基于 C8051F340 的伽马计量仪的研究

基于 C8051F340 的伽马计量仪的研究

陈文秀 李姝彬 颜国旭 李佳俊

成都理工大学核技术与自动化工程学院 四川成都 610059

摘要：介绍了一种基于C8051F340和电压频率转换器（VFC）AD7740的伽马计量仪，主要描述了闪烁体探测器，I-F转换电路，按键电路和电源电路，然后用伽马计量仪在实验室内外进行实验测试，初步验证了仪器的可靠性，能够满足实验室使用的技术要求。

关键词：C8051F340；AD7740；闪烁体探测器；伽马计量仪

1 引言

目前，伽马辐射测量仪广泛用于环境天然贯穿辐射本底水平的调查、核设施周围的放射性计量检测；各种建筑材料的放射性监测；工业中使用的各种放射性测量仪表（如无损探伤机），对操作人员所受辐射剂量监测；医疗及工业X光机周围的剂量监测。因此对伽马辐射测量仪的研究是必须的。C8051F340器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU。多达40个I/O口，资源丰富，最高可达48MIPS的高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核，工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-5.25V的电压工作开发调试方便，可片内JTAG在线调试。

2 总体设计思想

硬件电路主要由闪烁体探测器、I-F转换电路、单片机系统、按键电路、液晶显示、电源模块等组成，总体设计框图如图1所示。其工作原理是：由探测器输出的电流脉冲经由放大电路和I-F转换电路转换为单片机可处理的具有一定频率的脉冲信号,然后将该信号接入C8051F340的外部事件计数器T0进行计数,简单的实现在一定时间里来一个脉冲计一个数，最后将总数在显示屏上显示。

图1 总体设计框图

在仪器组成中，闪烁体探测器的很关键的部分，图2为闪烁体探测器的组成部分，主要由闪烁体、光电倍增管、分压器、前置放大器及高压电源组成，其基本的工作原理为利用辐射在某些物质中产生的闪光来探测电离辐射的探测器。所以在伽马能谱测量的应用中，我们选用的闪烁体和光电倍增管是无机盐晶体NaI(TI)闪烁晶体和滨松光子公司的端窗型光电倍增管CR332型。

图2 闪烁体探测器的基本组成部分

3 功能电路设计

3.1 I-F转换电路

I-F转换电路可以由I-V转换电路和V-F转换电路组成，先将电流转换为电压并进行放大，然后经过V-F转换电路，把电压转换为频率（脉冲），最后将脉冲送给单片机系统进行计数。

I-V转换电路的基本原理如图3所示，输入信号 经由一个大阻值的反馈电阻 ，将电流转换为电压，输入输出的关系可表示为： 。由于电路存在输入电容，这会使运算放大器不稳定，所以为了电路能稳定的工作，可以在反馈电阻上并联一个反馈电容作为补偿，电容值不宜过大，过大会延长响应时间。另外运算放大器的选型也很重要，需要注意运算放大器的输入偏置电流、输入失调电流、输入失调电压、噪声、输入阻抗以及漂移等重要参数。运算放大器LMC6062、LMC662、ADA4530-1都是很好的选择，但同时需要考虑到成本。

图3 I-V转换的基本原理

对I-V转换电路输出的电压，选择使用反向输入运算放大电路，电路图如图4所示，其输入输出关系为： 。这里采用了精密电位器来调节放大倍数，在小信号输入的条件下，增益可以在100以内可调节。同时，在电路末级接上一个电压跟随器，能够提高电路的稳定性。

图4 反向输入运算放大电路

V-F转换可由ADI公司的集成电路AD7740来实现，AD7740是一款3V/5V低功耗、单通道、单端VFC。它的优势在于：1）它采用8引脚SOT-23和8引脚MSOP封装，用于低成本应用。AD7740与其它解决方案相比，非常节省空间；2）外围电路简单，不像电压频率转换器（VFC）需要外部电阻和电容来设置输出频率，它的最大输出频率可通过晶体或时钟设置，无需调整或校准；3）模拟输入可低至GND以下150mV，支持真双极性工作。当引脚直接接地，即BUF=0时，AD7740的输入引脚VIN允许的模拟输入电压为-0.15V~(VDD+0.15)V,如图6所示，转换关系可表示为： ；4）REFIN的额定电压参考范围为2.5V至电源电压VDD；5）当输入无缓冲时，AD7740采用3.0V至3.6V或4.75V至5.25V单电源供电，典型功耗为0.9mA。它还具有自动关断功能。

图6 转换关系图

图7为AD7740的推荐的基本连接电路。从图可以看出，BUF=0，REF=VDD=5V,所以模拟输入电压VIN的输入范围为：-0.15V~(VDD+0.15)V,即-0.15V~5.15V,输出频率的范围为： ~ ，即0.076 ~0.924 。但需要注意的是CLKIN引脚的最大输入频率为1MHz。

图7 基本连接电路

3.2 电源电路

伽马计量仪的电源采用锂电池供电，在电路中所需电压为±5V、3.3V和600V-1250V，分别为运算放大器、AD7740、C8051F340及探测器和其他芯片供电。电源电路主要由LDO、高压电源、DC-DC、负电压电路和滤波电路组成。在AD软件中设计电源电路的时候，可以在电源输入的地方接入一个二极管防反接，同时用一个发光二极管作为电源状态指示灯，电源接入则灯亮，这样在调试出错的时候就能快速的排除掉电源电路。

3.3 按键电路

按键电路简单的由六个按键组成，这六个按键分别实现的功能为：开机/关机（On/Off），上键（Up）、下键（Down）、确定（OK）、返回（Back）以及一个复位按键（Reset）,按键电路如图6所示，直接将按键连接到C8051F340的P2.5~P2.7和P3.0~P3.1口，当有按键按下时，即相应的I/O口检测到低电平，单片机系统进行处理并作出相应的动作。

图6 按键电路

4 实验测试

实验地点选取为实验室各楼层走廊。在实验室内三个楼层的走廊里各选取5各测量点，共15各测量点，两人分别同时用自己研制的伽马计量仪与FD808型X-γ辐射计量仪对同一测量点同时进行测量，并记录数据，记录的数据如图7所示。从图7中可以看出，实验数据稳定可靠，能够满足使用。

图7 实验室内各楼层走廊测量的数据

5 结论

在设计中充分利用了C8051F340以及电压频率转换器（VFC）AD7740的资源优势，简化了硬件电路，仪器体积小、功耗低，设计成本低，实验测试的实验数据初步验证了仪器的可靠性，能够达到实验室使用的技术要求。

参考文献：

谭伟，刘冲，杨彬华，吴龙雄.基于C8051F020的γ剂量率仪的设计[J].核电子学与探测技术，2009,29（3）.

ANALOG DEVICES.AD7740 datasheet.2016

张绍文.迷你γ计量仪的设计研究[J].中国高新技术企业，2017,09.