具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路的制作方法

[0001]
本发明涉及电子电路领域，特别涉及一种具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路。


背景技术：

[0002]
光子计数就是光电子计数，是利用光电探测系统将光子的光信号转化为能够计数的电脉冲信号，并通过对电脉冲信号的计数来表征光强度。
[0003]
光子探测是一种极微弱光探测技术，在高分辨光谱测量、生物发光、量子通信、大气污染检测、非破坏性物质分析、放射探测、辐射防护、天文测光、光时域反射、光纤分布传感等领域有着广泛的应用。在辐射防护领域，因光释光晶体具有更高的耐辐照性能、更小的探测器体积等特点，通过光释光晶体进行光辐射监测成为趋势。由于光子计数电路是实现光释光辐射监测方案的关键技术，因此，相关技术中一般采用光子探测系统，如光电倍增管，光电二极管来实现微弱光信号的检测，再通过前置放大装置对信号进行放大，最后通过幅度甄别和电脉冲计数的方法进行光子脉冲识别和计算光子数。
[0004]
在相关的光子计数电路中，电压比较模块的阈值电压大小的设定完全依赖于所设计电路模型及相关理论的估算，或是通过独立的第三方设备如示波器等，监测信号放大（由前置放大模块进行信号放大）后的波形，再根据波形峰值设定相应的阈值电压大小。前一种方式所得结果一致性和准确性较差；后一种方式没有实时效果，且在特定环境下（如没有示波器时）没有可操作性。
[0005]
在相关的光子计数电路中，电压比较模块的阈值电压大小为固定值，不可更改，或是通过手动调节（如手动调节滑动变阻器）来改变阈值电压大小，这样的调节方式准确性较差，过程费时，且在很多的工作环境下，电压比较模块集成在不容易接触到的地方，无法进行手动调节。


技术实现要素：

[0006]
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单的具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路。
[0007]
本发明解决上述问题的技术方案是：一种具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路，包括光检测器、前置放大模块、ad波形采样模块，fpga模块、da阈值电压控制模块、电压比较模块、数码管显示模块、usb通信模块、电源模块；所述电源模块为整个电路提供工作电源；所述光检测器的输出端接前置放大模块的输入端，所述前置放大模块的输出端分别接ad波形采样模块的输入端、电压比较模块的第一输入端，所述ad波形采样模块的输出端接fpga模块的第一输入端，所述fpga模块的第一输出端接da阈值电压控制模块的输入端，所述da阈值电压控制模块的输出端接电压比较模块的第二输入端，所述电压比较模块的输出端接fpga模块的第二输入端，fpga模块的第二输出端接数码管显示模块，所述fpga模块与usb模块双向通信连接；
光检测器接收光子信号并输出相应的光电子脉冲信号，输出的光电子脉冲信号接到前置放大模块进行信号放大，前置放大模块放大的光电子脉冲信号输出到两条线路上：一条线路是接到ad波形采样模块，经ad波形采样模块对波形进行采样后，采样结果输入到fpga模块，fpga模块根据采样结果运算后得到阈值电压数值并输出到da阈值电压控制模块，da阈值电压控制模块将接收到的阈值电压数值由数字量转为物理的模拟电压，然后接到电压比较模块，使电压比较模块得到更新后的阈值电压数值；另一条线路是输入到电压比较模块，并与更新后的阈值电压数值作比较，祛除噪声以及在阈值电压数值以下的光电子脉冲信号，且电压比较模块将在阈值电压数值以上的光电子脉冲信号转为矩形电脉冲信号输出到fpga模块，fpga模块对设定时间间隔内的矩形电脉冲信号计数完毕后，将计数值输出到数码管显示模块进行计数值显示。
[0008]
上述具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路，所述ad波形采样模块包括放大调理电路、差分放大电路、ad模数转换电路，放大调理电路的输入端作为ad波形采样模块的输入端，放大调理电路的输出端接差分放大电路的输入端，差分放大电路的输出端接ad模数转换电路的输入端，ad模数转换电路的输出端作为ad波形采样模块的输出端。
[0009]
上述具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路，所述放大调理电路包括型号为ad8065ar放大芯片及其外围电路，所述差分放大电路包括型号为ad8138ar差分放大芯片及其外围电路，所述ad模数转换电路包括型号为ad9238bst-65模数转换芯片及其外围电路。
[0010]
上述具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路，所述fpga模块内设计有波形峰值读取逻辑单元、阈值大小设定运算逻辑单元、da控制逻辑单元、bcd同步加法器计数逻辑单元、数码管控制逻辑单元，所述波形峰值读取逻辑单元的输入端作为fpga模块的第一输入端连接ad模数转换电路的输出端，波形峰值读取逻辑单元的输出端接阈值大小设定运算逻辑单元的输入端，阈值大小设定运算逻辑单元的输出端接da控制逻辑单元的输入端，da控制逻辑单元的输出端作为fpga模块的第一输出端；所述bcd同步加法器计数逻辑单元的输入端作为fpga模块的第二输入端连接电压比较模块的输出端，bcd同步加法器计数逻辑单元的输出端连接数码管控制逻辑单元的输入端，数码管控制逻辑单元的输出端作为fpga模块的第二输出端连接数码管显示模块。
[0011]
上述具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路，所述da阈值电压控制模块包括da数模转换电路和参考源电路，所述da数模转换电路的输入端作为da阈值电压控制模块的输入端连接da控制逻辑单元的输出端，da数模转换电路的输出端作为da阈值电压控制模块的输出端连接电压比较模块的第二输入端，参考源电路与da数模转换电路相连。
[0012]
上述具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路，所述da数模转换电路包括型号为tlc5620cd数模转换芯片及其外围电路；参考源电路包括型号为tl431idbzr参考源芯片及其外围电路。
[0013]
上述具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路，所述电源模块包括usb电源、输出为+5v的第一稳压电路、输出为-5v的第二dc-dc变换稳压电路、输出分别为+3.3v和+1.0v的第三降压稳压电路、输出为+1.8v的第四降压稳压电路。
[0014]
上述具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路，所述第一稳压电路包括型号为mc34063a直流－直流dc-dc变换稳压芯片及其外围电路，所述第二dc-dc变换稳压电
路包括型号为mc34063a直流－直流dc-dc变换稳压芯片及其外围电路，所述第三降压稳压电路包括型号为ltc3633降压稳压芯片及其外围电路，所述第四降压稳压电路包括型号为ltc3621降压稳压芯片及其外围电路。
[0015]
上述具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路，所述前置放大模块包括型号为opa846id放大芯片及其外围电路；所述电压比较模块包括型号为lt1715cms电压比较芯片及其外围电路；所述usb通信模块包括型号为ft2232hq通信芯片及其外围电路。
[0016]
上述具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路，所述光检测器为光电倍增管、光电二极管或电荷耦合器件。
[0017]
本发明的有益效果在于：本发明通过增加ad波形采样模块，然后fpga模块读取波形峰值并根据峰值设定阈值电压大小，与传统的通过电路模型估算阈值电压大小的方式相比，能准确有效地解决阈值电压取值大小的问题；通过增加da阈值电压控制模块，与传统的手动调节（如手动调节滑动变阻器）实现阈值电压大小改变的方式相比，能实现可编程调节。
附图说明
[0018]
图1为本发明的整体框架图。
[0019]
图2为经前置放大模块放大后的具有相同或相近峰值的光电子脉冲信号示意图。
[0020]
图3为经前置放大模块放大后的具有不同峰值的光电子脉冲信号示意图。
具体实施方式
[0021]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
[0022]
如图1所示，一种具有阈值电压自动设定和控制功能的光子计数电路，包括光检测器、前置放大模块、ad波形采样模块，fpga模块、da阈值电压控制模块、电压比较模块、数码管显示模块、usb通信模块、电源模块。
[0023]
所述电源模块为整个电路提供工作电源；所述光检测器的输出端接前置放大模块的输入端，所述前置放大模块的输出端分别接ad波形采样模块的输入端、电压比较模块的第一输入端，所述ad波形采样模块的输出端接fpga模块的第一输入端，所述fpga模块的第一输出端接da阈值电压控制模块的输入端，所述da阈值电压控制模块的输出端接电压比较模块的第二输入端，所述电压比较模块的输出端接fpga模块的第二输入端，fpga模块的第二输出端接数码管显示模块，所述fpga模块与usb模块双向通信连接。
[0024]
所述光检测器为光电倍增管、光电二极管或电荷耦合器件。光检测器主要接收光子信号并生成相应的光电子脉冲信号。
[0025]
所述前置放大模块包括型号为opa846id放大芯片及其外围电路，前置放大模块主要用于对光电子脉信号放大。
[0026]
所述ad波形采样模块包括放大调理电路、差分放大电路、ad模数转换电路，放大调理电路的输入端作为ad波形采样模块的输入端，放大调理电路的输出端接差分放大电路的输入端，差分放大电路的输出端接ad模数转换电路的输入端，ad模数转换电路的输出端作为ad波形采样模块的输出端。
[0027]
所述放大调理电路包括型号为ad8065ar放大芯片及其外围电路，所述差分放大电
路包括型号为ad8138ar差分放大芯片及其外围电路，所述ad模数转换电路包括型号为ad9238bst-65模数转换芯片及其外围电路。
[0028]
放大调理电路用于将模拟输入的-5v~5v电压信号缩小成-1v~1v的模拟电压信号，差分放大电路用于将单端输入的-1v~1v模拟电压信号转为模拟差分信号输出，ad模数转换电路用于将输入的模拟差分信号转为数字信号输出。
[0029]
所述fpga模块内设计有波形峰值读取逻辑单元、阈值大小设定运算逻辑单元、da控制逻辑单元、bcd同步加法器计数逻辑单元、数码管控制逻辑单元，所述波形峰值读取逻辑单元的输入端作为fpga模块的第一输入端连接ad模数转换电路的输出端，波形峰值读取逻辑单元的输出端接阈值大小设定运算逻辑单元的输入端，阈值大小设定运算逻辑单元的输出端接da控制逻辑单元的输入端，da控制逻辑单元的输出端作为fpga模块的第一输出端；所述bcd同步加法器计数逻辑单元的输入端作为fpga模块的第二输入端连接电压比较模块的输出端，bcd同步加法器计数逻辑单元的输出端连接数码管控制逻辑单元的输入端，数码管控制逻辑单元的输出端作为fpga模块的第二输出端连接数码管显示模块。
[0030]
波形峰值读取逻辑单元用于读取ad波形采样模块输入的数字信号；阈值大小设定运算逻辑单元根据已读取的波形峰值，通过运算，用于设定阈值电压大小；da控制逻辑单元用于控制da阈值电压控制模块；bcd同步加法器计数逻辑单元用于对电压比较模块输出的矩形电脉冲信号进行计数；数码管控制逻辑单元用于控制数码管显示模块。
[0031]
所述da阈值电压控制模块包括da数模转换电路和参考源电路，所述da数模转换电路的输入端作为da阈值电压控制模块的输入端连接da控制逻辑单元的输出端，da数模转换电路的输出端作为da阈值电压控制模块的输出端连接电压比较模块的第二输入端，参考源电路与da数模转换电路相连。所述da数模转换电路包括型号为tlc5620cd数模转换芯片及其外围电路；参考源电路包括型号为tl431idbzr参考源芯片及其外围电路。
[0032]
da阈值电压控制模块的参考源电路用于为da数模转换电路提供基准参考源，da数模转换电路用于将接收到的阈值电压大小由数字量转为实际的模拟电压。
[0033]
所述电源模块包括usb电源、输出为+5v的第一稳压电路、输出为-5v的第二dc-dc变换稳压电路、输出分别为+3.3v和+1.0v的第三降压稳压电路、输出为+1.8v的第四降压稳压电路。所述第一稳压电路包括型号为mc34063a直流－直流dc-dc变换稳压芯片及其外围电路，所述第二dc-dc变换稳压电路包括型号为mc34063a直流－直流dc-dc变换稳压芯片及其外围电路，所述第三降压稳压电路包括型号为ltc3633降压稳压芯片及其外围电路，所述第四降压稳压电路包括型号为ltc3621降压稳压芯片及其外围电路。
[0034]
所述电压比较模块包括型号为lt1715cms电压比较芯片及其外围电路；电压比较模块用于将前置放大模块输入的光电子脉冲信号与更新后的阈值电压数值作比较后，输出相应的矩形电脉冲信号。
[0035]
数码管显示模块用于矩形电脉冲信号计数值显示。
[0036]
所述usb通信模块包括型号为ft2232hq通信芯片及其外围电路。usb通信模块用于fpga模块与usb模块双向通信。
[0037]
本发明的工作原理如下：光检测器输出的光电子脉冲信号接到前置放大模块进行信号放大，前置放大模块放大的光电子脉冲信号输出到两条线路上：一条线路是接到ad波形采样模块，经ad波形采样模块对一定时间段内的波形进行采样后，采样结果输入fpga模
块的波形峰值读取逻辑单元，读取波形的峰值，读得的峰值结果输入到fpga模块的阈值大小设定运算逻辑单元参与运算，将运算后得到的阈值电压数值接到fpga模块的da控制逻辑单元，fpga模块的da控制逻辑单元将阈值电压数值输出到da阈值电压控制模块，da阈值电压控制模块将接收到的阈值电压数值由数字量转为物理的模拟电压，然后接到电压比较模块的第二输入端，使电压比较模块得到更新后的阈值电压数值（甄别电压）；另一条线路是，当电压比较模块的阈值电压更新以后，fpga模块启动计数功能，前置放大模块的光电子脉冲信号输入到电压比较模块的第一输入端，并与更新后的阈值电压数值作比较，祛除噪声以及在阈值电压数值以下的光电子脉冲信号，且电压比较模块将在阈值电压数值以上的光电子脉冲信号转为矩形电脉冲信号输出，并接到fpga模块的bcd同步加法计数器逻辑单元，bcd同步加法计数器逻辑单元对设定时间间隔内的矩形电脉冲信号计数完毕后，将计数值输出到fpga模块的数码管控制逻辑单元，数码管控制逻辑单元控制数码管显示模块进行计数值显示。
[0038]
假设经前置放大模块放大的各个光电子脉冲信号的峰值相同或是相近，如图2中所示为峰值vpeak,则fpga模块的波形峰值读取逻辑单元依次读取一定时间段内的各个波形峰值，并根据峰值vpeak设定阈值电压vth大小，如图2：设定vth＝1/2*vpeak。
[0039]
假设经前置放大模块放大的各个光电子脉冲信号的峰值大小不同，如图3中所示为峰值vpeak1，vpeak2，vpeak3，vpeak4，则fpga模块的波形峰值读取逻辑单元依次读取一定时间段内的各个波形峰值，并根据该段时间内的最小峰值vpeak3来设定阈值电压vth3大小，如图3：设定vth3＝1/2*vpeak3。