專利名稱：一種單光子計(jì)數(shù)放大/甄別電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及信號(hào)放大/甄別和計(jì)數(shù)電路，具體涉及單光子探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)放大/甄別和計(jì)數(shù)電路。主要用于囚禁汞離子微波頻標(biāo)中光電倍增管輸出信號(hào)的放大處理和計(jì)數(shù)。
背景技術(shù)：
囚禁汞離子微波頻標(biāo)是一種全新的囚禁離子物理體系，研制的新型原子鐘具有高穩(wěn)定度、高可靠性。是下一代高性能地面守時(shí)和星載原子鐘的主要候選。在囚禁汞離子微波頻標(biāo)實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)的檢測(cè)是由光電倍增管、商用的前置放大器和光子計(jì)數(shù)器完成的。為實(shí)現(xiàn)囚禁汞離子微波頻標(biāo)的應(yīng)用，必須實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、一體化。同時(shí)，商用檢測(cè)儀器成本高、體積龐大。光子計(jì)數(shù)就是光電子計(jì)數(shù)，是利用光電探測(cè)系統(tǒng)將光子的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為能夠計(jì)數(shù)的電脈沖信號(hào)，并通過對(duì)電信號(hào)的計(jì)數(shù)來表征光強(qiáng)度。特別是當(dāng)光流強(qiáng)度小于10-10W時(shí)， 光子流量下降到每毫秒不到一個(gè)光子，單光子探測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)微弱光信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)。 單光子探測(cè)不僅在囚禁汞離子微波頻標(biāo)的研究中得到應(yīng)用，同時(shí)在其它物理實(shí)驗(yàn)中的熒光信號(hào)探測(cè)，高分辨率光譜測(cè)量，高速現(xiàn)象探測(cè)等方面以及量子信息，高能物理，天文測(cè)光，生物發(fā)光，精密測(cè)量等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。單光子信號(hào)放大/甄別和計(jì)數(shù)是單光子探測(cè)的重要環(huán)節(jié)，是將光電倍增管輸出的微弱光電信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以直接被計(jì)算機(jī)及軟件接收處理的晶體管晶體管邏輯電路(TTL)計(jì)數(shù)信號(hào)。現(xiàn)有的單光子信號(hào)放大/甄別和計(jì)數(shù)技術(shù)是采用獨(dú)立的前置放大器和光子計(jì)數(shù)儀進(jìn)行放大和計(jì)數(shù)，設(shè)備成本高，體積大，不利于提高系統(tǒng)的集成度和小型化應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種單光子放大/甄別電路。該電路由前置放大器、電壓比較器、計(jì)數(shù)器和電平轉(zhuǎn)換器組成。該電路是將光電倍增管輸出的電信號(hào)經(jīng)過前置放大， 電平甄別祛除噪聲，脈沖計(jì)數(shù)和邏輯電平轉(zhuǎn)換，輸出可以直接由計(jì)算機(jī)及軟件接收處理的晶體管晶體管邏輯電路(TTL)信號(hào)。本實(shí)用新型將大大提高單光子檢測(cè)裝置電路系統(tǒng)的集成度，可使其小型化，并降低成本。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的一種單光子放大/甄別電路的構(gòu)成與連接關(guān)系為電源經(jīng)穩(wěn)壓器U5的+5伏電源連接到放大器Ul的Vcc+端，電源經(jīng)穩(wěn)壓器U6的_5 伏電源連接到放大器Ul的Vcc-端，放大器Ul的IN-輸入端與地之間分別跨接4001 二極管Dl、4001 二極管D2和50歐電阻Rl，二極管Dl和二極管D2的正負(fù)極相反，放大器Ul的 IN+輸入端與地之間跨接50歐電阻R2 ；放大器Ul的OUT-輸出端經(jīng)0. 1微法電容Cl連接到電壓比較器U2的no inverting input輸入端，放大器Ul的OUT+輸出端經(jīng)0. 1微法電容C2連接到電壓比較器U2的inverting input輸入端；[0008]電壓比較器U2的Vs+端連接到穩(wěn)壓器TO的+5伏電源，電壓比較器U2的Vs-端連接到穩(wěn)壓器U6的-5伏電源，電壓比較器U2的no inverting input輸入端經(jīng)1千歐電阻R3接地，電壓比較器U2的no inverting input輸入端經(jīng)20千歐可變電阻Rw經(jīng)13千歐固定電阻R5連接到穩(wěn)壓器TO，電壓比較器U2的inverting input輸入端經(jīng)1千歐電阻R4
接地；電壓比較器U2的g output
輸出端連接計(jì)數(shù)器U3的時(shí)鐘輸入端Ce、己E1和己E2，電壓比較器U2的g output輸出端經(jīng)
1千歐電阻R6與U6的-5伏電源連接，電壓比較器U2的Q output輸出端經(jīng)1千歐電阻R7 與U6的-5伏電源連接；計(jì)數(shù)器U3的Vee端與穩(wěn)壓器U6的-5伏電源連接，計(jì)數(shù)器U3的Dl端和D2端均與 4001 二極管D3的負(fù)極連接，二極管D3的正極接地；計(jì)數(shù)器U3的復(fù)位端Rl和復(fù)位端R2經(jīng)
30千歐電阻R13接地，計(jì)數(shù)器U3的0輸出端經(jīng)0. 01微法電容C3連接到計(jì)數(shù)器U3的復(fù)
位端Rl和復(fù)位端R2 ；計(jì)數(shù)器U3的Ql輸出端經(jīng)1微亨電感L與三檔電位器S連接，再與計(jì)數(shù)器U3的復(fù)位端Rl和復(fù)位端R2連接，三檔電位器S的電阻分別為510歐電阻R10、l. 1千歐電阻Rll、2. 2千歐電阻R12 ；計(jì)數(shù)器U3的Ql輸出端經(jīng)1千歐電阻R14連接到穩(wěn)壓器U6
的-5伏電源，計(jì)數(shù)器U3的0輸出端經(jīng)1千歐電阻R15連接到U6的_5伏電源，計(jì)數(shù)器U3
的Q2輸出端經(jīng)470歐電阻R9連接到U6的_5伏電源，該Q2輸出端還連接到電平轉(zhuǎn)換器U4
的輸入端，計(jì)數(shù)器U3的函輸出端經(jīng)470歐電阻R8連接到U6的-5伏電源，該函輸出
端還連接到電平轉(zhuǎn)換器U4的&輸入端；電平轉(zhuǎn)換器U4的Vrc端連接到穩(wěn)壓器U5的+5伏電源，電平轉(zhuǎn)換器U4的Vee端連接到穩(wěn)壓器U6的-5伏電源，電平轉(zhuǎn)換器U4的VBB偏置端經(jīng)0. 1微法電容C4接地。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果將現(xiàn)有單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)中的獨(dú)立的前置放大器、甄別器和計(jì)數(shù)器等儀器和設(shè)備集成到一個(gè)電路中，方便調(diào)試，節(jié)約了系統(tǒng)體積和成本；同時(shí)輸出的晶體管晶體管邏輯電路(TTL)信號(hào)可由計(jì)算機(jī)/單片機(jī)直接進(jìn)行處理，進(jìn)一步提高了電路系統(tǒng)的集成度，使得單光子檢測(cè)系統(tǒng)的小型化、集成化應(yīng)用成為可能。

圖1是一種單光子計(jì)數(shù)器放大/甄別電路的結(jié)構(gòu)示意圖。其中:U1是前置放大器，U2是電壓比較器，U3是雙通道的計(jì)數(shù)器，U4是電平轉(zhuǎn)換器，U5和U6是穩(wěn)壓器，Dl, D2和D3是4001 二極管。圖2為Ul前置放大器UA733。圖3為U2電壓比較器AD96685。圖 4 為 U3 計(jì)數(shù)器 MC10hl31。圖5為U4電平轉(zhuǎn)換器MC10125。
具體實(shí)施方式
[0018]
以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。一種單光子計(jì)數(shù)器放大/甄別電路， 該電路是將接收到的光電倍增管電信號(hào)，經(jīng)過前置放大，電平甄別祛除噪聲，脈沖計(jì)數(shù)和邏輯電平轉(zhuǎn)換，輸出可以直接由計(jì)算機(jī)及軟件接受處理的晶體管晶體管邏輯電路(TTL)信號(hào)。如附圖所示，一種單光子計(jì)數(shù)器放大/甄別電路，電源經(jīng)穩(wěn)壓器TO的+5伏電源連接到放大器Ul的Vcc+端，電源經(jīng)穩(wěn)壓器U6的-5伏電源連接到放大器Ul的Vcc-端，放大器Ul的IN-輸入端與地之間分別跨接4001 二極管Dl、4001 二極管D2和50歐電阻R1，二極管Dl和二極管D2的正負(fù)極相反，放大器Ul的IN+輸入端與地之間跨接50歐電阻R2 ； 放大器Ul的OUT-輸出端經(jīng)0. 1微法電容Cl連接到電壓比較器U2的no inverting input 輸入端，放大器Ul的OUT+輸出端經(jīng)0. 1微法電容C2連接到電壓比較器U2的inverting input輸入端；電壓比較器U2的Vs+端連接到穩(wěn)壓器U5的+5伏電源，電壓比較器U2的Vs-端連接到穩(wěn)壓器U6的-5伏電源，電壓比較器U2的no inverting input輸入端經(jīng)1千歐電阻R3接地，電壓比較器U2的no inverting input輸入端經(jīng)20千歐可變電阻Rw經(jīng)13千歐固定電阻R5連接到穩(wěn)壓器U5，電壓比較器U2的inverting input輸入端經(jīng)1千歐電阻
R4接地；電壓比較器U2的g output輸出端連接計(jì)數(shù)器U3的時(shí)鐘輸入端Ce、己E2，
電壓比較器U2的g output輸出端經(jīng)1千歐電阻R6與U6的_5伏電源連接，電壓比較器
U2的Q output輸出端經(jīng)1千歐電阻R7與U6的-5伏電源連接；計(jì)數(shù)器U3的Vee端與穩(wěn)壓器U6的-5伏電源連接，計(jì)數(shù)器U3的Dl端和D2端均與 4001 二極管D3的負(fù)極連接，二極管D3的正極接地；計(jì)數(shù)器U3的復(fù)位端Rl和復(fù)位端R2經(jīng)
30千歐電阻R13接地，計(jì)數(shù)器U3的0輸出端經(jīng)0. 01微法電容C3連接到計(jì)數(shù)器U3的復(fù)
位端Rl和復(fù)位端R2 ；計(jì)數(shù)器U3的Ql輸出端經(jīng)1微亨電感L與三檔電位器S連接，再與計(jì)數(shù)器U3的復(fù)位端Rl和復(fù)位端R2連接，三檔電位器S的電阻分別為510歐電阻R10、l. 1千歐電阻Rll、2. 2千歐電阻R12 ；計(jì)數(shù)器U3的Ql輸出端經(jīng)1千歐電阻R14連接到穩(wěn)壓器U6
的-5伏電源，計(jì)數(shù)器U3的0輸出端經(jīng)1千歐電阻R15連接到U6的_5伏電源，計(jì)數(shù)器U3
的Q2輸出端經(jīng)470歐電阻R9連接到U6的_5伏電源，該Q2輸出端還連接到電平轉(zhuǎn)換器U4
的輸入端，計(jì)數(shù)器U3的函輸出端經(jīng)470歐電阻R8連接到U6的-5伏電源，該gl輸出
端還連接到電平轉(zhuǎn)換器U4的輸入端；電平轉(zhuǎn)換器U4的VCC端連接到穩(wěn)壓器U5的+5伏電源，電平轉(zhuǎn)換器U4的VEE端連接到穩(wěn)壓器U6的-5伏電源，電平轉(zhuǎn)換器U4的VBB偏置端經(jīng)0. 1微法電容C4接地。光電倍增管是一種光電轉(zhuǎn)換器件，即將輸入到光陰極上的光子轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)輸出，但在單光子計(jì)數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)中要求檢測(cè)到進(jìn)入光電倍增管的單個(gè)光子，信號(hào)非常微弱，抗干擾性能差。一個(gè)光子進(jìn)入光電倍增管，由光陰極轉(zhuǎn)換成電子，再由電子倍增器倍增后，負(fù)載上收集到的脈沖幅度約為1-1. 5毫伏，其光電子脈沖和疊加到信號(hào)上的其他噪聲信號(hào)由前置放大器Ul放大。放大后的信號(hào)輸入電壓比較器U2，與設(shè)定的甄別電平(甄別電平有RW 在10-15毫伏之間調(diào)節(jié))比較，高于甄別電平時(shí)，電壓比較器U2輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖，低于甄別電平時(shí)，電壓比較器U2無輸出，從而祛除了大量噪聲信號(hào)(如前置放大器放大10倍，單光子的信號(hào)幅度約為10-15毫伏，則甄別電平控制在12毫伏)，甄別出達(dá)到計(jì)數(shù)閾值的信號(hào)， 并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)。改變可變電阻Rw的阻值，使得甄別電平在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。數(shù)字脈沖信號(hào)經(jīng)過計(jì)數(shù)器U3計(jì)數(shù)，再由電平轉(zhuǎn)換器U4將計(jì)數(shù)器U3輸出的ECL電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以直接由計(jì)算機(jī)/單片機(jī)接收處理的晶體管晶體管邏輯電路(TTL)電平信號(hào)， 從而實(shí)現(xiàn)單光子的計(jì)數(shù)目的。
權(quán)利要求1. 一種單光子放大/甄別電路，其特征在于，電源經(jīng)穩(wěn)壓器TO的+5伏電源連接到放大器Ul的Vcc+端，電源經(jīng)穩(wěn)壓器TO的-5伏電源連接到放大器Ul的Vcc-端，放大器Ul的 IN-輸入端與地之間分別跨接4001 二極管Dl、4001 二極管D2和50歐電阻R1，二極管Dl 和二極管D2的正負(fù)極相反，放大器Ul的IN+輸入端與地之間跨接50歐電阻R2 ；放大器Ul 的OUT-輸出端經(jīng)0. 1微法電容Cl連接到電壓比較器U2的no inverting input輸入端， 放大器Ul的OUT+輸出端經(jīng)0. 1微法電容C2連接到電壓比較器U2的inverting input輸入端；電壓比較器U2的Vs+端連接到穩(wěn)壓器U5的+5伏電源，電壓比較器U2的Vs-端連接到穩(wěn)壓器U6的-5伏電源，電壓比較器U2的no inverting input輸入端經(jīng)1千歐電阻R3接地，電壓比較器U2的no inverting input輸入端經(jīng)20千歐可變電阻Rw經(jīng)13千歐固定電阻R5連接到穩(wěn)壓器U5，電壓比較器U2的inverting input輸入端經(jīng)1千歐電阻R4接地；電壓比較器U2的g output輸出端連接計(jì)數(shù)器U3的時(shí)鐘輸入端Ce、己E1和己E2，電壓比較器U2的g output輸出端經(jīng)1千歐電阻R6與U6的-5伏電源連接，電壓比較器U2的Q output輸出端經(jīng)1千歐電阻R7與U6 的-5伏電源連接；計(jì)數(shù)器U3的Vee端與穩(wěn)壓器U6的-5伏電源連接，計(jì)數(shù)器U3的Dl端和D2端均與4001 二極管D3的負(fù)極連接，二極管D3的正極接地；計(jì)數(shù)器U3的復(fù)位端Rl和復(fù)位端R2經(jīng)30千歐電阻R13接地，計(jì)數(shù)器U3的0輸出端經(jīng)0. 01微法電容C3連接到計(jì)數(shù)器U3的復(fù)位端Rl和復(fù)位端R2 ；計(jì)數(shù)器U3的Ql輸出端經(jīng)1微亨電感L與三檔電位器S連接，再與計(jì)數(shù)器U3 的復(fù)位端Rl和復(fù)位端R2連接，三檔電位器S的電阻分別為510歐電阻R10、l. 1千歐電阻 R1U2.2千歐電阻R12 ；計(jì)數(shù)器U3的Ql輸出端經(jīng)1千歐電阻R14連接到穩(wěn)壓器U6的-5伏電源，計(jì)數(shù)器U3的0輸出端經(jīng)1千歐電阻R15連接到U6的-5伏電源，計(jì)數(shù)器U3的Q2輸出端經(jīng)470歐電阻R9連接到U6的-5伏電源，該Q2輸出端還連接到電平轉(zhuǎn)換器U4的輸入端，計(jì)數(shù)器U3的函輸出端經(jīng)470歐電阻R8連接到U6的_5伏電源，該輸出端還連接到電平轉(zhuǎn)換器U4的$輸入端；電平轉(zhuǎn)換器U4的Vrc端連接到穩(wěn)壓器U5的+5伏電源，電平轉(zhuǎn)換器U4的Vee端連接到穩(wěn)壓器TO的-5伏電源，電平轉(zhuǎn)換器U4的VBB偏置端經(jīng)0. 1微法電容C4接地。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種單光子計(jì)數(shù)器放大/甄別電路，主要用于囚禁汞離子微波頻標(biāo)中光電倍增管輸出信號(hào)的放大處理和計(jì)數(shù)。該電路由前置放大器、電壓比較器、計(jì)數(shù)器和電平轉(zhuǎn)換器組成。該電路是將光電倍增管輸出的電信號(hào)經(jīng)過前置放大，電平甄別祛除噪聲，脈沖計(jì)數(shù)和邏輯電平轉(zhuǎn)換，輸出可以直接由計(jì)算機(jī)及軟件接收處理的晶體管晶體管邏輯電路(TTL)信號(hào)。使用本實(shí)用新型，將大大提高電路系統(tǒng)的集成度，可使單光子檢測(cè)裝置小型化，并降低成本。
文檔編號(hào)H03K21/00GK202160162SQ201120252608
公開日2012年3月7日 申請(qǐng)日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者何躍宏, 佘磊, 李交美, 楊玉娜, 柳浩 , 陳義和 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所