四路低本底αβ測量儀電路設(shè)計

　　摘要：本文介紹了一種四路低本底αβ測量儀的電路設(shè)計。在文中首先介紹了四路低本底αβ測量儀的電路組成，并對其各組成部分的設(shè)計實現(xiàn)作了詳細介紹。設(shè)計的四路低本底αβ測量儀體積小、功耗低、性能穩(wěn)定可靠，可快速測量樣品。

　　引言

　　低本底αβ測量儀作為生活飲用水、土壤、空氣、食品等環(huán)境樣品中總放射性測量的主要儀器，廣泛應(yīng)用于應(yīng)急監(jiān)測和輻射衛(wèi)生、環(huán)境保護、質(zhì)量監(jiān)督檢驗等領(lǐng)域。四路低本底αβ測量儀由四個獨立工作的探測單元組成，可以同時測量四個樣品，相對于單路測量儀，省時高效^[1,2]。

　　為完成放射性測量與分析，四路低本底αβ測量儀電路的基本要求如下：模擬放大電路要具有較大信噪比，實現(xiàn)探測器輸出的微弱信號放大;能同時放大多路信號，且不互相串擾;能實時對多路數(shù)字信號進行反符合與計數(shù)，計數(shù)器位寬不小于16位;具有與計算機通信功能。該電路的穩(wěn)定性、可靠性直接影響著測量儀的測量精度和長時間穩(wěn)定性，本文采用高性能放大器和比較器設(shè)計放大比較矩陣，基于可編程邏輯器件CPLD和STM32單片機，設(shè)計了一種四路低本底αβ測量儀的電路，實現(xiàn)了高精度可靠測量。

　　電路設(shè)計

　　四路低本底αβ測量儀電路工作原理是：將探頭單元(包含4路主探頭和2路反符合探頭，共6路信號)輸出的微弱模擬模擬信號進行放大甄別，成形為數(shù)字脈沖，再經(jīng)反符合過濾本底信號后進行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果送到單片機處理和顯示等，最后通過計算機獲取測量數(shù)據(jù)，完成計算、顯示、打印報表等。其硬件組成如圖1所示，主要由6路探頭矩陣(4路主探頭和2路反符合探頭)、放大矩陣、比較器矩陣、可編程邏輯器件CPLD、MCU、RS232接口、高壓及高壓控制電路和低壓電源等部分組成。

　　探頭矩陣

　　探頭矩陣由四路主探頭和兩路反符合探頭組成，可同時對4個樣品進行測量。探頭部分采用無跟隨器設(shè)計，只安裝分壓電阻電路，信號輸出和高壓輸入共用一根同軸電纜，減少了信號線、電源線和高壓線數(shù)量。后續(xù)處理電路實現(xiàn)探頭矩陣輸出微弱信號放大和處理等。

　　放大矩陣

　　放大矩陣實現(xiàn)對六路探頭送來的信號進行提取、高壓噪聲去除、放大整形，以滿足后續(xù)比較電路的要求。

　　由于探頭(光電倍增管)輸出信號為微弱電流信號，因此放大電路采用電流-電壓變換方式，基本電路如圖2，一般Rf采用溫度系數(shù)較小的金屬膜電阻，溫度影響較大的碳膜電阻一般不宜采用。此外，一般用途的同軸電纜會因為受力而產(chǎn)生噪聲，所以選用低噪聲同軸電纜線。另外，測量微弱電流最好前置放大器使用FET型輸入法^[3]。

　　設(shè)計的放大矩陣由四路主放大電路和兩路反符合放大電路組成，單路放大比較電路由兩級放大組成，如圖3所示。

　　第一級放大器采用電荷靈敏放大電路，該電路具有良好的低噪聲性能，并且其輸出信號幅度基本不受探測器電容、放大器開環(huán)時輸入電容和電壓增益等參數(shù)穩(wěn)定性的影響。第一級放大器將光電倍增管輸出的微弱電流信號轉(zhuǎn)換成較大的電壓信號，其輸出一路直接到比較器1和比較器2，作為較大幅度信號(α和β高閾)輸出;另一路輸出到第二級放大器。

　　第二級放大器采用同相放大器結(jié)構(gòu)，對信號二級放大后輸出到比較器3，作為較小信號(β低閾)輸出。放大芯片采用美國AD公司高速JFET輸入型放大器AD8066，工作電壓±12V。