自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及用于電流輸出型探測器前端讀出的一種自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換電路。其特點(diǎn)是包括分別與屏蔽輸入的電流信號Iin連接的四路輸入高速切換電路，每路輸入高速切換電路依次與電流電壓轉(zhuǎn)換電路和輸出高速切換電路串接后相互并聯(lián)，然后與反相放大及電壓跟隨器相連，反相放大及電壓跟隨器輸出的電壓信號分為三路，一路為模擬電壓輸出，另外兩路分別通過高速低閾甄別電路和高速高閾甄別電路接控制邏輯電路，控制邏輯電路發(fā)出四路檔位控制信號對應(yīng)控制四路輸入高速切換電路及輸出高速切換電路的切換。其實(shí)現(xiàn)了輸入量程自動化識別與切換功能，電路工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)高精度、低噪聲、寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換。
【專利說明】自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電流輸出型探測器前端讀出【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換電路。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著加速器技術(shù)的不斷發(fā)展，為滿足更多核物理及交叉學(xué)科的實(shí)驗(yàn)需求，加速器輸出的能量范圍越來越大，對束流品質(zhì)的要求也越來越高。束流診斷是加速器系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，束診探測器中包含了大量用于束流剖面監(jiān)測、束暈監(jiān)測及發(fā)射度監(jiān)測的微弱電流輸出型探測器，如用于剖面監(jiān)測的分條電離室及多絲正比室，用于束暈及發(fā)射度測量的絲掃器等。目前束診系統(tǒng)相關(guān)電流輸出型探測器的前端電子學(xué)通常采用阻抗轉(zhuǎn)換法或積分轉(zhuǎn)換法將電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，而積分轉(zhuǎn)換法轉(zhuǎn)換出來的電壓代表著某一段時(shí)間內(nèi)的總電荷，實(shí)時(shí)性較差，因此對時(shí)效性要求較高的系統(tǒng)均采用阻抗轉(zhuǎn)換法，稱為電流電壓轉(zhuǎn)換(IVC)0
[0003]針對不斷變化的微弱電流信號，傳統(tǒng)的、固定量程電流電壓轉(zhuǎn)換電路大部分具有2?3個(gè)數(shù)量級的實(shí)時(shí)處理能力，若遇到3個(gè)數(shù)量級以上的電流信號時(shí)，通常會超出系統(tǒng)所能夠處理的量程范圍。常規(guī)處理方法是采取舍棄部分較小信號或較大信號的做法，或者人為的去更換不同量程的電子學(xué)系統(tǒng)，這樣大大降低了束流診斷系統(tǒng)的精度及準(zhǔn)確性，增加了調(diào)束時(shí)間，影響了加速器的利用率，浪費(fèi)了大量的人力、財(cái)力和時(shí)間，同時(shí)由于需要工作人員到現(xiàn)場去更換設(shè)備，極易出現(xiàn)人員安全事故。因此傳統(tǒng)的、固定量程電流電壓轉(zhuǎn)換電路很難滿足高精度實(shí)驗(yàn)時(shí)的束診要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的在于避免現(xiàn)有寬量程電流信號讀出技術(shù)的實(shí)時(shí)性差，無法滿足高精度實(shí)驗(yàn)需求的缺陷提供一種自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置，從而有效解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為:所述的自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特點(diǎn)是包括分別與屏蔽輸入的電流信號Iin連接的四路輸入高速切換電路，每路輸入高速切換電路依次與電流電壓轉(zhuǎn)換電路和輸出高速切換電路串接后相互并聯(lián)，然后與反相放大及電壓跟隨器相連，反相放大及電壓跟隨器輸出的電壓信號分為三路，反相放大及電壓跟隨器一路輸出為模擬電壓輸出Vout，反相放大及電壓跟隨器另外兩路輸出分別通過高速低閾甄別電路和高速高閾甄別電路接控制邏輯電路，所述的電流電壓轉(zhuǎn)換電路包括四個(gè)檔位區(qū)間，四路輸入高速切換電路中每路輸入高速切換電路與對應(yīng)的輸出高速切換電路的切換動作受控于控制邏輯電路。
[0006]所述的四路輸入聞速切換電路結(jié)構(gòu)相同，四路輸入聞速切換電路中每路輸入聞速切換電路包括一個(gè)DMOS高速模擬開關(guān)、兩個(gè)電阻和一個(gè)快速反相器，輸入信號Iin與DMOS高速模擬開關(guān)的Source端連接，DMOS高速模擬開關(guān)的Body端接-5V電壓，輸入信號Iin由DMOS管的Source端進(jìn)入，輸入信號Iin在Gate端的控制下從Drain端輸出，控制信號Ctrll通過反相器BI后，與電阻Rl和R2共同作用控制DMOS高速模擬開關(guān)的Gate端，當(dāng)Ctrll為低電平時(shí)，Ml的Source端與Drain端導(dǎo)通，Iin信號從Ml的Drain端輸出，當(dāng)Ctrll為高電平時(shí)，Ml的Source端與Drain端斷開，這四個(gè)DMOS高速模擬開關(guān)在同一時(shí)刻有且只有一個(gè)導(dǎo)通，控制邏輯電路輸出控制信號Ctrll、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4經(jīng)反相器后對應(yīng)控制四個(gè)DMOS管Gate端，在同一時(shí)間這四個(gè)DMOS高速模擬開關(guān)只有一個(gè)導(dǎo)通，其它三個(gè)斷開。
[0007]所述的電流電壓轉(zhuǎn)換電路包括四個(gè)檔位區(qū)間，四路輸入高速切換電路分別連對應(yīng)的四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路，四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出端分別連接到對應(yīng)的輸出高速切換電路，四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)相同，四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)的輸出高速切換電路結(jié)構(gòu)相同，在同一時(shí)刻只有其中一路輸出高速切換電路被控制為導(dǎo)通，其余三路高速切換電路全部被控制為斷開，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，控制邏輯電路輸出的Ctrl4為低電平，CtrlU Ctrl2和Ctrl3為高電平，控制邏輯電路輸出的控制信號Ctrll、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4對應(yīng)控制四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出端的通斷，實(shí)現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換輸出與輸入的對應(yīng)選擇；輸出高速切換電路輸出的電壓信號輸入至反相比例運(yùn)算放大電路，將電壓信號適當(dāng)放大并反相；反相放大后的信號輸入到電壓跟隨器，電壓跟隨器的作用在于增加輸出驅(qū)動能力并隔尚如后級電路。
[0008]所述的四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)的輸出高速切換電路結(jié)構(gòu)相同，第一檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)的輸出高速切換電路由兩個(gè)DMOS高速開關(guān)M2、M3，兩個(gè)電阻R6、R7，一個(gè)肖特基二極管Dl和電容Cl構(gòu)成，其中電壓信號從M3的Source端輸入，M3的Body端接-5V電壓，M3的Gate端連接到M2的Drain端并串接一個(gè)電阻R5，R5的另一端接+5V電壓，M2的Gate端和Source端接-5V電壓,在M2的Source端與Gate端接電阻R7和肖特基二極管Dl, M2的Gate端串接一個(gè)電容Cl后連接至控制邏輯電路的Ctrll輸出端；當(dāng)Ctrll為高電平時(shí),M2導(dǎo)通,M3的Gate端電壓為-5V, M3完全截止，M3的Source端電壓無法從Drain端輸出；當(dāng)Ctrll為低電平時(shí)，M2截止，M3的Gate端電壓為+5V，M3導(dǎo)通，M3的Source端電壓從Drain端輸出。
[0009]所述的反相放大及電壓跟隨器包括由高速運(yùn)算放大器Ul和三個(gè)電阻R25、R26、R27組成的反相放大器電路以及由高速運(yùn)算放大器U2構(gòu)成的電壓跟隨器，輸出高速切換電路輸出的電壓信號輸入到反相放大器電路，從運(yùn)放Ul的反相端輸入,將信號放大兩倍，輸出的電壓范圍為O?5V (或O?-5V);反相放大器電路接電壓跟隨器，增加輸出電壓的驅(qū)動能力。
[0010]所述的反相放大及電壓跟隨器輸出的電壓信號分為三路，一路為模擬電壓輸出Vout，可直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化；另外一路輸入至由高速電壓比較器U3和低閾基準(zhǔn)電壓VKEFj組成的低閾甄別電路，Vout與設(shè)定的低閾電壓Vkef_l比較，Vkef_l設(shè)定為40mV(或-40mV)，當(dāng)Vout電壓小于設(shè)定的閾值電壓Vkef+時(shí)，則高速電壓比較器U3輸出信號&為高電平，當(dāng)Vout電壓大于此閾值電壓時(shí)，則高速電壓比較器輸出信號&為低電平；還有一路輸入至由高速電壓比較器U4和高閾基準(zhǔn)電壓Vkef H構(gòu)成的高閾甄別電路，Vout與設(shè)定的高閾電壓VKEF_H比較，VKEF_H設(shè)定為4.8V (或-4.8V)，當(dāng)Vout電壓小于設(shè)定的閾值電壓VKEF_H時(shí)，則高速電壓比較器輸出信號Sh為低電平，當(dāng)Vout電壓大于閾值電壓VKEF_H時(shí),貝U高速電壓比較器輸出信號Sh為高電平，這兩個(gè)高速閾值甄別電路單次甄別時(shí)間小于10nS。
[0011]所述的控制邏輯電路采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，工作電壓為+3.3V，工作時(shí)鐘頻率為IOOMHz,輸入的信號包括低閾標(biāo)識Slj,高閾標(biāo)識Sh,輸出的信號包括檔位I切換控制信號Ctrll、檔位2切換控制信號Ctrl2、檔位3切換控制信號Ctrl3和檔位4切換控制信號Ctrl40
[0012]所述的四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路中第一檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路由低噪聲高精度運(yùn)放Al和三個(gè)電阻R3、R4及R5構(gòu)成的T型電阻網(wǎng)絡(luò)組成，通過調(diào)節(jié)R3、R4和R5的大小關(guān)系使電流電壓轉(zhuǎn)換第一檔的轉(zhuǎn)換增益為2.3X109,電流從運(yùn)放Al的反相端輸入，運(yùn)放Al的正相端接地，輸入的電流信號在T型電阻網(wǎng)絡(luò)上全部轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，第一檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入為IOpA?InA(或-1OpA?-1nA)的電流信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；第二檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路由低噪聲高精度運(yùn)放A2和三個(gè)電阻RlO、Rl I及Rl2構(gòu)成的T型電阻網(wǎng)絡(luò)組成，通過調(diào)節(jié)R10、R11和R12的大小關(guān)系使電流電壓轉(zhuǎn)換第二檔的轉(zhuǎn)換增益為2.3 X IO7,第二檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入為InA?IOOnA (-1nA?-1OOnA)的電流信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；第三檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路由低噪聲高精度運(yùn)放A3和電阻R17組成，通過調(diào)節(jié)R17使電流電壓轉(zhuǎn)換第三檔的轉(zhuǎn)換增益為2.3 X 105，第三檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入為IOOnA?10uA(-100nA?-1OuA)的電流信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；第四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路由低噪聲高精度運(yùn)放A4和電阻R22組成，通過調(diào)節(jié)R22使電流電壓轉(zhuǎn)換第四檔的轉(zhuǎn)換增益為2.3 X 103，第四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入為IOuA?ImA (-1OuA?-1mA)的電流信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換出來的電壓范圍為O?2.5V(或O?-2.5V)，在同一時(shí)刻只有其中一檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路處于工作狀態(tài)，其余三檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端與輸出端都斷開，電流電壓轉(zhuǎn)換出來的電壓信號接到輸出高速切換電路，四個(gè)輸出高速切換電路與四個(gè)輸入高速切換電路一一對應(yīng)。
[0013]采用上述的技術(shù)方案，本實(shí)用新型的有益效果為:所述的自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置，其能夠?qū)崟r(shí)處理輸入范圍為IOpA?ImA (或-1OpA?-1mA)跨8個(gè)數(shù)量級并連續(xù)變化的頻率不大于IkHz的電流信號，共包含四個(gè)檔位，每個(gè)檔位能夠處理2個(gè)數(shù)量級的輸入信號，并且能自動識別輸入信號所在檔位區(qū)間，單次識別與切換時(shí)間小于100nS。輸出電壓信號范圍為O?4.8V (或O?-4.8V)。具有較高的靈敏度和大動態(tài)范圍及良好的線性，從而為加速器束流診斷、核物理、粒子物理研究及其它相關(guān)領(lǐng)域中的寬量程弱小電流信號處理，提供快速、簡單、可靠的方法與手段。其提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理信號的能力，實(shí)現(xiàn)了輸入量程自動化識別與切換功能，在束診系統(tǒng)和核物理實(shí)驗(yàn)中的寬量程弱小電流信號實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)中具有較大的實(shí)用性和優(yōu)越性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本實(shí)用新型的電路原理方框圖；
[0015]圖2為本實(shí)用新型的電路圖；
[0016]圖3為本實(shí)用新型的時(shí)序圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本實(shí)用新型，并非用于限定本實(shí)用新型的范圍。
[0018]如圖1至3所示，所述的自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特點(diǎn)是包括分別與屏蔽輸入的電流信號Iin連接的四路輸入高速切換電路，每路輸入高速切換電路依次與電流電壓轉(zhuǎn)換電路和輸出高速切換電路串接后相互并聯(lián)，然后與反相放大及電壓跟隨器相連，反相放大及電壓跟隨器輸出的電壓信號分為三路，反相放大及電壓跟隨器一路輸出為模擬電壓輸出Vout，反相放大及電壓跟隨器另外兩路輸出分別通過高速低閾甄別電路和高速高閾甄別電路接控制邏輯電路，所述的電流電壓轉(zhuǎn)換電路包括四個(gè)檔位區(qū)間，四路輸入高速切換電路中每路輸入高速切換電路與對應(yīng)的輸出高速切換電路的切換動作受控于控制邏輯電路。
[0019]所述的四路輸入聞速切換電路結(jié)構(gòu)相同，四路輸入聞速切換電路中每路輸入聞速切換電路包括一個(gè)DMOS高速模擬開關(guān)、兩個(gè)電阻和一個(gè)快速反相器，輸入信號Iin與DMOS高速模擬開關(guān)的Source端連接，DMOS高速模擬開關(guān)的Body端接-5V電壓，輸入信號Iin由DMOS管的Source端進(jìn)入，輸入信號Iin在Gate端的控制下從Drain端輸出，控制信號Ctrll通過反相器BI后，與電阻Rl和R2共同作用控制DMOS高速模擬開關(guān)的Gate端，當(dāng)Ctrll為低電平時(shí)，Ml的Source端與Drain端導(dǎo)通，Iin信號從Ml的Drain端輸出，當(dāng)Ctrll為高電平時(shí)，Ml的Source端與Drain端斷開，這四個(gè)DMOS高速模擬開關(guān)在同一時(shí)刻有且只有一個(gè)導(dǎo)通，控制邏輯電路輸出控制信號Ctrll、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4經(jīng)反相器后對應(yīng)控制四個(gè)DMOS管Gate端，在同一時(shí)間這四個(gè)DMOS高速模擬開關(guān)只有一個(gè)導(dǎo)通，其它三個(gè)斷開。
[0020]所述的電流電壓轉(zhuǎn)換電路包括四個(gè)檔位區(qū)間，四路輸入高速切換電路分別連對應(yīng)的四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路，四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出端分別連接到對應(yīng)的輸出高速切換電路，四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)相同，四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)的輸出高速切換電路結(jié)構(gòu)相同，在同一時(shí)刻只有其中一路輸出高速切換電路被控制為導(dǎo)通，其余三路高速切換電路全部被控制為斷開，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，控制邏輯電路輸出的Ctrl4為低電平，CtrlU Ctrl2和Ctrl3為高電平，控制邏輯電路輸出的控制信號Ctrll、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4對應(yīng)控制四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出端的通斷，實(shí)現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換輸出與輸入的對應(yīng)選擇；輸出高速切換電路輸出的電壓信號輸入至反相比例運(yùn)算放大電路，將電壓信號適當(dāng)放大并反相；反相放大后的信號輸入到電壓跟隨器，電壓跟隨器的作用在于增加輸出驅(qū)動能力并隔尚如后級電路。
[0021]所述的四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)的輸出高速切換電路結(jié)構(gòu)相同，第一檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)的輸出高速切換電路由兩個(gè)DMOS高速開關(guān)M2、M3，兩個(gè)電阻R6、R7，一個(gè)肖特基二極管Dl和電容Cl構(gòu)成，其中電壓信號從M3的Source端輸入，M3的Body端接-5V電壓，M3的Gate端連接到M2的Drain端并串接一個(gè)電阻R5，R5的另一端接+5V電壓，M2的Gate端和Source端接-5V電壓,在M2的Source端與Gate端接電阻R7和肖特基二極管Dl, M2的Gate端串接一個(gè)電容Cl后連接至控制邏輯電路的Ctrll輸出端；當(dāng)Ctrll為高電平時(shí),M2導(dǎo)通,M3的Gate端電壓為-5V, M3完全截止，M3的Source端電壓無法從Drain端輸出；當(dāng)Ctrll為低電平時(shí)，M2截止，M3的Gate端電壓為+5V，M3導(dǎo)通，M3的Source端電壓從Drain端輸出。
[0022]所述的反相放大及電壓跟隨器包括由高速運(yùn)算放大器Ul和三個(gè)電阻R25、R26、R27組成的反相放大器電路以及由高速運(yùn)算放大器U2構(gòu)成的電壓跟隨器，輸出高速切換電路輸出的電壓信號輸入到反相放大器電路，從運(yùn)放Ul的反相端輸入,將信號放大兩倍，輸出的電壓范圍為O?5V (或O?-5V);反相放大器電路接電壓跟隨器，增加輸出電壓的驅(qū)動能力。
[0023]所述的反相放大及電壓跟隨器輸出的電壓信號分為三路，一路為模擬電壓輸出Vout，可直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化；另外一路輸入至由高速電壓比較器U3和低閾基準(zhǔn)電壓VKEFj組成的低閾甄別電路，Vout與設(shè)定的低閾電壓Vkef_l比較，Vkef_l設(shè)定為40mV(或-40mV)，當(dāng)Vout電壓小于設(shè)定的閾值電壓Vkef+時(shí)，則高速電壓比較器U3輸出信號&為高電平，當(dāng)Vout電壓大于此閾值電壓時(shí)，則高速電壓比較器輸出信號&為低電平；還有一路輸入至由高速電壓比較器U4和高閾基準(zhǔn)電壓Vkef H構(gòu)成的高閾甄別電路，Vout與設(shè)定的高閾電壓VKEF_H比較，VKEF_H設(shè)定為4.8V (或-4.8V)，當(dāng)Vout電壓小于設(shè)定的閾值電壓VKEF_H時(shí)，則高速電壓比較器輸出信號Sh為低電平，當(dāng)Vout電壓大于閾值電壓VKEF_H時(shí),貝U高速電壓比較器輸出信號Sh為高電平，這兩個(gè)高速閾值甄別電路單次甄別時(shí)間小于10nS。
[0024]所述的控制邏輯電路采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，工作電壓為+3.3V，工作時(shí)鐘頻率為IOOMHz,輸入的信號包括低閾標(biāo)識Slj,高閾標(biāo)識Sh,輸出的信號包括檔位I切換控制信號Ctrll、檔位2切換控制信號Ctrl2、檔位3切換控制信號Ctrl3和檔位4切換控制信號Ctrl40
[0025]所述的四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路中第一檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路由低噪聲高精度運(yùn)放Al和三個(gè)電阻R3、R4及R5構(gòu)成的T型電阻網(wǎng)絡(luò)組成，通過調(diào)節(jié)R3、R4和R5的大小關(guān)系使電流電壓轉(zhuǎn)換第一檔的轉(zhuǎn)換增益為2.3X109，電流從運(yùn)放Al的反相端輸入，運(yùn)放Al的正相端接地，輸入的電流信號在T型電阻網(wǎng)絡(luò)上全部轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，第一檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入為IOpA?InA (或-1OpA?-1nA)的電流信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；第二檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路由低噪聲高精度運(yùn)放A2和三個(gè)電阻RIO、Rll及R12構(gòu)成的T型電阻網(wǎng)絡(luò)組成，通過調(diào)節(jié)RIO、Rll和R12的大小關(guān)系使電流電壓轉(zhuǎn)換第二檔的轉(zhuǎn)換增益為2.3 X 107，第二檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入為InA?IOOnA (-1nA?-1OOnA)的電流信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；第三檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路由低噪聲高精度運(yùn)放A3和電阻R17組成，通過調(diào)節(jié)R17使電流電壓轉(zhuǎn)換第三檔的轉(zhuǎn)換增益為2.3X105，第三檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入為IOOnA?10uA(-100nA?-1OuA)的電流信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；第四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路由低噪聲高精度運(yùn)放A4和電阻R22組成，通過調(diào)節(jié)R22使電流電壓轉(zhuǎn)換3檔的轉(zhuǎn)換增益為2.3X103，第四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入為IOuA?lmA(-1OuA?-1mA)的電流信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換出來的電壓范圍為O?
2.5V(或O?-2.5V)，在同一時(shí)刻只有其中一檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路處于工作狀態(tài)，其余三檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端與輸出端都斷開，電流電壓轉(zhuǎn)換出來的電壓信號接到輸出高速切換電路，四個(gè)輸出高速切換電路與四個(gè)輸入高速切換電路一一對應(yīng)。
[0026]所述的自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置，可以實(shí)時(shí)處理連續(xù)變化的頻率不大于1kHz、輸入范圍為IOpA?ImA (或-1OpA?-1mA)跨8個(gè)數(shù)量級的電流信號；共包含四個(gè)檔位，每個(gè)檔位能夠處理2個(gè)數(shù)量級的輸入信號，并且能自動識別輸入信號所在檔位區(qū)間，單次識別與切換時(shí)間小于IOOnS ;輸出電壓信號范圍為O?4.8V (或O?-4.8V);電路安裝在密閉屏蔽盒中，測試其積分非線性誤差小于0.9% ;電路工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換、快速自適用識別和高速檔位切換，具有較高的靈敏度、大動態(tài)范圍及良好的線性，可將頻率不大于IkHz并在8個(gè)數(shù)量級范圍內(nèi)連續(xù)變化的電流信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換成可直接采集的電壓信號，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理信號的能力，為束診和核物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的寬量程電流輸出型探測器信號的讀出提供了一種簡單有效的新方法。
[0027]本實(shí)用新型的一種自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換電路的工作過程:電路上電復(fù)位時(shí)，Ctrl4設(shè)為低電平，Ctrll、Ctrl2和Ctrl3為高電平，為了減少誤差，Ctrl4的低電平時(shí)間必須大于60nS，因此本電路中設(shè)定為IOOnS,控制邏輯電路在等待90nS時(shí)(Ctrl4還處于低電平狀態(tài))讀取Sl和Sh信號的狀態(tài)。如果&為高電平，Sh為低電平，則控制邏輯電路輸出的Ctrl3為低電平，Ctrll、Ctrl2和Ctrl4為高電平；如果Sl為低電平，Sh為高電平，或者Sl為低電平，Sh為低電平，則控制邏輯電路輸出的Ctrll、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4繼續(xù)保持原狀態(tài)。在Ctrl3為低電平之后，同樣設(shè)定其高電平時(shí)間為IOOnS,控制邏輯電路等待90nS后讀取和Sh信號的狀態(tài)。如果為高電平，Sh為低電平，則控制邏輯電路輸出的Ctrl2為低電平，Ctrll、Ctrl3和Ctrl4為高電平；如果&為低電平，Sh為高電平，則控制邏輯電路輸出的Ctrl4為低電平，Ctrll、Ctrl2和Ctrl3為高電平；如果Sl為低電平，Sh也為低電平，則控制邏輯電路輸出的Ctrll、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4繼續(xù)保持原狀態(tài)。在Ctrl2為低電平之后，同樣設(shè)定其高電平時(shí)間為IOOnS,控制邏輯電路等待90nS后讀取&和Sh信號的狀態(tài)。如果Sl為高電平，Sh為低電平，則控制邏輯電路輸出的Ctrll為低電平，Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4為高電平；如果為低電平，Sh為高電平，則控制邏輯電路輸出的Ctrl3為低電平，Ctrll、Ctrl2和Ctrl4為高電平；如果&為低電平，Sh為低電平，則控制邏輯電路輸出的Ctrll、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4繼續(xù)保持原狀態(tài)。在Ctrll為高電平之后，同樣設(shè)定其高電平時(shí)間為100nS，控制邏輯電路等待90nS后讀取&和Sh信號的狀態(tài)。如果&為高電平，Sh為低電平，或者為低電平，Sh也為低電平，則控制邏輯電路輸出的Ctrll、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4繼續(xù)保持原狀態(tài)；如果為低電平，Sh為高電平，則控制邏輯電路輸出的Ctrl2為低電平，Ctrll、Ctrl3和Ctrl4為高電平。
[0028]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征是包括分別與屏蔽輸入的電流信號Iin連接的四路輸入高速切換電路，每路輸入高速切換電路依次與電流電壓轉(zhuǎn)換電路和輸出高速切換電路串接后相互并聯(lián)，然后與反相放大及電壓跟隨器相連，反相放大及電壓跟隨器輸出的電壓信號分為三路，一路為模擬電壓輸出Vout，另外兩路分別通過高速低閾甄別電路和高速高閾甄別電路接控制邏輯電路，所述的電流電壓轉(zhuǎn)換電路包括四個(gè)檔位區(qū)間，四個(gè)檔位中每路輸入高速切換電路與對應(yīng)的輸出高速切換電路的切換動作受控于控制邏輯電路。
2.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述的四路輸入高速切換電路結(jié)構(gòu)相同，四路輸入高速切換電路中每路輸入高速切換電路包括一個(gè)DMOS高速模擬開關(guān)、兩個(gè)電阻和一個(gè)快速反相器，輸入信號Iin與DMOS高速模擬開關(guān)的Source端連接，DMOS高速模擬開關(guān)的Body端接-5V電壓，輸入信號Iin由DMOS管的Source端進(jìn)入，輸入信號Iin在Gate端的控制下從Drain端輸出，控制信號Ctrll通過反相器BI后，與電阻Rl和R2共同作用控制DMOS高速模擬開關(guān)的Gate端，當(dāng)Ctrll為低電平時(shí)，Ml的Source端與Drain端導(dǎo)通，Iin信號從Ml的Drain端輸出，當(dāng)Ctrll為高電平時(shí)，Ml的Source端與Drain端斷開，控制邏輯電路輸出控制信號Ctrll、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4經(jīng)反相器后對應(yīng)控制四個(gè)DMOS管的Gate端，在同一時(shí)間這四個(gè)DMOS高速模擬開關(guān)只有一個(gè)導(dǎo)通，其它三個(gè)斷開。
3.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述的電流電壓轉(zhuǎn)換電路包括四個(gè)檔位區(qū)間，四路輸入高速切換電路分別連接對應(yīng)的四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路，四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出端分別連接到對應(yīng)的輸出高速切換電路，四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)相同，四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)的輸出高速切換電路結(jié)構(gòu)相同，在同一時(shí)刻只有其中一路輸出高速切換電路被控制為導(dǎo)通，其余三路高速切換電路全部被控制為斷開，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，控制邏輯電路輸出的Ctrl4為低電平，Ctrll、Ctrl2和Ctrl3為高電平，控制邏輯電路輸出的控制信號Ctrll、Ctrl2、Ctrl3和Ctrl4對應(yīng)控制四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出端的通斷，實(shí)現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換輸出與輸入的對應(yīng)選擇；輸出高速切換電路輸出的電壓信號輸入至反相比例運(yùn)算放大電路，將電壓信號適當(dāng)放大并反相；反相放大后的信號輸入到電壓跟隨器，電壓`跟隨器的作用在于增加輸出驅(qū)動能力并隔離前后級電路。
4.如權(quán)利要求3所述的自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述的四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)的輸出高速切換電路結(jié)構(gòu)相同，第一檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路對應(yīng)的輸出高速切換電路由兩個(gè)DMOS高速開關(guān)M2、M3，兩個(gè)電阻R6、R7，一個(gè)肖特基二極管Dl和電容Cl構(gòu)成，其中電壓信號從M3的Source端輸入，M3的Body端接-5V電壓，M3的Gate端連接到M2的Drain端并串接一個(gè)電阻R5，R5的另一端接+5V電壓，M2的Gate端和Source端接-5V電壓，在M2的Source端與Gate端接電阻R7和肖特基二極管D1，M2的Gate端串接一個(gè)電容Cl后連接至控制邏輯電路的Ctrll輸出端；當(dāng)Ctrll為高電平時(shí)，M2導(dǎo)通，M3的Gate端電壓為-5V, M3完全截止，M3的Source端電壓無法從Drain端輸出；當(dāng)Ctrll為低電平時(shí)，M2截止,M3的Gate端電壓為+5V,M3導(dǎo)通,M3的Source端電壓從Drain端輸出。
5.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述的反相放大及電壓跟隨器包括由高速運(yùn)算放大器Ul和三個(gè)電阻R25、R26、R27組成的反相放大器電路以及由高速運(yùn)算放大器U2構(gòu)成的電壓跟隨器，輸出高速切換電路輸出的電壓信號輸入到反相放大器電路，從運(yùn)放Ul的反相端輸入,將信號放大兩倍,輸出的電壓范圍為O~5V或O~-5V ;反相放大器電路接電壓跟隨器，增加輸出電壓的驅(qū)動能力。
6.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述的反相放大及電壓跟隨器輸出的電壓信號分為三路，一路為模擬電壓輸出Vout，可直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化；另外一路輸入至由高速電壓比較器U3和低閾基準(zhǔn)電壓VKEu組成的低閾甄別電路，Vout與設(shè)定的低閾電壓比較，VEEF_L設(shè)定為40mV或-40mV，當(dāng)Vout電壓小于設(shè)定的閾值電壓時(shí)，則高速電壓比較器U3輸出信號為高電平，當(dāng)Vout電壓大于此閾值電壓時(shí)，則高速電壓比較器輸出信號&為低電平；還有一路輸入至由高速電壓比較器U4和高閾基準(zhǔn)電壓Vkef H構(gòu)成的高閾甄別電路，Vout與設(shè)定的高閾電壓VKEF_H比較，VEEF_H設(shè)定為4.8V或-4.8V，當(dāng)Vout電壓小于設(shè)定的閾值電壓VKEF_H時(shí)，則高速電壓比較器輸出信號Sh為低電平，當(dāng)Vout電壓大于閾值電壓VKEF_H時(shí)，則高速電壓比較器輸出信號Sh為高電平，這兩個(gè)高速閾值甄別電路單次甄別時(shí)間小于10nS。
7.如權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述的控制邏輯電路采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，工作電壓為+3.3V，工作時(shí)鐘頻率為100MHz，輸入的信號包括低閾標(biāo)識Slj,高閾標(biāo)識Sh,輸出的信號包括檔位I切換控制信號Ctrll、檔位2切換控制信號Ctrl2、檔位3切換控制信號Ctrl3和檔位4切換控制信號Ctrl4。
8.如權(quán)利要求3或4所述的自適應(yīng)寬量程電流電壓轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于:所述的四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路中第一檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路由低噪聲高精度運(yùn)放Al和三個(gè)電阻R3、R4及R5構(gòu)成的T型電阻網(wǎng)絡(luò)組成，通過調(diào)節(jié)R3、R4和R5的大小關(guān)系使電流電壓轉(zhuǎn)換第一檔的轉(zhuǎn)換增益為2.3X109，電流從運(yùn)放Al的反相端輸入，運(yùn)放Al的正相端接地，輸入的電流信號在T型電阻網(wǎng)絡(luò)上全部轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，第一檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入為IOpA~InA或-1OpA~-1nA的電流信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；第二檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路由低噪聲高精度運(yùn)放A2和三個(gè)電阻RIO、Rll及R12構(gòu)成的T型電阻網(wǎng)絡(luò)組成，通過調(diào)節(jié)RIO、Rll和R12的大小關(guān)系·使電流電壓轉(zhuǎn)換第二檔的轉(zhuǎn)換增益為2.3X107，第二檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入為InA~IOOnA或-1nA~-1OOnA的電流信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；第三檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路由低噪聲高精度運(yùn)放A3和電阻R17組成，通過調(diào)節(jié)R17使電流電壓轉(zhuǎn)換第三檔的轉(zhuǎn)換增益為2.3X105，第三檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入為IOOnA~IOuA或-1OOnA~-1OuA的電流信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；第四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路由低噪聲高精度運(yùn)放A4和電阻R22組成，通過調(diào)節(jié)R22使電流電壓轉(zhuǎn)換第四檔的轉(zhuǎn)換增益為2.3 X 103，第四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路將輸入為IOuA~ImA或-1OuA~-1mA的電流信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；四檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換出來的電壓范圍為O~2.5V或O~-2.5V，在同一時(shí)刻只有其中一檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路處于工作狀態(tài)，其余三檔電流電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端與輸出端都斷開，電流電壓轉(zhuǎn)換出來的電壓信號接到輸出高速切換電路，四個(gè)輸出高速切換電路與四個(gè)輸入高速切換電路一一對應(yīng)。
【文檔編號】G01R19/00GK203643495SQ201320418220
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月14日
【發(fā)明者】佘乾順, 蘇弘, 千奕, 馬曉利, 孔潔, 趙紅赟, 牛曉陽 申請人:中國科學(xué)院近代物理研究所