长时间电流积分数字仪的设计

佘乾顺 赵红赟 苏 弘 马晓莉 李小刚

(中国科学院近代物理研究所 兰州 730000)

在粒子物理实验、加速器调束及束流诊断系统中，束流品质(流强、位置等)的实时监测极为重要，通常的监测手段是法拉第筒或电离室。随着加速器技术及核物理实验的不断发展，束流测量仪器层出不穷[1,2]，然而，这些装置针对性强、使用局限性大，因此，设计制作一种适应性强的数字化束流测量系统十分重要[3]。

中国科学院近代物理研究所次级束线 RIBLLII自1997年建成出束，兰州重离子加速器冷却储存环(HIRFL-CSR)也于2007年12月建成并投入使用。它们为我国核物理及相关交叉学科的研究提供了先进的实验条件，但目前采用束流积分器插件和计数器插件监测束流，需要人员实时看管并人工计时，有可能导入人为误差，后期数据处理也甚不便。为满足新条件下的物理实验、重离子束治癌、加速器束流诊断等对束流质量进行实时监测的需求，我们研制了一个长时间电流积分数字仪，用于正负电流或电荷的测量，实现束流质量的长时间监测。

1 总体结构

长时间电流积分数字仪(图 1)由电流-频率变换、脉冲计数器、处理器、通道选择、键盘和显示等组成。束流信号经电流频率变换将电流信号转换成脉冲数，在设定时间内计数器对脉冲计数，处理器对数据进行运算后在 LCD上显示出电荷量的数值。此仪器设计的输入束流范围10 pA–10 μA，设置了六个I/V变换通道进行切换以变换量程，可进行短时间或长时间测量，有单次工作模式和循环工作模式。仪器盒有屏蔽功能，抗干扰能力强。

图1 电流积分数字仪结构Fig.1 The structure of current integral digital instrument.

2 组成及原理

2.1 I-F变换

用于微弱电流或电荷监测的I-F变换原理如图2所示，电流Ii通过放大器的反馈电阻Rf将电流转换成与电流成正比的电压V，再经V-F转换成脉冲数。V-F转换可采用门控积分或VFC集成电路来实现[4,5]。该I-F变换方式时效性较好，能满足宽量程内微弱电流的测量，但是其抗干扰能力差，需采取屏蔽措施加以改善。

图2 I-F变换原理图Fig.2 Schematics of the I-F conversion.

I-F变换电路如图 3所示，由I/V转换电路和VFC组成。采用T型反馈电阻网络代替图2中的大反馈电阻Rf[6]，避免了大电阻引入分布电容和精度误差。用VFC芯片实现V-F转换，以增强电路的可靠性，提高抗干扰能力。I/V变换放大器的反馈回路中包含6个T型反馈电阻网络通道，每通道采用美国OMRON公司的闭锁型继电器(SSR)G6KU-2F-Y作为选择开关，针对不同量级的输入电流选择对应通道。此电路对噪声非常敏感，需采用低噪声器件。对于微弱电流的处理电路，运放的偏置电流是重要指标，若运放偏置电流为1 pA，输入电流为10 pA，即可能造成10%的误差。我们选用美国ADI公司的低偏置电流、低噪声运放AD8618[7]。

图3 I-F变换电路Fig.3 The circuit of current-to-frequency conversion.

2.2 脉冲计数器

脉冲计数/定时系统一般采用分离元件计数器芯片级联或大规模专用计数芯片构成。若测量系统对计数器规模要求较高，实现电路较为复杂，且系统的可靠性降低。该仪器基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)设计以实现脉冲计数和定时，CPLD内部逻辑资源丰富，可自由编程支配、定义其功能，配以VHDL语言编写的内部执行程序，很好地解决了设计大容量计数器所带来的诸多问题。此外，CPLD还有数据传输接口与单片机连接。

用 CPLD可设计出多达 256位的二进制计数器，而一个40位的二进制计数器(240−1)即能满足实验要求。脉冲计数器(图 4)由计数单元(Counter Cell)、锁存单元(Flip-latch Cell)、定时单元(Timing Cell)、读取单元(Read Cell)及控制单元(Control Cell)组成。输入脉冲进入计数单元实现累加，锁存单元锁存计数器中的脉冲个数供读取单元读取。定时单元接收来自键盘的指令(Start)启动定时功能，开始计时；当计时时间结束时，触发控制单元控制计数单元停止计数，并触发读取单元对结果进行读取。

2.3 处理器及相关模块

处理器及相关模块(图5)主要包含设置功能、运算功能、通信功能及显示功能等。单片机(MCU)接收4×4键盘输入的相关预置参数，与CPLD中的通信单元实现数据交互，将接收到的脉冲个数值运算处理后将结果显示在LCD上。另外，MCU还实现了与PC机的通信，PC机运行VB编写的控制界面通过串口将设置的参数传输给单片机，而单片机将结果传输给PC机显示并存储。

图4 脉冲计数器结构Fig.4 Structure of the pulse counter.

图5 处理器及相关模块结构Fig.5 Structure of the processor and related modules.

3 主要单元电路

3.1 通道切换电路

通道切换电路如图6所示，每个继电器控制一个T型反馈电阻网络通道，12个控制信号对应控制切换6个通道；每通道包含一个正向控制信号SP-1和一个反向控制信号SN-1，单片机输出的控制信号电压为3.3 V，输入到三极管Q1(Q2)的基极，通过三极管与电阻 R4(R5)构成的驱动器进而控制继电器管脚1(8)上的电平，实现了T型反馈电阻网络的切换。

图6 通道切换电路Fig.6 The circuit of channel switching.

3.2 VFC电路

I-V通道转换出的电压为0.2–2 V，需将电压转换成脉冲，即V-F转换。我们采用美国ADI公司的改进型VFC芯片AD7741[8]，系线性度好和稳定性高的电荷平衡式单通道同步电压频率转换芯片，采用外部时钟驱动的双稳态电路取代单稳态电路，精密电流源对积分器放电的时间固定为一个外部时钟周期，此器件在输入信号与积分器间设有一个缓冲器，可避免积分器在复位工作模式时丢失输入信号，且隔离模拟输入端与积分器，大大提高了芯片的输入阻抗。此芯片的V-F转换线性误差<0.03%，输出频率范围0.05–0.45fCLKIN(芯片工作频率)。

VFC电路如图7所示，由晶振Y1为AD7741提供时钟频率。可根据后级计数器选择频率大小合适的晶振，这里选择的晶振工作频率为4 MHz。输入电压由6脚输入，通过RV调节参考电压为+2.5 V。

图7 VFC电路Fig.7 The circuit of voltage-to-frequency conversion.

3.3 CPLD与MCU

CPLD芯片选择美国 Altera公司的 MAXII EPM1270T144C5N，外接100 MHz的晶振为其提供工作频率。计数器工作频率为100 MHz，而AD7741输出的最高频率为1.8 MHz，因此计数器不会丢失数据。单片机为STC89LE52，STC系列单片机的效率是普通单片机的 8–12倍，工作的晶振频率若为12 MHz，则时延不超过100 μs，完全满足设计要求。

结合程序设计该部分电路实现的功能有：脉冲计数并LCD显示；按键设定脉冲计数时间并显示；按键设定工作通道；脉冲个数到电荷量的运算。此仪器可以设定总时长为7天23小时59分59秒 (192 h)，最短间隔为1 s。

以第一通道(电流输入范围 10–100 pA)为例，Q=(N−N0t)/(1.28×1016) pC。N0为计数器在1 s时间内无电流输入情况下统计到的脉冲数，t为计数器计数的总时间(单位s)。在长时间测试过程中，经过数据分析，对实际的计数值进行了一些修正。最终的电荷量Q与计数值N间的线性关系为：Q=(N−N0t±NA)/(1.28×1016)，其中NA为拟合N-t曲线后得到的偏移值。

4 应用及结论

该仪器输入范围分为6档：1档：10–100 pA；2档：100 pA–1 nA；3档1–10 nA；4档10–100 nA；5 档 100 nA–1 μA；6 档 1–10 μA。长时间电流积分数字仪如图8所示，正负电流分别由两个BNC输入端输入，用户可按上次设定的参数工作，也可重新设置参数，包括工作时长、显示时间间隔、工作通道、工作模式(单次模式和重复模式)。仪器工作后LCD界面显示内容如下：

Pre : 00 : 23 : 00 : 00 显示设定的工作时长。

Real : 00 : 00 : 09 : 23 显示实时时间，最小变化间隔为1 s。

Pul : 000 , 561 , 012 , 504 显示由VFC芯片转换所产生的实时脉冲数。

Q(pC) : 0000012456 . 04 显示电荷量值，精度为小数点后两位。

图8 长时间电流积分数字仪Fig.8 Panel of the long-time digital current integration instrument.

在实验室环境下，对各档进行了测试，由美国Keithley 公司的6621数字电流源提供输入电流I，Q为最终显示的电荷量，整个测量过程的积分时长设为1 s，其线性关系如图9所示。

图9 线性误差分析Fig.9 Analysis of linearity error.

对该仪器在满时间量程下进行了十次测试，统计数据显示：输入电流为 10–100 pA，转换误差<3.16%，线性误差<0.78%；输入电流为100 pA–10μA，转换误差<1.2%，线性误差<0.23%。表明输入电流越小，误差越大，主要由输入电流误差、运放和电路板材料漏电流及外界干扰造成。该仪器功耗小、稳定性好，满足束流监测实验需求，达到设计指标。

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

2 贺朝会, 耿 斌, 陈晓华, 等. 核电子学与探测技术,2000, 20(1): 40–42 HE Chaohui, GENG Bin, CHEN Xiaohua,et al. Nucl Electron Detect Technol, 2000, 20(1): 40–42

3 黄国庆, 叶恺容. 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, 杜应超, 胡 超, 等．强激光与粒子束, 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 华, 齐娟娟, 韩惠泉. 原子能科学技术, 1992, 26(6):77–79 HUO Hua, QI Juanjuan, HAN Huiquan. At Energy Sci Technol, 1992, 26(6): 77–79

6 刘鹏民, 莫德举, 洪 峰. 电测与仪表，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