Устройство для измерения величины заряда
Союз Советских
Социалистичесних республик
ОП ИСАЙИ Е
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВйДЕТЕЛЬСТВУ
С 01 Т 1/18 с присоединением заявки М1осударстееииый каиитет СССР (23) Приоритет во делан изабретеиий и открытий Опубликовано 15 11.81 Бюллетень № 42 (5З) УДК 621. .376.234 (088.8) Дата опубликования описания 18.11.81 В. А. Андреев, N. И. Скопюк и В. А. @евченко . / (72) Авторы изобретения Киевский ордена Ленина государстве1тный университет им. Т. Г. Шевченко (7I ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ЗАРЯДА Устройство относится к ядерной радиоэлектронике и предназначено для измерения величины заряда, генерируемого полу-, проводниковым детектором под действием импульсного рентгеновского излучения,может быть также использовано во всех отраслях народного хозяйства и научных исследованиях, где применяются полупроводниковые детекторы для измерения импульсных потоков излучений в широких пределах интенсивностей, а также для измерения1о электрических импульсных величин тока и напряжения с автоматическим выбором диапазона измерения. Известно устройство измерения величины заряда, генерируемого полупроводни35 ковым детектором под действием ионизирующего излучения, состоящее из входного электронного ключа, триггера управления входным электронным ключом, интег10 ратора, аналого-цифрового преобразователя и триггера управления аналого-цифровым преобразователем. Это устройство предназначено для преобразования величины заряда в напряжение с последующим преобразованием напряжения в цифровой код с помощью различных схемных решений: устройство со сбалансированным разрядом, устройство поразрядного взвешивания, устройство сравнения напряжений. Сигнал "Начало интегрирования" включает триггер управления входным электронным ключем. При этом вход интегратора через. входной электронный ключ подключается ко входу устройства. Происходит интегрирование величины заряда, -т.е. преобразование величины заряда в напряжение. Сигнал "Конец интегрирования" выключает триггер управления входным электронным ключем и включает триггер управления аналого-цифрового преобразователя. Входной электронный ключ закрывается, на выходе интегратора фиксируется напряжение, пропорциональное величине заряда и включается аналог -цифровой преобразова тель. Происходит преобразование величины напряжения с выхода интегратора в цифровой код, Конец преобразования фик881 Ì1 сируется для выключения триггера управления аналого-цифровым преобразователем. При этом аналого-цифровой преобразователь отключается. При приходе следук щей пары сигналов "Начало интегрирования" и "Конец интегрирования" цикл измерения повторяется (1). Недостатками данного устройства являются небольшой диапазон измеряемых величин заряда и низкая точность. 0 Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство измерения величины заряда, содержащее входной электронный переключатель, первый вход которого является измерительным15 входом устройства, стабилизатор тока разряда, выход которого подключен ко второму входу электронного переключателя, ин- . тегратор, вход которого подключен к выходу электронного переключателя, схему сравнения нижнего уровня, вход которой подключен к выходу интегратора; триггер управления электронным переключателем и триггер управления входной логикой, первые входы которых подключены к выхо- 5 ду схемы сравнения нижнего уровня, а также генератор и последовательно соединенные первую схему И и выходной счетчикрегистр, причем выход триггера управления электронным переключателем подключен к третьему (управляющему) входу электрон ного переключателя и одному из входов первой схемы И, другой вход которой подключен к выходу генератора. Сигнал начало интегрирования включает триггер уп35 равления входным. электронным переклк чателем. При этом вход интегратора подключается через входной электронный переключатель ко входу устройстза. Происходит интегрирование величины заряда, 40 т.е. преобразование величины заряда в напряжение. Сигнал "Конец интегрирования" выключает триггер управления входным электронным. ключом и включает триг rep управления выходным счетчиком-регистром. Вход интегратора переключа45 ется входным электронным ключом на выход стабилизатора тока разряда, схема И открывается и сигналы кварцевого генератора поступают на вход выходного счет. чика-регистра. Происходит одновременно 50 интегрирование стабильного тока, полярность которого, обратная входному току и заполнение выходного счетчикарегистра сигналами кварцевого генератора. Как только напряжение на выходе интегратора станет равным нулю срабатывает схема сравнения. Сигнал схемы сравнения выключает триггер чправления выходным счетчико"-регистром. Схема И закрывается. Записанное в выходном счетчике-регистре число прс порционально величине напряжения на выходе интегратора, следовательно, пропорционально величине заряда на входе (21. Однако в данном устройстве диапазон измеряемых величин заряда ограничен снизу величиной тока утечки на входе интег ратора, а сверху — максимальной величиной напряжения на выходе интегратора без насышения последнего. Кроме того, при таком методе измерения величины заряда абсолютная ошибка измерения остается постояниой во всем диапазоне измеряемых величин заряда. Относительная ошибка при этом увеличивается с умень» шением измеряемой величины и при достаточно малой величине измеряемого заряда может совершенно исказить величину последней. Целью изобретения является расшир ние диапазона измеряемых величин заряда и увеличение точности измерения. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения величины заряда, содержащее входной электронный переключатель, первый вход которого является измерительным входом устройства, стабилизатор тока разряда, выход которого подключен ко второму входу электронного переключателя, интегратор, вход которого подключен к выходу электронного переключателя, схему сравнения нижнего уровня, вход которой подключен к выходу интегратора, триггер управления электрон ным переключателем и триггер управления входной логикой, первые входы которых подключены к выходу схемы сравнения нижнего уровня, а также генератор и последовательно соединенные первую схему И и выходной счетчик-регистр причем выход l триггера управления электронным переключателем подсоединен к третьему (управля-. ющему) входу электронного переключателя и одному иэ входов первой. схемы И, другой вход которой подключен к выходу генератора, введены триггер управления интегрированиемм-запоминанием, три схемы И, схема сравнения веохнего уровня, счетчик TBKtoB интегрирования и схема деления, причем вход схемы сравнения верхнего уровня подключен к выходу ингегратора, а ее выход - ко второму входу триггера управления входной логикой, первый выход .которого подключен к первому входу второй схемы И, а второй - к первым входам третьей и четвертой схем И. втовается. Сигнал Конец интегрирования с входа управления 19 через открытую схе му И 8 включает триггер управления входным электронным переключателем 2, который переключает входной электронный ключ 1 таким обрезом, что к входу интегратора 4 подключается стабилизатор тока разряда 3. Так как интегратор 4 находится в режиме интегрирования, то происходит интегрирование постоянного тока до момента, когда напряжение на выходе интегратора 4 не станет равныл1 напряжению срабатывания схемы сравнения нижнего уровня 5, сигнал которой выключит триггер управления входны»-1 электронным переключателел» 2 и триггер управления входной логикой 6 что обозначает конец и:.кла работы устройства. Одновременно с преобразованием величины заряда в напряжение интегратором 4 происходит счет тактов счетчиком тактов, т.е. считается количество сигналов "Начало интегрирования" в цикле измерения. Кроме того, сигнал с триггера управления входнь.м электронным переключателем 2 открывает схему И 12 и сигналы кварцевого генератора 13 пересчитываются выходным счетчиком-регистрам 14. В результате в выходном счетчике-регистре 14 оказывается записан»»ыл число импульсов, пропорциональное выходному напряжению интегратора 4 или пропорциональное суммарному входному заряду за такое количество тактов интегр».рования, которое записано в счетчике тактов 15. Зти величины в цифровом виде приходят на схему деления 16, выход которой является выходом устройства. Вел1.чина входного заряда вычисляется по формуле где о, д, С Интегратор 4 состоит иэ операционного усилителя, аналоговсго ктюча, загоминаюи.ей емкости, истокового повторителя и интегрирующей емкости. Аналоговый KllK÷ вкчючен между вь,ходе» операционного усилителя и входом истоксвого повторителя„к затвору которого подключена запоми»:аюшая емкость. Выход истокового повторителя через интегрирующую емкость соединен с инверсным входол1 операционного ус11лителя. 5 881631 рые входы второй и третьей схем И подключены ко второму входу управления устройства, а их выходы, соответственно ко второму входу триггера управления электронным переключателем и первому входу 1 триггера управления интегрированием-запоминанием, второй вход четвертой схемы И подключен к первому управляющему входу устройства, а ее выход - ко входу счетчика тактов интегрирования и ко вто- 1р рому входу триггера управления интегрированием-запоминанием, выход которого подключен ко второму (управляющему) входу интегратора, выход счетчика тактов интегрирования подключен к первому вхо- 15 ду схемы деления, ко второму входу которой подключен выход выходного счетчикагегистра. На чертеже изображена блок-схема устройства измерения величины заряда. Устройство содержит входной электронный переключатель 1, триггер управления входным электронным переключателем 2, стабилизатор тока разряда 3, интегратор4, схему сравнения нижнего уровня 5, триг- 25 . гер управления входной логикой 6, схему сравнения высокого уровня 7, вторую схему И 8, третью схему И 9, четвертую схему И 10,триггер управления интегрированиемзапоминанием 11, первую схему И 12, квар- з цевый генератор 13, выходной счетчик-регистр 14, счетчик тактов интегрирования 15, схему деления 16, измерительный вход 17, первый вход управления 18, второй вход 35 управления 19, выход устройства 20. Устройство измерения вел.ичины заряда работает следующим образом. Измерительный вход 17 через входной электронный переключатель 1, который управляется триггером управления входным 4р электронным переключателем 2 подключен к интегратору 4. Сигнал "Качало интегрирования" с входа управления 18 через открытую с:.ему И 10 включает триггер управления интегрированиел1-запоминанием 4 11. Происходит интегрирование входного заряда. Сигнал " конец интегрирования" с входа управления через открытую схему И 9 выключает триггер управления интегрированием-запоминанием 11 и интегратор 4 переходит в режим хранения величины напряжения на своем выходе. Далее процесс повторяется до момента, когда напряжение на выходе интегратора 4 превысит порог срабатывания схемы сравне55 ния высокого уровня 7. В этот момент включается триггер управления входной ло» икой 6. При этом закрывается схема И 9 и схема И 10, а схела И 8 - откры g =с С вЂ”, К вЂ” измеряемый заряд; — пос-.оян»»оя прибора; — величина интегрирующей ел1кости; —,число в выходнол< счетчике-регистре 14; — число в счетчике тактов. 883 Таким образом при любом, большом или малом входном заряде устройство работает в очень малом диапазоне выходных напряжений. Поэтому абсолютная ошибка измерения напряжения на выходе интегратсра остается величиной постоянной независимо от количество тактов интегрирования в одном цикле. Абсолютная ошибка измерения заряда уменьшается в К раз, где k, — число тактов интегрирования. При этом относительная ошибка измерения не зависит от величины измеряемого ааряда, что особенно важно при измерении малых зарядов. Кроме того, динамический диапазон устройства по входу можно значительно расширить за счет увеличения разности между напряжениями срабатывания схем сравнения до максимально воз можной. Формула изобретения Устройство для измерения величины заряда, содержащее входной электронный переключатель, первый вход которого является измеритепьным входом устройства, стабилизатор тока разряда, выход которого подключен ко второму входу электронного переключателя, интегратор, вход которого подключен к выходу электронного переклюателя, схему сравнения нижнего уровня, вход которой подключен к выходу интегратора, триггер управления электронным переключателем и триггер управления входной логикой, первые входы которых под-. ключены к выходу схемы сравнения нижнего уровня, а также генератор и последовательно соединенные первую схему И и выходной счетчик-регистр, причем выход триггера управления электронным переключателем подключен к третьему (управляющему) входу электронного переклю. 631 8 чателя и одному иэ входов первой схемы И, другой вход которой подключен к выходу генератора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых величин заряда и увеличения точности измерения, в него введены триггер управления интегрированием-запоминанием, три схемы И, схема сравнения верхнего уровня, счетчик тактов интегри10 рования, схема деления, причем вход схемы сравнения верхнего уровня подключен к выходу интегратора, а ее выход — ко второму входу триггера управления входной логикой,первый выход которого подключен к 15 первому входу второй схемы И, а второйк первым входам третьей и четвертой схемы И, вторые входы второй и третьей схем И подключены ко второму входу управления устройства, а их выходы, соот2о ветственно, ко второму входу триггера управления электронным переключателем и первому входу триггера управления интегрированием-запоминанием, второй вход четвертой схемы И подключен к первому 25 управляющему входу устройства, а ее выход — ко входу счетика тактов интегрирования и ко второму входу триггера управления интегрированием-запоминанием, выход которого подключен ко второму (упзо равляющему) входу интегратора, выход счетчика тактов интегрирования подключен к первому входу схемы деления, ко второму входу которой подключен выход выходного счетчика- регистра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Коннели Дж. Аналоговые интеграль ные схемы. М., "Мир", 1977, с. 349357. 40 2. Крузен., Биллингхерст. Микропроцессор и программное обеспечение для универсального вольтметра. М., "Электроника", No 12, 1978, с. 52 (прототип). Составитель М. Данилов Редактор М. Погориляк Техред Т.Маточка Корректор А. Лзятко Закаэ 9964/68 Тираж 735 Подписное ВНИИПИ Государственного .комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
