長時間電流積分數(shù)字儀的設計

佘乾順 趙紅赟 蘇 弘 馬曉莉 李小剛

(中國科學院近代物理研究所 蘭州 730000)

在粒子物理實驗、加速器調束及束流診斷系統(tǒng)中，束流品質(流強、位置等)的實時監(jiān)測極為重要，通常的監(jiān)測手段是法拉第筒或電離室。隨著加速器技術及核物理實驗的不斷發(fā)展，束流測量儀器層出不窮[1,2]，然而，這些裝置針對性強、使用局限性大，因此，設計制作一種適應性強的數(shù)字化束流測量系統(tǒng)十分重要[3]。

中國科學院近代物理研究所次級束線 RIBLLII自1997年建成出束，蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)(HIRFL-CSR)也于2007年12月建成并投入使用。它們?yōu)槲覈宋锢砑跋嚓P交叉學科的研究提供了先進的實驗條件，但目前采用束流積分器插件和計數(shù)器插件監(jiān)測束流，需要人員實時看管并人工計時，有可能導入人為誤差，后期數(shù)據(jù)處理也甚不便。為滿足新條件下的物理實驗、重離子束治癌、加速器束流診斷等對束流質量進行實時監(jiān)測的需求，我們研制了一個長時間電流積分數(shù)字儀，用于正負電流或電荷的測量，實現(xiàn)束流質量的長時間監(jiān)測。

1 總體結構

長時間電流積分數(shù)字儀(圖 1)由電流-頻率變換、脈沖計數(shù)器、處理器、通道選擇、鍵盤和顯示等組成。束流信號經電流頻率變換將電流信號轉換成脈沖數(shù)，在設定時間內計數(shù)器對脈沖計數(shù)，處理器對數(shù)據(jù)進行運算后在 LCD上顯示出電荷量的數(shù)值。此儀器設計的輸入束流范圍10 pA–10 μA，設置了六個I/V變換通道進行切換以變換量程，可進行短時間或長時間測量，有單次工作模式和循環(huán)工作模式。儀器盒有屏蔽功能，抗干擾能力強。

圖1 電流積分數(shù)字儀結構Fig.1 The structure of current integral digital instrument.

2 組成及原理

2.1 I-F變換

用于微弱電流或電荷監(jiān)測的I-F變換原理如圖2所示，電流Ii通過放大器的反饋電阻Rf將電流轉換成與電流成正比的電壓V，再經V-F轉換成脈沖數(shù)。V-F轉換可采用門控積分或VFC集成電路來實現(xiàn)[4,5]。該I-F變換方式時效性較好，能滿足寬量程內微弱電流的測量，但是其抗干擾能力差，需采取屏蔽措施加以改善。

圖2 I-F變換原理圖Fig.2 Schematics of the I-F conversion.

I-F變換電路如圖 3所示，由I/V轉換電路和VFC組成。采用T型反饋電阻網絡代替圖2中的大反饋電阻Rf[6]，避免了大電阻引入分布電容和精度誤差。用VFC芯片實現(xiàn)V-F轉換，以增強電路的可靠性，提高抗干擾能力。I/V變換放大器的反饋回路中包含6個T型反饋電阻網絡通道，每通道采用美國OMRON公司的閉鎖型繼電器(SSR)G6KU-2F-Y作為選擇開關，針對不同量級的輸入電流選擇對應通道。此電路對噪聲非常敏感，需采用低噪聲器件。對于微弱電流的處理電路，運放的偏置電流是重要指標，若運放偏置電流為1 pA，輸入電流為10 pA，即可能造成10%的誤差。我們選用美國ADI公司的低偏置電流、低噪聲運放AD8618[7]。

圖3 I-F變換電路Fig.3 The circuit of current-to-frequency conversion.

2.2 脈沖計數(shù)器

脈沖計數(shù)/定時系統(tǒng)一般采用分離元件計數(shù)器芯片級聯(lián)或大規(guī)模專用計數(shù)芯片構成。若測量系統(tǒng)對計數(shù)器規(guī)模要求較高，實現(xiàn)電路較為復雜，且系統(tǒng)的可靠性降低。該儀器基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)設計以實現(xiàn)脈沖計數(shù)和定時，CPLD內部邏輯資源豐富，可自由編程支配、定義其功能，配以VHDL語言編寫的內部執(zhí)行程序，很好地解決了設計大容量計數(shù)器所帶來的諸多問題。此外，CPLD還有數(shù)據(jù)傳輸接口與單片機連接。

用 CPLD可設計出多達 256位的二進制計數(shù)器，而一個40位的二進制計數(shù)器(240?1)即能滿足實驗要求。脈沖計數(shù)器(圖 4)由計數(shù)單元(Counter Cell)、鎖存單元(Flip-latch Cell)、定時單元(Timing Cell)、讀取單元(Read Cell)及控制單元(Control Cell)組成。輸入脈沖進入計數(shù)單元實現(xiàn)累加，鎖存單元鎖存計數(shù)器中的脈沖個數(shù)供讀取單元讀取。定時單元接收來自鍵盤的指令(Start)啟動定時功能，開始計時；當計時時間結束時，觸發(fā)控制單元控制計數(shù)單元停止計數(shù)，并觸發(fā)讀取單元對結果進行讀取。

2.3 處理器及相關模塊

處理器及相關模塊(圖5)主要包含設置功能、運算功能、通信功能及顯示功能等。單片機(MCU)接收4×4鍵盤輸入的相關預置參數(shù)，與CPLD中的通信單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，將接收到的脈沖個數(shù)值運算處理后將結果顯示在LCD上。另外，MCU還實現(xiàn)了與PC機的通信，PC機運行VB編寫的控制界面通過串口將設置的參數(shù)傳輸給單片機，而單片機將結果傳輸給PC機顯示并存儲。

圖4 脈沖計數(shù)器結構Fig.4 Structure of the pulse counter.

圖5 處理器及相關模塊結構Fig.5 Structure of the processor and related modules.

3 主要單元電路

3.1 通道切換電路

通道切換電路如圖6所示，每個繼電器控制一個T型反饋電阻網絡通道，12個控制信號對應控制切換6個通道；每通道包含一個正向控制信號SP-1和一個反向控制信號SN-1，單片機輸出的控制信號電壓為3.3 V，輸入到三極管Q1(Q2)的基極，通過三極管與電阻 R4(R5)構成的驅動器進而控制繼電器管腳1(8)上的電平，實現(xiàn)了T型反饋電阻網絡的切換。

圖6 通道切換電路Fig.6 The circuit of channel switching.

3.2 VFC電路

I-V通道轉換出的電壓為0.2–2 V，需將電壓轉換成脈沖，即V-F轉換。我們采用美國ADI公司的改進型VFC芯片AD7741[8]，系線性度好和穩(wěn)定性高的電荷平衡式單通道同步電壓頻率轉換芯片，采用外部時鐘驅動的雙穩(wěn)態(tài)電路取代單穩(wěn)態(tài)電路，精密電流源對積分器放電的時間固定為一個外部時鐘周期，此器件在輸入信號與積分器間設有一個緩沖器，可避免積分器在復位工作模式時丟失輸入信號，且隔離模擬輸入端與積分器，大大提高了芯片的輸入阻抗。此芯片的V-F轉換線性誤差<0.03%，輸出頻率范圍0.05–0.45fCLKIN(芯片工作頻率)。

VFC電路如圖7所示，由晶振Y1為AD7741提供時鐘頻率?？筛鶕?jù)后級計數(shù)器選擇頻率大小合適的晶振，這里選擇的晶振工作頻率為4 MHz。輸入電壓由6腳輸入，通過RV調節(jié)參考電壓為+2.5 V。

圖7 VFC電路Fig.7 The circuit of voltage-to-frequency conversion.

3.3 CPLD與MCU

CPLD芯片選擇美國 Altera公司的 MAXII EPM1270T144C5N，外接100 MHz的晶振為其提供工作頻率。計數(shù)器工作頻率為100 MHz，而AD7741輸出的最高頻率為1.8 MHz，因此計數(shù)器不會丟失數(shù)據(jù)。單片機為STC89LE52，STC系列單片機的效率是普通單片機的 8–12倍，工作的晶振頻率若為12 MHz，則時延不超過100 μs，完全滿足設計要求。

結合程序設計該部分電路實現(xiàn)的功能有：脈沖計數(shù)并LCD顯示；按鍵設定脈沖計數(shù)時間并顯示；按鍵設定工作通道；脈沖個數(shù)到電荷量的運算。此儀器可以設定總時長為7天23小時59分59秒 (192 h)，最短間隔為1 s。

以第一通道(電流輸入范圍 10–100 pA)為例，Q=(N?N0t)/(1.28×1016) pC。N0為計數(shù)器在1 s時間內無電流輸入情況下統(tǒng)計到的脈沖數(shù)，t為計數(shù)器計數(shù)的總時間(單位s)。在長時間測試過程中，經過數(shù)據(jù)分析，對實際的計數(shù)值進行了一些修正。最終的電荷量Q與計數(shù)值N間的線性關系為：Q=(N?N0t±NA)/(1.28×1016)，其中NA為擬合N-t曲線后得到的偏移值。

4 應用及結論

該儀器輸入范圍分為6檔：1檔：10–100 pA；2檔：100 pA–1 nA；3檔1–10 nA；4檔10–100 nA；5 檔 100 nA–1 μA；6 檔 1–10 μA。長時間電流積分數(shù)字儀如圖8所示，正負電流分別由兩個BNC輸入端輸入，用戶可按上次設定的參數(shù)工作，也可重新設置參數(shù)，包括工作時長、顯示時間間隔、工作通道、工作模式(單次模式和重復模式)。儀器工作后LCD界面顯示內容如下：

Pre : 00 : 23 : 00 : 00 顯示設定的工作時長。

Real : 00 : 00 : 09 : 23 顯示實時時間，最小變化間隔為1 s。

Pul : 000 , 561 , 012 , 504 顯示由VFC芯片轉換所產生的實時脈沖數(shù)。

Q(pC) : 0000012456 . 04 顯示電荷量值，精度為小數(shù)點后兩位。

圖8 長時間電流積分數(shù)字儀Fig.8 Panel of the long-time digital current integration instrument.

在實驗室環(huán)境下，對各檔進行了測試，由美國Keithley 公司的6621數(shù)字電流源提供輸入電流I，Q為最終顯示的電荷量，整個測量過程的積分時長設為1 s，其線性關系如圖9所示。

圖9 線性誤差分析Fig.9 Analysis of linearity error.

對該儀器在滿時間量程下進行了十次測試，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：輸入電流為 10–100 pA，轉換誤差<3.16%，線性誤差<0.78%；輸入電流為100 pA–10μA，轉換誤差<1.2%，線性誤差<0.23%。表明輸入電流越小，誤差越大，主要由輸入電流誤差、運放和電路板材料漏電流及外界干擾造成。該儀器功耗小、穩(wěn)定性好，滿足束流監(jiān)測實驗需求，達到設計指標。

1 蔡公和．強激光與粒子束, 1999, 11(3): 367–370 CAI Gonghe. High Power Laser Part Beams, 1999, 11(3):367–370

2 賀朝會, 耿 斌, 陳曉華, 等. 核電子學與探測技術,2000, 20(1): 40–42 HE Chaohui, GENG Bin, CHEN Xiaohua,et al. Nucl Electron Detect Technol, 2000, 20(1): 40–42

3 黃國慶, 葉愷容. Chinese Phys C, 2008, 32(5): 141–144 HUANG Guoqing, YE Kairong. Chinese Phys C(HEP &NP), 2008, 32(5): 141–144

4 薛 磊, 杜應超, 胡 超, 等．強激光與粒子束, 2007,19(7): 1207–1210 XUE Lei, DU Yingchao, HU Chao,et al. High Power Laser Part Beams, 2007, 19(7): 1207–1210

5 霍 華, 齊娟娟, 韓惠泉. 原子能科學技術, 1992, 26(6):77–79 HUO Hua, QI Juanjuan, HAN Huiquan. At Energy Sci Technol, 1992, 26(6): 77–79

6 劉鵬民, 莫德舉, 洪 峰. 電測與儀表，1999, 36(12):31–32 LIU Pengmin, MUO Dejv, HONG Feng, Electr Meas Instrum, 1999, 36(12): 31–32

7 Analog Devices. AD8618 Datasheet, USA, 2003

8 Analog Devices. AD7741 Datasheet, USA, 1999