CN203643495U

CN203643495U - 自适应宽量程电流电压转换装置

Info

Publication number: CN203643495U
Application number: CN201320418220.7U
Authority: CN
Inventors: 佘乾顺; 苏弘; 千奕; 马晓利; 孔洁; 赵红赟; 牛晓阳
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2013-07-14
Filing date: 2013-07-14
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2023-07-14

Abstract

本实用新型涉及用于电流输出型探测器前端读出的一种自适应宽量程电流电压转换电路。其特点是包括分别与屏蔽输入的电流信号I_in连接的四路输入高速切换电路，每路输入高速切换电路依次与电流电压转换电路和输出高速切换电路串接后相互并联，然后与反相放大及电压跟随器相连，反相放大及电压跟随器输出的电压信号分为三路，一路为模拟电压输出，另外两路分别通过高速低阈甄别电路和高速高阈甄别电路接控制逻辑电路，控制逻辑电路发出四路档位控制信号对应控制四路输入高速切换电路及输出高速切换电路的切换。其实现了输入量程自动化识别与切换功能，电路工作稳定，转换精度高，抗干扰能力强，可实现高精度、低噪声、宽量程电流电压转换。

Description

自适应宽量程电流电压转换装置

技术领域

本实用新型涉及电流输出型探测器前端读出技术领域，尤其是涉及一种自适应宽量程电流电压转换电路。

背景技术

随着加速器技术的不断发展，为满足更多核物理及交叉学科的实验需求，加速器输出的能量范围越来越大，对束流品质的要求也越来越高。束流诊断是加速器***的关键环节之一，束诊探测器中包含了大量用于束流剖面监测、束晕监测及发射度监测的微弱电流输出型探测器，如用于剖面监测的分条电离室及多丝正比室，用于束晕及发射度测量的丝扫器等。目前束诊***相关电流输出型探测器的前端电子学通常采用阻抗转换法或积分转换法将电流转换成电压信号，而积分转换法转换出来的电压代表着某一段时间内的总电荷，实时性较差，因此对时效性要求较高的***均采用阻抗转换法，称为电流电压转换（IVC）。

针对不断变化的微弱电流信号，传统的、固定量程电流电压转换电路大部分具有2～3个数量级的实时处理能力，若遇到3个数量级以上的电流信号时，通常会超出***所能够处理的量程范围。常规处理方法是采取舍弃部分较小信号或较大信号的做法，或者人为的去更换不同量程的电子学***，这样大大降低了束流诊断***的精度及准确性，增加了调束时间，影响了加速器的利用率，浪费了大量的人力、财力和时间，同时由于需要工作人员到现场去更换设备，极易出现人员安全事故。因此传统的、固定量程电流电压转换电路很难满足高精度实验时的束诊要求。

发明内容

本实用新型的目的在于避免现有宽量程电流信号读出技术的实时性差，无法满足高精度实验需求的缺陷提供一种自适应宽量程电流电压转换装置，从而有效解决了现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：所述的自适应宽量程电流电压转换装置，其特点是包括分别与屏蔽输入的电流信号I_in连接的四路输入高速切换电路，每路输入高速切换电路依次与电流电压转换电路和输出高速切换电路串接后相互并联，然后与反相放大及电压跟随器相连，反相放大及电压跟随器输出的电压信号分为三路，反相放大及电压跟随器一路输出为模拟电压输出Vout，反相放大及电压跟随器另外两路输出分别通过高速低阈甄别电路和高速高阈甄别电路接控制逻辑电路，所述的电流电压转换电路包括四个档位区间，四路输入高速切换电路中每路输入高速切换电路与对应的输出高速切换电路的切换动作受控于控制逻辑电路。

所述的四路输入高速切换电路结构相同，四路输入高速切换电路中每路输入高速切换电路包括一个DMOS高速模拟开关、两个电阻和一个快速反相器，输入信号I_in与DMOS高速模拟开关的Source端连接，DMOS高速模拟开关的Body端接-5V电压，输入信号I_in由DMOS管的Source端进入，输入信号I_in在Gate端的控制下从Drain端输出，控制信号Ctrl1通过反相器B1后，与电阻R1和R2共同作用控制DMOS高速模拟开关的Gate端，当Ctrl1为低电平时，M1的Source端与Drain端导通，I_in信号从M1的Drain端输出，当Ctrl1为高电平时，M1的Source端与Drain端断开，这四个DMOS高速模拟开关在同一时刻有且只有一个导通，控制逻辑电路输出控制信号Ctrl1、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4经反相器后对应控制四个DMOS管Gate端，在同一时间这四个DMOS高速模拟开关只有一个导通，其它三个断开。

所述的电流电压转换电路包括四个档位区间，四路输入高速切换电路分别连对应的四档电流电压转换电路，四档电流电压转换电路输出端分别连接到对应的输出高速切换电路，四档电流电压转换电路结构相同，四档电流电压转换电路对应的输出高速切换电路结构相同，在同一时刻只有其中一路输出高速切换电路被控制为导通，其余三路高速切换电路全部被控制为断开，在***上电初始化时，控制逻辑电路输出的Ctrl4为低电平，Ctrl1、Ctrl2和Ctrl3为高电平，控制逻辑电路输出的控制信号Ctrl1、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4对应控制四档电流电压转换电路输出端的通断，实现电流电压转换输出与输入的对应选择；输出高速切换电路输出的电压信号输入至反相比例运算放大电路，将电压信号适当放大并反相；反相放大后的信号输入到电压跟随器，电压跟随器的作用在于增加输出驱动能力并隔离前后级电路。

所述的四档电流电压转换电路对应的输出高速切换电路结构相同，第一档电流电压转换电路对应的输出高速切换电路由两个DMOS高速开关M2、M3，两个电阻R6、R7，一个肖特基二极管D1和电容C1构成，其中电压信号从M3的Source端输入，M3的Body端接-5V电压，M3的Gate端连接到M2的Drain端并串接一个电阻R5，R5的另一端接+5V电压，M2的Gate端和Source端接-5V电压，在M2的Source端与Gate端接电阻R7和肖特基二极管D1，M2的Gate端串接一个电容C1后连接至控制逻辑电路的Ctrl1输出端；当Ctrl1为高电平时，M2导通，M3的Gate端电压为-5V，M3完全截止，M3的Source端电压无法从Drain端输出；当Ctrl1为低电平时，M2截止，M3的Gate端电压为+5V，M3导通，M3的Source端电压从Drain端输出。

所述的反相放大及电压跟随器包括由高速运算放大器U1和三个电阻R25、R26、R27组成的反相放大器电路以及由高速运算放大器U2构成的电压跟随器，输出高速切换电路输出的电压信号输入到反相放大器电路，从运放U1的反相端输入，将信号放大两倍，输出的电压范围为0～5V（或0～-5V）；反相放大器电路接电压跟随器，增加输出电压的驱动能力。

所述的反相放大及电压跟随器输出的电压信号分为三路，一路为模拟电压输出Vout，可直接进行模数转化；另外一路输入至由高速电压比较器U3和低阈基准电压V_{REF_L}组成的低阈甄别电路，Vout与设定的低阈电压V_REF-L比较，V_REF-L设定为40mV（或-40mV），当Vout电压小于设定的阈值电压V_REF-L时，则高速电压比较器U3输出信号S_L为高电平，当Vout电压大于此阈值电压时，则高速电压比较器输出信号S_L为低电平；还有一路输入至由高速电压比较器U4和高阈基准电压V_{REF_H}构成的高阈甄别电路，Vout与设定的高阈电压V_REF-H比较，V_REF-H设定为4.8V（或-4.8V），当Vout电压小于设定的阈值电压V_REF-H时，则高速电压比较器输出信号S_H为低电平，当Vout电压大于阈值电压V_REF-H时，则高速电压比较器输出信号S_H为高电平，这两个高速阈值甄别电路单次甄别时间小于10nS。

所述的控制逻辑电路采用大规模可编程逻辑器件，工作电压为+3.3V，工作时钟频率为100MHz，输入的信号包括低阈标识S_L，高阈标识S_H，输出的信号包括档位1切换控制信号Ctrl1、档位2切换控制信号Ctrl2、档位3切换控制信号Ctrl3和档位4切换控制信号Ctrl4。

所述的四档电流电压转换电路中第一档电流电压转换电路由低噪声高精度运放A1和三个电阻R3、R4及R5构成的T型电阻网络组成，通过调节R3、R4和R5的大小关系使电流电压转换第一档的转换增益为2.3×10⁹，电流从运放A1的反相端输入，运放A1的正相端接地，输入的电流信号在T型电阻网络上全部转换为电压信号输出，第一档电流电压转换电路将输入为10pA～1nA（或-10pA～-1nA）的电流信号实时转换为电压信号输出；第二档电流电压转换电路由低噪声高精度运放A2和三个电阻R10、R11及R12构成的T型电阻网络组成，通过调节R10、R11和R12的大小关系使电流电压转换第二档的转换增益为2.3×10⁷，第二档电流电压转换电路将输入为1nA～100nA（-1nA～-100nA）的电流信号实时转换为电压信号输出；第三档电流电压转换电路由低噪声高精度运放A3和电阻R17组成，通过调节R17使电流电压转换第三档的转换增益为2.3×10⁵，第三档电流电压转换电路将输入为100nA～10uA（-100nA～-10uA）的电流信号实时转换为电压信号输出；第四档电流电压转换电路由低噪声高精度运放A4和电阻R22组成，通过调节R22使电流电压转换第四档的转换增益为2.3×10³，第四档电流电压转换电路将输入为10uA～1mA（-10uA～-1mA）的电流信号实时转换为电压信号输出；四档电流电压转换电路转换出来的电压范围为0～2.5V（或0～-2.5V），在同一时刻只有其中一档电流电压转换电路处于工作状态，其余三档电流电压转换电路的输入端与输出端都断开，电流电压转换出来的电压信号接到输出高速切换电路，四个输出高速切换电路与四个输入高速切换电路一一对应。

采用上述的技术方案，本实用新型的有益效果为：所述的自适应宽量程电流电压转换装置，其能够实时处理输入范围为10pA～1mA（或-10pA～-1mA）跨8个数量级并连续变化的频率不大于1kHz的电流信号，共包含四个档位，每个档位能够处理2个数量级的输入信号，并且能自动识别输入信号所在档位区间，单次识别与切换时间小于100nS。输出电压信号范围为0～4.8V（或0～-4.8V）。具有较高的灵敏度和大动态范围及良好的线性，从而为加速器束流诊断、核物理、粒子物理研究及其它相关领域中的宽量程弱小电流信号处理，提供快速、简单、可靠的方法与手段。其提高了***实时处理信号的能力，实现了输入量程自动化识别与切换功能，在束诊***和核物理实验中的宽量程弱小电流信号实时获取***中具有较大的实用性和优越性。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理方框图；

图2为本实用新型的电路图；

图3为本实用新型的时序图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1至3所示，所述的自适应宽量程电流电压转换装置，其特点是包括分别与屏蔽输入的电流信号I_in连接的四路输入高速切换电路，每路输入高速切换电路依次与电流电压转换电路和输出高速切换电路串接后相互并联，然后与反相放大及电压跟随器相连，反相放大及电压跟随器输出的电压信号分为三路，反相放大及电压跟随器一路输出为模拟电压输出Vout，反相放大及电压跟随器另外两路输出分别通过高速低阈甄别电路和高速高阈甄别电路接控制逻辑电路，所述的电流电压转换电路包括四个档位区间，四路输入高速切换电路中每路输入高速切换电路与对应的输出高速切换电路的切换动作受控于控制逻辑电路。

所述的四档电流电压转换电路中第一档电流电压转换电路由低噪声高精度运放A1和三个电阻R3、R4及R5构成的T型电阻网络组成，通过调节R3、R4和R5的大小关系使电流电压转换第一档的转换增益为2.3×10⁹，电流从运放A1的反相端输入，运放A1的正相端接地，输入的电流信号在T型电阻网络上全部转换为电压信号输出，第一档电流电压转换电路将输入为10pA～1nA（或-10pA～-1nA）的电流信号实时转换为电压信号输出；第二档电流电压转换电路由低噪声高精度运放A2和三个电阻R10、R11及R12构成的T型电阻网络组成，通过调节R10、R11和R12的大小关系使电流电压转换第二档的转换增益为2.3×10⁷，第二档电流电压转换电路将输入为1nA～100nA（-1nA～-100nA）的电流信号实时转换为电压信号输出；第三档电流电压转换电路由低噪声高精度运放A3和电阻R17组成，通过调节R17使电流电压转换第三档的转换增益为2.3×10⁵，第三档电流电压转换电路将输入为100nA～10uA（-100nA～-10uA）的电流信号实时转换为电压信号输出；第四档电流电压转换电路由低噪声高精度运放A4和电阻R22组成，通过调节R22使电流电压转换3档的转换增益为2.3×10³，第四档电流电压转换电路将输入为10uA～1mA（-10uA～-1mA）的电流信号实时转换为电压信号输出；四档电流电压转换电路转换出来的电压范围为0～2.5V（或0～-2.5V），在同一时刻只有其中一档电流电压转换电路处于工作状态，其余三档电流电压转换电路的输入端与输出端都断开，电流电压转换出来的电压信号接到输出高速切换电路，四个输出高速切换电路与四个输入高速切换电路一一对应。

所述的自适应宽量程电流电压转换装置，可以实时处理连续变化的频率不大于1kHz、输入范围为10pA～1mA（或-10pA～-1mA）跨8个数量级的电流信号；共包含四个档位，每个档位能够处理2个数量级的输入信号，并且能自动识别输入信号所在档位区间，单次识别与切换时间小于100nS；输出电压信号范围为0～4.8V（或0～-4.8V）；电路安装在密闭屏蔽盒中，测试其积分非线性误差小于0.9%；电路工作稳定，转换精度高，抗干扰能力强。实现了自适应宽量程电流电压转换、快速自适用识别和高速档位切换，具有较高的灵敏度、大动态范围及良好的线性，可将频率不大于1kHz并在8个数量级范围内连续变化的电流信号实时转换成可直接采集的电压信号，提高了***实时处理信号的能力，为束诊和核物理实验***中的宽量程电流输出型探测器信号的读出提供了一种简单有效的新方法。

本实用新型的一种自适应宽量程电流电压转换电路的工作过程：电路上电复位时，Ctrl4设为低电平，Ctrl1、Ctrl2和Ctrl3为高电平，为了减少误差，Ctrl4的低电平时间必须大于60nS，因此本电路中设定为100nS，控制逻辑电路在等待90nS时（Ctrl4还处于低电平状态）读取S_L和S_H信号的状态。如果S_L为高电平，S_H为低电平，则控制逻辑电路输出的Ctrl3为低电平，Ctrl1、Ctrl2和Ctrl4为高电平；如果S_L为低电平，S_H为高电平，或者S_L为低电平，S_H为低电平，则控制逻辑电路输出的Ctrl1、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4继续保持原状态。在Ctrl3为低电平之后，同样设定其高电平时间为100nS，控制逻辑电路等待90nS后读取S_L和S_H信号的状态。如果S_L为高电平，S_H为低电平，则控制逻辑电路输出的Ctrl2为低电平，Ctrl1、Ctrl3和Ctrl4为高电平；如果S_L为低电平，S_H为高电平，则控制逻辑电路输出的Ctrl4为低电平，Ctrl1、Ctrl2和Ctrl3为高电平；如果S_L为低电平，S_H也为低电平，则控制逻辑电路输出的Ctrl1、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4继续保持原状态。在Ctrl2为低电平之后，同样设定其高电平时间为100nS，控制逻辑电路等待90nS后读取S_L和S_H信号的状态。如果S_L为高电平，S_H为低电平，则控制逻辑电路输出的Ctrl1为低电平，Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4为高电平；如果S_L为低电平，S_H为高电平，则控制逻辑电路输出的Ctrl3为低电平，Ctrl1、Ctrl2和Ctrl4为高电平；如果S_L为低电平，S_H为低电平，则控制逻辑电路输出的Ctrl1、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4继续保持原状态。在Ctrl1为高电平之后，同样设定其高电平时间为100nS，控制逻辑电路等待90nS后读取S_L和S_H信号的状态。如果S_L为高电平，S_H为低电平，或者S_L为低电平，S_H也为低电平，则控制逻辑电路输出的Ctrl1、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4继续保持原状态；如果S_L为低电平，S_H为高电平，则控制逻辑电路输出的Ctrl2为低电平，Ctrl1、Ctrl3和Ctrl4为高电平。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种自适应宽量程电流电压转换装置，其特征是包括分别与屏蔽输入的电流信号I_in连接的四路输入高速切换电路，每路输入高速切换电路依次与电流电压转换电路和输出高速切换电路串接后相互并联，然后与反相放大及电压跟随器相连，反相放大及电压跟随器输出的电压信号分为三路，一路为模拟电压输出Vout，另外两路分别通过高速低阈甄别电路和高速高阈甄别电路接控制逻辑电路，所述的电流电压转换电路包括四个档位区间，四个档位中每路输入高速切换电路与对应的输出高速切换电路的切换动作受控于控制逻辑电路。

2.如权利要求1所述的自适应宽量程电流电压转换装置，其特征在于：所述的四路输入高速切换电路结构相同，四路输入高速切换电路中每路输入高速切换电路包括一个DMOS高速模拟开关、两个电阻和一个快速反相器，输入信号I_in与DMOS高速模拟开关的Source端连接，DMOS高速模拟开关的Body端接-5V电压，输入信号I_in由DMOS管的Source端进入，输入信号I_in在Gate端的控制下从Drain端输出，控制信号Ctrl1通过反相器B1后，与电阻R1和R2共同作用控制DMOS高速模拟开关的Gate端，当Ctrl1为低电平时，M1的Source端与Drain端导通，I_in信号从M1的Drain端输出，当Ctrl1为高电平时，M1的Source端与Drain端断开，控制逻辑电路输出控制信号Ctrl1、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4经反相器后对应控制四个DMOS管的Gate端，在同一时间这四个DMOS高速模拟开关只有一个导通，其它三个断开。

3.如权利要求1所述的自适应宽量程电流电压转换装置，其特征在于：所述的电流电压转换电路包括四个档位区间，四路输入高速切换电路分别连接对应的四档电流电压转换电路，四档电流电压转换电路输出端分别连接到对应的输出高速切换电路，四档电流电压转换电路结构相同，四档电流电压转换电路对应的输出高速切换电路结构相同，在同一时刻只有其中一路输出高速切换电路被控制为导通，其余三路高速切换电路全部被控制为断开，在***上电初始化时，控制逻辑电路输出的Ctrl4为低电平，Ctrl1、Ctrl2和Ctrl3为高电平，控制逻辑电路输出的控制信号Ctrl1、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4对应控制四档电流电压转换电路输出端的通断，实现电流电压转换输出与输入的对应选择；输出高速切换电路输出的电压信号输入至反相比例运算放大电路，将电压信号适当放大并反相；反相放大后的信号输入到电压跟随器，电压跟随器的作用在于增加输出驱动能力并隔离前后级电路。

4.如权利要求3所述的自适应宽量程电流电压转换装置，其特征在于：所述的四档电流电压转换电路对应的输出高速切换电路结构相同，第一档电流电压转换电路对应的输出高速切换电路由两个DMOS高速开关M2、M3，两个电阻R6、R7，一个肖特基二极管D1和电容C1构成，其中电压信号从M3的Source端输入，M3的Body端接-5V电压，M3的Gate端连接到M2的Drain端并串接一个电阻R5，R5的另一端接+5V电压，M2的Gate端和Source端接-5V电压，在M2的Source端与Gate端接电阻R7和肖特基二极管D1，M2的Gate端串接一个电容C1后连接至控制逻辑电路的Ctrl1输出端；当Ctrl1为高电平时，M2导通，M3的Gate端电压为-5V， M3完全截止，M3的Source端电压无法从Drain端输出；当Ctrl1为低电平时，M2截止，M3的Gate端电压为+5V，M3导通，M3的Source端电压从Drain端输出。

5.如权利要求1所述的自适应宽量程电流电压转换装置，其特征在于：所述的反相放大及电压跟随器包括由高速运算放大器U1和三个电阻R25、R26、R27组成的反相放大器电路以及由高速运算放大器U2构成的电压跟随器，输出高速切换电路输出的电压信号输入到反相放大器电路，从运放U1的反相端输入，将信号放大两倍，输出的电压范围为0～5V或0～-5V；反相放大器电路接电压跟随器，增加输出电压的驱动能力。

6.如权利要求1所述的自适应宽量程电流电压转换装置，其特征在于：所述的反相放大及电压跟随器输出的电压信号分为三路，一路为模拟电压输出Vout，可直接进行模数转化；另外一路输入至由高速电压比较器U3和低阈基准电压V_{REF_L}组成的低阈甄别电路，Vout与设定的低阈电压V_REF-L比较，V_REF-L设定为40mV或-40mV，当Vout电压小于设定的阈值电压V_REF-L时，则高速电压比较器U3输出信号S_L为高电平，当Vout电压大于此阈值电压时，则高速电压比较器输出信号S_L为低电平；还有一路输入至由高速电压比较器U4和高阈基准电压V_{REF_H}构成的高阈甄别电路，Vout与设定的高阈电压V_REF-H比较，V_REF-H设定为4.8V或-4.8V，当Vout电压小于设定的阈值电压V_REF-H时，则高速电压比较器输出信号S_H为低电平，当Vout电压大于阈值电压V_REF-H时，则高速电压比较器输出信号S_H为高电平，这两个高速阈值甄别电路单次甄别时间小于10nS。

7.如权利要求1所述的自适应宽量程电流电压转换装置，其特征在于：所述的控制逻辑电路采用大规模可编程逻辑器件，工作电压为+3.3V，工作时钟频率为100MHz，输入的信号包括低阈标识S_L，高阈标识S_H，输出的信号包括档位1切换控制信号Ctrl1、档位2切换控制信号Ctrl2、档位3切换控制信号Ctrl3和档位4切换控制信号Ctrl4。

8.如权利要求3或4所述的自适应宽量程电流电压转换装置，其特征在于：所述的四档电流电压转换电路中第一档电流电压转换电路由低噪声高精度运放A1和三个电阻R3、R4及R5构成的T型电阻网络组成，通过调节R3、R4和R5的大小关系使电流电压转换第一档的转换增益为2.3×10⁹，电流从运放A1的反相端输入，运放A1的正相端接地，输入的电流信号在T型电阻网络上全部转换为电压信号输出，第一档电流电压转换电路将输入为10pA～1nA或-10pA～-1nA的电流信号实时转换为电压信号输出；第二档电流电压转换电路由低噪声高精度运放A2和三个电阻R10、R11及R12构成的T型电阻网络组成，通过调节R10、R11和R12的大小关系使电流电压转换第二档的转换增益为2.3×10⁷，第二档电流电压转换电路将输入为1nA～100nA或-1nA～-100nA的电流信号实时转换为电压信号输出；第三档电流电压转换电路由低噪声高精度运放A3和电阻R17组成，通过调节R17使电流电压转换第三档的转换增益为2.3×10⁵，第三档电流电压转换电路将输入为100nA～10uA或-100nA～-10uA的电流信号实时转换为电压信号输出；第四档电流电压转换电路由低噪声高精度运放A4和电阻R22组成，通过调节R22使电流电压转换第四档的转换增益为2.3×10³，第四档电流电压转换电路将输入为10uA～1mA 或-10uA～-1mA的电流信号实时转换为电压信号输出；四档电流电压转换电路转换出来的电压范围为0～2.5V或0～-2.5V，在同一时刻只有其中一档电流电压转换电路处于工作状态，其余三档电流电压转换电路的输入端与输出端都断开，电流电压转换出来的电压信号接到输出高速切换电路，四个输出高速切换电路与四个输入高速切换电路一一对应。