Устройство для измерения величины заряда

Союз СоветскихСоциалистичеснихРеспублик ОП ИСАЙИ ЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВйДЕТЕЛЬСТВУ 881631(23) Приоритет во делан иэабретеиий и открытий(53) УДК 621 .376.234 (088.8) Дата опубликования описания 18,11.81 В. А. Андреев, М. И. Скопюк и В. А. Р 1 евченко(72) Авторы изобретения Киевский ордена Ленина госуаарстветтный университет им. Т. Г. Шевченко(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫЗАРЯДА Устройство относится к ядерной рацио- электронике 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 полупровоаниковые детекторы для измерения импульсных потоков излучений в широких пределах интенсивностей, а также для измерения 1 о электрических импульсных величин тока и напряжения с автоматическим выбором диапазона измерения.Известно устройство измерения величины заряда, генерируемого полупроводни 35 ковым детектором под действием ионизирующего излучения, состоящее из входного электронного ключа, триггера управления входным электронным ключом, интег 20 ратора, аналого-цифрового преобразователя и триггера управления аналого-цифровым преобразователем, Это устройство предназначено аля преобразования величины заряда в напряжение с последующимпреобразованием напряжения в цифровойкод с помощью различных схемных решений: устройство со сбалансированным разрядом, устройство поразрядного взвешивания, устройство сравнения напряжений.Сигнал "Начало интегрирования" включаеттриггер управления входным электроннымключем. При этом вход интегратора через.входной электронный ключ подключаетсяко входу устройства. Происходит интегрирование величины заряаа, т.е. преобразование величины заряда в напряжение.Сигнал "Конец интегрирования" выключаеттриггер управления входным электроннымключем и включает триггер управленияаналого-цифрового преобразователя. Входной электронный ключ закрывается, навыходе интегратора фиксируется напряжение, пропорциональное величине заряда ивключается аналого-цифровой преобразователь. Происходит преобразование величины напряжения с выхода интегратора вцифровой код, Конец преобразования фик 881 М 1сируется для выяпочения 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 11,Недостатками данного устройства являются небольшой диапазон измеряемыхвеличин заряда и низкая точность. 30Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройствоизмерения величины заряда, содержащеевходной электронный переключатель, первый вход которого является измерительным 15входом устройства, стабилизатор тока разряда, выход которого подключен ко второму входу электронного переключателя, ин-,тегратор, вход которого подключен к выходу электронного переключателя, схемусравнения нижнего уровня, вход которойподключен к выходу интегратора; триггеруправления электронным переключателеми триггер управления входной логикой,первые входы которых подключены к выходу схемы сравнения нижнего уровня, а таквже генератор и последовательно соединенные первую схему И и выходной счетчикрегистр, причем выход триггера управленияэлектронным переключателем подключен ктретьему (управляющему) входу электрон ного переключателя и одному из входовпервой схемы И, другой вход которой подключен к выходу генератора, Сигнал начало интегрирования включает триггер упЭ 5равления входным. электронным переклкчателем. При этом вход интегратора подключается через входной электронный переключатель ко входу устройстза, Происходит интегрирование величины заряда,40т.е. преобразование величины заряда внапряжение. Сигнал "Конец интегрирования" выключает триггер управления входным электронным. ключом и включает триггер управления выходным счетчиком-регистром. Вход интегратора переключа 45ется входным электронным ключом на выход стабилизатора тока разряда, схема Иоткрывается и сигналы кварцевого генератора поступают на вход выходного счетчика-регистра. Происходит одновременно50интегрирование стабильного тока, полярность которого, обратная входномутоку и заполнение выходного счетчикарегистра сигналами кварцевого генератора. Как только напряжение на выходе интегратора станет равным нулю срабатывает схема сравнения. Сигнал схемысравнения выключает триггер управле-. ния выходным счетчико-регистром,Схема И закрывается, Записанное ввыходном счетчике-регистре число прспорционально величине напряжения на выходе интегратора, следовательно, пропорционально величине заряда на входе 21.Однако в данном устройстве диапазонизмеряемых величин заряда ограничен снизу величиной тока утечки на входе интегратора, а сверху - максимальной величиной напряжения на выходе интеграторабез насыщения последнего. Кроме того,при таком методе измерениявеличинызаряда абсолютная ошибка измерения остается постоянкой во всем диапазоне измеряемых величин заряда. Относительнаяошибка при этом увеличивается с уменьшением измеряемой величины и при достаточно малой величине измеряемого зарядаможет совершенно исказить величину последней.Целью изобретения является расширние диапазона измеряемых величин зарядаи 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 вым 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 одному иэ 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 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 свхода управления 19 через открытую схему И 8 включает триггер управления входным электронным переключателем 2,который переключает входной электронныйключ 1 таким обрезом, что к входу интегратора 4 подключается стабилизатортока разряда 3. Так как интегратор 4 находится в режиме интегрирования, то происходит интегрирование постоянного токадо момента, когда напряжение на выходеинтегратора 4 не станет равныл 1 напряжению срабатывания схемы сравнения нижнего уровня 5, сигнал которой выключиттриггер управления входным электроннымпереключателел 2 и триггер управлениявходной логикой 6, что обозначает конецц.:кла работы устройства. Одновременно спреобразованием величины заряда в напряжение интегратором 4 происходит счеттактов счетчиком тактов, т.е. считаетсяколичество сигналов "Начало интегрирования" в цикле измерения. Кроме того, сигнал с триггера управления входнь.м электронным переключателем 2 открывает схему И 1 2 и сигналы кварцевого генератора 13 пересчитываются выходным счетчиком-регистрам 14, В результате в выходном счетчике-регистре 14 оказываетсязаписанным число импульсов, пропорциональное выходному напряжению интегратора4 или пропорциональное суммарному входному заряду за такое количество тактов интегрирования, которое записано в счетчикетактов 15, Зти величины в цифровомвиде приходят на схему деления 16, выход которой является выходом устройства.Величина входного заряда вычисляется поформуле где д 4,С йИнтегратор 4 состоит иэ операционного усилителя, аналогового ключа, загоминаюн 1.ей емкости, истокового повторителя и интегрирующей емкости. Аналоговый клкч вкчючен между вь,ходсл операционного усилителя и входом истоксвого повторителяк затвору которого подкгкчена запоминающая емкость. Выход истокового повторителя через интегрирующую емкость соединен с инверсным входом операционного усилителя,5 881631рые входы второй и третьей схем И подключены ко второму входу управления устройства, а их выходы, соответственно ковторому входу триггера управления электронным переключателем и первому входутриггера управления интегрированием-запоминанием, второй вход четвертой схемыИ пошцпочен к первому управляющему входу устройства, а ее выход - ко входусчетчика тактов интегрирования и ко второму входу триггера управления интегрированием-запоминанием, выход которогоподключен ко второму (управляющему) входу интегратора, выход счетчика тактовинтегрирования нодключен к первому входу схемы деления, ко второму входу которой подключен выход выходного счетчикаг егистра.На чертеже изображена блок-схема устройства измерения величины заряда.20Устройство содержит входной электронный переключатель 1, триггер управлениявходным электронным переключателем 2,стабилизатор тока разряда 3, интегратор 4,схему сравнения нижнего уровня 5, триг. гер управления входной логикой 6, схемусравнения гысокого уровня 7, вторую схему И 8, третью схему И 9, четвертую схемуИ 10,триггер управления интегрированиемзапоминанием 11, первую схему И 12, квар- зоцевый генератор 13, выходной счетчик-регистр 14, счетчик тактов интегрирования15, схему деления 16, измерительный вход17,первый вход управления 18, второй вход35управления 19, выход устройства 20.Устройство измерения величины зарядаработает следующим образом,Измерительный вход 17 через входнойэлектронный переключатель 1, который управляется триггером управления входным 4 Оэлектронным переключателем 2 подключенк интегратору 4. Сигнал "Качало интегрирования" с входа управления 18 черезоткрытую с:.ему И 10 включает триггеруправления интегрированием-запоминанием11. Происходит интегрирование входногозаряда, Сигнал "конец интегрирования" свхода управления через открытую схемуИ 9 выключает триггер управления интегрированием-запоминанием 11 и интегратор 4 переходит в режим хранения величины напряжения на своем выходе. Далеепроцесс повторяется до момента, когданапряжение на выходе интегратора 4 превысит порог срабатывания схемы сравне 55ния высокого уровня 7. В этот моментвключается триггер управления входнойлогикой 6. При этом закрывается схемаИ 9 и схема И 10, а схел.а И 8 - откры йТаким образом при любом, большомили малом входном заряде устройство работает в очень малом диапазоне выходныхнапряжений. Поэтому абсолютная ошибкаизмерения напряжения на выходе интегратсра остается величиной постоянной независимо от количество тактов интегрирования в одном цикле, Абсолютная ошибкаизмерения заряда уменьшается в К раз,где К - число тактов интегрирования.При этом относительная ошибка измеренияне зависит от величины измеряемого заряда, что особенно важно при измерениималых зарядов. Кроме того, динамическийдиапазон устройства по входу можно значительно расширить за счет увеличенияразности между напряжениями срабатывания схем сравнения до максимально возможной,Формула изобретенияУстройство 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 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 упраьпения электронным переключателем подключен к третьему (управляющему) входу электронного переклю. 631 8очатедя и одному иэ входов первой схемыИ, другой вход которой подключен к выходу генератора, о т д и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью расширения диапазона5 измеряемых величин заряда и увеличенияточности измерения, в него введены триггер управления интегрированием-запоминанием, три схемы И, схема сравненияверхнего уровня, счетчик тактов интегриО рования, схема деления, причем вход схемы сравнения верхнего уровня подключенк выходу интегратора, а ее выход - ко второму входу триггера управления входной логикой,первый выход которого подключен к15 первому входу второй схемы И, а второй -к первым входам третьей и четвертойсхемы И, вторые входы второй и третьейсхем И подключены ко второму входуупраьдения устройства, а их выходы, соот 20 ветственно, ко второму входу триггерауправления электронным переключателем ипервому входу триггера управления интегрированием-запоминанием, второй входчетвертой схемы И подключен к первому25 управляющему входу устройства, а еевыход - ко входу счетика тактов интегрирования и ко второму входу триггера управдения интегрированием-запоминанием,выход которого подключен ко второму (упЗО равляющему) входу интегратора, выходсчетчика тактов интегрирования подключенк первому входу схемы деления, ко второму входу которой подключен выход выходного счетчика- регистра.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Коннели Дж. Аналоговые интегральные схемы. М., "Мир", 1977, с. 349357.40 2. Крузен., Биддингхерст. Микропроцессор и программное обеспечение дляуниверсального вольтметра. М "Электроникаф, Мо 12, 1978, с. 52 (прототип),Составитель М. ДаниловРедактор М. Погориляк Техред Т.Маточка Корректор А. ЛзяткоЗакаэ 9964/68 Тираж 735 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раущская наб., д. 4/5филиал ППП фПатент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4.