电压频率转换电路及环境剂量率仪的制作方法

本实用新型涉及辐射探测技术领域，尤其是涉及一种电压频率转换电路及环境剂量率仪。

背景技术：

在电离辐射测量中，需要知道辐射粒子对人体的损伤效应，而对于电离辐射来说，其能量越高，一般对人体伤害越大，所以辐射能量的记录显得尤为重要。

通常采用剂量当量率来表征单位时间内电离辐射所造成的生物学效应的严重程度，其中，剂量当量是指在要研究的组织中某点处的吸收剂量、品质因素和其它一切修正因数的乘积，剂量当量率是单位时间内剂量当置的增量。目前在对电离辐射的剂量当量率的测量中，一般使用谱仪或者电离室进行粒子的能量或者核素甄别，谱仪或者电离室所采用的电压频率转换电路一般包括：多级放大、峰值保持和恒流放电等电路模块，其测量精度比较高，一般相对固有误差可在5％以内。

然而由于峰值保持和恒流放电等电路模块所需的静态电流较大，导致电压频率转换电路功耗较高。另外，对于一般的环境剂量当量率测量场合下，现有的电压频率转换电路结构复杂，导致成本较高、体积较大，用户使用相对不便。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种电压频率转换电路及环境剂量率仪，以降低功耗、简化结构，从而降低成本、减小体积，方便用户携带。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种电压频率转换电路，包括：顺次连接的第一积分放大模块、第二积分放大模块、比较器和触发器；

所述第一积分放大模块用于对输入的电量信号进行积分放大，得到第一电压信号；所述第二积分放大模块用于对所述第一电压信号进行积分放大，得到脉冲展宽、幅值放大的第二电压信号；所述比较器用于比较所述第二电压信号和设定的触发阈值，当所述第二电压信号大于所述触发阈值时，向所述触发器输出使能信号；所述触发器根据接收的所述使能信号，输出频率与所述电量信号对应的时钟脉冲。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述第一积分放大模块包括第一运算放大器、第一电容和第一电阻；

所述第一运算放大器的输入端用于接收所述电量信号，所述第一运算放大器的输出端与所述第二积分放大模块连接；所述第一电容的一端与所述第一运算放大器的输入端连接，所述第一电容的另一端与所述第一运算放大器的输出端连接；所述第一电阻并联在所述第一电容上。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述第二积分放大模块包括第二运算放大器、第二电容和第二电阻；

所述第二运算放大器的输入端与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第二运算放大器的输出端与所述比较器连接；所述第二电容的一端与所述第二运算放大器的输入端连接，所述第二电容的另一端与所述第二运算放大器的输出端连接；所述第二电阻并联在所述第二电容上。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第一积分放大模块的时间常数大于所述第二积分放大模块的时间常数；所述第一电容的容量小于所述第二电容的容量，所述第一电阻的阻值大于所述第二电阻的阻值。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述第一运算放大器、所述第二运算放大器、所述比较器、所述触发器均为互补金属氧化物半导体CMOS器件。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述第一运算放大器包括AD8622芯片，所述第二运算放大器包括SGM321芯片。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述比较器包括TLV3201芯片，所述触发器包括CD4011芯片。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种环境剂量率仪，包括如上述第一方面及其任一种可能的实施方式所述的电压频率转换电路，还包括辐射探测器和单片机；

所述辐射探测器与所述电压频率转换电路的第一积分放大模块连接，用于探测辐射粒子的电量信号，并向所述电压频率转换电路输出所述电量信号；所述电压频率转换电路还与所述单片机连接，用于通过所述触发器向所述单片机输出频率与所述电量信号对应的时钟脉冲；所述单片机用于对所述时钟脉冲进行计数，并将计数数值转换为所述辐射粒子的粒子能量。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述辐射探测器包括半导体探测器或气体电离探测器。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述环境剂量率仪还包括显示屏，所述显示屏与所述单片机连接；

所述单片机还用于向所述显示屏输出所述粒子能量，所述显示屏用于显示所述粒子能量。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：

本实用新型实施例中，电压频率转换电路包括：顺次连接的第一积分放大模块、第二积分放大模块、比较器和触发器；第一积分放大模块用于对输入的电量信号进行积分放大，得到第一电压信号；第二积分放大模块用于对第一电压信号进行积分放大，得到脉冲展宽、幅值放大的第二电压信号；比较器用于比较第二电压信号和设定的触发阈值，当第二电压信号大于触发阈值时，向触发器输出使能信号；触发器根据接收的使能信号，输出频率与电量信号对应的时钟脉冲。由于去掉了峰值保持和恒流放电等电路模块，该电压频率转换电路及环境剂量率仪实现起来更为简单，降低了功耗和成本，减小了体积，方便用户携带。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的电压频率转换电路的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的电压频率转换电路的电路图；

图3为本实用新型实施例提供的第二电压信号随时间变化的示意图；

图4为本实用新型实施例提供的环境剂量率仪的结构示意图。

图标：

101-第一积分放大模块；102-第二积分放大模块；103-比较器；104-触发器；301-电压频率转换电路；302-辐射探测器；303-单片机。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在目前的应用中，一般使用谱仪或者电离室进行粒子的能量或者核素甄别，从而测量剂量当量率，测量精度比较高，一般相对固有误差可在5％以内，但是其成本贵、体积大、功耗高，对于一般诸如环境剂量当量率测量场合下使用相对不便。考虑到对于一般的环境剂量当量率测量精度要求不是很高，相对固有误差在20％以内即可，所以本实用新型实施例提供了一种电压频率转换电路及环境剂量率仪，具有成本合适、便于携带、功耗低的优点，相对于目前通用VF(电压转频率)转换芯片功耗可节省约一个数量级，其电池续航时间长。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种电压频率转换电路进行详细介绍。

实施例一：

本实施例提供的电压频率转换电路可以应用在环境剂量率仪中，考虑到环境剂量率仪的辐射探测器输出的核辐射脉冲信号(电量信号)类似冲击函数，其上升沿及下降沿都比较陡，识别时间信息时比较困难，所以先考虑脉冲展宽。本实施例中使用双积分器对电量信号进行展宽，再对展宽信号进行比较触发，最后输出与电量信号幅度相关的频率信号。

图1为本实用新型实施例提供的电压频率转换电路的结构示意图，如图1所示，该电压频率转换电路包括：顺次连接的第一积分放大模块101、第二积分放大模块102、比较器103和触发器104；第一积分放大模块101用于对输入的电量信号进行积分放大，得到第一电压信号；第二积分放大模块102用于对第一电压信号进行积分放大，得到脉冲展宽、幅值放大的第二电压信号；比较器103用于比较第二电压信号和设定的触发阈值，当第二电压信号大于触发阈值时，向触发器104输出使能信号；触发器104根据接收的使能信号，输出频率与电量信号对应的时钟脉冲。其中，触发阈值可以根据实际需求设置，例如为0.04V或者0.1V等，这里不作限定。

具体地，环境剂量率仪的辐射探测器在探测中辐射粒子后，根据该辐射探测器的平均电离能，会产生与辐射粒子(例如γ射线/γ粒子)的粒子能量成正比的电量信号，并输出至本实施例提供的电压频率转换电路中。此电量信号近似为冲击函数，经过第一积分放大模块101积分放大后变成第一电压信号，再经过第二积分放大模块102积分放大后变成有一定宽度(脉冲宽度)和幅度的第二电压信号，在比较器103进行比较后(高电平状态)输出使能信号，使能信号启动触发器104输出连续时钟脉冲。单位时间内输出的时钟脉冲的个数(脉冲数)即为脉冲频率，由于脉冲数与第二电压信号的峰值电压相对应，而第二电压信号与电量信号对应，电量信号与粒子能量成正比，也即第二电压信号与粒子能量对应，因此触发器104输出的连续时钟脉冲经过数据还原，即可准确反映出入射粒子(辐射粒子)的能量信息(粒子能量)。

上述电压频率转换电路简单易于实现。相对于其他同类型电路，或者国外专用VF转换芯片，或者多级放大、峰值保持和恒流放电等模块组成的转换电路，本实施例所使用器件为通用元件，且去掉了峰值保持和恒流放电等部分电路模块，使得该电路实现起来更为简单，并且降低了功耗。

本实用新型实施例中，电压频率转换电路包括：顺次连接的第一积分放大模块、第二积分放大模块、比较器和触发器；第一积分放大模块用于对输入的电量信号进行积分放大，得到第一电压信号；第二积分放大模块用于对第一电压信号进行积分放大，得到脉冲展宽、幅值放大的第二电压信号；比较器用于比较第二电压信号和设定的触发阈值，当第二电压信号大于触发阈值时，向触发器输出使能信号；触发器根据接收的使能信号，输出频率与电量信号对应的时钟脉冲。由于去掉了峰值保持和恒流放电等电路模块，该电压频率转换电路实现起来更为简单，降低了功耗和成本，减小了体积，方便用户携带。

在一些可能的实施例中，第一积分放大模块101包括第一运算放大器、第一电容和第一电阻。第一运算放大器的输入端用于接收上述电量信号，第一运算放大器的输出端与第二积分放大模块102连接；第一电容的一端与第一运算放大器的输入端连接，第一电容的另一端与第一运算放大器的输出端连接；第一电阻并联在第一电容上。第二积分放大模块102包括第二运算放大器、第二电容和第二电阻。第二运算放大器的输入端与第一运算放大器的输出端通过中间电阻连接，第二运算放大器的输出端与比较器103连接；第二电容的一端与第二运算放大器的输入端连接，第二电容的另一端与第二运算放大器的输出端连接；第二电阻并联在第二电容上。进一步地，第一运算放大器可以采用反相放大，也可以采用同相放大，第二运算放大器可以采用反相放大，也可以采用同相放大，对此这里均不作限定。

为了进一步降低功耗，第一运算放大器、第二运算放大器、比较器103、触发器104均为互补金属氧化物半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)器件。上述电路中的模拟和逻辑等有源器件均为CMOS器件，结合电路静态工作点设置，相对于其他同类型电路或芯片极大地降低了功耗，实测的工作电流仅为200μA/3.3V，而国外同类型专用芯片(如LM331)的工作电流高达3mA/5V。

本实施例还提供了一种电压频率转换电路的电路图，参见图2，其中，A1表示第一运算放大器，C1表示第一电容，R1表示第一电阻，Rm表示中间电阻，A2表示第二运算放大器，C2表示第二电容，R2表示第二电阻，CMP表示比较器103，G表示触发器104。具体地，如图2所示，A1、A2均采用反相放大，反相端作为信号的输入端；A1、A2的同相端均通过电阻(500Ω(欧姆)，此处为举例，这里对具体阻值不作限定)接地。

以常用电离辐射测量中的低能59.6keV高能1.3MeV的γ射线/γ粒子为例，上述电路的传递函数为：

其中，Q为与入射粒子(γ粒子)的粒子能量相关的电荷量，s为传递函数算符。

在选取各个元器件的值时，考虑到第一积分放大模块101和第二积分放大模块102分别处理的是电量信号和电压信号(第二电压信号)，由于电量信号的拖尾很长，对电量信号的处理时间越长越接近真实能量，因此第一积分放大模块101的时间常数大于第二积分放大模块102的时间常数，即R1C1大于(甚至远大于)R2C2。对于由电荷组成的电量信号来说，C1越小越好，R1越大越好，但是R1太大时后期处理不方便；对于电压信号的积分放大处理要保证信号频率充分放大，一般信号频率在几十至几百Hz，通常将电压信号的平均频率设置为积分放大的拐点频率，例如100Hz，根据拐点频率综合选择R2、C2的值。考虑到上述问题，第一电容的容量应小于第二电容的容量，第一电阻的阻值应大于第二电阻的阻值。

在一些实施例中，上述各个元器件的值可以选取为：C1＝0.5pF，R1＝100MΩ，Rm＝500Ω，C2＝100pF，R2＝47kΩ，CMP的触发阈值为0.04V，G输出信号周期为10μs，A1增益约为140mV/MeV，A2通带增益约为100。

对于A1、A2、CMP和G的器件选型，主要考虑功耗低，体积小，通用易购。具体地，A1(第一运算放大器)主要作用是对辐射探测器产生的电荷组成的电量信号进行积分放大，要求A1：输出噪声小、偏置电流小、输入阻抗大、静态电流小，但是由于对电荷进行积分，时间越长获得的增益越大，所以对A1的带宽要求不高。在一些实施例中，A1选择AD8622芯片，其输入偏置电流为20pA，输入阻抗为1GΩ(反相输入阻抗)和1TΩ(同相输入阻抗)，输出噪声为静态工作电流为175μA。

A2(第二运算放大器)主要作用是电压放大，要求静态电流小、带宽大、噪声小。在一些实施例中，A2选择SGM321芯片，静态电流80μA，带宽1MHz，带宽是A1(AD8622芯片)的两倍，输出噪声为

CMP(比较器103)主要要求速度快、延迟小、偏置电压低。在一些实施例中，CMP选择TLV3201芯片，其上升、下降和延迟时间约40ns，偏置电压1mV左右。

在一些实施例中，G(触发器104)可以选择二输入端、四与非门的CD4011芯片(CMOS芯片)组成的触发电路，其工作电流小、速度快、输出时钟周期最小可设置至1μs。

在上述器件选型的基础上，若59.6keV和1.3MeV的γ粒子能量全部沉积在辐射探测器中，则这两个电量信号经过两级放大及积分后在A2端产生的两个第二电压信号如图3所示，其中，横坐标表示时间，单位为10^-4秒(s)，纵坐标表示第二电压信号的幅值，单位为伏特(V)，幅值较小的信号(较小信号)对应59.6keV的γ粒子，幅值较大的信号(较大信号)对应1.3MeV的γ粒子。经过计算，较小信号在0.04V之上的持续时间为0.03ms，较大信号在0.04V之上的持续时间约为0.19ms，则经过G触发后输出连续时钟脉冲分别为3个和19个，此脉冲经过数据还原即可准确反映出入射粒子(辐射粒子)的能量信息(粒子能量)。

实施例二：

图4为本实用新型实施例提供的环境剂量率仪的结构示意图，如图4所示，该环境剂量率仪包括如上述实施例一的电压频率转换电路301，还包括辐射探测器302和单片机303；辐射探测器302与电压频率转换电路301的第一积分放大模块101连接，用于探测辐射粒子的电量信号，并向电压频率转换电路301输出该电量信号；电压频率转换电路301还与单片机303连接，用于通过触发器104向单片机303输出频率与电量信号对应的时钟脉冲；单片机303用于对该时钟脉冲进行计数，并将计数数值转换为辐射粒子的粒子能量。

具体地，辐射探测器302包括半导体探测器或气体电离探测器。单片机303内存储有预设的计数数值与粒子能量的转换关系，根据该转换关系可以将计数数值转换为辐射粒子的粒子能量。

本实用新型实施例中，电压频率转换电路包括：顺次连接的第一积分放大模块、第二积分放大模块、比较器和触发器；第一积分放大模块用于对输入的电量信号进行积分放大，得到第一电压信号；第二积分放大模块用于对第一电压信号进行积分放大，得到脉冲展宽、幅值放大的第二电压信号；比较器用于比较第二电压信号和设定的触发阈值，当第二电压信号大于触发阈值时，向触发器输出使能信号；触发器根据接收的使能信号，输出频率与电量信号对应的时钟脉冲。由于去掉了峰值保持和恒流放电等电路模块，包括电压频率转换电路的环境剂量率仪实现起来更为简单，降低了功耗和成本，减小了体积，方便用户携带。

进一步地，为了方便用户查看环境剂量率仪的测量结果，该环境剂量率仪还包括显示屏，显示屏与单片机303连接；单片机303还用于向显示屏输出转换得到的粒子能量，显示屏用于显示该粒子能量。

本实用新型实施例提供的环境剂量率仪，与上述实施例提供的电压频率转换电路具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的环境剂量率仪的具体工作过程，可以参考前述电压频率转换电路实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

附图中的框图显示了根据本实用新型的多个实施例的可能实现的体系架构。在这点上，框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图中的每个方框、以及框图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的电压频率转换电路及环境剂量率仪，可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。