数字电位器在核功率测量仪表中的应用研究

2015-07-26周治江中国核动力研究设计院成都610005

山东工业技术 2015年4期

关键词：电位器量程定值

葛　源,陆　星,周治江（中国核动力研究设计院,成都　610005）

数字电位器在核功率测量仪表中的应用研究

葛源,陆星,周治江
（中国核动力研究设计院,成都610005）

数字电位器是传统机械电位器的理想替代器件，有广阔的应用前景。本文主要探索数字电位器在反应堆核功率测量仪表前置放大电路中的应用。

数字电位器;核功率测量仪表;反应堆

1　引言

典型的反应堆核功率测量仪的前置放大电路通常由量程转换电路和定值电路组成，主要用于对来自核探测器的微弱电流信号进行转换放大。前置放大器主的量程转换电路和定值电路通常采用机械式电位器作为增益反馈电阻，以调整放大器的增益。机械电位器受固有缺陷的限制，容易引起核测仪表误触发停堆保护信号，影响反应堆正常运行。因此，研究在核功率测量仪表中使用数字电位器对提升仪表的测量性能有重要意义。

2　数字电位器的组成和原理

数字电位器一般由数字控制电路、存储器和RDAC电路组成。数字控制电路主要包括加/减计数器、译码电路、保存与恢复控制电路等，用于将输入的控制信号进行处理后控制RDAC电路。存储器主要用来存储控制信号和电位器的抽头位置，具有记忆功能。RDAC电路主要包括CMOS管开关电路和电阻网络，是一种特殊的数/模转换电路，转换后的模拟量是电阻值。

3　量程转换电路中数字电位器的应用

在测量中，核测仪表需对不同大小范围的探测器微弱电流信号进行识别和放大处理，因此在前置放大电路中需要对不同的量程进行转换，调整相应放大电路的增益，以适应多个量级内变化的电流（通常为10-11A～10-4A）信号测量。

前置放大器的量程转换电路原理图见图1。图中，虚线③左边为采用机械电位器方式，右边为采用数字电位器方式的T型网络电路；两种电位器构成的运算放大器反馈网络分别为虚线框①部分和虚线框②部分。其中，数字电位器采用总阻值1MΩ、2路输入三线接口型的AD 5222集成块，支持按键控制和单片机控制，并具有较高的分辨率0.39%（1/255），可以满足各量程档位的精度要求。利用数字电位器可使前置放大器的增益在0Ω～109Ω范围内变化，从而满足微弱电流信号测量的要求。而且电路结构简单，占用空间小，功耗也较小。

通过数字控制RDAC电路中的CMOS管开关按照先连接后断开的工作方式，即新的脉冲计数到达时，下一个CMOS管开关会立即响应该计数，原来的CMOS开关会保持到新开关闭合稳定之后才断开，从而保证了换挡时相邻挡位的衔接，防止前置放大器因输出饱和而产生的误触发。

4　细调定值电路中数字电位器的应用

核功率测量仪通过细调定值电路和粗调定值电路实现反应堆功率的监测与报警，其中，细条定值电路的变换范围相当于粗调定值电路的相邻档位的转换倍率。比如，为保证换档时的量程覆盖，HFETR某核测仪表的相邻两个粗调档位之间的转换倍率为2.5，要求细调定值电路的增益调节范围高于该数值。采用数字电位器的HFETR某核测仪表细调定值电路见图2。

图2中，虚线框内的②为采用按键控制的数字电位器AD 5220电路，其U/端由按键SET1控制，用于增/减计数。SET1的另两端接电源或地，接地时，实现减计数，使数字电位器的输出阻值减小；接电源时则相反。电位器AD 5220的CLK接收处理器或按键发出的脉冲控制信号，用于控制电位器的CMOS管开关。图2中CLK为采用按键式控制，每按一次S1即输出一个脉冲，由计数器选通开关后，该脉冲即触发相应的CMOS管开关接通，从而使电位器输出相应的电阻值。AD5220具有终端位限制功能，当电位器的电阻值到达最高值或最低值时，停止计数，避免因循环计数使电阻值在两个终端之间跳变。

为了满足量程覆盖的要求，数字电位器AD5220的总电阻取10kΩ，其中A1为最小电阻端（0Ω），B1为最大电阻端（10kΩ）。

（1）当A1端口有效时，电位器不参与反馈，定值电路的反馈电路增益为：

A=R16/R15=115kΩ/10kΩ=11.5

（2）当B1端口有效时，反馈电路是由R16、数字电位器总电阻和接地电阻R18构成的T型网络，反馈电阻为：

Rf=DCP+R16+DCP×R16/R18=(10 +115 +10×115/6.57)kΩ=300 kΩ

此时，定值电路的反馈电路增益为：A= Rf/R15=300//10=30。综上，定值电路的增益调节范围在11.5～30之间，档间转换倍率为2.6，从而保证了量程覆盖。