基于可编程逻辑的光子计数器制造技术

本发明专利技术涉及微弱光电信息处理技术中专门针对光子信息的基于可编程逻辑的光子计数器，主要由脉冲放大电路、脉冲甄别电路、脉冲整形电路、计数门控制电路和光子计数电路构成。脉冲放大、甄别和整形电路实现了对微弱光电流的放大、脉冲信号的识别及其波形的整形等功能；并实现了与基于可编程逻辑（简称ＰＬＤ）硬件电路上的衔接。本发明专利技术的特点是应用ＰＬＤ器件实现了光子计数电路和计数门控制电路的设计，光子计数电路用于光子计数、数值锁存和数值输出等，计数门控制电路则控制着光子计数电路的计数时间，其计数时间可调、可自动载入设置时间和重复计时。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及处理微弱光电信息的技术中的光子信息计数装置，具体是基于可编程逻辑的光子计数器。
技术介绍
目前，对微弱光信号处理技术中所采用的光子计数器，主要有EG&G的1109型光子计数器、美国普林斯顿的1190型和日本滨松的C5410系列的台式计数器等；也有基于计算机的平台上，采用接口技术(如PCI、ISA总线)，通过硬件接口卡和计算机软件实现光子计数。如日本滨松公司的M7824型和M8503型光子计数板。上述计数器主要靠硬件电路的方式来实现，在针对一些具体的系统时，使用上会受到一定的限制。例如计数门的时间控制、计数位数的多少和计数输出的总线(8位、16位、24位或者32位)设置等等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于可编程逻辑的光子计数器，能用于各种不同系统，达到计数位数和计数门控时间可调、以及能匹配8位、16位、24位或者32位系统数据总线等效果。如图1所示，本专利技术的基于可编程逻辑的光子计数器包括——脉冲放大电路，将从光电倍增管输出的微安级脉冲信号(典型的光子脉冲的脉宽仅为25ns)转换为电压信号，并放大输出；——脉冲甄别电路，从脉冲放大电路得到的放大的脉冲信号中识别光子信号，将噪声干扰、电脉冲干扰和射线干扰进行滤除；将脉冲信号的峰值电压转换为达到与数字系统的连接要求的+5V；——脉冲整形电路，对经脉冲甄别电路甄别后的脉冲信号进行整形输出，通过光子计数电路计数；——光子计数电路，固化在高速的可编程逻辑芯片内，用于统计一段时间内光子信号的数目，并锁存输出；通过中断方式，提供中断信号与外部CPU进行通信，实现数据的输出；——计数门控制电路，固化在高速的可编程逻辑芯片内，根据具体的系统需要，控制光子计数模块计数时间的长短。本专利技术的工作原理如下图1中，光电倍增管输出的电脉冲信号先进入脉冲放大电路，脉冲电流信号转换为脉冲电压信号；脉冲电压信号再进入脉冲甄别电路，该电路通过电压的峰值比较，识别出光子信号所产生的电脉冲信号，滤除噪声、电源和射线等干扰信号；同时，脉冲甄别电路还将脉冲信号的峰值电压转换为数字系统的+5V输出；被识别出的脉冲电压信号进入脉冲整形电路进行波形整形。最后，该信号进入光子计数电路进行计数统计，当停止计数后数据将被存放在锁存电路中缓冲输出。如果光子计数电路启动，那么光子计数电路同时被清零，数据重新统计。光子计数电路的计数操作受到计数门控制电路的控制。计数门控制电路将定时产生“启动计数”、“停止计数”和“数据锁存”以及“数据输出”等控制信号，并且这些信号将直接、迅速控制光子计数电路的相关动作。下面通过举例对本专利技术光子计数器的各部分作更详细的说明，但本专利技术不仅限于此脉冲放大电路、脉冲甄别电路和脉冲整形电路其电路如图2所示，图中，脉冲放大电路主要包括运放A1及其负载RF、运放A2构成的反相放大电路；运放A1为脉冲输出电流-电压转换电路，输出的电压为Vo＝-IpRF。RF的大小选择可根据光电倍增管输出的电流Ip大小决定。为了获得比较大的输出电压信号，且电压的幅度与后面甄别电路电压相吻合，那么RF的值可用+5V电压除以最大输出电流而得到。由于一般光电倍增管的输出电流大约为几个至十几个微安，那么RF的数值即可由此得到大约的范围为几百千欧姆至几兆欧。运放A2则实现了反相放大，增益为-1。得到了正向的脉冲输出。并且经过了限幅二极管D1后，光子脉冲信号的反相峰值被限制，成为单向脉冲信号。脉冲甄别电路包括A3和A4所构成的比较电路，形成双门限的脉冲甄别电路，一般情况下，下门限为+3V，上门限为+5V。上下门限值可根据仪器系统情况调整。满足此区间的脉冲信号是光子信号，并且使A3和A4两个运算放大器构成的比较器都同时输出高电平“1”。并输入到PLD的PHOTON1和PHOTON2两端，相与运算后得到了高电平输出。除此之外，A3和A4采用了+5V的工作电压，实现了电压的转换，很好地与数字系统相衔接。脉冲整形电路包括一个固化在高速的可编程逻辑芯片内的与门电路，通过与门电路实现信号输出和波形整形。计数门控制电路计数门控制电路是计数的辅助部分，具体的电路原理设计如图3所示。该计数门控制电路由7477锁存电路、LPM_CLSHIFT两位移位寄存器和LPM_COUNTER(设置为6位寄存器)三个集成电路及两个16分频电路组成。7477用于锁存CPU输入的设置的计数时间。该电路总共有6根输入线其中IN0～IN3为数据输入线；而G1N和G2N则是将输入数据锁存的控制线，同时为低电平有效。LPM_CLSHIFT移位寄存器将设置的计数时间右移两位，相当于设置时间被放大4倍。在此计数时间控制下，光子计数的数据就是4倍设置时间的计数总和，可用于后期数据处理的求平均运算。该移位寄存器的移动方向、移动的位数分别由direction和distance0~distance1共三根输入线控制。该设置可通过软件设计进行改变。LPM_COUNTER的计数时钟为1秒的时钟信号。它是经过外部输入256Hz的低频时钟和两个16分频电路(由4个D触发器构成)后得到的时钟信号。该计数门控制电路设置为递减方式计数，以及自动重新装入计数值。进位的位为输出端(storeout)，该信号反馈到同步载入的输入信号端，实现设置计数时间重新装入进行计数。该电路共有两个输出端除了计数门控制信号输出storeout，另一个为基准的1秒时钟信号输出，可用于外部系统同步控制用。光子计数电路光子计数电路是光子计数器电路的核心部分，它实现的功能除了对光子信号进行计数外，还包括控制光子计数数据的锁存和输出。具体电路原理见图4。光子计数电路由三个芯片组成三片74373、一片24位的计数器LPM_COUNTER和一个4位的计数电路组成。4位的计数电路的输入只有一个输入端——“256Hz”。用于将256Hz的输入时钟信号进行16分频得到16Hz信号，与输入的Store_signal信号进行或非运算后的输出信号来控制光子计数电路的异步清零端。Store_signal信号用于控制光子计数电路的计数使能和数据锁存的输入端(cnt_en)，由计数门控制电路输出的storeout信号直接提供得到。光子的输入端为Photon1和Photon2，它们分别接脉冲甄别电路的输出端(见图2)。这两个信号进行相与的运算得到数字脉冲信号，即利用PLD的与门运算实现了波形整形的功能。与门输出的脉冲信号作为时钟信号输入到电路中进行计数。三片74373用于作为24位的输出的缓冲电路，与CPU进行连接。缓冲电路的数据输出控制线分别是LOW_EN、HIGH_EN、24BIT_EN和RDN。它们分别控制低8位(PO)缓冲电路输出、高8位(PO)缓冲电路输出、24位的最高8位(PO)缓冲电路输出和读数据控制信号。这四根输入控制线与CPU相连实现24位的数据分3次读取。输出线中PO是连接8Bits硬件系统的PO口。输出线overload是指示光子计数电路的计数溢出的标志位，或者也可以作为级联的进位位。PHOTONCLEAR输出线是光子计数电路清零信号的输出，PHOTONSTORE是光子计数电路数据锁存信号，这两根输出线都可以用于与CPU通信进行中断申请操作，实现数据的通信。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可编程逻辑的光子计数器，其特征在于主要包括－脉冲放大电路，将从光电倍增管输出的微安级脉冲信号转换为电压信号，并放大输出；－脉冲甄别电路，从脉冲放大电路得到的放大的脉冲信号中识别光子信号，将噪声干扰、电脉冲干扰和射线干 扰进行滤除；将脉冲信号的峰值电压转换为达到与数字系统的连接要求的＋５Ｖ；－脉冲整形电路，对经脉冲甄别电路甄别后的脉冲信号进行整形输出，通过光子计数电路计数；－光子计数电路，固化在高速的可编程逻辑芯片内，用于统计一段时间内光子 信号的数目，并锁存输出；通过中断方式，提供中断信号与外部ＣＰＵ进行通信，实现数据的输出；－计数门控制电路，固化在高速的可编程逻辑芯片内，根据具体的系统需要，控制光子计数电路计数时间的长短。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邱健，杨冠玲，何振江，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]