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四路低本底αβ测量仪电路设计
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本文介绍了一种四路低本底αβ测量仪的电路设计。在文中首先介绍了四路低本底αβ测量仪的电路组成,并对其各组成部分的设计实现作了详细介绍。设计的四路低本底αβ测量仪体积小、功耗低、性能稳定可靠,可快速测量样品。本文网络版地址:http://www.eepw.com. cn/article/164393.htm
  关键词:低本底;αβ;CPLD;MCU
  DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.014
  引言
  低本底αβ测量仪作为生活饮用水、土壤、空气、食品等环境样品中总放射性测量的主要仪器,广泛应用于应急监测和辐射卫生、环境保护、质量监督检验等领域。四路低本底αβ测量仪由四个独立工作的探测单元组成,可以同时测量四个样品,相对于单路测量仪,省时高效[1,2]。
  为完成放射性测量与分析,四路低本底αβ测量仪电路的基本要求如下:模拟放大电路要具有较大信噪比,实现探测器输出的微弱信号放大;能同时放大多路信号,且不互相串扰;能实时对多路数字信号进行反符合与计数,计数器位宽不小于16位;具有与计算机通信功能。该电路的稳定性、可靠性直接影响着测量仪的测量精度和长时间稳定性,本文采用高性能放大器和比较器设计放大比较矩阵,基于可编程逻辑器件CPLD和STM32单片机,设计了一种四路低本底αβ测量仪的电路,实现了高精度可靠测量。
  电路设计
  四路低本底αβ测量仪电路工作原理是:将探头单元(包含4路主探头和2路反符合探头,共6路信号)输出的微弱模拟模拟信号进行放大甄别,成形为数字脉冲,再经反符合过滤本底信号后进行计数,计数结果送到单片机处理和显示等,最后通过计算机获取测量数据,完成计算、显示、打印报表等。其硬件组成如图1所示,主要由6路探头矩阵(4路主探头和2路反符合探头)、放大矩阵、比较器矩阵、可编程逻辑器件CPLD、MCU、RS232接口、高压及高压控制电路和低压电源等部分组成。
  探头矩阵
  探头矩阵由四路主探头和两路反符合探头组成,可同时对4个样品进行测量。探头部分采用无跟随器设计,只安装分压电阻电路,信号输出和高压输入共用一根同轴电缆,减少了信号线、电源线和高压线数量。后续处理电路实现探头矩阵输出微弱信号放大和处理等。
  MCU是仪器的控制中心,完成高压参数和比较阈值参数的配置以及测量数据的读取和发送,并接收主机送来的命令参数。
  MCU采用最新的ARM CORTEXM3内核的STM32单片机,型号为STM32103VBT6,主频为72MHz,128K字节FLASH,20K字节RAM,100管脚封装。该系列具有功耗低,处理能力强等特点[5]。STM32的SPI1和数模转换器DAC7554连接,采用软件片选信号;UART1实现和计算机的串口通信,同时实现BootLoader功能,用于程序下载;PortC和PortD与CPLD连接,PortC用作地址线,PortD用作数据线,设为开漏输出模式,在需要读取数据时,输出全置1,模拟实现数据总线功能,这样不需要在输入输出时进行端口模式切换,提高了效率和可靠性。
  单片机固件开发采用嵌入式操作系统,将整个系统划分为三个并行存在的任务层,按其优先级从高到低顺序排列依次是:数据采集计算任务、串口通讯任务、状态显示任务等,嵌入式操作系统按优先权的高低对各任务进行任务调度。
  状态显示及声响输出电路
  状态显示电路主要由6路状态指示灯和工作指示灯组成,用于显示各路探测器的工作状态以及仪器的工作状态。声响输出主要由蜂鸣器组成,实现声音提示功能,用于加电、故障、开始测量及测量结束等状态提示,可提醒使用人员及时处理仪器状态或读取数据。
  通讯接口
  仪器的通讯接口采用串口。串口具有开发简单,传输距离较远,连接方便的特点,是传统仪器的通用接口。采用Maxim公司低功耗RS-232通信芯片MAX3221,工作电压+3.3V,通讯速率115200bps。
  电源设计
  高压及高压控制电路用于为探头提供稳定可靠的工作高压,采用压控高压电源,工作电压+12V,控制电压0~5V,输出电压范围0~1500V,输出电流5mA,为提高高压精度和稳定性,控制电压采用数模转换器DAC7554实现。
  低压电源选择上海衡孚开关电源厂的HF35W-D型开关电源,输出电压为+12V/2A和-12V/1A。电路中共用到的电压有+12V、+5.5V、+3.3V和-12V。其中+12V和-12V经滤波后用于高压及模拟电路供电;+12V通过开关电源LM2595降压至+5V,再经LDO芯片LM1117-3.3转换成转换成3.3V,用于数字电路供电,这种开关电源+LDO的组合电源模式兼顾了高效率和低纹波等特点;+12V通过LDO芯片LM1117-5转换成转换成+5.5V,用于DA数模转换电路供电。具体电路如图5所示。
  结语
  本文通过放大比较矩阵电路设计实现了多路微弱信号放大处理,采用可编程逻辑器件CPLD实现了反符合电路和计数电路,并基于高性能STM32单片机应用嵌入式软件开发,实现了一种四路低本底αβ测量仪的电路,测试表明该电路功耗低,抗干扰能力强和系统稳定性好,其设计也可用作其他精密测量仪器仪表电路设计参考。