數(shù)字電位器在核功率測量儀表中的應(yīng)用研究

葛　源,陸　星,周治江（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,成都　610005）

數(shù)字電位器在核功率測量儀表中的應(yīng)用研究

葛源,陸星,周治江
（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,成都610005）

數(shù)字電位器是傳統(tǒng)機(jī)械電位器的理想替代器件，有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要探索數(shù)字電位器在反應(yīng)堆核功率測量儀表前置放大電路中的應(yīng)用。

數(shù)字電位器;核功率測量儀表;反應(yīng)堆

1　引言

典型的反應(yīng)堆核功率測量儀的前置放大電路通常由量程轉(zhuǎn)換電路和定值電路組成，主要用于對(duì)來自核探測器的微弱電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大。前置放大器主的量程轉(zhuǎn)換電路和定值電路通常采用機(jī)械式電位器作為增益反饋電阻，以調(diào)整放大器的增益。機(jī)械電位器受固有缺陷的限制，容易引起核測儀表誤觸發(fā)停堆保護(hù)信號(hào)，影響反應(yīng)堆正常運(yùn)行。因此，研究在核功率測量儀表中使用數(shù)字電位器對(duì)提升儀表的測量性能有重要意義。

2　數(shù)字電位器的組成和原理

數(shù)字電位器一般由數(shù)字控制電路、存儲(chǔ)器和RDAC電路組成。數(shù)字控制電路主要包括加/減計(jì)數(shù)器、譯碼電路、保存與恢復(fù)控制電路等，用于將輸入的控制信號(hào)進(jìn)行處理后控制RDAC電路。存儲(chǔ)器主要用來存儲(chǔ)控制信號(hào)和電位器的抽頭位置，具有記憶功能。RDAC電路主要包括CMOS管開關(guān)電路和電阻網(wǎng)絡(luò)，是一種特殊的數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換后的模擬量是電阻值。

3　量程轉(zhuǎn)換電路中數(shù)字電位器的應(yīng)用

在測量中，核測儀表需對(duì)不同大小范圍的探測器微弱電流信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和放大處理，因此在前置放大電路中需要對(duì)不同的量程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，調(diào)整相應(yīng)放大電路的增益，以適應(yīng)多個(gè)量級(jí)內(nèi)變化的電流（通常為10-11A～10-4A）信號(hào)測量。

前置放大器的量程轉(zhuǎn)換電路原理圖見圖1。圖中，虛線③左邊為采用機(jī)械電位器方式，右邊為采用數(shù)字電位器方式的T型網(wǎng)絡(luò)電路；兩種電位器構(gòu)成的運(yùn)算放大器反饋網(wǎng)絡(luò)分別為虛線框①部分和虛線框②部分。其中，數(shù)字電位器采用總阻值1MΩ、2路輸入三線接口型的AD 5222集成塊，支持按鍵控制和單片機(jī)控制，并具有較高的分辨率0.39%（1/255），可以滿足各量程檔位的精度要求。利用數(shù)字電位器可使前置放大器的增益在0Ω～109Ω范圍內(nèi)變化，從而滿足微弱電流信號(hào)測量的要求。而且電路結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，功耗也較小。

通過數(shù)字控制RDAC電路中的CMOS管開關(guān)按照先連接后斷開的工作方式，即新的脈沖計(jì)數(shù)到達(dá)時(shí)，下一個(gè)CMOS管開關(guān)會(huì)立即響應(yīng)該計(jì)數(shù)，原來的CMOS開關(guān)會(huì)保持到新開關(guān)閉合穩(wěn)定之后才斷開，從而保證了換擋時(shí)相鄰擋位的銜接，防止前置放大器因輸出飽和而產(chǎn)生的誤觸發(fā)。

4　細(xì)調(diào)定值電路中數(shù)字電位器的應(yīng)用

核功率測量儀通過細(xì)調(diào)定值電路和粗調(diào)定值電路實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆功率的監(jiān)測與報(bào)警，其中，細(xì)條定值電路的變換范圍相當(dāng)于粗調(diào)定值電路的相鄰檔位的轉(zhuǎn)換倍率。比如，為保證換檔時(shí)的量程覆蓋，HFETR某核測儀表的相鄰兩個(gè)粗調(diào)檔位之間的轉(zhuǎn)換倍率為2.5，要求細(xì)調(diào)定值電路的增益調(diào)節(jié)范圍高于該數(shù)值。采用數(shù)字電位器的HFETR某核測儀表細(xì)調(diào)定值電路見圖2。

圖2中，虛線框內(nèi)的②為采用按鍵控制的數(shù)字電位器AD 5220電路，其U/端由按鍵SET1控制，用于增/減計(jì)數(shù)。SET1的另兩端接電源或地，接地時(shí)，實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)，使數(shù)字電位器的輸出阻值減?。唤与娫磿r(shí)則相反。電位器AD 5220的CLK接收處理器或按鍵發(fā)出的脈沖控制信號(hào)，用于控制電位器的CMOS管開關(guān)。圖2中CLK為采用按鍵式控制，每按一次S1即輸出一個(gè)脈沖，由計(jì)數(shù)器選通開關(guān)后，該脈沖即觸發(fā)相應(yīng)的CMOS管開關(guān)接通，從而使電位器輸出相應(yīng)的電阻值。AD5220具有終端位限制功能，當(dāng)電位器的電阻值到達(dá)最高值或最低值時(shí)，停止計(jì)數(shù)，避免因循環(huán)計(jì)數(shù)使電阻值在兩個(gè)終端之間跳變。

為了滿足量程覆蓋的要求，數(shù)字電位器AD5220的總電阻取10kΩ，其中A1為最小電阻端（0Ω），B1為最大電阻端（10kΩ）。

（1）當(dāng)A1端口有效時(shí)，電位器不參與反饋，定值電路的反饋電路增益為：

A=R16/R15=115kΩ/10kΩ=11.5

（2）當(dāng)B1端口有效時(shí)，反饋電路是由R16、數(shù)字電位器總電阻和接地電阻R18構(gòu)成的T型網(wǎng)絡(luò)，反饋電阻為：

Rf=DCP+R16+DCP×R16/R18=(10 +115 +10×115/6.57)kΩ=300 kΩ

此時(shí)，定值電路的反饋電路增益為：A= Rf/R15=300//10=30。綜上，定值電路的增益調(diào)節(jié)范圍在11.5～30之間，檔間轉(zhuǎn)換倍率為2.6，從而保證了量程覆蓋。

4　結(jié)束語

在核功率測量儀表中研究應(yīng)用數(shù)字電位器，以提升核功率測量儀表的性能，是核功率測量儀表實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的重要工作，從而更好地與反應(yīng)堆數(shù)字化儀控系統(tǒng)相適配。