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多通道高纯锗探测器高压保护系统设计

张惊蛰 李文凯 王小睿 马林波 张博 肖金凤 刘美洋 苟想想 赵久瑶 师成成

张惊蛰, 李文凯, 王小睿, 马林波, 张博, 肖金凤, 刘美洋, 苟想想, 赵久瑶, 师成成. 多通道高纯锗探测器高压保护系统设计[J]. 原子核物理评论, 2023, 40(4): 589-598. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023017
引用本文: 张惊蛰, 李文凯, 王小睿, 马林波, 张博, 肖金凤, 刘美洋, 苟想想, 赵久瑶, 师成成. 多通道高纯锗探测器高压保护系统设计[J]. 原子核物理评论, 2023, 40(4): 589-598. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023017
Jingzhe ZHANG, Wenkai LI, Xiaorui WANG, Linbo MA, Bo ZHANG, Jinfeng XIAO, Meiyang LIU, Xiangxiang GOU, Jiuyao ZHAO, Chengcheng SHI. Design of Multi-channel High Voltage Protection System for High Purity Germanium Detector[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(4): 589-598. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023017
Citation: Jingzhe ZHANG, Wenkai LI, Xiaorui WANG, Linbo MA, Bo ZHANG, Jinfeng XIAO, Meiyang LIU, Xiangxiang GOU, Jiuyao ZHAO, Chengcheng SHI. Design of Multi-channel High Voltage Protection System for High Purity Germanium Detector[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(4): 589-598. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023017

多通道高纯锗探测器高压保护系统设计

doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023017
详细信息
    作者简介:

    张惊蛰(1982−),男,甘肃兰州人,高级工程师,工学博士,从事核电子学、高速数据获取与传输以及测控技术方面的研究工作;E-mail: zhangjzh@lut.edu.cn

  • 中图分类号: TL8; TM93; TP29

Design of Multi-channel High Voltage Protection System for High Purity Germanium Detector

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  • 摘要: 高纯锗探测器是目前核谱学实验中测量γ 射线最常用的探测设备之一,工作时对其高压施加具有严格的条件限制,需要进行监测和控制。基于人工观测的传统监测方式效率低且响应慢,往往会造成探测器不同程度的损坏。为此将高纯锗探测器内温度变化的实时监测转化为对Pt100阻值变化的实时测量,设计实现了高压模块控制器,构建了高纯锗探测器高压保护系统。对高压模块控制器的硬件和逻辑进行了设计并研究了降噪算法,最后进行了电路测试。经测试,高纯锗探测器高压保护系统在探测器温度高于高阈值时,能够实时自动切断高压,在探测器温度低于低阈值时,能够实时自动恢复高压,满足高纯锗探测器工作中施加高压需要实时保护的需求。
  • 图  1  HPGe探测器高压保护控制方案示意图

    图  2  HPGe高压模块控制器整体硬件结构

    图  3  惠斯通电桥电路

    图  4  放大电路

    图  5  跟随器与ADC电路

    图  6  光耦隔离继电器电路

    图  7  电源适配器纹波测试

    图  8  高压控制器逻辑结构

    图  9  阈值设置指令及应答格式

    图  10  校准算法原理图

    图  11  测试系统

    表  1  阈值温度对应Pt100阻值

    T/ºC−170−169−168−167−166−165−164−163
    RT31.2831.7032.1232.5432.9633.3833.8034.22
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    表  2  读出的高低阈值与实际测量值

    通道低阈值测量电压(低阈值)/V高阈值测量电压(高阈值)/V
    CH0E2FD4.433 41F1BE4.721 53
    CH1E2FE4.433 39F1BD4.721 50
    CH2E2FD4.433 40F1BE4.721 52
    CH3E2FC4.433 38F1BD4.721 49
    CH4E2FD4.433 41F1BC4.721 48
    CH5E2FE4.433 40F1BD4.721 50
    CH6E2FC4.433 36F1BE4.721 51
    CH7E2FD4.433 39F1BC4.721 49
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    表  3  系统实测数据记录表

    通道低阈值触
    发阻值/Ω
    对应温度
    (低阈值)/ºC
    高阈值触
    发阻值/Ω
    对应温度
    (高阈值)/ºC
    CH031.12−170.2433.37−165.12
    CH131.13−170.2533.34−165.17
    CH231.14−170.2933.35−165.11
    CH331.14−170.2933.36−165.11
    CH431.12−170.2633.33−165.13
    CH531.13−170.2633.37−165.12
    CH631.15−170.2933.34−165.16
    CH731.15−170.2833.32−165.11
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-21
  • 修回日期:  2023-04-08
  • 网络出版日期:  2024-02-04
  • 刊出日期:  2023-12-20

多通道高纯锗探测器高压保护系统设计

doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023017
    作者简介:

    张惊蛰(1982−),男,甘肃兰州人,高级工程师,工学博士,从事核电子学、高速数据获取与传输以及测控技术方面的研究工作;E-mail: zhangjzh@lut.edu.cn

  • 中图分类号: TL8; TM93; TP29

摘要: 高纯锗探测器是目前核谱学实验中测量γ 射线最常用的探测设备之一,工作时对其高压施加具有严格的条件限制,需要进行监测和控制。基于人工观测的传统监测方式效率低且响应慢,往往会造成探测器不同程度的损坏。为此将高纯锗探测器内温度变化的实时监测转化为对Pt100阻值变化的实时测量,设计实现了高压模块控制器,构建了高纯锗探测器高压保护系统。对高压模块控制器的硬件和逻辑进行了设计并研究了降噪算法,最后进行了电路测试。经测试,高纯锗探测器高压保护系统在探测器温度高于高阈值时,能够实时自动切断高压,在探测器温度低于低阈值时,能够实时自动恢复高压,满足高纯锗探测器工作中施加高压需要实时保护的需求。

English Abstract

张惊蛰, 李文凯, 王小睿, 马林波, 张博, 肖金凤, 刘美洋, 苟想想, 赵久瑶, 师成成. 多通道高纯锗探测器高压保护系统设计[J]. 原子核物理评论, 2023, 40(4): 589-598. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023017
引用本文: 张惊蛰, 李文凯, 王小睿, 马林波, 张博, 肖金凤, 刘美洋, 苟想想, 赵久瑶, 师成成. 多通道高纯锗探测器高压保护系统设计[J]. 原子核物理评论, 2023, 40(4): 589-598. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023017
Jingzhe ZHANG, Wenkai LI, Xiaorui WANG, Linbo MA, Bo ZHANG, Jinfeng XIAO, Meiyang LIU, Xiangxiang GOU, Jiuyao ZHAO, Chengcheng SHI. Design of Multi-channel High Voltage Protection System for High Purity Germanium Detector[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(4): 589-598. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023017
Citation: Jingzhe ZHANG, Wenkai LI, Xiaorui WANG, Linbo MA, Bo ZHANG, Jinfeng XIAO, Meiyang LIU, Xiangxiang GOU, Jiuyao ZHAO, Chengcheng SHI. Design of Multi-channel High Voltage Protection System for High Purity Germanium Detector[J]. Nuclear Physics Review, 2023, 40(4): 589-598. doi: 10.11804/NuclPhysRev.40.2023017
    • 高纯锗(High-Purity Germanium, HPGe)探测器是目前核谱学实验中测量γ射线最常用的探测设备之一,它能有效地测量大于100 keV的γ射线,能量分辨率比NaI高几十倍。HPGe探测器是由一块掺杂的锗晶体(N型或P型)及电子学部件构成[1-4]。在正常工作中需要在锗晶体上施加高压,以收集射线作用于锗晶体上产生的电子对[5]。高纯锗探测器的禁带宽度只有0.665 eV,如果工作温度过高就会导致锗晶体内电子因温漂产生过大的漏电流(热噪声),漏电流不仅会导致探测器的能量分辨率恶化,而且会损坏前置放大器的场效应管。经实验测定,漏电流在高于−163 ºC时显著上升,所以在实验前,锗晶体、前置放大器输入级的场效应管和电荷灵敏级的反馈元件必须放置在液态氮中冷却6~8 h,直到温度低于−163 ºC时才能施加高压,否则巨大的漏电流会立刻损坏场效应管,所以为了保护探测器,需要时刻关注探测器中锗晶体所在的环境温度,当温度超过−163 ºC时切断高压。传统方法是利用示波器实时监测探测器主运放输出波形,如果发现几伏反向击穿脉冲或基线上有不规则的脉冲跳动,说明漏电流较大,引起了局部击穿,需要立即切断高压[6-7]。利用示波器观察反向击穿脉冲再通过手动关闭高压这一过程,需要实验人员实时观察并作出较快的反应,由于这一过程时间较长,往往造成场效应管损坏。

      市面上通用的温度监测报警系统监测范围通常在−55~125 ºC,与所需监测的高纯锗探测器内部环境的温度范围不一致,且通用温度监测报警系统的精度一般为 ± 2 ºC,达不到探测器对温度监测的精度要求。所以本文旨在研制一种高精度、高灵敏度的多通道实时自动高压保护系统,通过监测HPGe探测器内部温度变化,在温度达到设定阈值时能做到自动准确地切断探测器外加高压,当温度低于设定阈值后能自动恢复探测器外加高压,以实现保护HPGe探测器的目的。

    • Pt100是一种公认的高精度测温标准传感器,其物理、化学性质都非常稳定,具有精度高、稳定性好、性能可靠的特点[8]。Pt100的电阻和温度成一定函数关系,被广泛应用于−200~850 ºC范围内的温度测量,可测固体、液体、气体等多种形态物体的温度。在理想情况下,其电阻阻值与温度关系式如式(1)所示:

      $$ {R}_{T} = \left\{ \begin{array}{c}{R}_{0}\left(1+AT+B{T}^{2}\right),\; 0 \text{ °C} \leqslant T \leqslant 850 \text{ °C}\\ {R}_{0}\left[1+AT+B{T}^{2}+C\left(T-100\right){T}^{3}\right],\; -200 \text{ °C} \leqslant T \leqslant 0 \text{ °C} \end{array}\right. { ,} $$ (1)

      式中:A = 3.908 02×10−3B = −5.775×10−7C = −4.183×10−12R0为Pt100在0 ºC时的电阻值,为100 Ω;T为摄氏温度;RTT温度时对应的电阻值[9-11]

      本设计根据Pt100的温度-阻值函数关系,通过对其阻值的测量来监测锗晶体的温度变化。从表1可以看出,Pt100的温度-阻值变化率很小,只有0.4 Ω/ºC左右,环境噪声会对输出结果造成很大影响。假如只以−163 ºC单一阈值作为触发通/断的标准,就要求保护装置具有极高的采样精度和灵敏度。为了降低设计成本并提高保护装置的可靠性,在选择触发保护的高阈值温度时保留2 ºC的余量,即在温度达到−165 ºC时输出控制信号,使高压模块切断高压输出。当锗晶体温度低于−170 ºC时,真空腔内由于没有游离粒子即可触发恢复施加高压,所以触发恢复高压的低阈值温度选择−170 ºC。5 ºC的阈值差提高了系统分辨能力,也为探测器提供了缓冲空间。由表1可知高低阈值温度对应的阻值变化仅2 Ω左右。同时,Pt100的工作电流要小于5 mA,所以,如何精确地采集到Pt100的阻值的变化以及提升系统抗干扰能力是本设计的难点所在。

      表 1  阈值温度对应Pt100阻值

      T/ºC−170−169−168−167−166−165−164−163
      RT31.2831.7032.1232.5432.9633.3833.8034.22
    • HPGe探测器高压控制方案如图1所示,其中锗晶体浸泡在充满液态氮的腔体内,Pt100与锗晶体处于相同的环境,通过接头引线至高压模块控制器,进行阻值采样。高压模块的输出接口(CH)和探测器高压输入接口相连,高压模块选用CAEN公司的N1470高压模块,该模块的高压输出通过硬件接口INTLcK控制。当接口的1和2、3和4引脚短路时,高压模块内部处于锁定状态,停止高压输出。当接口的1和2引脚断路、3和4引脚短路时,高压模块内部会自动解锁,恢复高压输出。控制方案中利用跳线使3和4引脚保持短接,通过高压模块控制器来控制1、2引脚的接通和断开,以达到控制高压模块切断和恢复输出高压的目的[12]

      图  1  HPGe探测器高压保护控制方案示意图

    • 高压模块控制器硬件结构如图2所示,电路具有8路输入和8路输出,通过分时采集信号后,能够同时控制8路高压模块,为8个探测器提供保护功能。INPUT1~INPUT8输入端连接HPGe探测器上的Pt100,OUTPUT1~OUTPUT8输出端连接高压模块的INTLcK控制接口。电路主要由输入和校准用模拟开关、惠斯通电桥、信号放大电路、模数转换电路(ADC)、FPGA控制电路、继电器输出电路、通信电路以及电源电路构成。

      图  2  HPGe高压模块控制器整体硬件结构

      其中FPGA控制电路为核心电路,进行模拟开关的切换控制、ADC时序控制、采集数据处理和继电器输出电路控制。工作时,FPGA控制输入模拟开关将不同输入通道的Pt100顺序接入惠斯通电桥,利用惠斯通电桥检测Pt100两端的电压变化,通过放大电路放大后,进行模数转换,在FPGA中进行数据处理,将采集到的电压值与高低阈值比较,控制继电器输出电路,实现高压模块输出高压的控制。电路中设计了校准用模拟开关,可切换至参考电平和参考地电平进行采集,采集到的数据用于后期数据处理。通信电路为串口转USB电路,上位机可通过USB线缆和高压模块控制器连接,能够以指令的方式,灵活设置各通道高低阈值和读取各通道Pt100接入惠斯通电桥后的电压采集值。以下将对惠斯通电桥、放大电路、模数转换电路、继电器输出电路和电源电路做详细介绍。

    • 惠斯通电桥如图3所示,Pt100接入电桥的一个桥臂。由于Pt100工作电流要求小于5 mA,在5 V电压下经计算接入510 Ω(0.1%)的精密电阻作为桥臂电阻进行限流。Pt100的电阻变化率为0.390 8 Ω/ºC,由于阻值变化率小从而导致电压随阻值变化幅度很小,所以引线电阻不可忽略。为了尽可能减小测量误差,对输入端口至模拟开关的信号线进行等长设计。另外,为保证在Pt100接入桥臂前电桥完全平衡,将一个桥臂电阻R3改为可调变阻器,工作前将输入端口与地短接(等效为未接入Pt100),调节R3阻值,使得Uo = Vin2Vin1等于或接近0 V[13]

      图  3  惠斯通电桥电路

      当接入Pt100后,由于Pt100的阻值引起电桥不平衡,产生一个微弱的压差信号UoRPt100的阻值随温度变化,从而改变输出电压Uo的大小。在电压VCC = 5 V时将表1中Pt100的阈值电阻带入式(3)可以计算出阈值电压Uo的大小。式(2)为惠斯通电桥输出电压计算公式[14]

      $$ \begin{array}{l} {U}_{\mathrm{o}}=\left(\dfrac{{R}_{4}+{R}_{\mathrm{P}\mathrm{T}100}}{{R}_{3}+{R}_{4}+{R}_{\mathrm{P}\mathrm{T}100}}-\dfrac{{R}_{2}}{{R}_{1}+{R}_{2}}\right),\\ {V}_{\mathrm{C}\mathrm{C}}=\left(\dfrac{510+{R}_{\mathrm{P}\mathrm{T}100}}{510+510+{R}_{\mathrm{P}\mathrm{T}100}}\right)\times 5\; \mathrm{V} , \end{array}$$ (2)

      假设调平后R3的阻值为510 Ω,经计算Pt100在31.28 Ω(−170 ºC)和33.38 Ω(–165 ºC)阻值下的输出电压Uo约为0.074 386 和0.079 221 V,变化约4.8 mV。信号十分微弱,很容易受到噪声的影响且不容易分辨,需要对信号进行放大处理。

    • 根据以上计算,在5 V供电电压范围内,放大增益选为60倍,即将输出电压U0放大至4.463 16~4.753 26 V范围内,高低阈值电压差约290 mV。由于热噪声的原因,放大电路中的增益电阻不能选得太大,所以放大电路采用两级放大结构,如图4所示。

      图  4  放大电路

      由弗里斯公式可知[15],第一级放大器的噪声系数对系统的总噪声系数影响最大,所以为保证引入的噪声足够小[16],不能将第一级的放大倍数设计得过大。初级放大器选用ADI公司的AD8137通用放大器,其具有低功耗、低噪声、差分输入和输出的特点,在多级放大电路中很适合作为第一级放大器,增益计算公式为

      $$ G=\frac{{R}_{\mathrm{F}}}{{R}_{\mathrm{G}}} , $$ (3)

      本设计中,选择RF为E96系列5 kΩ金属膜电阻,RG为E96系列1 kΩ金属膜电阻,设计初级放大倍数为5倍。此设计下电路3 dB带宽为12 MHz,噪声密度60.1 nV/$ \sqrt {{\text{Hz}}} $。由此可以计算出在放大5倍的情况下引入的最大噪声为

      $$ \sqrt {12{\text{ M}}}{\text{Hz}} \times 60.1{\text{ nV}}\sqrt {{\text{Hz}}} \times 5 \approx 1.041{\text{ mV}} , $$ (4)

      式(4)可知初级引入的最大噪声为1 mV左右,不会对后端电路的采集和判断造成影响。为避免高频噪声通过无线感应方式反馈到输入端形成自激振荡,在反馈电阻上并联一个10 pF电容CF[17-18]

      二级放大电路增益为12倍,选用ADI公司的可变增益放大器AD8429,这是一款集成了三运放的超低噪声仪用放大器,可提供1 nV/√Hz的超低输入噪声,同时具有高共模抑制比,可以放大在共模电压下存在的差模信号。通过改变RG的阻值,可以调控增益倍数,增益计算公式为

      $$ G = 1 + \frac{{6{\text{ k}}\Omega }}{{{R_{\text{G}}}}} , $$ (5)

      为了尽量减少引入噪声,RG选用549 Ω,1%精度的金属膜电阻,设计增益值为11.92。

    • 模数转换电路选用ADI公司的16位单通道ADC LTC2364,具有高达94.7 dB的信噪比和3.4 mW低功耗,采样率为250 kSPS,通过SPI接口与FPGA通信。

      在放大电路与ADC之间设计了一个跟随器电路,利用其高输入阻抗和低输出阻抗实现放大电路和ADC电路的隔离。根据LTC2364器件手册的推荐,选择LT6202作为电压跟随器来最小化ADC采集过程中的失真和建立时间,同时为输入ADC的信号源和采集时产生的峰值电流提供隔离,以保证ADC获得最佳性能。

      在跟随器之前设计了低通滤波器LPF1,带宽为48 kHz,以滤除输入信号中的高频噪声,如图5所示。跟随器带来的噪声和失真也会影响到ADC的性能,所以在跟随器与ADC之间也设计了低通滤波器LPF2,带宽为1.6 MHz。由于模拟输入的RC时间常数过长会导致建立时间变长,因此,LPF2要比LPF1有更宽的带宽[19-21]

      图  5  跟随器与ADC电路

    • 高压模块高压的输出和切断由FPGA控制继电器实现,继电器的3、5引脚分别与高压模块控制端口的1、2引脚相连。在继电器和FPGA之间加入光耦对电路进行隔离[22],电路如图6所示。继电器为常闭型继电器,当FPGA输出的控制信号为低电平时光耦导通,线圈通电将继电器断开,高压模块控制端口的1、2脚断路,高压模块输出高压。当控制信号为高电平或出现断电状况时光耦不导通,继电器保持常闭将高压模块控制端口的1、2脚短路,切断高压模块输出,避免探测器被持续输出的高压损坏。

      图  6  光耦隔离继电器电路

    • 高压模块控制器包含模拟电路和数字电路,电路设计时严格区分模拟电源和数字电源。模拟开关、惠斯通电桥、信号放大电路和ADC的供电电源划分为模拟部分,ADC的输出电路、FPGA和继电器输出电路的供电电源划分为数字部分,并采用线性稳压电源芯片实现各电源电压的电平转换。进行模拟地和数字地隔离,在高压模块控制器电源输入端进行单点接地[23]。由于Pt100阻值变化引起惠斯通电桥的输出电压变化仅为4.8 mV左右,信号十分微弱,需要严格控制电源的纹波大小。高压模块控制器的供电适配器选用iFi ipower直流线性电源,该电源内置净化滤波器,手册中指出其噪声小于1 µV。在现场工作环境,利用示波器对带负载下的电源适配器输出纹波进行了测试,测试纹波约40 μV,如图7所示。

      图  7  电源适配器纹波测试

    • 高压模块控制器逻辑结构如图8所示,包括指令收发模块、ADC控制模块、数据处理模块、状态寄存器模块和输出控制模块。指令收发模块用于FPGA和上位机通信,上位机通过USB转串口线缆与高压模块控制器相连,利用串口调试助手接收和发送指令。指令接收模块接收上位机指令,通过指令解析模块解析。如果是高低阈值设置指令,则将设置的高低阈值存入状态寄存器模块;如果是读通道采集数据指令或读高低阈值指令,则从状态寄存器模块中读取相应数据,通过指令打包模块组帧,并通过指令发送模块发送至上位机。状态寄存器模块用于存储每个通道的高低阈值和当前采集并处理后的数据,状态寄存器中每个通道的高低阈值的初始值通过试验测试获得。ADC控制模块包括ADC驱动模块和ADC状态机模块,ADC驱动模块主要进行ADC时序控制和SPI接口控制,实现模拟信号的采集和数据传输;ADC状态机模块主要进行模拟通道切换和采集状态切换,实现8路模拟信号、参考电平以及参考地电平的采集。数据处理模块对每个通道的采集数据进行均值滤波处理和校准处理。输出控制模块根据状态寄存器中每个通道的高低阈值和当前采集数据进行判断,实现继电器输出电路的控制。控制逻辑为:1) 当采集的数据小于低阈值,控制继电器输出电路开关打开,高压模块输出高压,此状态锁定;2) 只有当采集的数据大于高阈值,才控制继电器输出电路开关闭合,高压模块切断高压,此时状态再次锁定;3) 只有当采集的数据小于低阈值,再次控制继电器输出电路开关打开,高压模块输出高压。这种控制逻辑保证了稳定输出,不会因为噪声和干扰产生误输出。以下对指令及数据处理算法进行介绍。

      图  8  高压控制器逻辑结构

    • 指令包括写高低阈值指令、读高低阈值指令和读采样值指令,格式如图9所示。包头包括起始码和包头标识,为固定的“0x55AAEB90”,包尾即结束码,为固定的“0x5AA5”。指令类型分为写阈值、读阈值和读采样值三种。通道号表示需要读或写哪个通道。标志位表示高阈值、低阈值或采样值。当指令类型为写阈值,高字节和低字节为写入的高低阈值;当指令类型为读阈值和读采样值时,高字节和低字节为“0x00”。高压模块控制器接收到指令后需要进行应答,指令应答格式和指令格式相同。当指令类型为写阈值指令时,应答和发送指令相同;当指令类型为读阈值或读采样值指令时,应答中高字节和低字节为当前通道设置的高低阈值或通道采样值,应答中的其他字节和指令相同。

      图  9  阈值设置指令及应答格式

    • 为了降低噪声和干扰的影响,我们对每个通道采集的数据进行均值滤波处理,采集的数据越多平均的效果越好。ADC的采样率为250 kHz,设计中每个通道采集100个数据进行平均。通过计算,8个通道加上参考电平和参考地电平的采集以及采集过程中的模拟开关的切换时间,一个完整的采集周期不超过10 ms,仍然可以满足HPGe探测器高压切断时间的要求。

      然而通过均值滤波的处理方法,无法消除放大电路输入失调电压Uos和通道增益引起的测量误差,为此在硬件电路设计中增加了参考电平和参考地电平的采集,并通过软件算法对通道增益和零点漂移进行校准,工作原理如图10所示[23-24]

      图  10  校准算法原理图

      Uos为折算到放大电路输入端的等效零漂,总的通道增益为kNxNrN0分别为各输入通道被采集电压Ux、参考电平Ur和参考地电平A/D转换结果的数字量。校准过程如下:

      1) 零点校准 首先通过控制校准用模拟开关切换至参考地电平进行采集,即零点电压(0 V),得到的转换结果并存储。此时,虽然输入电压为0,但由于各种噪声的存在,转换结果并不为0。此时的转换结果为

      $$ {N_0} = k{U_{{\text{os}}}} 。 $$ (6)

      2) 参考校准 再控制校准用模拟开关切换至参考电平(Ur)进行采集,转换结果为Nr并储存:

      $$ {N_{\text{r}}} = k({U_{\text{r}}} + {U_{{\text{os}}}}) 。 $$ (7)

      3) 输入被采集信号 将校准用模拟开关切换至采集通道并保持,再通过控制8路模拟开关对1~8通道的Pt100依次接入惠斯通电桥,将产生的压差(Ux)采集,设转换结果为Nx

      $$ {N_{\text{x}}} = k({U_{\text{x}}} + {U_{{\text{os}}}}) 。 $$ (8)

      式(6)~(8)可得:

      $$ \frac{{N}_{\mathrm{x}}-{N}_{0}}{{N}_{\mathrm{r}}-{N}_{0}} = \frac{k\left({U}_{\mathrm{x}}+{U}_{\mathrm{o}\mathrm{s}}\right)-k{U}_{\mathrm{o}\mathrm{s}}}{k\left({U}_{\mathrm{r}}+{U}_{\mathrm{o}\mathrm{s}}\right)-k{U}_{\mathrm{o}\mathrm{s}}}=\frac{{U}_{\mathrm{x}}}{{U}_{\mathrm{r}}}, $$ (9)

      $$ {U_{\text{x}}} = \frac{{{N_x} - {N_0}}}{{{N_{\text{r}}} - {N_0}}}{U_{\text{r}}} \text{,} $$ (10)

      式(10)可知,通过以上校准,已完全消除通道零漂Uos和通道增益k引起的测量误差。

    • 测试系统如图11所示,利用上海正阳仪表厂ZX92A直流电阻箱代替Pt100进行高压模块控制器的测试,该电阻箱阻值范围0~1 111.10 Ω,准确度为0.1%,调节步进0.01 Ω。高压模块控制器输出利用万用表的通断测试功能进行测试。上位机通过USB转串口线缆与高压模块控制器相连,利用串口调试助手进行指令的发送和接收。

      图  11  测试系统

    • 每个通道的高低阈值初始值通过试验获取,并作为状态寄存器模块中各通道高低阈值的初始值。将电阻箱的阻值分别设定为31.28和33.38 Ω,接入每个通道,通过上位机发送读取通道采样值指令,获得每个通道的高低阈值,该高低阈值为进行了均值滤波、增益和零点漂移校正后的结果,如表2所列。

      表 2  读出的高低阈值与实际测量值

      通道低阈值测量电压(低阈值)/V高阈值测量电压(高阈值)/V
      CH0E2FD4.433 41F1BE4.721 53
      CH1E2FE4.433 39F1BD4.721 50
      CH2E2FD4.433 40F1BE4.721 52
      CH3E2FC4.433 38F1BD4.721 49
      CH4E2FD4.433 41F1BC4.721 48
      CH5E2FE4.433 40F1BD4.721 50
      CH6E2FC4.433 36F1BE4.721 51
      CH7E2FD4.433 39F1BC4.721 49
    • 对高压模块控制器的功能进行测试。电阻箱的阻值由小到大再由大到小变化,变化范围为30.50~34.00 Ω,考察高压模块控制器的输出是否满足设计要求,具体测试如表3所列。

      表 3  系统实测数据记录表

      通道低阈值触
      发阻值/Ω
      对应温度
      (低阈值)/ºC
      高阈值触
      发阻值/Ω
      对应温度
      (高阈值)/ºC
      CH031.12−170.2433.37−165.12
      CH131.13−170.2533.34−165.17
      CH231.14−170.2933.35−165.11
      CH331.14−170.2933.36−165.11
      CH431.12−170.2633.33−165.13
      CH531.13−170.2633.37−165.12
      CH631.15−170.2933.34−165.16
      CH731.15−170.2833.32−165.11
    • 1) 本文基于对Pt100电阻阻值变化的测量,设计实现了高纯锗探测器高压保护系统。系统具有高灵敏度、高稳定性和实时监测功能,弥补了人工监测的不足。

      2) 系统具有串口通信功能,能够在线设置不同通道的高低阈值以及读取实际采样值,可以实现一个控制器保护8个探测器,降低了监测成本且具有一定的灵活性和便捷性。

      3) 对采集到的信号进行数据处理,利用均值滤波算法消除噪声影响;同时通过算法对通道增益和零点漂移进行校准,提高了系统测量的准确性。

参考文献 (24)

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