一种可控型多通道电荷读出装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于束流监测的多通道电荷前端读出电路【技术领域】，尤其是涉及一种可控型多通道电荷读出装置。其特点是包括依次相连的高速开关、带泄放功能的积分器、多路复用器、控制逻辑电路、差分输出驱动电路和数据采集卡，其用于束流监测分条电离室的电荷(电流)信号读出，量程可控，积分时长可控，工作方式(连续读出/间歇读出)可控，可以灵活多变的使用；每通道含有两路(A和B)积分器，它们可以分时工作，提高了信号处理效率；采用多路复用电路，实现信号串行输出，可以有效降低数据采集和处理系统的复杂程度和制造成本，提高重离子治癌系统的精确性。该电路精度高、线性好、灵活性强、结构简单。
【专利说明】—种可控型多通道电荷读出装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于束流监测的多通道电荷前端读出电路【技术领域】，尤其是涉及一种可控型多通道电荷读出装置。
【背景技术】
[0002]随着重离子治癌技术的不断发展，为了达到更加优良的治疗效果，治疗终端对束流品质的要求越来越高。在重离子治癌装置中，束流空间分布的实时监控测量是该装置中的关键部分之一。重离子治癌装置的束流通过治疗终端的分条电离室输出多通道的微弱电荷(电流)信号，再通过多通道电荷(电流)读出电路可实现束流空间分布的实时监测。通常情况下，治癌终端用于束流监测的分条电离室输出的电荷(电流)信号较小，通道数较多，采用现有技术的电流电压实时转换电路会导致数据量很大，对后级的数据实时传输和处理要求较高，这样导致制造成本相当昂贵，其次环境噪声对电路的干扰也较大，影响束流监测的准确性。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种可控型多通道电荷读出装置，从而有效解决现有技术的问题。
[0004]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:所述的一种可控型多通道电荷读出装置，其特点是包括依次相连的高速开关、带泄放功能的积分器、多路复用器、控制逻辑电路、差分输出驱动电路和数据采集卡，所述的高速开关包括与十六路输入信号相连的十六组闻速开关，每组闻速开关由并列相连的两路闻速开关SAi和SBi ,两路闻速开关Sm和SBi分别与积分器A和积分器B连接；积分器A的输出端连接到多路复用器A，积分器B的输出端连接到多路复用器B ;多路复用器A和多路复用器B的输出端分别连接到差分输出驱动电路，差分输出驱动电路的输出端连接到数据采集卡的模拟差分输入端；数据采集卡与控制逻辑电路连接进行双向通信，控制逻辑电路与高速开关相连。
[0005]所述的数据采集卡的数字输出端发送外触发信号给控制逻辑电路，控制逻辑电路发送采集时钟信号与采集触发信号给数据采集卡的数字输入端；所述的控制逻辑电路通过光耦隔离后的控制信号控制多路复用器A和多路复用器B的通道选择与切换；控制逻辑电路通过光耦隔离后的控制信号控制高速开关的断开与闭合。
[0006]所述的积分器A输出的16路VAi信号对应与16通道模拟多路复用器A的16个模拟输入端S0-S15连接，16通道模拟多路复用器A由控制逻辑电路CPLD输出经光耦隔离后的四路控制信号Caci?Ca3控制其切换，16通道模拟多路复用器A的输出端输出串行的电压信号Votjta, Vouta与差分输出驱动电路连接，差分输出驱动器电路输出的差分电压信号与数据采集卡的模拟差分输入端AIch1连接；积分器B输出的16路VBi信号对应与16通道模拟多路复用器B的16个模拟输入端S0-S15连接，16通道模拟多路复用器B由控制逻辑电路CPLD输出经光耦隔离后的四路控制信号Cbci?Cb3控制其切换，16通道模拟多路复用器B的输出端输出串行的电压信号Votjtb, Votjtb与差分输出驱动器连接,差分输出驱动器输出的差分电压信号与数据采集卡的模拟差分输入端AI2_3连接。
[0007]所述的控制逻辑电路实现与数据采集卡的通信，并控制高速开关SA/Bi和积分器中的泄放开关SHA/Bi的通断以及多路复用器的切换。
[0008]所述的数据采集卡的数字输出口 D0、D1、D2、D3分别与控制逻辑电路CPLD的四个I/o 口连接，对应传输B通道工作触发信号Trig-Bin、A通道工作触发信号Trig-Ain、数据采集使能触发信号DAQ-trig、数据采集时钟信号DAQ-sclk。
[0009]所述的带泄放功能的积分器由运放0P、可调积分电容和泄放开关组成，高速开关的输出端与运放OP的反相输入端连接，运放OP的正相输入端接地，运放OP的反相输入端与可调积分电容连接，电容的另一端连接到运放OP的输出端，可调积分电容上并联一个泄放开关，运放OP的输出端输出电压信号；所述的高速开关Sm的输出端与运放OP的反相输入端连接，运放OP的正相输入端接地，运放OP的反相输入端与可调积分电容Cm连接，电容Cm的另一端连接到运放OP的输出端，可调积分电容Cm上并联一个泄放开关SHAi，运放OP的输出端输出电压信号Vm ;高速开关Sm的输出端与运放OP的反相输入端连接,运放OP的正相输入端接地，运放OP的反相输入端与可调积分电容Cm连接，电容CBi的另一端连接到运放OP的输出端,可调积分电容Cei上并联一个泄放开关Smi,运放OP的输出端输出电压信号Vm ;泄放开关Shm和泄放开关Shm由CPLD输出经光耦隔离后的控制信号控制其是否泄放，泄放开关Shm和泄放开关Smi的动作时间均小于20ns。
[0010]所述的控制逻辑电路CPLD输出模拟复用器A的四路控制信号CTRL-A至光耦隔离器，输出模拟复用器B的四路控制信号CTRL-B至光耦隔离器，输出16路高速开关Sm的控制信号至光耦隔离器，输出16路高速开关Sm的控制信号至光耦隔离器，输出16路泄放开关Shm的控制信号至光耦隔离器，输出16路泄放开关Smi的控制信号至光耦隔离器。由于所有的Sm信号是同步的，还可以采用扇出电路得到对应16通道的Sm信号以减少控制逻辑电路CPLD器件I/O 口的使用，此种方法也同样适用于得到所有的SB1、SHAi和Smi信号。
[0011]本发明的有益效果是:所述的一种可控型多通道电荷读出装置，其用于束流监测分条电离室的电荷(电流)信号读出，量程可控，积分时长可控，工作方式(连续读出/间歇读出)可控，可以灵活多变的使用；每通道含有两路(A和B)积分器，它们可以分时工作，提高了信号处理效率；采用多路复用电路，实现信号串行输出，可以有效降低数据采集和处理系统的复杂程度和制造成本，提高重离子治癌系统的精确性。该电路精度高、线性好、灵活性强、结构简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明的原理框图；
[0013]图2是本发明的电路原理示意图；
[0014]图3是本发明工作时序图。
【具体实施方式】
[0015]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。[0016]如图1至3所示，所述的一种可控型多通道电荷读出装置，特点是包括依次相连的高速开关、带泄放功能的积分器、多路复用器、控制逻辑电路、差分输出驱动电路和数据采集卡，所述的高速开关包括与十六路输入信号相连的十六组高速开关，每组高速开关由并列相连的两路高速开关Sm和SBi，两路高速开关Sm和Sm分别与积分器A和积分器B连接；积分器A的输出端连接到多路复用器A，积分器B的输出端连接到多路复用器B ;多路复用器A和多路复用器B的输出端分别连接到差分输出驱动电路，差分输出驱动电路的输出端连接到数据采集卡的模拟差分输入端；数据采集卡与控制逻辑电路连接进行双向通信，控制逻辑电路与高速开关相连。
[0017]所述的数据采集卡的数字输出端发送外触发信号给控制逻辑电路，控制逻辑电路发送采集时钟信号与采集触发信号给数据采集卡的数字输入端；所述的控制逻辑电路通过光耦隔离后的控制信号控制多路复用器A和多路复用器B的通道选择与切换；控制逻辑电路通过光耦隔离后的控制信号控制高速开关的断开与闭合。
[0018]所述的积分器A输出的16路VAi信号对应与16通道模拟多路复用器A的16个模拟输入端S0-S15连接，16通道模拟多路复用器A由控制逻辑电路CPLD输出经光耦隔离后的四路控制信号Caci?Ca3控制其切换，16通道模拟多路复用器A的输出端输出串行的电压信号Votjta, Vouta与差分输出驱动电路连接，差分输出驱动器电路输出的差分电压信号与数据采集卡的模拟差分输入端AIch1连接；积分器B输出的16路VBi信号对应与16通道模拟多路复用器B的16个模拟输入端S0-S15连接，16通道模拟多路复用器B由控制逻辑电路CPLD输出经光耦隔离后的四路控制信号Cbci?Cb3控制其切换，16通道模拟多路复用器B的输出端输出串行的电压信号Votjtb, Votjtb与差分输出驱动器连接,差分输出驱动器输出的差分电压信号与数据采集卡的模拟差分输入端AI2_3连接。
[0019]所述的控制逻辑电路实现与数据采集卡的通信，并控制高速开关SA/Bi和积分器中的泄放开关SHA/Bi的通断以及多路复用器的切换。
[0020]所述的数据采集卡的数字输出口 D0、D1、D2、D3分别与控制逻辑电路CPLD的四个I/o 口连接，对应传输B通道工作触发信号Trig-Bin、A通道工作触发信号Trig-Ain、数据采集使能触发信号DAQ-trig、数据采集时钟信号DAQ-sclk。
[0021]所述的带泄放功能的积分器由运放0P、可调积分电容和泄放开关组成，高速开关的输出端与运放OP的反相输入端连接，运放OP的正相输入端接地，运放OP的反相输入端与可调积分电容连接，电容的另一端连接到运放OP的输出端，可调积分电容上并联一个泄放开关，运放OP的输出端输出电压信号；所述的高速开关Sm的输出端与运放OP的反相输入端连接，运放OP的正相输入端接地，运放OP的反相输入端与可调积分电容Cm连接，电容Cm的另一端连接到运放OP的输出端，可调积分电容Cm上并联一个泄放开关SHAi，运放OP的输出端输出电压信号Vm ;高速开关Sm的输出端与运放OP的反相输入端连接,运放OP的正相输入端接地，运放OP的反相输入端与可调积分电容Cm连接，电容CBi的另一端连接到运放OP的输出端,可调积分电容Cei上并联一个泄放开关Smi,运放OP的输出端输出电压信号Vm ;泄放开关Shm和泄放开关Shm由CPLD输出经光耦隔离后的控制信号控制其是否泄放，泄放开关Shm和泄放开关Smi的动作时间均小于20ns。
[0022]所述的控制逻辑电路CPLD输出模拟复用器A的四路控制信号CTRL-A至光耦隔离器，输出模拟复用器B的四路控制信号CTRL-B至光耦隔离器，输出16路高速开关Sm的控制信号至光耦隔离器，输出16路高速开关Sm的控制信号至光耦隔离器，输出16路泄放开关Shm的控制信号至光耦隔离器，输出16路泄放开关Smi的控制信号至光耦隔离器。由于所有的Sm信号是同步的，还可以采用扇出电路得到对应16通道的Sm信号以减少控制逻辑电路CPLD器件I/O 口的使用，此种方法也同样适用于得到所有的SB1、SHAi和Smi信号。
[0023]所述的一种可控型多通道电荷读出装置，其工作时，数据采集卡输出A系列通道工作触发信号Trig-Ain和B系列通道工作触发信号Trig-Bin,当Trig-Ain为高电平且Trig-Bin为低电平时，表示接下来的时间段的电荷(电流)信号将由A系列通道读出，A系列通道的16个高速开关Sm闭合，16个积分器A中的泄放开关Shm断开，B系列通道的16个高速开关SBi断开，积分器A开始工作，将电荷(电流)在积分电容Cm上转换成电压信号。接下来可能会出现三种状态，第一种状态是Trig-Ain为高电平且Trig-Bin变为高电平，第二种状态是Trig-Ain变为低电平且Trig-Bin也为低电平时，这两种状态发生时，表示接下来的时间段的电荷(电流)信号不需要读出，此时A系列通道的16个高速开关Sm断开，16个积分器A中的泄放开关Shm继续断开，B系列通道的16个高速开关SBi闭合，16个积分器B中的泄放开关Smi继续闭合，数据采集使能触发信号DAQ-trig变为高电平控制逻辑电路CPLD对应控制16路模拟复用器切换，输出16个串行电压信号，再经过差分输出驱动器输出16个串行差分电压信号，同时数据采集时钟信号DAQ-scIk发送16个采集脉冲信号对应采集A系列通道中的16个差分电压信号，当全部完成A系列通道数据的采集，则数据采集使能触发信号DAQ-trig和数据采集时钟信号DAQ-sclk全部变为低电平，A系列通道的16个高速开关Sm断开，16个积分器A中的泄放开关Shm闭合；第三种状态是Trig-Ain变为低电平且Trig-Bin变为高电平时，表示接下来的时间段的电荷(电流)信号将由B系列通道读出，此时A系列通道的16个高速开关Sm断开，16个积分器A中的泄放开关Shm断开，B系列通道的16个高速开关SBi闭合，16个积分器B中的泄放开关Smi断开，积分器B开始工作，将电荷(电流)在积分电容Cm上转换成电压信号，同时进行第一种情况和第二种情况中所述的A系列通道数据的采集。在第一种状态和第二种状态进行中再出现第三种状态时，A系列通道的数据采集按照原状态继续进行，电荷(电流)信号开始由B系列通道读出。以上所述实现了 A系列通道读出到B系列通道读出的转换过程，而B系列通道读出转换到A系列通道读出的过程与以上所述类似。A系列通道与B系列通道按照此工作流程周而复始的工作从而实现了多通道电荷(电流)信号的读出。
[0024]所述的一种可控型多通道电荷读出装置，可以无间断读出多通道电荷(电流)信号，也可以间歇读出多通道电荷(电流)信号；可以通过调节积分器的积分电容大小实现输入范围为30fC?50uC正负电荷信号的读出；积分时长由外部控制，但受限于数据采集时间，如果选用每个通道40MS/s采样率的数据采集卡，则积分时长不得少于500ns，这样可处理的事例率高达2*106counts/s ;输出信号范围为-5V?+5V ;可以通过这16路单元电路任意整数倍组合实现多通道电荷(电流)读出；电路工作稳定，抗干扰能力强，实现了多通道、宽动态范围正负电荷(电流)的读出。该发明还可以广泛应用于核物理实验和加速器系统的其它电荷(电流)信号的前端处理。能全程无间断的读出束诊监测分条电离室输出的多通道正/负电荷(电流)信号，且具有大动态范围、良好的线性、智能化并可灵活操作等特点，从而为重离子治癌中的束流分布信息提供简单可靠的监测方法与手段。
[0025]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种可控型多通道电荷读出装置，其特征是包括依次相连的高速开关、带泄放功能的积分器、多路复用器、控制逻辑电路、差分输出驱动电路和数据采集卡，所述的高速开关包括与十六路输入信号相连的十六组高速开关，每组高速开关由并列相连的两路高速开关SAi和SBi，两路高速开关Sm和Sm分别与积分器A和积分器B连接；积分器A的输出端连接到多路复用器A，积分器B的输出端连接到多路复用器B ;多路复用器A和多路复用器B的输出端分别连接到差分输出驱动电路，差分输出驱动电路的输出端连接到数据采集卡的模拟差分输入端；数据采集卡与控制逻辑电路连接进行双向通信，控制逻辑电路与高速开关相连。
2.根据权利要求1所述的一种可控型多通道电荷读出装置，其特征在于:所述的数据采集卡的数字输出端发送外触发信号给控制逻辑电路，控制逻辑电路发送采集时钟信号与采集触发信号给数据采集卡的数字输入端；所述的控制逻辑电路通过光耦隔离后的控制信号控制多路复用器A和多路复用器B的通道选择与切换；控制逻辑电路通过光耦隔离后的控制信号控制高速开关的断开与闭合。
3.根据权利要求1所述的一种可控型多通道电荷读出装置，其特征在于:所述的积分器A输出的16路VAi信号对应与16通道模拟多路复用器A的16个模拟输入端S0-S15连接，16通道模拟多路复用器A由控制逻辑电路CPLD输出经光耦隔离后的四路控制信号Caci~Ca3控制其切换，16通道模拟多路复用器A的输出端输出串行的电压信号VOTA，Vouta与差分输出驱动电路连接，差分输出驱动器电路输出的差分电压信号与数据采集卡的模拟差分输入端AIch1连接；积分器B输出的16路VBi信号对应与16通道模拟多路复用器B的16个模拟输入端S0-S15连接，16通道模拟多路复用器B由控制逻辑电路CPLD输出经光耦隔离后的四路控制信号Cbci~Cb3控制其切换，16通道模拟多路复用器B的输出端输出串行的电压信号Votjtb, Voutb与差分输出驱动器连接,差分输出驱动器输出的差分电压信号与数据米集卡的模拟差分输入端AI2_3连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种可控型多通道电荷读出装置，其特征在于:所述的控制逻辑电路实现与数据采集卡的通信，并控制高速开关SA/Bi和积分器中的泄放开关SHA/Bi的通断以及多路复用器的切换。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种可控型多通道电荷读出装置，其特征在于:所述的数据采集卡的数字输出口 D0、D1、D2、D3分别与控制逻辑电路CPLD的四个I/O 口连接，对应传输B通道工作触发信号Trig-Bin、A通道工作触发信号Trig-Ain、数据采集使能触发信号DAQ-trig、数据采集时钟信号DAQ-sclk。
6.根据权利要求1所述的一种可控型多通道电荷读出装置，其特征在于:所述的带泄放功能的积分器由运放0P、可调积分电容和泄放开关组成，高速开关的输出端与运放OP的反相输入端连接，运放OP的正相输入端接地，运放OP的反相输入端与可调积分电容连接，电容的另一端连接到运放OP的输出端，可调积分电容上并联一个泄放开关，运放OP的输出端输出电压信号；所述的高速开关Sm的输出端与运放OP的反相输入端连接，运放OP的正相输入端接地，运放OP的反相输入端与可调积分电容Cm连接，电容Cm的另一端连接到运放OP的输出端,可调积分电容Cm上并联一个泄放开关SHAi,运放OP的输出端输出电压信号vAi ;高速开关SBi的输出端与运放OP的反相输入端连接，运放OP的正相输入端接地，运放OP的反相输入端与可调积分电容Cm连接，电容Cm的另一端连接到运放OP的输出端，可调积分电容CBi上并联一个泄放开关SHBi ,运放OP的输出端输出电压信号VBi ;泄放开关Smi和泄放开关Smi由CPLD输出经光耦隔离后的控制信号控制其是否泄放，泄放开关Shm和泄放开关Smi的动作时间均小于20ns。
7.根据权利要求5所述的一种可控型多通道电荷读出装置，其特征在于:所述的控制逻辑电路CPLD输出模拟复用器A的四路控制信号CTRL-A至光耦隔离器，输出模拟复用器B的四路控制信号CTRL-B至光耦隔离器，输出16路高速开关Sm的控制信号至光耦隔离器，输出16路高速开关Sm的控制信号至光耦隔离器，输出16路泄放开关Shm的控制信号至光耦隔离器，输出16路泄放开关Smi的控制信号至光耦隔离器。由于所有的Sm信号是同步的，还可以采用扇出电路得到对应16通道的Sm信号以减少控制逻辑电路CPLD器件I/O 口的使用，此种方法也同样适用于得到所有的SB1、Smi和Smi信号。
【文档编号】G01T1/29GK103969676SQ201410199336
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月11日 优先权日:2014年5月11日
【发明者】佘乾顺, 苏弘, 千奕, 马晓莉, 孔洁, 赵红赟, 张惊蛰, 牛晓阳 申请人:中国科学院近代物理研究所