（物理电子学专业论文）适用于电荷测量的电流频率转路电路的设计.pdf

摘要 中国科学院近代物理研究所利用兰州重离子加速器提供的1 2 c 重离子束流 进行了深层恶性肿瘤的治疗。深层重离子治癌中的束流监测系统，采用了平行 板气体电离室来监测束流强度的稳定性并控制照射剂量。为了测量平行板气体 电离室的输出电流信号，我们设计研发了本电流频率转换电路。经过多版的仿 真、修改、调试与测试，最后使用在重离子治癌终端的临床试验中，配合实现 了中国科学院近代物理研究所重离子治癌中束流强度的实时监测和剂量控制。 作为束流监测系统中测量探测器电流的关键电路，我们介绍了重离子治癌 的相关背景以及工程要求。讨论了实现测量电流的几种不同方案，选定并阐述 了一种可行的电流频率转换的原理，在利用s p i c e 仿真电路的基础上，我们实 现了这种新型的电流频率转换电路，并且做了充分的对比和测试。 本电流频率转换电路可测量的最小电流值为0 i n a ，最大值为2 4ua ，且线 性度也比较好，电路体积小巧，反应迅速，无需换挡，简化了束流监测系统的 电路结构。为在以后更进一步的应用奠定了坚实的基础。 关键词：重离子治癌平行板气体电离室束流监测 电流频率转换电流积 分 a b s t r a c t a s t u d yi nd e e ph e a v yi o nt h e r a p yw a sc a r r i e do ni nt h ei m p 谢t 1 1t h e 2 c io n s i ti sc o m p o s e do ft h ep a r a l l e lp l a t e s t r i pi o n i z a t i o nc h a m b e r s ，w h i c hu s e dt o i n s p e c tt h es t a b i l i t yo fb e a mi n t e n s i t yf o ri m ph e a v yi o nt h e r a p yf a c i l i t y i no r d e r t om e a s u r et h ec u r r e n ts i g n a lo ft h ep a r a l l e l p l a t es t r i pi o n i z a t i o nc h a m b e r s ，w e d e s i g n e dt h ec u r r e n t - t o f r e q u e n c yc o i e r r t e r - s e v e r a le d i t i o n sw e r et r i e dt og i v ea g o o dp e r f o r m a n c ei nt h es u p e r v i s i o ns y s t e m t h em e a s u r e m e n to ft h ec u r r e n to ft h ec h a m b e r si sa v e r yi m p o r t a n tp a r ti nt h e s u p e r v i s i o ns y s t e m w et r i e ds e v e r a lm e t h o d so fm e a s u r e m e n to ft h ec u r r e n t t h e n w em a d eas e l e c t i o n a f t e rg i v e n m a n yt i m e so ft h es p i c es i m u l a t i o n sa n dt e s t s ，t h e c u r r e n t - t o - f r e q u e n c yc o n v e r t e rc o m et r u e t h e c u r r e n t t o f r e q u e n c yc o n v e r t e rc a nm e a s u r eac u r r e n tc h a n g i n gf r o m1i a t o2 4l aa m o r e o v e rt h ec i r c u i ti sc u t ee n o u g h ，a n di tc a ng i v es i g n a l s q u i c k l yw i t h o u tt oc h a n g ea n y t h i n gm a n u a l l y t h es u p e r v i s i o ns y s t e mb e c o m e m o r es i m p l ew i t ht h ec u r r e n t t o f r e q u e n c yc o n v e r t e r t h i sh a sl a i dt h es o l i d f o u n d a t i o nf o ri t sa p p l i c a t i o ni nd e t e c t i o ns y s t e mo f t h ep a r t i c l e e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：h e a v yi o nc a n c e rt h e r a p y , i o nb e a ms u p e r v i s i o n ， i n t e g r a l t h ep a r a l l e lp l a t es t r i pi o n i z a t i o nc h a m b e r s ， c u r r e n tt o f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，c u r r e n t 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名： 签字日期：圣竺z 兰：丝 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 仞公开口保密( 年) 作者签名：查垂璺 签字日期：皇邂! ：! 兰 t 导师签名： 莹骘 签字日期：望! 孥：笪：竺 第一章重离子治癌应用背景介绍 第一章重离子治癌应用背景介绍 1 1重离子治癌介绍 重离子为元素周期表上周期数大于2 号的元素，且被电离的粒子。重离子 束有一个特点，就是在物质中的剂量损失集中于射程末端，这种优越的物理学 特性使之成为治疗肿瘤的理想方法。 与重离子束治癌技术相比，传统的常规放射治疗方法在杀死癌细胞的同时 也会使周围健康组织也受到较大损伤，造成明显的毒副作用和一些并发症。据 资料统计显示，在所有的常规放疗病人中，仍约有1 3 的病人局部肿瘤未能得 到控制。 重离子束治疗癌症具有物理剂量分布的优势，而且还具有生物学上的优势。 重离子束在物理学和生物学上所具有的一系列独特优势体现在：深度剂量分布 好，可实现对肿瘤靶区的均匀照射，有利于高效杀灭靶区的癌细胞，提高疗效。 重离子能量沉积的范围比较精确，剂量边缘清晰，有利于精确治疗( 毫米量级) ； 传能线密度高，可以提高癌瘤内乏氧细胞的放射敏感性。 重离子束对健康组织辐射损伤小、对肿瘤靶区杀伤力大、可准确定位和精 确控制照射剂量等独特优势。在第1 4 5 次以“重离子束治癌”为主题的香山科 学会议上，3 0 多位不同学科、不同工作背景的科学家和专家深入讨论后一致认 为，重离子束治癌是当今放射治疗中最科学、最先进、最优越的手段。现在， 世界上的有重离子加速器的国家都倾注了大量的人力和物力，进行重离子束治 癌装置的建造和治癌基础及临床应用研究。现在已经成为了放射治疗领域的前 沿性研究热点。 最早开始研究重离子束治癌的是美国的劳伦斯伯克利实验室( l a w r e n c e b e r k e l e yl a b o r a t o r y , l b l ) ，利用高能同步重离子加速器b e v a l a c 进行重离 子束放射治疗临床试验。日本于1 9 9 3 年在国立放射医学综合研究所( n i r s ) 建成了一台重离子医用加速器( h i m a c ) ，专门用于重离子束治癌及放射医学 研究。日本政府已于2 0 0 3 年l1 月接受并承认重离子束治癌是一种高度先进的 医疗系统，计划在全国兴建6 0 个重离子束治疗中心，使日本国民受益于重离子 束治癌。在欧洲，重离子束治癌装置h i t a g 已于1 9 9 6 年在德国重离子研究中 心( g s i ) 建成。g s i 开展的一系列临床治疗试验取得了显著的成绩，g s i 联合 海德堡大学医院、德国癌症研究中心等机构，向德国政府建议在海德堡 ( h e i d e l b e r g ) 建造一台重离子束专用治癌装置。该项目获得德国政府批准，2 0 0 2 年5 月，该装置动工兴建，现已建成正在试运行。 中国科学院近代物理研究所首先建成了重离子治癌装置，利用重离子加速 器提供的8 0 一- - l o o m e v u 的1 2 c 束流可以进行浅表层的恶性肿瘤的治疗。我国成 为世界上第四个实现重离子束治癌临床试验研究的国家。从2 0 0 6 年1 0 月份开 始，中科院近代物理研究所已经进行了三次近3 0 人次的重离子治疗癌症的临床 实验，取得了显著的疗效。 1 2 束流强度监测系统 中国科学院近代物理研究所在国内首先建成了重离子治癌装置，利用兰州 重离子加速器提供的高能1 2 c 束流，开展了这项大科学工程。目前浅层治癌取得 重大阶段性进展，深层治癌进入临床试验阶段。 在使用重离子治疗时，要在不同深度，不同形状的肿瘤区域内获得均匀稳 定的束流照射，这就需要对束流的状态进行监测。对重离子束流强度的实时监 测和剂量的控制无疑是相当重要的一部分。在治疗过程中，要求束流强度稳定 性好于9 0 ，而且要保证照射的剂量准确。 重离子治癌由于浅层和深层所使用的重离子束流的能量和剂量不同，导致 了浅层治癌终端的束流监测系统不一样。在浅层重离子治癌的束流监测系统中， 束流的计数率和剂量都比较低，我们采用塑料闪烁探测器监测束流强度的稳定 性，以保证照射剂量和照射离子数之间转换因子的准确。 在浅层重离子治癌中，塑料闪烁体探测器输出的是计数信号但是在深层重 离子治癌中，高能1 2 c 离子能量更高，剂量更大，计数率也比较高，塑料闪烁体 探测器不能满足我们的需要了。于是我们使用了平行板气体电离室作为流强探 测器，不同的是探测器输出的是电流信号，所以我们需要研制一个电路系统监 测此电流信号，把电流信号转换为可以识别和控制的束流强度信号和剂量信号。 如下图，为浅层治癌终端的束流控制和监测系统。 2 第一章重离子治癌应用背景介绍 束流 - 【) ) cm 图1 束流控制和监测系统r i bc o n t r o la n ds u p e r v i s i o ns y s t e m 首先用i c 测量束流的b r a g g 峰位，然后利用i c 上读到的剂量值与塑料闪 烁体探测器的总计数之比算出剂量与离子数间的转换因子，将病人的处方剂量 换算为离子数。通过塑料闪烁体探测器和计算机控制癌变部位的照射剂量。整 个治疗过程中用塑料闪烁体探测器实时监测束流的稳定性，保证照射剂量的准 确。 在深层重离子治癌中，束流强度监测部分，只需要把上图中的塑料闪烁体 探测器更换为平行板气体电离室，输入到我们研发的电流频率转换电路把探测 器的电流输出信号转换为频率信号。 3 第二章电流测量可选方案 2 1常用的电流测量方案 电子学信号中我们一般都是测量电压信号，而通常把电流信号转换为电压 信号，再进行测量。电流转换为电压，最直接和简单的方式就是电流流经一个 电阻r ，转变为电压，再经过a d c 模数转换后，由单片机或者f p g a 等读取数 据。 探测器 申扭 m c u f p g a 图2 常用的电流测量方案 系统精度由a d c 的精度决定，要想提高精度就采用高精度的a d c 芯片。但 该测量方案中存在下列问题： a d c 芯片连同后续的数字电路( 例如f p g a ) 接口，电路复杂度大大增加。 在本论文的第五章第二节的束流测试中，也对本测量方案做了一个测试和 对比。把平行板气体电离室的输出电流信号经过一个大电阻，转换成电压，再 测量此电压信号。这种测量方案在一般的应用场合中没有什么大的问题，但是 在我们的重离子治癌中，对象是快速的高能重离子，电流电压信号的转换和系 统的复杂度和延迟时间足以使信号失真，对束流的实时的监测和控制起非常大 的影响。 4 第二章 电流测量可选方案 2 2 采用5 5 5 定时器方案 如下图，是工业市场上常用的一种电流测量方案，电流脉宽转换电路只用 了一块5 5 5 集成电路实现，探测器的输出电流连接到5 5 5 电路的7 、2 、6 端， 5 5 5 电路的输出端3 就可以输出脉冲电压信号。 图3 采用5 5 5 定时器的电流频率转换电路结构 其工作原理如下： 图3 中5 5 5 定时器工作方式为多谐振荡，放电端7 、阈值端6 、触发端2 相 连于电容c 1 上( a 点) 。a 点的电位小于比3 时，此时5 5 5 的2 端电位小于比3 ， 5 5 5 内部的放电截止，放电端7 断开。此时，探测器的输出电流i 对电容c l 充 电，于是a 点电位随着电容c 1 的充电而线性地上升( 充电期t i ) ，在此期间5 5 5 电路的输出端3 输出高电平。当a 点的电位上升到2 k 3 时，5 5 5 定时器内部 导通放电，放电端7 与内部一个近似为零的小电阻相连并接地。a 点电位随着 电容c 1 的迅速放电而快速下降( 放电期t 2 ) ，在此期间，5 5 5 定时器输出端3 输 出低电平。当a 点电位随着电容c 1 的放电而下降到低于3 时，又将重复前 过程，如此周而复始，便形成周期性的脉冲信号输出。 a 点电位( 即电容上的电压) 在k 3 2 v 3 之间变化，充电期t 1 为： t 。= c 。v j 3 i ( 1 ) 式中单位：c l 为法拉，v c c 为伏，i 为安培，t 1 为秒。 电容c 。放电时，其电位在2 v 优3 v 3 之间变化，放电期t 2 为： t 2 = 0 6 9 3 r c 。( 2 ) 式中，r 内为5 5 5 电路内部放电管导通时的等效电阻。 电路中，电流i 与充电时间t 。有固定关系，即电路输出瞬时高电平脉宽与 输入电流成反比。该电路的输出连续地跟踪输入电流，直接响应输入电流的变 5 化，实现了电流脉宽转换。 系统充放电频率f - 1 1 ( t l + t 2 ) ，当t ： t 。时，f = 1 t 。= 3 1 c 。v ，则i 和 f 之间为线性关系。也就是说输出频率和电流在系统放电时间t 。可以忽略的情 况下，成正比关系。对于t 2 ，由( 2 ) 式知t 。= 0 6 9 3r c 。，当c 。较大时，t 。在 数百微妙，这个时间为充电时间t 。的几十分之一，不能忽略。但当电流在ua 级，c ，较小时，t 2 为t 1 的几千分之一，这时t 。可以忽略，系统频率f 与i 成线 性关系。也就是说应用电流频率转换，通过测量频率来测量电流，系统存在非 线性误差。工业上的 一般地，基于工业上的标准电流为4 - 2 0 m a 。当电流在m a 量级时，电容c 。 的数值可以在1uf - 1 0 0uf 间选取；当电流在ua 级时，电容值过大则会使响 应时间过长，所以应选得小一些，可在0 0 1 0 1i if 间选取，但电容值也不能 过小，否则会由于放电时间太短( l1 2s ) 使单片机不能区分高低电平，造成测 量失效。 由上面的分析可以知道，此电路方案可以比较好的工作在m a 以及ua 量级。 但是我们的重离子治癌中的平行板气体电离室的输出电流信号，小至l n a 以下。 所以这个5 5 5 定时器方案在精度上远远满足不了探测器的需要。 2 3 三种电流积分开关泄放方案 2 3 1电流积分恒流源开关泄放 如下图4 所示，由求和积分器、电流源与控制开关、比较器、单稳多谐振 荡器和输出晶体管构成。由i 电流源开关控制，以精确脉冲形成提供的内部反 馈电流使这种电流源精确平衡。这种电流脉冲可看成由精密的电荷群构成。输 出每产生一个脉冲所需要的电荷数量依赖于输入电流信号的幅度。由于每单位 时间传递到求和点的电荷数对输入信号电流幅度呈线性函数关系，所以可实现 电流一频率转换。这种结构可以对输入信号做连续的积分，所以具有很好的抗噪 声性能。 这种方案的特点是对输入信号进行积分，积分电压达到设定的阈值以后， 产生一个脉冲信号，控制开关和恒流源，进行一次泄放，周而复始，电荷达到 平衡状态。 6 第二章电流测量可选方案 图4 采用稳态电路控制恒流源泄放的电流频率转换器 信息产业部电子2 4 所，在1 9 9 9 年以前，以此原理方案为基础，研制了一 种高精度电流频率转换器，文献资料显示，此电路输入电流范围为o l o m a ， 输出频率为o - - 5 0 0 k h z ，在满刻度为5 0 0 k h z 下其非线性度小于0 6 此方案，文献未提及所能够实现测量的最小测量电流。以最大输入电流 l o m a ，输出频率5 0 0 k h z 来计算，平均每输出一个脉冲对应电荷量2 0 纳库伦。 而我们的重离子治癌中，要求每个脉冲信号代表电荷量能达到0 0 0 1 纳库伦。 也就是说目前基于此方案已经能实现的电路精度，还不足以达到重离子治癌所 需要的精度。 2 3 2 电流积分开关泄放s o i u t i o na 与s o i u t i o nb 德国g s i 在1 9 9 6 年的时候，就已建成了重离子束治癌装置，并且束流强度 探测器采用了平行板气体电离室，他们提出了2 种测量电流的方案原型，并且 在v l s i 芯片上实现了这两种电路。和上面一种方案类似，共同点都是对输入电 流进行积分，积分到一定程度进行一次泄放，循环这个过程达到工作的目的。 不同的是泄放的方式不同。 如下图，虚线是s o l u t i o na 泄放方式，开关直接并联在积分电容两端。下 面的2 个开关加上c 2 和d e l a y 一起构成了s o l u t i o nb 泄放方式。 7 图5 两种电流积分开关泄放方式 电流从探测器输出，直接输入到放大器和c l 构成的积分电路进行积分，当 积分达到我们所设定的阈值以后，s o l u t i o na 通过反馈信号，使与c l 并联的 开关m s 导通，达到放电的目的。而s o l u t i o nb 则是控制2 个反相的开关和c 2 来进行放电。当积分达到阈值时，p g 产生一个脉冲，反馈回去的信号使2 个开 关中上面的那个开关导通，同时这个反馈信号，经过d e l a y 后，流经c 2 ，产生 一个窄脉冲。此窄脉冲信号使得c l 电容放电一固定电量。 芯片中d e l a y 模块部分的框图设计如下： 8 图6d e l a y 延迟单元模块 1 ，- 。， 第二章 电流测量可选方案 德国g s i 在v l s i 芯片上同时实现了这两种方案，并且做了测试和性能对 比，如下图是输入电流大小和输出频率计数的线性曲线。左边和右边分别是 s o l u t i o na 和s o l u t i o nb 的线性曲线。 图7s o l u t i o na b 输入电流与输出频率函数关系曲线对比 从图上可以看到，s o l u t i o nb 的输入输出曲线，更接近于一条直线，线性度 更优。综合以上几种测量电流的方案，初步认定电流积分开关泄放中s o l u t i o nb 的方案比较合适。至于s o l u t i o n a ，后面要做进一步的仿真，看看仿真结果做比 较。 9 第三章电流频率转换原理以及s p ic e 仿真 3 1p s plc e 仿真介绍 3 1 1 s pic e 仿真程序概述 s p i c e ( s i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c u i te m p h a s i s ) 是由 美国加州大学伯克利分校在七十年代推出的一种主要用于集成电路分析的程 序。日后成为了大规模电子系统e d a 设计不可缺少的仿真软件，s p i c e 并于1 9 8 8 年被定为美国国家工业标准。 电子学专业的设计人员需要对系统中的部分电路，作电压、电流关系的详细 分析，此时就需要晶体管级仿真( 电路级) ，这种仿真算法中所使用的电路模型 都是最基本的元件和单管。仿真时按时间关系对每一个节点的i v 关系进行计 算。在所有仿真手段中，这种仿真方法最精确也最耗费时间。 s p i c e 是最普遍和常见的电路级模拟程序，各软件厂家会提供提供v s p i c e 、 h s p i c e 、p s p i c e 等不同版本s p i c e 软件，其仿真核心基本上都是大同小异，都是 采用了由美国加州b e r k e l e y 大学开发的s p i c e 模拟算法。 s p i c e 可对电路进行非线性直流分析、非线性瞬态分析和线性交流分析。 被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电 流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。s p i c e 内建半导体器件 模型，用户只需选定模型级别并给出合适的参数。 3 1 2 元器件模型介绍 要进行电路模拟，就要先建立元器件的模型，即对于电路模拟程序所支持的 各种元器件，在模拟程序中必须有相应的数学模型来描述他们，即能用计算机进 行运算的计算公式来表达他们。一个理想的元器件模型，应该既能正确反映元器 件的电学特性又适于在计算机上进行数值求解。一般来讲，器件模型的精度越高， 模型本身也就越复杂，所要求的模型参数个数也越多。这样计算时所占内存量增 大，计算时间增加。而集成电路往往包含数量巨大的元器件，器件模型复杂度的 少许增加就会使计算时间成倍延长。反之，如果模型过于粗糙，会导致分析结果 不可靠。因此所用元器件模型的复杂程度要根据实际需要而定。如果需要进行 元器件的物理模型研究或进行单管设计，一般采用精度和复杂程度较高的模型， l o 第三章 电流频率转换原理以及s p i c e 仿真 甚至采用以求解半导体器件基本方程为手段的器件模拟方法。 二微准静态数值模拟是这种方法的代表，通过求解泊松方程，电流连续性方 程等基本方程结合精确的边界条件和几何、工艺参数，相当准确的给出器件电学 特性。而对于一般的电路分析，应尽可能采用能满足一定精度要求的简单模型 ( c o m p a c tm o d e l ) 。 电路模拟的精度除了取决于器件模型外，还直接依赖于所给定的模型参数 数值的精度。因此希望器件模型中的各种参数有明确的物理意义，与器件的工艺 设计参数有直接的联系，或能以某种测试手段测量出来。 目前构成器件模型的方法有两种：一种是从元器件的电学工作特性出发， 把元器件看成黑盒子，测量其端口的电气特性，提取器件模型，而不涉及器件 的工作原理，称为行为级模型。这种模型的代表是i b i s 模型和s 一参数。其优点 是建模和使用简单方便，节约资源，适用范围广泛，特别是在高频、非线性、大功 率的情况下行为级模型几乎是唯一的选择。缺点是精度较差，一致性不能保证， 受测试技术和精度的影响。另一种是以元器件的工作原理为基础，从元器件的数 学方程式出发，得到的器件模型及模型参数与器件的物理工作原理有密切的关 系。s p i c e 模型是这种模型中应用最广泛的一种。其优点是精度较高，特别是随 着建模手段的发展和半导体工艺的进步和规范，人们已可以在多种级别上提供 这种模型，满足不同的精度需要。缺点是模型复杂，计算时间长。 3 1 3p s plc e 基本组成 p s p i c e 的由5 个基本程序模块组成：s c h e m e t i c s 程序、p s p i c e 程序、p r o b e 程序、s t i m u l u se d i t e r 程序和p a r t s 程序。 s c h e m e t i c s 程序用来完成作业图形文件的生成。既可生成新的电路原理图 文件又可以打开已有的原理图文件。与直接写代码的源程序的文本文件相比， 建立电路原理图文件的过程要直观简单得多。用户从电路元器件图形符号库中 调出所需的元器件符号，固定在屏幕适当位置，按需求给元器件参数赋值，在 元器件间连线即构成电路原理图。原理图文件后缀为s c h 。图形文件编辑器会 自动将原理图转换为网表文件以提供给模拟计算程序进行仿真。通过调用模拟 计算程序p s p i c e 可以对电路进行交流分析、直流分析、瞬态分析、傅里叶分析、 环境温度分析、蒙特卡罗及灵敏度分析等。此外，本程序项还具有系统设置、 图像缩放、页面操作及对元器件进行编辑和修改等功能，是p s p i c e 软件的重要 程序。 p s p i c e 程序为电路模拟计算程序，是p s p i c e 软件的核心部分。它将用户 输入文件的电路拓扑结构及元器件参数信息形成电路方程，求方程的数值解， 其功能主要是实现对用户输入文件的模拟分析计算。进入该程序后，可打开已 有后缀为c i r 的作业文本输入文件，但不能打开用户后缀为s c h 的作业图形输 入文件。可以完成输入文件中规定的各项电路特性分析。4 1 以上版本具有对 模拟电路、数字电路以及数模混合电路的仿真能力。 p r o b e 程序为p s p i c e 的输出图形后处理程序。它的输入文件为用户作业文 本文件或作业图形文件经运行后形成的后缀为d a t 的数据文件。它可以起到万 用表、示波器和扫频仪的作用，把运行结果以波形曲线的形式非常直观地在屏 幕上显示出来。显示方式多种多样，还可以把屏幕显示内容打印输出。 s t i m u l u se d i t o r 程序为信号源编辑程序。p s p i c e 中信号源的种类比较丰 富，如模拟独立信号源有正弦源、脉冲源、指数源、分段线性源、单频调频源 等。该程序可以帮助用户快速完成模拟信号源和数字信号源的建立与修改，并 能够很直观地显示出这些信号源的工作波形。 在仿真软件中，电路元器件模型参数的精度很大程度上决定着电路的分析 精度。尽管在元器件模型库中已经包含了大量的元器件模型，但在实际应用中 有时仍需用户自己确定元器件模型。p a r t s 程序项的主要功能是从器件特性中 直接提取模型参数，利用厂家提供的有源器件及集成电路的特性参数，采用曲 线拟合等优化算法，计算并确定相应的模型参数，得到参数的最优解，建立有 源器件的p s p i c e 模型及集成电路的p s p i c e 宏模型。p s p i c e 还允许用户修改库 文件中已有的器件模型参数或器件方程，以重新建立器件模型。由于半导体器 件参数多种多样，模型参数提取过程十分复杂，应该说p a r t s 程序只具备最基 本的模型参数提取功能。 3 1 4p s pic e 仿真基本步骤介绍 用p s p i c e 进行电路仿真的基本步骤如下：先确定电路拓扑结构及元器件参 数的初始方案。再p s p i c e 输入文件，可采用两种形式描述。一种是文本文件， 它是以p s p i c e 作源程序形式编写的，可以采用任何一种编辑器编写：另一种是 作业图形文件，它是在p s p i c e 的s c h e m a t i c s 环境下建立的电路原理图文件。 针对p s p i c e 的特殊要求，在编制电路时应注意以下几点：电路中不能有悬浮节 点，应确保每个节点至少与其它两个节点相连；所有元件端点及集成芯片的输 人输出引脚不能悬空；电路中不能存在零电阻回路；用户编写的文本输入文件 必须以c i r 作后缀命名：编写的图形输入文件必须以s c h 作后缀命名。 在c a d e n c e 的c a p t u r e 环境下做p s i c e 仿真，新建p r o j e c t 时应选择 a n a l o go rm i x e d - s i g n a lc i r c u i t ；调用的器件必须有p s p i c e 模型；调用o r c a d 1 2 第三章 电流频率转换原理以及s p i c e 仿真 软件本身提供的模型库，这些库文件存储的路径为c a p t u r e l i b r a r y p s p i c e ， 此路径中的所有器件都有提供p s p i c e 模型，可以直接调用。其次，若使用自己 的器件，必须保证木o l b 、木1 i b 两个文件同时存在，而且器件属性中必须包含 p s p i c et e m p l a t e 属性。原理图中至少必须有一条网络名称为0 ，即接地。必须 有激励源。原理图中的端口符号并不具有电源特性，所有的激励源都存储在 s o u r c e 和s o u r c e t m 库中；电源两端不允许短路，不允许仅由电源和电感组成 回路，也不允许仅由电源和电容组成的割集。解决方法：电容并联一个大电阻， 电感串联一个小电阻。最好不要使用负值电阻、电容和电感。 接下来是仿真参数设置。在o r c a dp s p i c e 中，可以分析的类型有以下8 种， 每一种分析类型的定义如下： 直流分析：当电路中某一参数( 称为自变量) 在一定范围内变化时，对自 变量的每一个取值，计算电路的直流偏置特性( 称为输出变量) 。交流分析：作 用是计算电路的交流小信号频率响应特性。噪声分析：计算电路中各个器件对 选定的输出点产生的噪声等效到选定的输入源( 独立的电压或电流源) 上。即 计算输入源上的等效输入噪声。瞬态分析：在给定输入激励信号作用下，计算 电路输出端的瞬态响应。基本工作点分析：计算电路的直流偏置状态。蒙托卡 诺统计分析：为了模拟实际生产中因元器件值具有一定分散性所引起的电路特 性分散性，p s p i c e 提供了蒙托卡诺分析功能。进行蒙托卡诺分析时，首先根据 实际情况确定元器件值分布规律，然后多次“重复”进行指定的电路特性分析， 每次分析时采用的元器件值是从元器件值分布中随机抽样，这样每次分析时采 用的元器件值不会完全相同，而是代表了实际变化情况。完成了多次电路特性 分析后，对各次分析结果进行综合统计分析，就可以得到电路特性的分散变化 规律。与其他领域一样，这种随机抽样、统计分析的方法一般统称为蒙托卡诺 分析( 取名于赌城m o n t ec a r l o ) ，简称为m c 分析。由于m c 分析和最坏情况分 析都具有统计特性，因此又称为统计分析。最坏情况分析：蒙托卡诺统计分析 中产生的极限情况即为最坏情况。参数扫描分析：是在指定参数值的变化情况 下，分析相对应的电路特性。温度分析：分析在特定温度下电路的特性。 初始偏置条件的设置在实际电路中，存在有很多非线性器件以及双稳态 或多稳态器件。采用常规方法计算其偏置解时往往出现不收敛问题，或得不到 预定的稳定解。在电路规模较大时，这一问题更加突出。对此，p s p i c e 中提供 了多种方法，供用户根据自己对电路工作原理的分析，设置电路初始偏置条件。 采用这种方法给电路分析带来下述2 点好处。( 1 ) 对一般非线性电路，可以帮助 尽快得到直流偏置解。这样不但可防止可能出现的电路不收敛或很难收敛的问 题，而且也可以节省大量的计算时间。( 2 ) 对双稳或稳态电路，例如触发器，通 1 3 过设置电路初始偏置条件，可以使电路呈现选定的稳定状态。 设置初始偏置条件的方法p s p i c e 提供了4 种方法，用于设置初始偏置条 件。按这些方法的使用环境可将其分为两类。( 1 ) 在电路图中设置初始偏置条件： 在p s p i c e 软件包的电路图绘制部分，用户可采用下述3 种不同的方式，在绘制 电路图的过程中同时设置好相应的初始条件。( a ) 采用i c 符号。( b ) 采用n o d e s e t 符号。( c ) 设置电容和电感元件的i c 属性。( 2 ) 在电路分析模拟过程中采用以前 的直流偏置计算结果作为本次直流偏置的初始条件。本方法涉及到直流偏置信 息文件的存取问题。 3 2电流频率转换原理分析 上面的方案中，我们决定选择电流积分开关泄放的方案。一是因为这是德 国g s i 重离子治癌中采用过的方案，和兰州重离子治癌有很相似的应用背景。 二是这个方案虽然属于v l s i 芯片电路原型设计，但是其中每个部分的功能已 知，我们也可以用分立器件设计实现相同的功能，而且可以用c a d e n c es p i c e 仿真功能来进行验证。 如下图8 ，为此电流频率转换原理框图： 1 4 图8 电流频率转换原理框图 第三章 电流频率转换原理以及s p i c e 仿真 平行板气体电离室作为流强探测器，偏置电压为负高压，产生的电流( 电 荷) 信号，作为输入直接进入由运放、c 1 构成的积分电路进行积分。在积分电 容c 1 达到设定阈值后泄放一微小固定电量并同时产生一个逻辑输出脉冲，泄 放一次后继续对电流进行积分，电路循环这个过程达到工作的目的。其中关键 的部分是反馈泄放回路，反馈泄放回路包括相反状态的两个模拟开关s w l 、 s w 2 。在初始状态，s w l 断开，s w 2 导通，c 1 对输入电流进行积分，当积分 达到我们所设定的阈值后，产生一个固定宽度a t 的逻辑电平脉冲，此时c 1 仍 然继续积分，此脉冲送到输出级作为输出信号，同时反馈回来，使s w l 导通、 s w 2 断开，在a t 期间，对此反馈信号进行延迟和通过c 2 进行微分，产生一 个瞬间的电流脉冲，s w l 导通以后经过s w l ，使c l 泄放一个固定电量a q ， a t 结束以后，反馈信号的电平恢复初始状态，使s w l 断开、s w 2 导通，c 2 通过s w 2 到g n d 泄放电荷恢复初始状态。该电路具有非常小的死时间的，整 个过程中，c 1 一直都在对输入电流信号进行积分，输出频率受制于最小开关切 换时间。该电路中影响积分效果的最大因素是s w l 切换时候产生的瞬间噪声， 和a t 期间c 2 对输入信号的影响。 每输出一个逻辑脉冲，就对应泄放一固定的电量a q ，也就是说，数据获 取系统得到的总的脉冲计数n 取决于于输入的电荷总量，即正比于重离子的辐 照剂量。有以下关系 q = n x q ( 1 ) 每输出一个逻辑脉冲对应于一个a q ，而a q 主要取决于c 1 、c 2 的选择大 小，所以本电路的最小精度( 转换灵敏度) 主要由c l 、c 2 决定。 因为我们输出的是数字的逻辑信号，每个逻辑电平信号必须有建立保持时 间，所以输出有最大的频率上限f m 默的限制，即输入电流有最大上限i m 舣 k = q 厶 ( 2 ) 所以我们可以通过改变c 1 、c 2 来减少a q ，达到提高电路分辨率的目的， 但是提高分辨率的同时降低了最大可测输入电流。 电路的输出信号的频率正比于输入电流的强度。输出脉冲的累计个数求和， 正比于输入电荷的总量。 1 5 3 3c a d e n c es pic e 仿真s oiu tio na 由于本电路最终使用在中科院兰州近代物理研究所的重离子治癌大科学工 程中，用于重离子束流强度的实时监测系统中，并申请了一项专利，所以以下 电路的重要核心部件用x x x 代替，图中也省略了型号。 在电流积分开关泄放s o l u t i o na 方案中，我们选定了放大器o p a x x x ，采 用xp f 积分电容+ y v 比较器阈值 1 6 占毒三三暑毒j 茹；墨 图9s o l u t i o nas p i c e 仿真原理图 第三章 电流频率转换原理以及s p i c e 仿真 如下图1 0 ，为放电一次，输出一个脉冲信号，电路中各个信号的s p i c e 仿 真波形图。 0 ss o n s1 0 0 n s1 9 0 n s2 0 0 n 5 口vc i 1 5 ：2 )v r 1 6 ：2 )可vc u l 2 b ：v c vc u i i ：9 7 iv 且1 4 ：1 ) t i m e 图1 0s o l u t i o n as p i c e 仿真输出一个脉冲信号的波形图 下图1 1 为多个脉冲输出的仿真波形图。 0 s5 u s1 0 u s1 5 u s2 0 u s av 1 5 ：2 ovc r l 6 ：2 )审vc u l 2 b ：v c v c u l l ：9 7 vc r l 4 ：1 t i m e 图l l s o l u t i o n as p i c e 仿真输出多个脉冲的波形图 1 7 3 4c a d e n c es pjc e 仿真s o iu tio nb 如下图1 2 为s o l u t i o nb 的s p i c e 仿真原理图。我们选定了放大器 0 p a x x x ，采用xp f 积分电容加上y v 比较器阈值，加上2 个zp f 泄放电容。 仿真信号源采用0 0 0 5 v 电压源串联输入一个5 k 电阻，仿真相当于1 u a 电流。 1 8 图1 2s o l u t i o nbs p i c e 仿真原理图 第三章 电流频率转换原理以及s p i c e 仿真 仿真结果图下图1 3 ，1 0 微秒输出脉冲数1 3 个： 董 0 ；5 u ；1 0 啦s 口v f v 3 7 ：t ，v “) 1 )rf f u z 8 ：，7 )矗矿 u 2 ，二0 0 1 )v f u 哇2 b ：z w ) t i r m a 图1 3s o l u t i o nbs p i c e 仿真波形图 3 4 改进仿真 在上图1 2 的基础上改进，减小了积分电容，降低了比较器阈值电压，减小 了泄放电容。由于c a d e n c e 无法仿真其他类型的电容，所以只是修改减小了电 容值。1 0 u s 时间内2 2 个脉冲数，仿真结果如下图1 4 ： 卜 - r _ _ 一 l 二，1 ，_ r 匕 么 【 r ，j _ r ，。l _ _ ，j ，1 ，。 一 一 r ， 一 j 。 ， o 暑2 u 5哇u geu=8u；l o u g工挑 ov t v 4 王：+ v t 0 上，vc u 3 0 ：9 7 ，a 苷 u 3 1 ：o u t iv u s z b 二工k t 1 皿e 图1 4 改进后的s o l u t i o nbs p i c e 仿真波形图 1 9 3 5 改进仿真更换0 p a l 2 8 在上图已经改进的基础上，把o p a x x x 换成了o p a l 2 8 ，o p a l 2 8 是更高 输入阻抗和更小漏电流的放大器，但是带宽比较窄。如下图1 5 ，仿真结果反而 不如o p a x x x ，从图上可以看出，放大器积分输出线的斜率几乎为水平，远不 如o p a x x x 快，每次积分曲线泄放后下降幅度明显比o p a x x x 要少很多。 图1 5o p a l 2 8 代替o p a x x x 的s o l u t i o nbs p i c e 仿真波形图 综合上面的仿真情况，可以看到，比较可行而且更好一些的方案是普通电 流转电压之后再a d c 采样的方案，和电流积分开关泄放中的s o l u t i o nb 方案。 而且s o l u t i o nb 方案中，不用漏电流小的0 p a l 2 8 放大器，而采用带宽更大的 o p a x x x 放大器。 从s p i c e 仿真中可以看到，要减小输入输出的延迟时间，就需要减小积分 电容的值，还有降低比较器的阈值电压。如果要想有更好的精度，就需要降低 反馈回路中的微分电容值。要想达到稳定工作，就需要适当调节反馈回路的信 号宽度。 2 0 第四章电路设计调试与改进 第四章电路设计调试与改进 41 第一版电路调试与结果 我们这个电流频率转换电路，采用分立元器件。板上电源1 2 v ，5 v 普 通p c b 板工艺，p c b 设计采用了四层板设计，第一层t o p 信号走线层，第二层 地线g n d 层，第三层电源v c c 层，第四层为底部b o t t o m 层。 如下图1 6 ，为a l l e g r op c b 编辑器软件下面设计的第一版p c b 版图。 图1 6 电流频率转换电路第一版p c b 版图 电路i - f 转换功能实现，其中输入电流i 是通过信号源串一个大输入电阻得 到的，输出脉冲信号用计数器计数。 测试信号源采用的是1 m 的矩形波，调节占空比和幅度达到调节电流i 的 目的， 所测计数最小为4 9 ( 每秒) ，此时占空比为9 5 ( 低电平有效) ，幅度为03 v ， 输入电阻i o m ，由此得到最小测量电流为 旦蔓5 ：15 州 1 0 m g r 所测计数最大为8 9 1 1 2 3 ( 每秒) ，占空比为1 0 ( 低电平有效) ，幅度为5 v ， 输入电阻i m 由此得到最大测量电流为 立l 。9 0 ：4 5 0 0 r 4 l m 2 平均 2 l 婴堕：1 9 8 脉冲删 4 5 0 0 n a 。 总体来说，这版电路，实现了电流频率转换的基本功能，但是输入输出的 线性度比较差，而且电路工作比较不稳定，经常会跑飞，然后需要重新上电才 能重新工作。 4 2 第二版电路调试与结果 第一版电路，已经实现了电流频率转换的基本功能。在第一版调试的基础 上，我们提出了以下的改进点： l ：采用漏电流更小，阻抗更高