四路低本底αβ测量仪电路设计

　　摘要：本文介绍了一种四路低本底αβ测量仪的电路设计。在文中首先介绍了四路低本底αβ测量仪的电路组成，并对其各组成部分的设计实现作了详细介绍。设计的四路低本底αβ测量仪体积小、功耗低、性能稳定可靠，可快速测量样品。

　　引言

　　低本底αβ测量仪作为生活饮用水、土壤、空气、食品等环境样品中总放射性测量的主要仪器，广泛应用于应急监测和辐射卫生、环境保护、质量监督检验等领域。四路低本底αβ测量仪由四个独立工作的探测单元组成，可以同时测量四个样品，相对于单路测量仪，省时高效^[1,2]。

　　为完成放射性测量与分析，四路低本底αβ测量仪电路的基本要求如下：模拟放大电路要具有较大信噪比，实现探测器输出的微弱信号放大;能同时放大多路信号，且不互相串扰;能实时对多路数字信号进行反符合与计数，计数器位宽不小于16位;具有与计算机通信功能。该电路的稳定性、可靠性直接影响着测量仪的测量精度和长时间稳定性，本文采用高性能放大器和比较器设计放大比较矩阵，基于可编程逻辑器件CPLD和STM32单片机，设计了一种四路低本底αβ测量仪的电路，实现了高精度可靠测量。

　　电路设计

　　四路低本底αβ测量仪电路工作原理是：将探头单元(包含4路主探头和2路反符合探头，共6路信号)输出的微弱模拟模拟信号进行放大甄别，成形为数字脉冲，再经反符合过滤本底信号后进行计数，计数结果送到单片机处理和显示等，最后通过计算机获取测量数据，完成计算、显示、打印报表等。其硬件组成如图1所示，主要由6路探头矩阵(4路主探头和2路反符合探头)、放大矩阵、比较器矩阵、可编程逻辑器件CPLD、MCU、RS232接口、高压及高压控制电路和低压电源等部分组成。

　　探头矩阵

　　探头矩阵由四路主探头和两路反符合探头组成，可同时对4个样品进行测量。探头部分采用无跟随器设计，只安装分压电阻电路，信号输出和高压输入共用一根同轴电缆，减少了信号线、电源线和高压线数量。后续处理电路实现探头矩阵输出微弱信号放大和处理等。

　　放大矩阵

　　放大矩阵实现对六路探头送来的信号进行提取、高压噪声去除、放大整形，以满足后续比较电路的要求。

　　由于探头(光电倍增管)输出信号为微弱电流信号，因此放大电路采用电流-电压变换方式，基本电路如图2，一般Rf采用温度系数较小的金属膜电阻，温度影响较大的碳膜电阻一般不宜采用。此外，一般用途的同轴电缆会因为受力而产生噪声，所以选用低噪声同轴电缆线。另外，测量微弱电流最好前置放大器使用FET型输入法^[3]。

　　设计的放大矩阵由四路主放大电路和两路反符合放大电路组成，单路放大比较电路由两级放大组成，如图3所示。

　　第一级放大器采用电荷灵敏放大电路，该电路具有良好的低噪声性能，并且其输出信号幅度基本不受探测器电容、放大器开环时输入电容和电压增益等参数稳定性的影响。第一级放大器将光电倍增管输出的微弱电流信号转换成较大的电压信号，其输出一路直接到比较器1和比较器2，作为较大幅度信号(α和β高阈)输出;另一路输出到第二级放大器。

　　第二级放大器采用同相放大器结构，对信号二级放大后输出到比较器3，作为较小信号(β低阈)输出。放大芯片采用美国AD公司高速JFET输入型放大器AD8066，工作电压±12V。

　　比较矩阵

　　比较矩阵对经过放大整形后的6路信号进行比较，把模拟幅度信息转换成数字脉冲信号，每路主探头的信号经过比较后生成3路数字脉冲信号(分别对应高、低β阈和α阈)，6路信号经过比较矩阵后共生成14路数字脉冲信号(12路主信号和2路反符合信号)。

　　设计的比较矩阵由14个比较器组成，如图3所示。比较器选择高速比较器LM211，该比较器输出为OC输出，因此可同时实现电平的转换，直接输出到可编程逻辑器件CPLD进行反符合和计数，工作电压±12V，输出电压+3.3V。各路比较器的比较参考电压由数模转换器电路控制，数模转换器选择4路串行12位数模转换器DAC7554，工作电压+5.5V，输出电压范围0～5V，DAC7554通过SPI接口和MCU通信。

　　可编程逻辑器件CPLD

　　可编程逻辑器件CPLD实现反符合电路和计数电路，反符合电路对各路脉冲信号实现宽窄不同的单稳信号整形，把主探头信号转换成窄脉冲的主信号，把反符合探头信号转换成宽度为主信号两倍的反符合信号，以便于对主信号的反符合，消除由于主信号放大通道和反符合信号放大通道时间常数的差异引起的信号输出时间上的偏差，以实现反符合的准确有效。计数电路用于各路信号的计数和锁存，便于MCU读取。具体如图4所示。

　　可编程逻辑器件CPLD对比较矩阵的14路数字脉冲信号的进行反符合处理和α/β阈处理，产生8路(分别对应每路主探头的αβ信号)计数脉冲，再以8路计数脉冲作为计数器的时钟信号，进行计数处理，计数结果存放在8个寄存器(16位宽)中，MCU可以定时的读取。另外可编程逻辑器件CPLD还实现比较矩阵每路比较阈值的设置和高压模块的高压设置。CPLD采用Altera公司的MAXⅡ系列低功耗CPLD，型号为EPM570，144管脚封装，具有570个逻辑单元^[4]。

　　微控制器MCU

　　MCU是仪器的控制中心，完成高压参数和比较阈值参数的配置以及测量数据的读取和发送，并接收主机送来的命令参数。

　　MCU采用最新的ARM CORTEX-M3内核的STM32单片机，型号为STM32103VBT6，主频为72MHz，128K字节FLASH，20K字节RAM，100管脚封装。该系列具有功耗低，处理能力强等特点^[5]。STM32的SPI1和数模转换器DAC7554连接，采用软件片选信号;UART1实现和计算机的串口通信，同时实现BootLoader功能，用于程序下载;PortC和PortD与CPLD连接，PortC用作地址线，PortD用作数据线，设为开漏输出模式，在需要读取数据时，输出全置1，模拟实现数据总线功能，这样不需要在输入输出时进行端口模式切换，提高了效率和可靠性。

　　单片机固件开发采用嵌入式操作系统，将整个系统划分为三个并行存在的任务层，按其优先级从高到低顺序排列依次是：数据采集计算任务、串口通讯任务、状态显示任务等，嵌入式操作系统按优先权的高低对各任务进行任务调度。

　　状态显示及声响输出电路

　　状态显示电路主要由6路状态指示灯和工作指示灯组成，用于显示各路探测器的工作状态以及仪器的工作状态。声响输出主要由蜂鸣器组成，实现声音提示功能，用于加电、故障、开始测量及测量结束等状态提示，可提醒使用人员及时处理仪器状态或读取数据。

　　通讯接口

　　仪器的通讯接口采用串口。串口具有开发简单，传输距离较远，连接方便的特点，是传统仪器的通用接口。采用Maxim公司低功耗RS-232通信芯片MAX3221，工作电压+3.3V，通讯速率115200bps。

　　电源设计

　　高压及高压控制电路用于为探头提供稳定可靠的工作高压，采用压控高压电源，工作电压+12V，控制电压0～5V，输出电压范围0～1500V，输出电流5mA，为提高高压精度和稳定性，控制电压采用数模转换器DAC7554实现。

　　低压电源选择上海衡孚开关电源厂的HF35W-D型开关电源，输出电压为+12V/2A和-12V/1A。电路中共用到的电压有+12V、+5.5V、+3.3V和-12V。其中+12V和-12V经滤波后用于高压及模拟电路供电;+12V通过开关电源LM2595降压至+5V，再经LDO芯片LM1117-3.3转换成转换成3.3V，用于数字电路供电，这种开关电源+LDO的组合电源模式兼顾了高效率和低纹波等特点;+12V通过LDO芯片LM1117-5转换成转换成+5.5V，用于DA数模转换电路供电。具体电路如图5所示。

　　结语

　　本文通过放大比较矩阵电路设计实现了多路微弱信号放大处理，采用可编程逻辑器件CPLD实现了反符合电路和计数电路，并基于高性能STM32单片机应用嵌入式软件开发，实现了一种四路低本底αβ测量仪的电路，测试表明该电路功耗低，抗干扰能力强和系统稳定性好，其设计也可用作其他精密测量仪器仪表电路设计参考。

　　参考文献：
　　[1] 刘海侠,邵建辉,魏星.一种新型四路低本底αβ测量仪[J].防化研究,2012,(1),22-28
　　[2] 山越和雄,低水平放射性测量[M].北京:原子能出版社,1985
　　[3] 光电倍增管基础及应用[M].滨松光子学株式会社,1995
　　[4] 王诚,吴继华,范丽珍.Altera FPGA/CPLD设计(基础篇)[M].北京:人民邮电出版社,2005
　　[5] 王永虹,徐炜,郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京航空航天大学出版社,2008