基于數(shù)字電位計(jì)的X射線探測器偏壓調(diào)節(jié)

某X射線探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為Si雪崩二極管(AvalanchePhoto—diode，APD)，其利用光電效應(yīng)將入射光信號轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體器件內(nèi)的光電子，在此基礎(chǔ)上，利用反向偏壓產(chǎn)生的雪崩擊穿原理對光電子進(jìn)行雪崩式放大，從而激發(fā)很強(qiáng)的雪崩電流。由于探測器實(shí)際中要工作于臨界雪崩狀態(tài)，所以需要對探測器的反向偏置電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，另一方面也需要對每個(gè)探測器進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整。

文章采用數(shù)子電位計(jì)進(jìn)行偏壓的精細(xì)調(diào)節(jié)，數(shù)字電位計(jì)是一種利用數(shù)字信號控制輸出電阻值變化的元器件，較傳統(tǒng)的機(jī)械式電位計(jì)有耐沖擊、尺寸封裝小、調(diào)節(jié)準(zhǔn)確方便、性能穩(wěn)定、可編程、接口豐富、應(yīng)用領(lǐng)域廣等優(yōu)點(diǎn)，文章選用數(shù)字電位計(jì)AD5141可實(shí)現(xiàn)輸出端電阻60 Ω～100 kΩ調(diào)節(jié)，從而調(diào)整外部DC—DC模塊輸出電壓在80～200 V變化。

1 數(shù)字電位計(jì)AD5141簡介

AD5141數(shù)字電位計(jì)為256檔可編程電阻器，如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由串行接口電路、RDAC電路、EEPROM存儲電路構(gòu)成。其中，RDAC電路是數(shù)字電位計(jì)的重要組成部分，由電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，RDAC位數(shù)越高、相應(yīng)的電阻相對分辨率就越高，系統(tǒng)選用8bit，可實(shí)現(xiàn)256檔的電阻調(diào)節(jié)。主要參數(shù)如下：

1)電阻調(diào)節(jié)范圍：60 Ω～100 kΩ;

2)輸出電阻容差：8%(最大值);

3)最小可調(diào)節(jié)電阻：390 Ω;

4)當(dāng)VSS=0V，VDD供電范圍為2.3～5.5 V，

當(dāng)VSS=2.25～2.75 V時(shí)，VDD=2.25～2.75 V;

5)VLOIGC供電范圍為1.8～5.5 V;

6)低功耗、工作溫度范圍寬、封裝小(3 mm×3 mm);

7)與微處理器接口方式靈活：I2C接口、SPI接口;

8)兼容多個(gè)同系列產(chǎn)品，可級聯(lián)使用等。

其中，表1為AD5141主要引腳功能說明。

2 設(shè)計(jì)方案

圖2為某型號X射線探測器增益與偏壓的關(guān)系圖。

由圖2可知，同一溫度下，隨著探測器反向偏壓的升高，增益也不斷增大，為獲得工程設(shè)計(jì)所需增益，反向偏置電壓需要精細(xì)的調(diào)節(jié)。

基于數(shù)字電位計(jì)的X射線探測器偏壓調(diào)節(jié)原理如圖3所示，DC/DC電源模塊與高壓電源模塊將接收的外部一次電源(+28 V)轉(zhuǎn)變?yōu)椴杉娐放c探測器工作電壓。其中，DC/DC

模塊為FPGA、數(shù)字電位計(jì)等提供電路板上必要的工作電源以及探測器外圍電路的驅(qū)動電壓，高壓電源模塊為探測器提供反向偏置電壓，最后探測器將放大后的信號給采集電路進(jìn)行后續(xù)的信號處理識別。

采集電路中，FPGA與數(shù)字電位計(jì)AD5141的接口均有引出，根據(jù)實(shí)際使用方便采取相應(yīng)的配置方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字電位計(jì)寄存器的配置更改，圖中虛線連接線及星號電阻、電容為調(diào)試用，為硬件設(shè)計(jì)的靈活性。W為數(shù)字電位計(jì)的游標(biāo)端，具體輸出電阻分為3中情形，及RAB、RAW、RWB，其中RAB=100 kΩ，而RAW與RWB由于工作模式不同，計(jì)算方法有異，當(dāng)數(shù)字電位計(jì)工作于可變電阻器模式時(shí)，計(jì)算公式如下

其中，RW為游標(biāo)電阻，RAB為端到端電阻，D為載入8位RDAC寄存器的二進(jìn)制代碼的十進(jìn)制等效值。

當(dāng)工作于線性增益設(shè)置模式時(shí)，RAW與RWB的計(jì)算公式恰好相反，即

3 實(shí)驗(yàn)測試

圖4中為FPGA與數(shù)字電位計(jì)AD5141互聯(lián)的部分PCB圖，文章中，AD5141采用SPI的配置方式對其寄存器進(jìn)行配置，未上電時(shí)，器件輸出為斷路，上電后，滑動游標(biāo)W依據(jù)EEPROM的存儲值停留在相應(yīng)的位置，出廠時(shí)默認(rèn)在中間端。SPI串行接口時(shí)序如圖5所示。

按照圖5的時(shí)序，可以配置RDAC寄存器、輸入寄存器、EEPROM等，表2中僅給出常用的幾個(gè)命令。

在底部量程時(shí)，實(shí)測RWB=60 Ω，之后如果需要調(diào)節(jié)電阻變化，首先需要退出底部量程模式再進(jìn)行其他命令操作。根據(jù)游標(biāo)滑動的變化，具體可分為線性增益模式與可變電阻器模式，通過相應(yīng)命令可以更改，具體可參考數(shù)據(jù)手冊中的高級命令。在可變電阻器模式下，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入00時(shí)，即游標(biāo)W滑動到B端，可測得游標(biāo)電阻RW，RWB=RW=160 Ω。

RDAC寄存器與輸入寄存器均為在線可編程寄存器，掉電再上電或復(fù)位后，其值將從EEPROM加載，在線時(shí)，EEPROM的值也可以通過RDAC與輸入寄存器更新。文章中采用可變電阻器模式，并選取40個(gè)典型值，測試結(jié)果如圖6所示。

從圖中可以看出輸出電阻RWB隨輸入數(shù)值的變化具有良好的線性關(guān)系，按照一元線性相關(guān)回歸理論可知，假設(shè)回歸方程為：

利用相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)輸出電阻隨輸入數(shù)值的線性相關(guān)性，兩者的相關(guān)系數(shù)為：

4 結(jié)論

文章采用FPGA與數(shù)字電位計(jì)AD5141互聯(lián)，可以通過I2C或SPI通信方式實(shí)現(xiàn)寄存器的配置，設(shè)計(jì)靈活、易于實(shí)現(xiàn)。實(shí)際測試中AD5141線性度良好、可靠性高、輸出電阻容差小、256檔調(diào)節(jié)，為某型號X射線探測器的偏壓調(diào)節(jié)提供便利，特別是為最終確定探測器增益提供參考。