四路低本底αβ测量仪电路设计

邵建辉 刘海侠 乔海鹏 魏星 孙涛 李崇伟

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。本文网络版地址：http：//www.eepw.com. cn/article/164393.htm

关键词：低本底；αβ；CPLD；MCU

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.014

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。

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 CORTEXM3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