專利名稱：電荷頻率轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是測量電荷(電流)信號并將其轉(zhuǎn)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(jiān)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(xiàn)對束流強度/照射劑量的實時監(jiān) 測。
通常情況下，由于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(zhuǎn)換成電
壓信號并進行放大，然后對電壓信號進行ADC采樣，間接實現(xiàn)對探測器輸出 電流的測量，需要較復雜的過程和較多的儀器。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術的不足提供一種電荷頻率轉(zhuǎn)換器。本發(fā) 明為束流強度檢測探測器的信號讀出提供了 一種結(jié)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(jiān)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。本發(fā)明可以廣泛用在粒子物理實驗探測系統(tǒng)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(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案為 一種電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其 主要特點在于電流信號輸入端Pl通過電阻R2與積分電路(1)的輸入端 連接；積分電路(1)的輸出端通過幅度鑒別電路(2 )與窄脈沖成形電路(3) 的輸入端相連接；窄脈沖成形電路(3)的輸出l端分別與延時電路(4)的 輸入端、輸出脈沖整形電路(6)的輸入端和第一泄放開關(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 )與泄放支路相連接；窄脈沖成形電路(3 )的輸出2端與第二泄放開關(9 )的控制端相連 接；輸出脈沖整形電路(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(zhuǎn)換器，所述的積分電路(1)為放大器Al的反向輸入 端與電流信號輸入端相連接，放大器Al的輸出端與幅度鑒別電路的輸入端 相連接，所述放大器Al的同向輸入端通過電阻Rl接地，在所述放大器Al 的反向輸入端和輸出端還連接有電容Cl 。
所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，所述積分電路(1)的輸出端與幅度鑒別電路的 輸入端相連接，所述的幅度鑒別電路既是幅度比較器Ul,積分電路(l)的輸 出端與幅度比較器Ul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Ul的輸出端與窄脈沖成形電路的輸入端相連接。
所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，所述的窄脈沖成形電路(3)包括有觸發(fā)器U2, 與門U5、 U6、電阻R6和電容C4;所述的幅度鑒別電路的輸出端與觸發(fā)器 U2的時鐘信號輸入端相連接；所述觸發(fā)器U2的一個輸出端分別與與門U6 的一個輸入端和第二泄^L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(fā)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并接地；所述的觸 發(fā)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(fā)器 U2的另一個輸出端分別與延時電路(4)、輸出脈沖整形電路(6)的輸入端 和第一泄放開關(8)的控制輸入端相連接。
所述的電荷頻率轉(zhuǎn)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(lián)，在U7的輸入端 還連接有電容C3并接地。
所述的電荷頻率轉(zhuǎn)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(lián)，在電阻R4與電容C2之間與電阻R5連接并接地；電容C2的 另一端與泄放支路相連接；電阻R4的另一端與延時電路的輸出端相連接。6所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，所述的泄放支路包括有第一泄放開關(8) SI 和第二泄放開關(9) S2;開關Sl和開關S2為三端器件(l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(fā)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(fā)器U2的另一個輸出端連接，l端通過與幅 度控制耦合電路的輸出節(jié)點^點與開關Sl串聯(lián)，S2的2端接地。
所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，所述的輸出脈沖整形電路(6)包括有觸發(fā)器 U3， 二極管D1，電容C5和電阻R8，觸發(fā)器U3的時鐘信號輸入端與窄脈沖成 形電路(3)的一個輸出端相連接，觸發(fā)器U3的一個輸出端與二極管Dl的 正極連接，二極管Dl的負極又與電容C5和電阻R8組成的并聯(lián)電路相連接， 并與觸發(fā)器U3的復位端相連接；電容C5和電阻R8組成的并聯(lián)電路的另一 端接地；觸發(fā)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(zhuǎn)換器，所述的頻率輸出級電路(7)包括有電阻R9， 三極管U4， 二極管D2和電阻R10，輸出脈沖整形電路(6)的輸出端與三極 管U4的發(fā)射極連接，三極管U4的基極與窄脈沖成形電路的一個輸出端相連 接、與二極管D2的負極相連接，并通過電阻R9與供電電壓相連接，，三極 管U4的集電極與供電電壓連接；三極管U4的發(fā)射極連接二極管D2的正極； 三極管U4的發(fā)射極串聯(lián)通過電阻R10接地，二極管D2的正極與頻率輸出端 連接。
所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，所述的電容C1并接有多個電容，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(zhuǎn)換器，所述的電流信號輸入端Pl、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(zhuǎn)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)陶資基板厚膜電路型基板。本發(fā)明的有益效果是在于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(jiān)測提供了一種快速、直接、準確的方法
與途徑，簡化了現(xiàn)有的弱小電流測量方案和實驗測量系統(tǒng)。這種電荷-頻率
轉(zhuǎn)換器主要采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(S1、 S2)和電阻(R3)構成可控制型泄放通路，實現(xiàn)了一種特殊
的電流積分(充電)、泄;^文量可控放電電路結(jié)構，這種構建^f莫型就形成了本
發(fā)明的最顯著特點。采用這種新的電流積分(充電)、泄放量可控放電模式
進行工作，該電路的每個輸出脈沖代表800fC。電路結(jié)構簡單、體積小、制
作成本低，易于小型化，便于多通道集成。測量范圍從100pA~10|aA跨越
多個數(shù)量級而不用切換元器件，輸出標準TTL頻率信號，轉(zhuǎn)換系數(shù)> 0-7Mfife/;i4，電路工作穩(wěn)定。
本發(fā)明實現(xiàn)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(zhuǎn)化為脈沖數(shù)，實現(xiàn)電荷量到數(shù)字量的直接轉(zhuǎn)換提供了一種新的手段。對簡 化大型的實驗測量系統(tǒng)，起到了很好的作用。
本發(fā)明也可以直接用于其它研究領域里的弱小電流/電荷的測量，并直 接將電荷量/弱小電流量轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)，實現(xiàn)電荷量/電流量到數(shù)字量的直接 轉(zhuǎn)換。
圖1為本發(fā)明的電路原理方框圖。 圖2為本發(fā)明的電路圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本 發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
見圖1， 一種電荷頻率轉(zhuǎn)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的輸出端通過幅度鑒別電路2與窄脈沖成 形電路3的輸入端相連接；窄脈沖成形電路3的輸出1端分別與延時電路4 的輸入端、輸出脈沖整形電路6的輸入端和第一泄放開關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與泄放支路相連接；窄脈沖 成形電路3的輸出2端與第二泄放開關9的控制端相連接；輸出脈沖整形電 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(zhuǎn)換器，所述的積分電路1為放大器Al的反向 輸入端與電流信號輸入端相連接，放大器Al的輸出端與幅度鑒別電路的輸 入端相連接，所述放大器Al的同向輸入端通過電阻R1接地，在所述放大器 Al的反向輸入端和輸出端還連接有電容C1。
所述積分電路l的輸出端與幅度鑒別電路的輸入端相連接，所述的幅度 鑒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Ul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Ul的輸出端與窄 脈沖成形電路的輸入端相連接。
所述的窄脈沖成形電路3包括有觸發(fā)器U2，與門U5、 U6、電阻R6和 電容C4;所述的幅度鑒別電路的輸出端與觸發(fā)器U2的時鐘信號輸入端相連 接；所述觸發(fā)器U2的一個輸出端分別與與門U6的一個輸入端和第二泄放開 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(fā)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并接地；所述的觸發(fā)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(fā)器U2的另一個輸出端分別與延 時電路4、輸出脈沖整形電路6的輸入端和第一泄;^文開關8的控制輸入端相 連接。
所述的電荷頻率轉(zhuǎn)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(lián)，在U7的輸入端還連接有電容C3并接地。
所述的電荷頻率轉(zhuǎn)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(lián)，在電阻R4與電容C2之間與電阻R5連接并接地；電容C2的 另一端與泄放支路相連接；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(zhuǎn)換器，所述的泄放支路包括有第一泄放開關(8) Sl 和第二泄;^文開關(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(fā)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(fā)器U2的另一個輸出端連接，l端通過與幅 度控制耦合電路的輸出節(jié)點。點與開關Sl串聯(lián)，S2的2端接地。
所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，所述的輸出脈沖整形電路(6)包括有觸發(fā)器 U3， 二極管D1，電容C5和電阻R8，觸發(fā)器U3的時鐘信號輸入端與窄脈沖成 形電路(3)的一個輸出端相連接，觸發(fā)器U3的一個輸出端與二極管Dl的 正極連接，二極管Dl的負極又與電容C5和電阻R8組成的并聯(lián)電路相連接， 并與觸發(fā)器U3的復位端相連接；電容C5和電阻R8組成的并聯(lián)電路的另一 端接地；觸發(fā)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(zhuǎn)換器，所述的頻率輸出級電路(7)包括有電阻R9， 三極管U4， 二極管D2和電阻R10,輸出脈沖整形電路(6)的輸出端與三極 管U4的發(fā)射極連接，三極管U4的基極與窄脈沖成形電路的一個輸出端相連 接、與二極管D2的負極相連接，并通過電阻R9與供電電壓相連接，，三極 管U4的集電極與供電電壓連接；三極管U4的發(fā)射極連接二極管D2的正極； 三極管U4的發(fā)射極串聯(lián)通過電阻R10接地，二極管D2的正極與頻率輸出端 連接。
所述的電容C1并接有多個電容，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Pl、頻率輸出(P2)的連4妄器是BNC/CC5/LEM0型 連接器。
所述的電荷頻率轉(zhuǎn)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U120J陶瓷基板厚膜電路型基板。
所述的電荷頻率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。
多通道電荷頻率轉(zhuǎn)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(shù)、體積、結(jié)構等應用要求；所采用的元器件可以 是單片單路器件，或是單片多路器件，例如，單片4運放，即在一塊芯片上 封裝了 4個相同的運算放大器。
探測器電流信號輸入P1，邏輯脈沖輸出P2;輸出脈沖的頻率與輸入電 流/電荷量成正比；輸入信號經(jīng)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U1，比較器輸出信號觸發(fā)D觸發(fā)器U2; D觸發(fā)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(jīng)電阻R7、 電容C3、與門U7產(chǎn)生延時信號；D觸發(fā)器U2的G輸出， 一路與與門U6的 輸入相連，與門U6的輸出信號經(jīng)電阻R6、電容C4、與門U5產(chǎn)生D觸發(fā)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(jīng)過電阻R4、 R5進行分壓以后通過^f殷分電容C2，饋送到電 路中的。點，產(chǎn)生泄放量控制信號。
通過控制模擬開關Sl導通，S2截至來完成一次電容C1的泄放工作。每 泄放一次電容C1，比較器U1反轉(zhuǎn)一次，同時D觸發(fā)器U2產(chǎn)生一個完整的脈 沖。D觸發(fā)器U2的輸出信號經(jīng)過D觸發(fā)器U3整形成一定寬度和幅度的輸出 脈沖，最后再經(jīng)過輸出三極管U4輸出，以便增強輸出驅(qū)動能力。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(shù)， 提高測量的精度；改變積分電容Cl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(diào)節(jié)比較器U1的闊值，改變輸出頻率。改 變電阻電容C3、 C4、 R6、 R7的值，可以調(diào)節(jié)反饋延時，以便使電路達到最 佳的穩(wěn)定工作效果。通過改變電阻R4、 R5的比值R5/ (R4 + R5)，可以改變 。點信號^ 的大小，并進而可以控制泄放電流的大小&"3。通過改變微分 電容C2的電容值，可以適量控制泄放電流的速度。由此可知，改變分壓電 阻R4、 R5和電容C2的值，可以調(diào)節(jié)泄放電流的大小和泄放電流的速度，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(diào)節(jié)輸 出頻率的脈沖寬度。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明 的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā) 明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1. 一種電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其特征在于電流信號輸入端P1通過電阻R2與積分電路(1)的輸入端連接；積分電路(1)的輸出端通過幅度鑒別電路(2)與窄脈沖成形電路(3)的輸入端相連接；窄脈沖成形電路(3)的輸出1端分別與延時電路(4)的輸入端、輸出脈沖整形電路(6)的輸入端和第一泄放開關(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)與泄放支路相連接；窄脈沖成形電路(3)的輸出2端與第二泄放開關(9)的控制端相連接；輸出脈沖整形電路(6)的輸出端與頻率輸出級電路(7)相連接。
2. 如權利要求1所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的積分電 路(1)為放大器Al的反向輸入端與電流信號輸入端相連接，放大器Al的 輸出端與幅度鑒別電路的輸入端相連接，所述放大器Al的同向輸入端通過 電阻R1接地，在所述放大器Al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所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述積分 電路(l)的輸出端與幅度鑒別電路的輸入端相連接，所述的幅度鑒別電路既 是幅度比較器Ul,積分電路(l)的輸出端與幅度比較器Ul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Ul的輸出端與窄脈沖成形 電路的輸入端相連接。
4. 如權利要求1所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的窄脈沖 成形電路(3)包括有觸發(fā)器U2，與門U5、 U6、電阻R6和電容C4;所述的幅 度鑒別電路的輸出端與觸發(fā)器U2的時鐘信號輸入端相連接；所述觸發(fā)器U2 的一個輸出端分別與與門U6的一個輸入端和第二泄放開關(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(fā)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并接地；所述的觸發(fā)器[J2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(fā)器U2的另一個輸出端分別與延時電路(4)、輸出 脈沖整形電路(6)的輸入端和第一泄放開關(8)的控制輸入端相連接。
5. 如權利要求1或4所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的延 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(lián)，在U7的輸入端還連接有電容C3并接地。
6. 如權利要求1或4所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的幅 度控制與耦合電路(5)為電阻R4與電容C2串聯(lián)，在電阻R4與電容C2之 間與電阻R5連接并接地；電容C2的另一端與泄》文支3各相連接；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所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的泄 放支路包括有第一泄放開關(8) Sl和第二泄放開關(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(fā)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(fā)器U2的另一個 輸出端連接，l端通過與幅度控制耦合電路的輸出節(jié)點0點與開關S1串聯(lián)， S2的2端接地。
8. 如權利要求1所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的輸出脈 沖整形電路(6)包括有觸發(fā)器U3， 二極管Dl，電容C5和電阻R8,觸發(fā)器 U3的時鐘信號輸入端與窄脈沖成形電路(3)的一個輸出端相連接，觸發(fā)器 U3的一個輸出端與二極管Dl的正極連接，二極管Dl的負極又與電容C5和 電阻R8組成的并聯(lián)電路相連接，并與觸發(fā)器U3的復位端相連接；電容C5 和電阻R8組成的并聯(lián)電路的另一端接地；觸發(fā)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1所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的頻率輸 出級電路(7)包括有電阻R9，三極管U4， 二極管D2和電阻R10，輸出脈沖整形電路(6)的輸出端與三極管U4的發(fā)射極連接，三極管U4的基極與窄 脈沖成形電路的一個輸出端相連接、與二極管D2的負極相連接，并通過電 阻R9與供電電壓相連接，，三極管U4的集電極與供電電壓連接；三極管U4 的發(fā)射極連接二極管D2的正極;三極管U4的發(fā)射極串聯(lián)通過電阻R10接地， 二極管D2的正極與頻率輸出端連接。
10. 如權利要求1所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的電容C1 并接有多個電容，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1所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述的電流信 號輸入端Pl、頻率輸出(P2)的連接器是BNC/CC5/LEM0型連接器。
12. 如權利要求1所述的電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其特征在于還包括有電路 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。
全文摘要
本發(fā)明是測量電荷(電流)信號并將其轉(zhuǎn)換成頻率輸出的前端測量電路。一種電荷頻率轉(zhuǎn)換器，其主要特點在于電流信號輸入端P1通過電阻R2與積分電路(1)的輸入端連接；積分電路(1)的輸出端通過幅度鑒別電路(2)與窄脈沖成形電路(3)的輸入端相連接；窄脈沖成形電路(3)的輸出1端分別與延時電路(4)的輸入端、輸出脈沖整形電路(6)的輸入端和第一泄放開關(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)與泄放支路相連接；窄脈沖成形電路(3)的輸出2端與第二泄放開關(9)的控制端相連接；輸出脈沖整形電路(6)的輸出端與頻率輸出級電路(7)相連接。本發(fā)明為束流強度檢測探測器的信號讀出提供了一種結(jié)構簡單、性能可靠的測量電路。
文檔編號G01T1/02GK101533099SQ20091012778
公開日2009年9月16日 申請日期2009年3月22日 優(yōu)先權日2009年3月22日
發(fā)明者奕 千, 李小剛, 李文華, 弘 蘇, 董成富, 馬曉莉 申請人:中國科學院近代物理研究所