Устройство для измерения величины заряда Советский патент 1981 года по МПК G01T1/18 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ Устройство относится к ядерной радиоэлектронике и предназначено для измерения величины заряда, генерируемого попупроводниковым 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 измерения электрических импульсных величин тока и напряжения с автоматическим выбором диапазона измерения. Известно устройство измерения величины заряда, генерируемого полупроводниковым детектором под действием ионизирующего излучения, состоящее из входного электронного ключа, триггера угфавления входным электронным ключом, интет ратора, аналого-цифрового преобразователя и триггера управления аналого-цифровым преобразователем. Это устройство предназначено для преобразоваш1Я величиЗАРЯДАны заряда в напряжение с последующим преобразованием напряжения в цифровой код с помощью различных схемных рещений: устройство со сбалансированным разрядом, устройство поразрядного взвешивания, устройство сравнения напряжений. Сигнал Начало интегрирования включает триггер управления входным электронным ключем. При этом вход интегратора черезвходной 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 аналого-цифровой преобразова тель. Происходит преобразование величины напряжения с выхода интегратора в цифровой код. Конец преобразования фиксируется для выключения триггера управления аналого-цифровым преобразователем При этом аналого-цифровой преобразователь отключается. При приходе следующей пары сигналов Начало интегрирования и Конец интегрирования цикл измерения повторяется 1. Недостатками данного устройства являк тся небольшой диапазон измеряемых величин заряда и низкая точность. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство измерения величины заряда, содержащее входной электронный переключатель, первый вход которого является измерительны входом устройства, стабилизатор тока раз ряда, 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 ду схемы сравнения нижнего уровня, а та же генератор и последовательно соединенные первую схему И и выходной счетчикрегистр, причем выход триггера управлени электронным переключателем подключен к третьему (управляющему) входу электронного переключателя и одному из входов первой схемы И, другой вход которой под ключен к выходу генератора. Сигнал начало интегрирования включает триггер управления входным, электронным переключателем. При этом вход интегратора подключается через входной электронный neiреключатель ко входу устройства. Происходит интегрирование- величины заряда, т.е. преобразование величины .заряда в напряжение. Сигнал Конец интегрирования выключает триггер управления входным электронным ключом и включает три гер управления выходным счетчиком-регистром. Вход интегратора переключается входным электронным ключом на вы ход стабилизатора тока разряда, схема И открывается и сигналы кварцевого генератора поступают на вход выходного счет чика-регистра. Происходит одновременно интегрирование стабильного тока, полярность которого, обратная вх,оаному току и заполнение выходного счетчикарегистра сигналами кварцевого генератора. Как только напряжение на выходе интегратора станет равным нулю срабатыва ет схема сравнения. Сигнал схемы сравнения выключает триггер управле-. ния выходным счетчико;-регистром. Схема И закрывается. Записанное в выходном счетчике-регистре число пропорционально величине напряжения на выходе интегратора, следовательно, пропорционально величине заряда на входе 2. 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 насыщения последнего. Кроме того, при таком методе измерения величины заряда абсолютная ошибка измерения остается постоянной во всем диапазоне измеряемых величин заряда. Относительная ошибка при этом увеличивается с уменьшением измеряемой величины и при достаточно малой величине измеряемого заряда может совершенно исказить величину последней. Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых величин заряда и увеличение точности изк.ерения. 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 триггера управления электронным переключателем подсоединен к третьему (управля-. ющему) входу электронного переключателя и из входов первой, схемы И, другой вход которой подключен к выходу генератора, введены триггер управления интегрированием-запоминанием, три схемы И, схема сравнения веохнего уровня, счетчик тактов интогрирования искома целения, причем вкоа схемы сравнения верхнего уровня подключен к выходу интегратора, а ее выход - ко второму входу 1риггера управления входной логикой, первый выход которого подключен к первому входу второй схемы И, а второй - к первым входам третьей и четвертой схем И. вторые входы второй и третьей схем V( подключены ко второму входу управления устройства, а их выходы, соответственно ко второму входу триггера управления электронным переключателем и первому входу 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 второму входу триггера управления интегрированием-запоминанием, выход которого подключен ко второму (управляющему) входу интегратора, выход счетчика тактов интегрирования подключен к первому входу схемы деления, ко второму входу которой подключен выход выходного счетчикарегистра.

На чертеже изображена блок-схема устройства измерения величины заряда.

Устройство содержит входной электронный переключатель 1, триппер управления входным электронным переключателем 2, стабилизатор тока разряда 3, интегратор 4 схему сравнения нижнего уровня 5,трир. гер управления входной логикой 6, cxe.Niy сравнения высокого уровня 7, вторую схему И 8, третью схему И 9, четвертую схему И 10, триггер управления интегрированиемзапоминанием 11, первую схему И 12, кварцевый генератор 13, выходной счетчик-регистр 14, счетчик тактов интегрирования 15, схему деления 16, измерительный вход 17, первый вход управления 18, второй вход управления 19, выход устройства 20.

Устройство измерения величины заряда работает следующим образом.

Измерительный вход 17 через входной электронный переключатель 1, который управляется триггером управления входным электронным переключателем 2 подключен к интегратору 4. Сигнал Начало интегрирования с входа управления 18 через открытую с:-, ему И 10 включает триггер управления интегрированием-запоминанием 11. Происходит интегрирование входного заряда. Сигнал конец интегрирования с входа управления чеуег открытую схему И 9 выключает трихгер управления тштегрированием-запоминанием 11 и интегратор 4 переходит в режим хранения величины напряжения на своем выходе. Далее процесс повторяется до момента, когда напряжение на 1 ыходе интегратора 4 превысит порог срабатывания схемы сравнения высокого уровни 7. В этот момент включается триггер управления входной 6. При этом закрывается схема И 9 и схема И 1О, а схема И 8 - откры

вается. 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 образом, 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 выходЪ интегратора 4 не станет равным напряжению срабатывания схемы сравнения нижнего уровня Б, сигнал которой выключит триггер управления входным электронным переключателем 2 и триггер упраЕления входной логикой 6, что обозначает конец. )1:-кла работы устройства. Одновременно с преобразованием величины заряда в напряжение интегратором 4 происходит счет тактов счетчиком тактов, т.е. считается количество сигналов Начало интегруфования в цикле измерения. Кроме того, сигнал с триггера управленга входным электронным переключателем 2 открывает схему И 12 и сигналы кварцевого генератора 1 3 пересчитываются выходным счетчиком-регистрам 14. В результате в выходном счетчике-регистре 14 оказывается записанным число импульсов, пропорциональное выходному напряжению-интегратора 4 или пропорциональное суммарному входному заряду за такое количество тактов интегртфования, которое записано в счетчике тактов 15. Эти {величины в цифровом виде приходят на схему деления 16, выход которой является выходом устройства. Величина входного эаряп.1 вычисляется по формуле

dcf,

1 - измеряемый заряд; i - постояк1;с:я прибора; & - величина интегрирующей екпсости; N - -.число в выходном счетчике-регистре 14; Ц - число в счетчике тактов.

Интегратор 4 состоит из операционного усилителя, аналогового , запоминающей емкости, истокового rloвтopv:тeля и интегрируюшей емкости. Анал.оговый клкч включен г.ежду вь.храсг- операционного ус1шг1теля и входом истокового повторителя к затвору которого подклк чена запоминающаяevtKocTb. Выход ИСТОКПРОГО повторителя через интегрирующую емкость соединен с инверсным сходом операционного усилителя.

Таким образом при любом, большом или малом входном заряде устройство работает Б очень малом диапазоне выходных напряжений. Поэтому абсолютная ошибка измерения напряжения на выхопе интегратора 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 заряда, 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 возКожной.

Формула изобретения

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 переклю«ателя, схему сравнения нижнего уровня, вход которой подключен к выходу интегратора, триггер управления электронньпу переключателем н 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 триггера управления электронным переключателем подключен к третьему (управляющему) входу электронного переключателя и одному из входов первой схемы И, другой вход которой подключен к выходу генератора, отличающееся 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 интегрирования, схема деления, причем вход схемы сравнения верхнего уровня подключен к выходу интегратора, а ее выход - ко вто. рому входу триггера управления входной логикой, первый выкоа которого подключен к 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 улрав тения устройства, а их выходы, соответственно, ко второму входу триггера управления электронным переключателем и первому входу трТ1ггера управления интегрированием-запоминанием, второй вход четвертой схемы И подключен к первому управляющему входу устройства, а ее выход - ко входу счетика тактов интегрирования и ко второму входу триггера управления интегрированием-запоминанием, выход которого подключен ко второму (управляющему) входу интегратора, выход счетчика тактов интегрирования подключен к первому входу схемьт деления, ко второму входу которой подключен выход выходного счетчика-регистра.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Коннели Дж. Аналоговые интегральные схемы. М., Мир, 1977, с. 349357.

2.КрузеН; Биппингхерст. Микропроцессор и программное обеспечение для универсального вольтметра. М., Электроника, № 12, 1978, с. 52 (прототип).

I

ID

r

N

C4J

10

П

vr