述的電荷頻率轉換器，所述的洩放支路包括有第一洩放開關(8)Sl和第二洩放 開關(9) S2 ;開關Sl和開關S2為三端器件(1端為輸入/輸出，2端為輸出/輸入，3端為 控制端)，開關Sl的1端通過R3與電流信號輸入端連接，開關Sl的3端與觸發器U2的一 個輸出端和延遲電路中U8的輸入端相連接；開關S2的3端與觸發器U2的另一個輸出端連 接，1端通過與幅度控制耦合電路的輸出節點0點與開關Sl串聯，S2的2端接地。 所述的電荷頻率轉換器，所述的輸出脈衝整形電路(6)包括有觸發器U3，二極體 D1，電容C5和電阻R8，觸發器U3的時鐘信號輸入端與窄脈衝成形電路(3)的一個輸出端相 連接，觸發器U3的一個輸出端與二極體Dl的正極連接，二極體Dl的負極又與電容C5和電 阻R8組成的並聯電路相連接，並與觸發器U3的復位端相連接；電容C5和電阻R8組成的並 聯電路的另一端接地；觸發器U3的另一個輸出端與頻率輸出級電路(7)的輸入端相連接。 所述的電荷頻率轉換器，所述的頻率輸出級電路(7)包括有電阻R9， 三極體U4，二 極管D2和電阻R10，輸出脈衝整形電路(6)的輸出端與三極體U4的發射極連接，三極體U4 的基極與窄脈衝成形電路的一個輸出端相連接、與二極體D2的負極相連接，並通過電阻R9 與供電電壓相連接，三極體U4的集電極與供電電壓連接；三極體U4的發射極連接二極體 D2的正極；三極體U4的發射極串聯通過電阻R10接地，二極體D2的正極與頻率輸出端連 接。 所述的電荷頻率轉換器，所述的電容C1並接有多個電容，用跳線器、或手動開關、 或繼電器開關、或模擬開關進行選擇。 所述的電荷頻率轉換器，所述的電流信號輸入端P1、頻率輸出(P2)的連接器是 BNC/CC5/LEM0型連接器。 所述的電荷頻率轉換器，還包括有電路基板為印刷電路板PCB或是為三氧化二鋁 (A1203)陶瓷基板厚膜電路型基板。 本實用新型的有益效果是在於測量了重離子治癌裝置中重離子束流的強度，為 束流強度/照射劑量的實時監測提供了一種快速、直接、準確的方法與途徑，簡化了現有的 弱小電流測量方案和實驗測量系統。這種電荷-頻率轉換器主要採用高輸入阻抗高帶寬的 放大器(Al)、電容(Cl)構成積分電路，模擬開關(Sl、 S2)和電阻(R3)構成可控制型洩放 通路，實現了一種特殊的電流積分(充電)、洩放量可控放電電路結構，這種構建模型就形 成了本實用新型的最顯著特點。採用這種新的電流積分(充電)、洩放量可控放電模式進 行工作，該電路的每個輸出脈衝代表800fC。電路結構簡單、體積小、製作成本低，易於小型化，便於多通道集成。測量範圍從100pA 10 i！ A跨越多個數量級而不用切換元器件，輸出 標準TTL頻率信號，轉換係數^ 0. 7MHz/ y A，電路工作穩定。 本實用新型實現了電荷量或弱小電流量的測量，直接將電荷量/弱小電流量轉化 為脈衝數，實現電荷量到數字量的直接轉換提供了一種新的手段。對簡化大型的實驗測量 系統，起到了很好的作用。 本實用新型也可以直接用於其它研究領域裡的弱小電流/電荷的測量，並直接將 電荷量/弱小電流量轉化為脈衝數，實現電荷量/電流量到數字量的直接轉換。

圖1為本實用新型的電路原理方框圖。 圖2為本實用新型的電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的原理和特徵進行描述，所舉實例只用於解釋本實用 新型，並非用於限定本實用新型的範圍。 見圖l，一種電荷頻率轉換器，電流信號輸入端Pl通過電阻R2與積分電路1的輸 入端連接；積分電路1的輸出端通過幅度鑑別電路2與窄脈衝成形電路3的輸入端相連接； 窄脈衝成形電路3的輸出1端分別與延時電路4的輸入端、輸出脈衝整形電路6的輸入端 和第一洩放開關8的控制端相連接；延時電路4的輸出端通過幅度控制與耦合電路5與洩 放支路相連接；窄脈衝成形電路3的輸出2端與第二洩放開關9的控制端相連接；輸出脈衝 整形電路6的輸出端與頻率輸出級電路7相連接。 見圖2，一種電荷頻率轉換器，所述的積分電路1為放大器A1的反向輸入端與電流 信號輸入端相連接，放大器A1的輸出端與幅度鑑別電路的輸入端相連接，所述放大器A1的 同向輸入端通過電阻R1接地，在所述放大器A1的反向輸入端和輸出端還連接有電容C1。 所述積分電路1的輸出端與幅度鑑別電路的輸入端相連接，所述的幅度鑑別電路 既是幅度比較器U1，積分電路1的輸出端與幅度比較器U1的同向輸入端連接，反向輸入端 為參考電壓輸入端，幅度比較器U1的輸出端與窄脈衝成形電路的輸入端相連接。 所述的窄脈衝成形電路3包括有觸發器U2，與門U5、 U6、電阻R6和電容C4 ;所述 的幅度鑑別電路的輸出端與觸發器U2的時鐘信號輸入端相連接；所述觸發器U2的一個輸 出端分別與與門U6的一個輸入端和第二洩放開關9的控制端相連接，與門U6的輸出端通 過電阻R6與與門U5的一個輸入端相連接，與門U5的輸出端與觸發器U2的復位端相連接； 在電阻R6與與門U5之間還連接有電容C4並接地；所述的觸發器U2的D輸入端、兩個與門 的另一個輸入端還與供電電壓連接；觸發器U2的另一個輸出端分別與延時電路4、輸出脈 衝整形電路6的輸入端和第一洩放開關8的控制輸入端相連接。 所述的電荷頻率轉換器，所述的延時電路(4)包括兩個邏輯門U7和U8、電阻R7及 電容C3 ;所述的邏輯門U7和U8通過電阻R7串聯，在U7的輸入端還連接有電容C3並接地。 所述的電荷頻率轉換器，所述的幅度控制與耦合電路(5)為電阻R4與電容C2串 聯，在電阻R4與電容C2之間與電阻R5連接並接地；電容C2的另一端與洩放支路相連接； 電阻R4的另一端與延時電路的輸出端相連接。
6[0029] 所述的電荷頻率轉換器，所述的洩放支路包括有第一洩放開關(8) Sl和第二洩放 開關(9) S2 ;開關SI和開關S2為三端器件(1端為輸入/輸出，2端為輸出/輸入，3端為 控制端)，開關Sl的1端通過R3與電流信號輸入端連接，開關Sl的3端與觸發器U2的一 個輸出端和延遲電路中U8的輸入端相連接；開關S2的3端與觸發器U2的另一個輸出端連 接，1端通過與幅度控制耦合電路的輸出節點0點與開關Sl串聯，S2的2端接地。 所述的電荷頻率轉換器，所述的輸出脈衝整形電路(6)包括有觸發器U3，二極體 D1，電容C5和電阻R8，觸發器U3的時鐘信號輸入端與窄脈衝成形電路(3)的一個輸出端相 連接，觸發器U3的一個輸出端與二極體Dl的正極連接，二極體Dl的負極又與電容C5和電 阻R8組成的並聯電路相連接，並與觸發器U3的復位端相連接；電容C5和電阻R8組成的並 聯電路的另一端接地；觸發器U3的另一個輸出端與頻率輸出級電路(7)的輸入端相連接。 所述的電荷頻率轉換器，所述的頻率輸出級電路(7)包括有電阻R9，三極體U4，二 極管D2和電阻R10，輸出脈衝整形電路(6)的輸出端與三極體U4的發射極連接，三極體U4 的基極與窄脈衝成形電路的一個輸出端相連接、與二極體D2的負極相連接，並通過電阻R9 與供電電壓相連接，，三極體U4的集電極與供電電壓連接；三極體U4的發射極連接二極體 D2的正極；三極體U4的發射極串聯通過電阻R10接地，二極體D2的正極與頻率輸出端連 接。 所述的電容C1並接有多個電容，用跳線器、或手動開關、或繼電器開關、或模擬開 關進行選擇。 所述的電流信號輸入端P1、頻率輸出(P2)的連接器是BNC/CC5/LEM0型連接器。 所述的電荷頻率轉換器，還包括有電路基板為印刷電路板PCB或是為三氧化二鋁 (A1203)陶瓷基板厚膜電路型基板。 所述的電荷頻率轉換器，可以是單通道，即在單塊電路板上只安裝有一路所述的 電荷頻率轉換器，或者是多通道，即在單塊電路板上設計安裝了多路所述的電荷頻率轉換 器。 多通道電荷頻率轉換器，在滿足性能要求的條件下，可以選擇不同封裝類型的器 件，以滿足通道數、體積、結構等應用要求；所採用的元器件可以是單片單路器件，或是單片 多路器件，例如，單片4運放，即在一塊晶片上封裝了 4個相同的運算放大器。 探測器電流信號輸入Pl，邏輯脈衝輸出P2 ;輸出脈衝的頻率與輸入電流/電荷量 成正比；輸入信號經過電阻R2進入高阻放大器Al和電容Cl進行積分；積分單元電路輸出 饋入比較器Ul，比較器輸出信號觸發D觸發器U2 ;D觸發器U2的Q輸出， 一路與模擬開關 Sl的控制端相連，作為開關控制信號，另一路與延遲單元的輸入與門U8相連，與門U8的輸 出信號經電阻R7、電容C3、與門U7產生延時信號；D觸發器U2的Q輸出，一路與與門U6的 輸入相連，與門U6的輸出信號經電阻R6、電容C4、與門U5產生D觸發器U2的復位信號，另 一路與模擬開關S2的控制端相連，作為開關控制信號；延時信號U7輸出經過電阻R4、R5進 行分壓以後通過微分電容C2，饋送到電路中的0點，產生洩放量控制信號。 通過控制模擬開關Sl導通，S2截至來完成一次電容Cl的洩放工作。每洩放一次 電容Cl，比較器Ul反轉一次，同時D觸發器U2產生一個完整的脈衝。D觸發器U2的輸出 信號經過D觸發器U3整形成一定寬度和幅度的輸出脈衝，最後再經過輸出三極體U4輸出， 以便增強輸出驅動能力。[0039] 在本實施例中，通過改變積分電容C1的電容值可以改變積分時間常數，提高測 量的精度；改變積分電容C1的電容值也可以改變電路的量程。設置不同的參考比較電壓 Vref，可以調節比較器Ul的閾值，改變輸出頻率。改變電阻電容C3、 C4、 R6、 R7的值，可 以調節反饋延時，以便使電路達到最佳的穩定工作效果。通過改變電阻R4、 R5的比值R5/ (R4+R5)，可以改變0點信號Vo的大小，並進而可以控制洩放電流的大小Vo/R3。通過改變 微分電容C2的電容值，可以適量控制洩放電流的速度。由此可知，改變分壓電阻R4、 R5和 電容C2的值，可以調節洩放電流的大小和洩放電流的速度，從而可以達到改變輸出信號頻 率目的。改變電阻R8和電容C5的值可以調節輸出頻率的脈衝寬度。 以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，並不用以限制本實用新型，凡在本實用 新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保 護範圍之內。
權利要求一種電荷頻率轉換器，其特徵在於電流信號輸入端P1通過電阻R2與積分電路(1)的輸入端連接；積分電路(1)的輸出端通過幅度鑑別電路(2)與窄脈衝成形電路(3)的輸入端相連接；窄脈衝成形電路(3)的輸出1端分別與延時電路(4)的輸入端、輸出脈衝整形電路(6)的輸入端和第一洩放開關(8)的控制端相連接；延時電路(4)的輸出端通過幅度控制與耦合電路(5)與洩放支路相連接；窄脈衝成形電路(3)的輸出2端與第二洩放開關(9)的控制端相連接；輸出脈衝整形電路(6)的輸出端與頻率輸出級電路(7)相連接。
2. 如權利要求1所述的一種電荷頻率轉換器，其特徵在於所述的積分電路(1)為放大器A1的反向輸入端與電流信號輸入端相連接，放大器A1的輸出端與幅度鑑別電路的輸 入端相連接，所述放大器A1的同向輸入端通過電阻R1接地，在所述放大器A1的反向輸入 端和輸出端還連接有電容C1。
3. 如權利要求1或2所述的一種電荷頻率轉換器，其特徵在於所述積分電路(1)的 輸出端與幅度鑑別電路的輸入端相連接，所述的幅度鑑別電路既是幅度比較器Ul，積分電 路(1)的輸出端與幅度比較器U1的同向輸入端連接，反向輸入端為參考電壓輸入端，幅度 比較器U1的輸出端與窄脈衝成形電路的輸入端相連接。
4. 如權利要求l所述的一種電荷頻率轉換器，其特徵在於所述的窄脈衝成形電路(3) 包括有觸發器U2，與門U5、 U6、電阻R6和電容C4 ;所述的幅度鑑別電路的輸出端與觸發器 U2的時鐘信號輸入端相連接；所述觸發器U2的一個輸出端分別與與門U6的一個輸入端和 第二洩放開關(9)的控制端相連接，與門U6的輸出端通過電阻R6與與門U5的一個輸入端 相連接，與門U5的輸出端與觸發器U2的復位端相連接；在電阻R6與與門U5之間還連接有 電容C4並接地；所述的觸發器U2的D輸入端、兩個與門的另一個輸入端還與供電電壓連 接；觸發器U2的另一個輸出端分別與延時電路(4)、輸出脈衝整形電路(6)的輸入端和第 一洩放開關(8)的控制輸入端相連接。
5. 如權利要求1或4所述的一種電荷頻率轉換器，其特徵在於所述的延時電路(4)包 括兩個邏輯門U7和U8、電阻R7及電容C3 ;所述的邏輯門U7和U8通過電阻R7串聯，在U7 的輸入端還連接有電容C3並接地。
6. 如權利要求1或4所述的一種電荷頻率轉換器，其特徵在於所述的幅度控制與耦 合電路(5)為電阻R4與電容C2串聯，在電阻R4與電容C2之間與電阻R5連接並接地；電 容C2的另一端與洩放支路相連接；電阻R4的另一端與延時電路的輸出端相連接。
7. 如權利要求1或4所述的一種電荷頻率轉換器，其特徵在於所述的洩放支路包括 有第一洩放開關(8)Sl和第二洩放開關(9)S2 ;開關Sl的1端通過R3與電流信號輸入端 連接，開關Sl的3端與觸發器U2的一個輸出端和延遲電路中U8的輸入端相連接；開關S2 的3端與觸發器U2的另一個輸出端連接，1端通過與幅度控制耦合電路的輸出節點0點與 開關S1串聯，S2的2端接地。
8. 如權利要求1所述的一種電荷頻率轉換器，其特徵在於所述的輸出脈衝整形電路 (6)包括有觸發器U3， 二極體Dl，電容C5和電阻R8，觸發器U3的時鐘信號輸入端與窄脈衝 成形電路(3)的一個輸出端相連接，觸發器U3的一個輸出端與二極體D1的正極連接，二極 管D1的負極又與電容C5和電阻R8組成的並聯電路相連接，並與觸發器U3的復位端相連 接；電容C5和電阻R8組成的並聯電路的另一端接地；觸發器U3的另一個輸出端與頻率輸 出級電路(7)的輸入端相連接。
9. 如權利要求l所述的一種電荷頻率轉換器，其特徵在於所述的頻率輸出級電路(7)包括有電阻R9，三極體U4，二極體D2和電阻R10，輸出脈衝整形電路(6)的輸出端與三極體U4的發射極連接，三極體U4的基極與窄脈衝成形電路的一個輸出端相連接、與二極體D2的負極相連接，並通過電阻R9與供電電壓相連接，三極體U4的集電極與供電電壓連接；三極體U4的發射極連接二極體D2的正極；三極體U4的發射極串聯通過電阻R10接地，二極體D2的正極與頻率輸出端連接。
10. 如權利要求2所述的一種電荷頻率轉換器，其特徵在於所述的電容C1並接有多個電容，用跳線器、或手動開關、或繼電器開關、或模擬開關進行選擇。
11. 如權利要求l所述的一種電荷頻率轉換器，其特徵在於還包括有所述的電流信號輸入端Pl、頻率輸出P2的連接器是BNC/CC5/LEMO型連接器。
12. 如權利要求1所述的一種電荷頻率轉換器，其特徵在於還包括有電路基板為印刷電路板PCB或是為三氧化二鋁陶瓷基板厚膜電路型基板。
專利摘要本實用新型是測量電荷(電流)信號並將其轉換成頻率輸出的前端測量電路。一種電荷頻率轉換器，其主要特點在於電流信號輸入端P1通過電阻R2與積分電路(1)的輸入端連接；積分電路(1)的輸出端通過幅度鑑別電路(2)與窄脈衝成形電路(3)的輸入端相連接；窄脈衝成形電路(3)的輸出1端分別與延時電路(4)的輸入端、輸出脈衝整形電路(6)的輸入端和第一洩放開關(8)的控制端相連接；延時電路(4)的輸出端通過幅度控制與耦合電路(5)與洩放支路相連接；窄脈衝成形電路(3)的輸出2端與第二洩放開關(9)的控制端相連接；輸出脈衝整形電路(6)的輸出端與頻率輸出級電路(7)相連接。本實用新型為束流強度檢測探測器的信號讀出提供了一種結構簡單、性能可靠的測量電路。
文檔編號G01T1/29GK201444202SQ20092000927
公開日2010年4月28日 申請日期2009年3月22日 優先權日2009年3月22日
發明者千奕, 李小鋼, 李文華, 蘇弘, 董成富, 馬曉莉 申請人:中國科學院近代物理研究