Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Кафедра «Автоматика»
ОТЧЕТ
О УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ
по теме «Модуль усилителя сигнала токовой ионизационной камеры»
Ответственный исполнитель
----------------------Консультант
Федоров В.А. (Мартазов Е.С.)
Москва 2010
1
РЕФЕРАТ
Отчет … стр., 9 рис, 5источников.
Ключевые слова: токовая ионизационная камера, операционный усилитель,
мультиплексор, коммутатор.
Объектом исследования является преобразователь сигнала токовой
ионизационной камеры.
Цель работы – создание преобразователя сигнала токовой ионизационной
камеры.
Проведена учебно-исследовательская работа.
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 4
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ...................................................................................... 5
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ........................................................................................... 6
1 Ионизационная камера .......................................................................... 6
2 Операционный усилитель ..................................................................... 7
3 Технические параметры используемого в преобразователе
операционного усилителя ............................................................................ 7
4 Описание AD8065 .................................................................................. 9
5 Мультиплексор ..................................................................................... 10
6 Обобщённая схема мультиплексора .................................................. 11
7 Технические параметры используемого в преобразователе
мультиплексора (переключателя) ............................................................. 12
РЕЗУЛЬТАТЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ............................................................. 16
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 17
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................................... 18
3
ВВЕДЕНИЕ
Создание модуля усилителя сигнала токовой ионизационной камеры
производиться в соответствии с графиком работ над проектом по курсу
«Учебно-исследовательская работа», составленным кафедрой «Автоматика»
НИЯУ МИФИ.
4
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В ходе УИР было необходимо разработать модуль усилителя сигнала
токовой ионизационной камеры, работающий в поддиапазоннах тока с
максимальным входным сигналом 10-2 А, 10-3 А, 10-4 А, 10-5, 10-6 А, 10-7 А,
при номиналах резисторов равных 100 МОм, 10 МОм, 1 МОм, 100 КОм, 10
КОм, 1 КОм. Входной сигнал – сила постоянного тока от ИК типа КНК-56 в
диапазоне от 10-10 до 5х10-3 А. Выходной сигнал – напряжение постоянного
тока в диапазоне от 0 до 10 В. Модуль усилителя выполнен в виде печатной
платы размером 60х100мм в виде выносного блока.
Для разработанной
схемы необходимо было выполнить чертёж платы. По разработанной схеме
необходимо изготовить и произвести монтаж печатной платы. В конце УИР
требуется
произвести
испытания
преобразователя
сигнала
токовой
ионизационной камеры. Условия эксплуатации изделия - лабораторные.
5
ОПИСАНИЕ РАБОТЫ
1 Ионизационная камера
Ионизационная камера – газонаполненный датчик, предназначенный для
измерения уровня ионизирующего излучения. Измерение уровня излучения
происходит путём измерения уровня ионизации газа в рабочем объёме
камеры, который находится между двумя электродами. Между электродами
создаётся разность потенциалов. При наличии ионов в газе между
электродами возникает ионный ток, который может быть измерен. Ток при
прочих равных условиях пропорционален скорости возникновения ионов и,
соответственно, мощности дозы облучения.
Различают токовые и импульсные ионизационные камеры. В токовых
ионизационных
камерах
гальванометром
измеряется
сила
тока
I,
создаваемого электронами и ионами (рис. 2).
Рисунок 1 – Токовая ионизационная камера
Токовые
ионизационные
камеры
дают
сведения
об
общем
интегральном количестве ионов, образовавшихся за 1 сек. Они обычно
используются
для
дозиметрических
измерения
измерений
интенсивности
(дозиметрические
излучений
приборы).
и
для
Так
как
ионизационные токи в ионизационных камерах обычно малы (10-10—10-15 А),
то они усиливаются с помощью усилителей постоянного тока. В нашем
6
преобразователе так же используется операционный усилитель общего
назначения (AD812AN).
2 Операционный усилитель
Операционный усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного тока
с дифференциальным входом (усилитель постоянного тока – электронный
усилитель, рабочий диапазон частот которого включает нулевую частоту –
постоянный ток) и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий
коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой
отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту
усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной
схемы. (Отрицательная обратная связь – тип обратной связи, при которой
выходной сигнал передается обратно на вход для погашения части входного
сигнала. Отрицательная обратная связь делает систему более устойчивой к
случайному изменению параметров).
В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде
отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более
сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ
является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным,
на основе которого можно построить множество различных электронных
узлов.
3 Технические параметры используемого в преобразователе
операционного усилителя
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ AD8065:

Входные FET усилители

Одно/двухканальные ОУ

Низкая стоимость
7

Высокое быстродействие:
150 МГц, полоса -3 дБ (G=+1)
180 В/мкс скорость нарастания выходного напряжения

Низкий уровень шума
7.0 nV/rt Hz
5 fA/rt Hz

Широкий диапазон напряжений питания: от 4 В до 24 В

Отличные характеристики искажения сигналов SFDR –90 дБ @ 1 МГц

Низкий уровень энергопотребления 6.5 мА/усилитель (тип)

Малогабаритные корпуса SOIC-8; SOT23-5; µSOIC
Рисунок 2 – Расположение выводов
Области применения:

Измерительное оборудование

Предусилители фотодиодов

Драйверы A/D
8

Фильтры

Системы сдвига уровней

Системы буферизации
Рисунок 3 – Операционный усилитель с обратной связью
4 Описание AD8065
Операционные усилители (ОУ) FAST FET TM AD8065/AD8066
являются усилителями с обратной связью по – напряжению и с полевыми
транзисторами (FET) во входных каскадах, обеспечивающими легкость
применения при низкой стоимости. К выпуску планируются одноканальная
AD8065 и двухканальная AD8066 версии ОУ. ОУ FAST FET TM
AD8065/AD8066 производятся по уникальному техпроцессу ADI XFBC,
позволяющему получать ультра – низкий уровень шумов (7.0nV/rt Hz и
0.1fA/rt Hz), а также, ультра – высокое входное сопротивление.
При широком диапазоне напряжений питания (от 4 В до 24 В) и
широкой полосе 150 МГц данные ОУ пригодны для применения широком
круге приложений. Данные ОУ имеют выходные сигналы с размахом от
9
шины до шины питания, что делает их еще более универсальными в
применении.
Несмотря на низкую стоимость, ОУ обладают отличными рабочими
характеристиками. Ошибки дифференциального усиления и фазы составляют
0.01% и 0.02%, наряду с неравномерностью 0.1 дБ в полосе до 7 МГц, что
делает данные ОУ идеальными для применения в видео- приложениях.
Данные ОУ имеют скорость нарастания напряжения 180 В/мкс, низкий
уровень искажений и низкое напряжение входного смещения 1 мВ (макс).
ОУ AD8065/AD8066 также, имеют низкий потребляемый ток 7.0
мА/усилитель (макс), при нагрузочной способности выхода 30 мА. Данные
усилители обеспечивают управление емкостными нагрузками до 25 пФ. При
управлении большими емкостными нагрузками необходима установка
последовательного резистора для исключения возникновения выбросов на
заднем фронте сигнала и превышения уровня выходного сигнала.
ОУ
AD8065/AD8066
являются
недорогими
FET
усилителями,
выпускаемыми в малогабаритных корпусах SOIC, SOT23, µSOIC. Они
предназначены для работы в индустриальном температурном диапазоне (от 40°С до +85°С).
5 Мультиплексор
Mультиплексор — устройство, имеющее несколько сигнальных входов,
один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор
позволяет передать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор
желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации
управляющих сигналов.
Схематически мультиплексор можно изобразить в виде коммутатора,
обеспечивающего подключение одного из нескольких входов (их называют
информационными) к одному выходу устройства. Коммутатор обслуживает
управляющая схема, в которой имеются адресные входы и, как правило,
10
разрешающие (стробирующие). В качестве управляющей схемы обычно
используется дешифратор. В цифровых мультиплексорах логические
элементы коммутатора и дешифратора обычно объединяются.
6 Обобщённая схема мультиплексора
Входные логические сигналы Xi поступают на входы коммутатора и
через коммутатор передаются на выход Y. На вход управляющей схемы
подаются адресные сигналы Ak (от англ. Address). Мультиплексор также
может иметь дополнительный управляющий вход E (от англ. Enable),
который разрешает или запрещает прохождение входного сигнала на выход
Y. Кроме этого, некоторые мультиплексоры могут иметь выход с тремя
состояниями: два логических состояния 0 и 1, и третье состояние —
отключённый выход (выходное сопротивление равно бесконечности,
высокоимпедансное
Z-состояние).
Перевод
мультиплексора
в
третье
состояние производится снятием управляющего сигнала OE (от англ. Output
Enable).
Рисунок 4 – Обобщённая схема мультиплексора
11
7 Технические параметры используемого в преобразователе
мультиплексора (переключателя)
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ADG708:
 КМОП аналоговый низковольтный мультиплексор с параллельным
двухпроводным интерфейсом
 8 каналов
 Сопротивление ключей во включенном состоянии хорошо согласуется
для разных входных каналов в пределах одного прибора и мало
меняется во всем диапазоне входных напряжений от нуля до
положительного напряжения питания
 Эти приборы могут использоваться как аналоговые мультиплексоры,
демультиплексоры и для построения переключающих матриц.
 Ток утечки в открытом состоянии 0.01 нА
 Напряжение питания +3 или +5 В; +3,-3 В
 Ток потребления 0.001 мкА
 Тип корпуса – DIP/SOIC
Рисунок 5 – Мультиплексор (переключатель)
12
Рисунок 6 – Схема преобразователя сигнала токовой ионизационной камеры
в Multisim 10.1
13
Рисунок 7 - Схема преобразователя сигнала токовой ионизационной камеры
в P-CAD
14
Рисунок 8 – Разводка платы в P-CAD PCB
15
РЕЗУЛЬТАТЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
В процессе конструирования была проведена учебно-исследовательская
работа, составлен отчёт и конструкторская документация. Печатная плата
была изготовлена в заводских условиях по ранее составленной схеме. Был
произведён монтаж элементов на печатную плату.
Плата работает
следующим образом : на вход подается сигнал в диапазонах 10-2 А, 10-3 А, 10-4
А, 10-5, 10-6 А, 10-7 А. Сигнал идет к мультиплексору, посредством которого
осуществляется переключение между входами, на которых стоят резисторы
различных номиналов. На выходе из мультиплексора получается сигнал
небольшой амплитуды, который идет на операционный усилитель для
последующего усиления. На выходе операционного усилителя мы получаем
выходной сигнал в качестве постоянного напряжения амплитуды 0 – 10В.
Питание элементов осуществляется от источников питания ±15 В.
16
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате данной УИР был создан опытный образец модуля
усилителя сигнала токовой ионизационной камеры. Решение поставленной
перед нами является полным, т.к. устройство исправно и готово к
использованию и дальнейшей доработки не требует. Учебно-технический
уровень данной УИР полностью соответствует современным требованиям, и
в
данной
работе применялись
все
современные
технологии.
Было
произведено оформление отчета и конструкторской документации на
изделие.
17
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Интегрированное средство проектирования, пакет Multisim 10.1
2. Система автоматизированного проектирования электроники - P-CAD
3. Дмитриев А.Б., Малышев Е.К. Нейтронные ионизационные камеры для
реакторной техники. М: Атомиздат 1975, - 96 с.
4. Конфлин Р., Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные
интегральные схемы. Пер. с англ., М.: Мир 1979, - 360 с.
5. Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники, т.1. Пер. с англ., М: Мир
1993, - 413 с.
18
Поз.
обозначение
C1
C2,C3
DA1
DA2
R1
R2
R3
R4
R5
R6
Наименование
Кол.
Чип-конденсаторы C0805
C0805 33 пФ ± 5 % NPO 50B
C0805 0,22 мкФ ± 10 % X7R 50B
1
2
Микросхемы
AD8065AR
ADG708BRU
1
1
Чип-резисторы R0805
R0805 100 М Ом ± 5 %
R0805 10 М Ом ± 5 %
R0805 1 М Ом ± 5 %
R0805 100 кОм ± 5 %
R0805 10 кОм ± 5 %
R0805 1 кОм ± 5 %
1
1
1
1
1
1
X1...X11 Соединитель KLEMMA1
Примечание
11
Инв. № подл.
Подп. и дата
Взам. инв.
№
Инв. №
дубл.
Подп. и дата
Справ. №
Перв. примен.
Приложение А
Изм.
Лист
Разраб.
Пров.
№
докум.
ПЭ3
Подп. Дата
Лит.
Новлянский А.М.
Мартазов
Е.С.
Н. контр.
Утв.
Перечень
элементов
19
Лист
Листов
1