一种抗随机噪声的脉冲信号同步积分测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种抗随机噪声的脉冲信号同步积分测量装置及方法，针对具有同步特征的可能存在高脉冲堆积概率的脉冲信号强度测量，发明专利技术内容主要包括定电荷反向充电积分电路、同步门控数据采集电路及降低并扣除随机噪声脉冲的测量方法。定电荷反向充电积分电路包含积分电路和定电荷反向充电电路，积分电路用于对电容充电，把被测脉冲信号的强度信息转变为电压幅度信息；由电平触发的定电荷反向充电电路用于将积分电路的输出电压限定在其线性范围之内，其中反向充电脉冲可被延迟，以避免其对数据采集的影响。在测量方法方面，本发明专利技术利用分时测量的方法测量随机噪声信号的强度，并在数据处理中过程中进一步扣除随机噪声脉冲。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及质谱学领域，具体针对脉冲离子源产生的具有同步特征的离子信号测量，是一种抗随机噪声的脉冲信号积分测量方法。
技术介绍
在采用二次电子倍增器作为离子探测器的质谱系统中，目前测量该探测器输出脉冲信号的方法一般采用非同步甄别-计数法测量。该方法由于其非同步特点，比较适用于连续离子流信号的测量。在采用脉冲离子源的质谱系统中，离子信号按照一定周期产生，其持续时间相对系统重复周期较小，如某采用激光脉冲离子源的质谱系统中，100μs重复周期内离子信号仅持续2～5μs。而系统中的噪声脉冲，则往往是时域平均的。对于这样的系统，该方法不能区别信号和噪声脉冲，信号和噪声被无区别地计入测量结果。同时，当信号较强时，在较短的信号持续时间内脉冲堆积严重，该方法测量的线性动态范围受到严重影响。为避免脉冲堆积的影响，另一种测量方法是非同步的模拟法，通过积分电路将来自探测器的电流脉冲信号转换为电压，并采用非同步模数转换器完成数字化。该方法虽然允许测量较强的离子流，但是同样由于其非同步特点，随机噪声被不加区别地计入测量结果。
技术实现思路
本专利技术针对脉冲离子流的测量问题，提出了一种抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量电路及方法，在有效扩展测量动态范围的同时能够将非信号时域区间的随机噪声排除在测量结果之外。本专利技术的目的在于提供一种抗随机噪声的脉冲信号积分测量方法，其技术方案如下：本专利技术要求信号发生系统提供外同步信号，外同步信号是数字脉冲信号，与被测脉冲具有相同的频率和稳定的延迟关系。本专利技术所提供的抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置，包括积分电路和数据采集电路，所述积分电路把被测脉冲信号的强度信息转变为电压幅度信息；其特殊之处在于：还包括定电荷反向充电电路，所述定电荷反向充电电路由电平触发，用于将积分电路的输出电压限定在其线性范围之内；所述数据采集电路为门控数据采集电路，所述门控数据采集电路在数据时刻采集数据，并对数据进行处理。以上为本专利技术同步脉冲信号积分测量装置的基本专利技术构思，基于该基本结构，本专利技术还做出以下优化限定：进一步的，上述积分电路包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2及积分电容C1；所述第一运算放大器A1用于检出输入电流信号，所述第一运算放大器A1的反向输入端接被测信号，所述第一运算放大器A1的同向输入端接地，第一运算放大器A1具有低输入偏置电流特性；所述第二运算放大器A2用于提高积分电路的带宽和输出摆率，所述第二运算放大器A2的同向输入端与第一运算放大器A1的输出端连接，所述第二运算放大器A2的反向输入端通过电阻R2接地，所述第二运算放大器A2的反向输入端通过电阻R3与第二运算放大器A2的输出端连接；所述积分电容C1是被测脉冲电流信号转换为电压信号的信息载体，所述积分电容C1的一端与第一运算放大器A1的反向输入端连接，所述积分电容C1的另一端与第二运算放大器A2的输出端连接。本专利技术的积分电路还可采用单运算放大器和积分电容C1的形式。运算放大器的反向输入端接被测信号和积分电容C1的一端，运算放大器的正向输入端接地，运算放大器的输出端接积分电容C1的另一端。此时要求运算放大器具备低输入偏置电流和高增益带宽积特性。再进一步，上述定电荷反向充电电路包括比较器、单稳态脉冲产生器、恒流源、模拟开关、逻辑门电路及单稳态脉冲发生器，所述比较器用于提供积分电容反向充电的预触发信号，所述比较器的第一输入端与所述积分电路的输出端连接；所述比较器的第二输入端与阈值电压连接，阈值电压设置为积分电路线性输出范围的最大值或最小值；所述逻辑门电路的一个输入端与比较器的输出端连接，所述逻辑门电路的另一个输入端与输入禁止时间信号连接；所述禁止时间信号由本装置中的可编程延迟脉冲发生器产生，是同步于外同步信号的一个或一组延迟脉冲，用于控制定电荷反向充电的过程，可被调节为与模数转换器的采样同步，也可以根据数据处理的要求设置为其它的延迟时间和脉冲宽度。；当来自比较器的预触发信号有效同时禁止时间信号无效时，逻辑门电路输出触发脉冲信号；当预触发信号有效而禁止时间信号有效时，逻辑门电路不输出触发信号，直到禁止信号变为无效时再输出触发脉冲信号；所述单稳态脉冲产生器用于产生一定时间宽度的脉冲，该脉冲用于控制反向充电的时间，所述单稳态脉冲产生器的输入端与逻辑门电路的输出端连接，所述单稳态脉冲发生器的第一输出端与模拟开关连接，第二输出端与外部的门控数据采集电路连接所述模拟开关的控制端与单稳态脉冲发生器的输出端连接，所述模拟开关包括一个动触点及两个静触点，所述动触点通过电阻R1与电压基准连接，所述两个静触点中的一个与第一运算放大器A1的反向输入端连接，另一个静触点接地；其中的R1与电压基准决定了反向充电的电流大小；当模拟开关的控制端电压有效时，模拟开关的动触点与第一运算放大器A1的反向输入端连通，积分电路反向充电；当模拟开关的控制电压无效时，模拟开关的动触点与地连接，积分电路正常积分。本专利技术中的定电荷反向充电电路具有受控延迟的特点，其反向充电的电荷量比较稳定。再进一步的，上述数据采集电路包括模拟数字转换器、门控计数器以及在线数字信号处理器；所述模拟数字转换器用于将输入的模拟电压信号转化为数字信号并传递给在线数字信号处理器；所述模拟数字转换器包括输入端和控制端及输出端，其中输入端与积分电路的输出端连接，控制端输入采集控制信号，所述的采集控制信号由本装置的可编程脉冲发生器产生，是同步于外同步信号的一个或多个脉冲，用于控制模拟数字转换器的采样，采集控制信号同样与被测信号同步；所述模拟数字转换器的输出端与在线数字信号处理器的输入端连接；所述门控计数器用于对定电荷反向充电电路的反向充电脉冲进行计数，并将计数结果提供给在线数字信号处理器，所述门控计数器的输入端与定电荷反向充电电路的第二输出端连接，所述门控计数器的输出端与在线数字信号处理器的输入端连接；所述在线数字信号处理器用于对测量的数据进行减法及累加操作。再进一步的，上述积分测量装置还包括可编程延迟脉冲发生器，可编程延迟脉冲发生器以外同步信号作为同步时间基准，可产生特定延迟时间和宽度的脉冲信号，以使定电荷反向充电电路、门控计数器以及同步模拟数字转换器协调运行；所述可编程延迟脉冲发生器的输入端连接外同步信号，所述可编程延迟脉冲发生器的输出端分别与定电荷反向充电电路、门控计数器及模数转换器连接。利用上述的抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置对被测脉冲信号进行积分测量的方法，其特殊之处在于：测量方法包括以下步骤：1)积分器将来自输入端的电流信号，包括被测脉冲信号和随机本底信号的强度信息转变为电压幅度信息；2)通过一定延迟的外同步信号控制模拟数字转换器的数据采样时刻，在每个脉冲信号脉冲的之前和之后数微秒的时刻，得到两个电压数据Va和Vb；3)通过在线数字信号处理器中的减法器得到两个数据的差值Vb-Va；4)通过门控计数器得到每个脉冲电流信号期间的反向充电次数k；5)计算被测电流信号的积分电荷量每一周期电荷量可表示为(Vb-Va)×C1+k×Ir×tr；其中反向充电电流为Ir，反向充电时间为tr；当实施N周期测量时，由累加器得到∑(Vb-Va)、∑k，N周期累加电荷量可表示为： Q s 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置，包括积分电路和数据采集电路，所述积分电路把被测脉冲信号的电流强度信息转变为电压幅度信息；其特征在于：所述积分测量装置还包括定电荷反向充电电路，所述定电荷反向充电电路由电平触发，用于将积分电路的输出电压限定在其线性范围之内；所述数据采集电路为门控数据采集电路，所述门控数据采集电路在指定时刻采集数据，并对数据进行处理。

【技术特征摘要】
1.一种抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置，包括积分电路和数据采集电路，所述积分电路把被测脉冲信号的电流强度信息转变为电压幅度信息；其特征在于：所述积分测量装置还包括定电荷反向充电电路，所述定电荷反向充电电路由电平触发，用于将积分电路的输出电压限定在其线性范围之内；所述数据采集电路为门控数据采集电路，所述门控数据采集电路在指定时刻采集数据，并对数据进行处理。2.根据权利要求1所述的抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置，其特征在于：所述积分电路包括第一运算放大器A1、第二运算放大器A2及积分电容C1；所述第一运算放大器A1用于检出输入电流信号，所述第一运算放大器A1的反向输入端接被测信号，所述第一运算放大器A1的同向输入端接地；所述第二运算放大器A2用于提高积分电路的带宽和输出摆率，所述第二运算放大器A2的同向输入端与第一运算放大器A1的输出端连接，所述第二运算放大器A2的反向输入端通过电阻R2接地，所述第二运算放大器A2的反向输入端通过电阻R3与第二运算放大器A2的输出端连接；所述积分电容C1是被测脉冲电流信号转换为电压信号的信息载体，所述积分电容C1的一端与第一运算放大器A1的反向输入端连接，所述积分电容C1的另一端与第二运算放大器A2的输出端连接。3.根据权利要求1或2所述的抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置，其特征在于：所述定电荷反向充电电路包括比较器、单稳态脉冲产生器、恒流源、模拟开关、逻辑门电路及单稳态脉冲发生器，所述比较器用于提供积分电容反向充电的预触发信号，所述比较器的第一输入端与所述积分电路的输出端连接；所述比较器的第二输入端与阈值电压连接，阈值电压设置值介于为积分电路线性输出范围的最大值和最小值之间；所述逻辑门电路的一个输入端与比较器的输出端连接，所述逻辑门电路的另一个输入端与输入禁止时间信号连接；所述禁止时间信号是同步于外同步信号的一个或一组延迟脉冲，用于控制定电荷反向充电的过程；所述外同步信号是由被测信号产生系统提供的数字脉冲信号，与被测脉冲具有相同的频率和稳定的延迟关系；当来自比较器的预触发信号有效同时禁止时间信号无效时，逻辑门电路输出触发脉冲信号；当预触发信号有效而禁止时间信号有效时，逻辑门电路不输出触发信号，直到禁止信号变为无效时再输出触发脉冲信号；所述单稳态脉冲产生器用于产生一定时间宽度的脉冲，该脉冲用于控制反向充电的时间，所述单稳态脉冲产生器的输入端与逻辑门电路的输出端连接，所述单稳态脉冲发生器的第一输出端与模拟开关连接，第二输出端与外部的门控数据采集电路连接；所述模拟开关的控制端与单稳态脉冲发生器的输出端连接，所述模拟开关包括一个动触点及两个静触点，所述动触点通过电阻R1与电压基准连接，所述两个静触点中的一个与第一运算放大器A1的反向输入端连接，另一个静触点接地；其中的R1与电压基准决定了反向充电的电流大小；当模拟开关的控制端电压有效时，模拟开关的动触点与第一运算放大器A1的反向输入端连通，积分电路反向充电；当模拟开关的控制电压无效时，模拟开关的动触点与地连接，积分电路正常积分。4.根据权利要求3所述的抗随机噪声的同步脉冲信号积分测量装置，其特征在于：所述数据采集电路包括模拟数字转换器、门控计数器以及在线数字信号处理器；所述模拟数字转换器用于将输入的模拟电压信号转化为数字信号并传递给在线数字信号处理器；所述模拟数字转换器包括输入端和控制端及输出端，其中输入端与积分电路的输出端连接，控制端输入采集控制信号；所述的采集控制信号是同步于外同步信号的一个或多个脉冲，用于控制模拟数字转换器的采样，采集控制信号同样与被测信号同步；所述模拟数字转换器的输出端与在线数字信号处理器的输入端连接；所述门控计数器用于对定电荷反向充电电路的反向充电脉冲进行计数，并将计数结果提供给在线数字信号处理器，所述门控计数器的输入端与定电荷...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志明，何资星，翟利华，邓虎，韦冠一，徐江，李静雅，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61