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核仪器设计

本科生实习报告

实习名称

核仪器设计

实习类型

课程设计

题目

电压灵敏型前置放大器

单道脉冲分析器

学院名称

核技术与自动化工程学院

专业名称

核工程与核技术

学生姓名

学生学号

任课教师

实习地点

核工楼

完成时间

设计成绩

用集成运算放大器设计一台

电压灵敏型前置放大器

摘要

运算放大器是一个实实在在的模拟信号的放大电路，它的输入端输入一个变化的模拟量（；在输出端就输出一个幅度放大的但是其波形完全相同的不失真的信号（输出信号波形各个部分的比例和输入信号波形各个部分的比例相同）。

输出信号是输入信号经某种数学运算的结果；就是输出信号的各个部分是输入信号对应的各个部分的倍数关系（就好像输出信号各个部分的电压幅度是输入部分各个部分的的乘积结果）；好像是把信号的幅度进行了乘法运算一样。

也就是说运算放大器是一个优秀的线性放大电路。

电压放大器（VoltageAmplifier）是提高信号电压的装置。

对弱信号，常用多级放大，级联方式分直接耦合、阻容耦合和变压器耦合，要求放大倍数高、频率响应平坦、失真小。

当负载为谐振电路或耦合回路时，要求在指定频率范围内有较好幅频和相频特性以及较高的选择性。

关键词：

电压灵敏型前置放大器；谱仪放大器；单道脉冲幅度分析器；定时计数器

摘要2

第1章电压灵敏型前置放大器3

1.1概述3

1.1.1目标任务3

1.1.2国内外研究现状3

1.1.3主要研究内容3

1.1.4人员组成3

1.2总体设计4

1.3元电路的设计5

1.4小结5

2.1概述6

2.1.1目标任务6

2.2总体设计6

2.2.1单道脉冲幅度分析器设计6

2.2.2单道脉冲幅度分析器的电路介绍7

2.2.3单道脉冲幅度分析器的电路板的焊装与调试8

2.2.4电路板调试结果8

2.3定时计数器的制作9

2.3.1定时计数器的电路结构9

2.3.2定时计数器的电路介绍9

2.3.3电路板的制作与调试10

第3章总结11

附录一、完整电路实图13

附录二、单道脉冲幅度分析器电路图14

附录三、定时计数器电路图15

附表一、XX电路元器件明细表16

第1章电压灵敏型前置放大器

1.1概述

由于空间电磁干扰的存在，或有时屏蔽和隔离不好，在信号远距离传输时，往往串入外界干扰，需要设法提高信号干扰比。

运用电压灵敏型前置放大器，能有效的提高弱信号的信噪比，现阻抗转换和匹配，合理布局，便于调节和使用。

1.1.1目标任务

用集成运算放大器设计一台电压灵敏型前置放大器，要求放大倍数10倍；输入阻抗≥106Ω；非线性≤1％。

1.1.2国内外研究现状

我国的电压灵敏型前置放大器价格比较低廉，几元到几十元不等。

主要运用与慢技术系统、能量分辨要求较低的能谱测量系统。

相比于电荷型放大器，具有结构简单，价格低廉，维护调整简单的优点，得到广泛的应用。

1.1.3主要研究内容

电压灵敏型前置放大器主要由探测器等效电容、探测器负载电阻，导线分布电容、前放输入电容、前放输入电阻构成。

运用跟随器调节其输入电阻等，并通过负反馈调节其放大系数以及减少其非线性。

1.1.4人员组成

设计者

温成

原理的设计以及电路调整

协作者

赵建豪

电路焊接，设计协助

协作者

余舟

电路焊接，设计协助

。

1.2总体设计

探测器极间电容：

CD；放大器的输入电容：

CA；分布电容CS。

则放大器的输入端总电容：

Ci=CD+CA+CS

1.3元电路的设计

1.4小结

在本次设计实验当中，由于对电压灵敏型放大器的认识不足，导致非线性比预计的要稍微大一点。

电压放大器灵活的运用了负反馈调节，一方面达到了预定的放大系数，另外一方面也稍微调节了非线性。

第2章单道定标器的制作

2.1概述

2.1.1目标任务

脉冲分析器把脉冲信号按幅度的大小进行分类并记录每类信号的数目。

常用于分析射线探测器的输出信号，测量射线的能谱。

单道脉冲幅度分析器每次只记录处于某一个幅度区间内的输入脉冲的计数，调节此幅度区间内的位置（称为阈值）重复地进行测量，即可测得脉冲的幅度分布谱。

甄别器是单道脉冲幅度分析器的重要电路，在保证技术指标的前提下尽量简单，因此本电路选用集成电压比较器，开环增益高，传输延迟时间段，在其外围加少许元件即可构成性能优良的幅度甄别器。

阈值调节电路采用电阻分压形式，用高稳定稳压管产生基准电压，既简化了电路结构，又降低了仪器的功耗。

为尽量减少计数损失，本电路采用新的反符合法。

以双稳态作为记忆元件，下甄别器输出脉冲的前沿开门，后沿输出计数，整个反符合电路用两块门电路。

2.2总体设计

2.2.1单道脉冲幅度分析器设计

图2-1单道脉冲幅度分析器原理框图

单道脉冲幅度甄别器有上甄别器和下甄别器及反符合电路构成。

当输入脉冲信号幅值高于上阈值或低于下阈值时，单道脉冲幅度分析器无信号输出。

只有当输入信号的幅值在上下阈值之间时电路才有信号输出。

甄别器是单道脉冲分析器的重要电路，在保证技术指标的前提下电路要尽量简单，因而本电路选用集成电压比较器SBJI，开环增益高，传输延迟时间短，在其外围加少许元件即可构成性能优良的幅度甄别器。

闭调节电路采用电阻分压形式，用高稳定度稳压管产生基准电压，既简化了电路结构，又降低了仪器的功耗。

2.2.2单道脉冲幅度分析器的电路介绍

（1）甄别阈的调节电路

图2-2为甄别阈的调节电路,由高稳定度稳压二极管ZDw7c提供稳定电压,再由精密电阻R,一R月分压,两个精密十圈电位器w、wZ分另lJ提供上甄别阂和下甄别闭的电压值。

由于R,一R;和w、wZ稳定度都很高,并且流过分压电阻的电流值远远大于电压比较器的输入电流,这就是足以使阂电压值稳定,通过实验也证明了这点。

图2-2上下阈值调节电路

（2）甄别器电路

图2-3甄另lJ器电路采用SB引快速电压比较器接成施密特形式作甄别器电路,具有外围元输入阻抗高,且其输出级同TTL数字电路相下甄别器电路在单道分析器中的作用十分重要,在设计时予以充分考虑。

图3为下甄别器电路原理图。

输入信号vi从反相输入端输入,闭电压v,通过R6加到同相输入端,RS形成正反馈。

当输入信号幅度高于v,时,输出负脉冲。

SBJI的输出逻辑摆幅为3V左右。

由于SBIJ的开一环增益可达80dB.为了兼顾触发器的翻转速度和滞后电压,反馈系数r取值为20:

01。

为了减小输入失调,

一刀6//刀5。

这样取值后测得回差电压为}smv。

这个指标是今少、满意的。

图2-3上下甄别器与输入信号的比较电路

为了减小后级（微分及反符合）电路负载对甄别器电路的影响,增大甄别器电路输出电流能力,减小输出脉冲波形畸变,下甄别器输出接一射极跟随器。

上甄别器电路与下甄别器电路基本相同,只是输出级不加射极跟随器,直接与TTL门·电路相接。

（3）反符合电路

图2-4给出了单道脉冲幅度分析器的反符合电路。

图2-4反符合电路

2.2.3单道脉冲幅度分析器的电路板的焊装与调试

2.2.4电路板调试结果

对电路板进行预设电压的输入，将一方波信号输入电路板，经过单道脉冲幅度分析器成形形成的图形如下：

图2-6单道脉冲幅度分析器调试结果

2.3定时计数器的制作

2.3.1定时计数器的电路结构

定时计数器主要由定时电路、计数器电路、数码管显示电路与控制电路组成。

电路中出现两种芯片，其具有的功能如下：

CD4033：

具有计数、译码、驱动的功能

CD4060：

具有计数、定时、分频的功能

2.3.2定时计数器的电路介绍

（1）定时计数电路

图2-11计数器震荡及定时电路

振荡和定时电路采用了14位的CD4060二进制分频器/振荡器构成振荡电路；采用12位的串行计数器CD4040构成可选定时电路。

CD4060与CD4040为市面上常用的分频技术芯片，不仅价格低廉、易于获取且性能优良。

（2）显示器电路

图2-7显示器电路

该图为数码管显示电路，采用6个数码管，可显示999999个数。

（3）控制器电路

图2-13计数器数码管的驱动电路

数码管显示驱动部分电路采用CD4033进行设计。

CD4033位十进制计数器它输出7段译码。

这里使用6个数码管作为计数显示。

最大可以显示999999个计数。

2.3.3电路板的制作与调试

A.电路制作成品

B电路板调试结果

将单道脉冲幅度分析器的输出结果输入定时计数器，调试元器件，观察数码显示管的计数变化。

其结果如下图所示：

图2-15定时计数器调试结果

第3章总结

在本次的设计实验中，一方面学会了如何设计电压灵敏型放大器，另外一方面学习了如何焊接单道定标器，以及它的原理。

在焊接的过程中，出现了焊接常见的虚焊问题，这都是焊接经验不足导致的，每次焊接之后需要停顿两三秒，使焊锡流入孔中。

在调试的过程中，需要多次调整电位器，以及逐点检测信号的输出，来确定电路板的焊接情况，这样能快速的排出问题。

参考文献

[1]曹利国,丁益民,黄志琦.能量色散X射线荧光方法[M].成都:

成都科技大学出版社,1998.

[2]吉昂,陶光仪,卓尚军等.X射线荧光光谱分析[M].科学出版社,2003:

101-105

[3]周南.X射线荧光分析技术的研发动态[J].理化检验（化学分析分册）,2005,41（4）:

539-541

[4]谭秉和,龚武,孙伟莹.X射线荧光光谱分析中基体效应的数学校正方法新探[J].光谱学与光谱分析,1998,18（3）:

366-371

[5]何文权.表面弯曲的古陶瓷样品X射线荧光无损定量分析[J].核技术,2002,25（7）:

581-586

[6]赖万昌,葛良全,吴永鹏,等.新型高灵敏度XRF分析仪的研制与应用[J].核技术,2003,26（11）:

891-895

附录一、完整电路实图

附录二、单道脉冲幅度分析器电路图

附录三、定时计数器电路图

附表一、XX电路元器件明细表

序

号

元件

符号

元件名称

材质封装

规格/型号

量值

用途

图幅

编号

备注

R11

电阻器

金属模

1/4W直插

5.1k

反馈电阻

A1-2

0.1%精度

R12

电阻器

金属模

0805贴片

2.0k

偏置电阻

A1-2

1%精度

C98

电容器

瓷片

3000V

10000p

高压滤波

B2-1

C99

电容器

铝电解

16*25直插

1000uF/25V

电源滤波

B2-1

A01

运算放大器

DIP16

TL084AD

电压运算

B2-1

A02

电压比较器

DIP8

LM311

甄别器

B2-1

R11

电阻器

金属模

1/4W直插

5.1k

反馈电阻

A1-2

0.1%精度

R12

电阻器

金属模

0805贴片

2.0k

偏置电阻

A1-2

1%精度

C98

电容器

瓷片

3000V

10000p

高压滤波

B2-1

C99

电容器

铝电解

16*25直插

1000uF/25V

电源滤波

B2-1

A01

运算放大器

DIP16

TL084AD

电压运算

B2-1

A02

电压比较器

DIP8

LM311

甄别器

B2-1

R11

电阻器

金属模

1/4W直插

5.1k

反馈电阻

A1-2

0.1%精度

R12

电阻器

金属模

0805贴片

2.0k

偏置电阻

A1-2

1%精度

C98

电容器

瓷片

3000V

10000p

高压滤波

B2-1

C99

电容器

铝电解

16*25直插

1000uF/25V

电源滤波

B2-1

A01

运算放大器

DIP16

TL084AD

电压运算

B2-1

A02

电压比较器

DIP8

LM311

甄别器

B2-1

学生学习心得

在本次的设计学习中，在学习理论设计电路的同时也学习了实物的焊接，尽管焊接技术不能跟投入生产的产品相媲美，但是经过多次调试出来了结果。

同时还有感谢各位老师以及同学的协助。

学生（签名）：

温成

2016年6月25日

诚信承诺

本人郑重声明所呈交的课程报告是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。

与我一同工作的同学对本文研究所做的贡献均已在报告中作了明确的说明并表示谢意。

学生（签名）：

任课

教师

评语

成绩评定：

任课教师（签名）：

年月日

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