Применение счетчика Гейгера и LabView интерфейса

В данной статье мы кратко рассмотрим эффекты от воздействия радиации. Мы создадим счетчик Гейгера на основе схемы обратноходового преобразователя, предложенного в «AN-1175 A High Voltage DC-DC Converter», и с помощью LabView создадим графический интерфейс для вывода результатов измерений. Кроме того, расскажем, как с помощью Silego GreenPAK™ можно реализовать аналоговые и цифровые функции, необходимые для управления высоковольтной трубкой Гейгера, подсчета числа разрядов и обмена данными с персональным компьютером через LabView.

Принцип работы трубки Гейгера-Мюллера

Трубка Гейгера-Мюллера (ГМ-трубка) – это устройство, которое позволяет измерять уровень различных видов излучения, включая альфа, бета, х и гамма частицы. ГМ-трубка состоит из анода и катода, которые помещены в цилиндрическую трубку. Цилиндр заполнен газом низкого давления, обычно около 0.07-0.13 бар. Одна сторона трубки неметаллическая и обычно выполнена из тонкого слоя слюдяной фольги.

Рис. 1.	Конструкция трубки Гейгера-Мюллера.

В схеме на Рис. 1 присутствуют два электрода. Когда к аноду и катоду приложено высокое напряжение, внутри ГМ-трубки, наполненной благородным газом низкого давления (обычно аргоном), создается сильное электрическое поле. Если радиация отсутствует, благородный газ является непроводящей средой. Однако когда радиационная частица попадает в ГМ-трубку, газ ионизируется, что вызывает лавинный эффект. Это означает, что газ становится проводящим, и ток может протекать через ГМ-трубку в направлении схемы детектора. В следующем разделе мы проанализируем блок-схему системы, основанную на этом физическом принципе.

Блок-схема системы

На Рис. 2 показаны основные блоки предлагаемой схемы счетчика Гейгера. Блок управления представлен микросхемой Silego GreenPAK, которая реализует все логические функции и выполняет аналоговую обработку внешних сигналов. Для правильной работы схемы необходимо использовать источник питания 5 В. В нашем примере GreenPAK питается от отладочной платы Silego, которая подключается к ПК с помощью USB-кабеля. Мы использовали тот же обратноходовой преобразователь, который был рассмотрен в документе «AN-1175 A High Voltage DC-DC Converter». Он состоит из трансформатора, выпрямительного диода и нескольких других пассивных компонентов. Высокое напряжение от ГМ-трубки делится с помощью резистивного делителя и подается на аналоговый компаратор, входящий в состав микросхемы GreenPAK. Здесь аналоговый сигнал обрабатывается и используется для генерации сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для обратноходового преобразователя. ШИМ-сигнал необходим для достижения требуемого высокого напряжения на выходе преобразователя.

Рис. 2.	Блок схема системы.

Когда частица радиации попадает в ГМ-трубку, происходит внутренний разряд. Это приводит к временному падению напряжения на выходе обратноходового преобразователя. Это падение напряжения обнаруживается детектором, который генерирует низковольтный импульс для каждого разряда, то есть для каждой частицы, попадающей на стенки ГМ-трубки. Низковольтный импульс подается на цифровой счетчик внутри микросхемы GreenPAK, который подсчитывает количество таких событий. Наконец, показания цифрового счетчика отправляются в LabView с графическим пользовательским интерфейсом (GUI) с помощью блока Serial Peripheral Interface (SPI), встроенного в микросхему GreenPAK. Мост UART-USB используется для отправки информации счетчика из GreenPAK на ПК с LabView. Внешняя кнопка используется для сброса и инициализации счетчика событий.

Симуляция

Перед практической реализацией мы моделировали схему, чтобы обеспечить точную форму сигналов для всех компонентов. Поскольку части схемы работают с высокими напряжениями, убедитесь, что устройство работает как нужно, чтобы избежать проблем с отдельными компонентами или устройством в целом.

В предыдущей статье (прим. «AN-1175 A High Voltage DC-DC Converter») мы создали обратноходовую схему для достижения выходного напряжения не менее 450 В. Теперь мы будем моделировать ее взаимодействие с ГМ-трубкой. Точка их соединения обозначена как «HV» в центре схемы на Рис. 3. Обратноходовая схема выделена красным квадратом. Для обнаружения импульсов использовали микросхему GreenPAK. Чтобы промоделировать ГМ-трубку и импульс, генерируемый частицей радиации, было решено использовать простой переключатель (S1) с R_DSON 1 кОм (сопротивление в открытом состоянии), который управляется генератором импульсов V3. Генератор создает импульс длительностью 35 мс, чтобы гарантированно дождаться нужной амплитуды напряжения на выходе обратноходовой схемы. Как только значение напряжения достигнет нужной величины, генерируется импульс 1 мкс, и переключатель закрывается. Образуется проводящий путь от HV до GND, и импульс, проходя через высокочастотный фильтр C5-R7-R10, достигает базы транзистора Q1. Пара транзисторов Q1 и Q2, подключенных по схеме Дарлингтона, обеспечивают ток, пропорциональный их h_FE и току в базе Q1. Таким образом, напряжение на коллекторах Q1 и Q2 уменьшается от 5 В до 0 В, формируя счетный импульс для GreenPAK.

Рис. 3.	Моделирование используемой схемы.

Как вы можете видеть на Рис. 4, напряжение на выходе обратноходового преобразователя достигает 450 В, после чего он готов для поляризации ГМ-трубки. Как только это происходит, напряжение на ГМ-трубке падает. Ток в базе транзистора увеличивается, выходной ток следует за базовым током, а выходное напряжение быстро уменьшается.

Рис. 4.	Высоковольтный сигнал и импульс разряда в ГМ-трубке (слева). Ток базы транзистора Q1 и выходной импульс напряжения (справа).

Конфигурация микросхемы GreenPAK

В этом разделе мы поясним, как внутри Silego GreenPAK реализованы счетчик событий и UART-передатчик. На Рис. 5 показана общая архитектура логической части схемы. Импульс, генерируемый схемой Гейгера, подключен к выводу Pin7. Сигнал, обозначенный EVENTtrig, управляет счетчиком событий (CNT2) и D-триггером (DFF1). EVENTtrig также подается на блок генератора OSC, а от него на CNT2 через линию EXT CLK 0.

Рис. 5.	Внутренняя схема логической части микросхемы GreenPAK.

Когда происходит разряд, нарастающий фронт сигнала инкрементирует счетчик событий и устанавливает Q-выход DFF1, который обозначен меткой txSTART. Когда txSTART принимает высокое значение HIGH, сигнал сброса CNT5 принимает низкое значение LOW через инвертор 2-L1. Это означает, что выход CNT5 начинает генерировать тактовый импульс с периодом 104 мкс, который используется для синхронизации передачи по UART со скоростью в 9600 бод/c.

Перед запуском CNT5 на выходе счетчика установлено высокое состояние HIGH. Это означает, что сигнал сброса nRES триггера DFF0 имеет низкое значение LOW и, следовательно, на выходе DFF0 присутствует высокое состояние HIGH. По этой причине требуется задержка (Pipe Delay0) между выходом DFF1 и тактовым входом DFF0. На Рис. 6 показано, почему требуется задержка.

Рис. 6.	Исходный стартовый сигнал и стартовый сигнал с задержкой: • Канал 1 (желтый): txSTART; • Канал 2 (синий): сигнал сброса DFF0 (выход UARTclk/ CNT5); • Канал 3 (розовый): STARTdly.

Если мы подключаем тактовый сигнал DFF0 напрямую к сигналу txSTART, то вывод DFF0 nRESET будет в низком состоянии LOW, и DFF0 будет отключен, когда на его вход CLK придет фронт сигнала. При наличии задержки (розовая осциллограмма) сигнал запуска придет позже, когда nRESET уже будет в высоком состоянии HIGH, что позволит использовать DFF0. Тогда сигнал STARTdly установит выход DFF0 (nQ) в низкое состояние LOW.

После 104 мкс CNT5 генерирует импульс на своем выходе. Передний фронт этого импульса сбросит DFF0, снова переведя выход nQ в высокое состояние HIGH. Как видно из схемы, выход DFF0 будет устанавливать DFF2. Это означает, что когда сигнал выбора чипа SPI переходит в низкое состояние LOW, то SPI начинает передавать значение счетчика CNT2 с периодом 104 мкс. Сигнал DATA/ START/ STOP определяет данные, передаваемые UART, с помощью выходного мультиплексора. Когда последний бит отправляется, сигнал INT модуля SPI сбрасывает DFF2 через инвертор 2-L0 (сигнал txSTOP). Сигнал DATA/ START/ STOP снова возвращается в высокое состояние HIGH и возвращает высокий уровень HIGH на линии START/ STOP (состояние STOP).

В то же время сигнал прерывания SPI (обозначенный TXrestart) сбрасывает CNT6/ DLY6, который в свою очередь, проходя через 2-L2, разрешает работу DFF1. Это позволяет осуществить новую передачу. Вывод PIN5 сбрасывает счетчик событий, в то время как вывод PIN6 используется для ручного перезапуска передачи по UART.

На Рис. 7 показан тактовый сигнал (голубой), сигнал запуска (желтый) и данные UART (розовый). SPI передает данные старшим битом MSB вперед. Для получения формата LSB в LabView выполняется смена порядка битового потока.

Важно отметить, что во время передачи данных счетчик событий может подсчитывать новые входящие события и не блокирует значение, которое было в начале цикла передачи. Как вы можете видеть, счетчик событий напрямую подключен к входному импульсному сигналу через вывод PIN 7.

Рис. 7.	Сигналы передачи по UART.

Обмен данными с LabView по UART

Для связи между GreenPAK и ноутбуком мы использовали мост CP210xUART-USB от Silicon Laboratories. Вывод TxUSB-моста подключен к выводу PIN8 микросхемы GreenPAK. Выводы 9 и 10 GreenPAK закорочены вместе, а земли микросхем объединены.

Рис. 8.	Подключение плат.

Как только все оборудование подключено, мы можем запустить LabView и открыть пользовательский интерфейс. После подключения устройств к USB необходимо выбрать правильный COM-порт. В нашем случае это был COM3. При нажатии кнопки START программа будет ждать входящего соединения. Светодиоды отображают побитовые показания счетчика, а элемент Geiger counter events отображает общее количество событий с начала передачи. Кнопка STOP блокирует соединение и закрывает программу.

Рис. 9.	Внешний вид программы в LabView.

Рис. 10.	Графический пользовательский интерфейс, созданный в LabView.

При открытии лицевой панели (front panel), вы можете увидеть пользовательский интерфейс с элементами управления LabView. Скорость обмена по UART равна 9600 бод/с. Размер сообщения составляет 8 бит, плюс один старт и 1 стоповый бит. Не требуется никаких символов окончания, битов четности или битов управления потоком. Все биты имеют значения по умолчанию, чтобы избежать ошибочной визуализации после предыдущего использования.

Показания счетчика Гейгера обнулены. Размер буфера VISA составляет один байт, который устройство посылает во время обмена. После установления соединения программа переходит в режим ожидания входящей передачи от GreenPAK. Строковый буфер преобразует данные в одиночные биты и переворачивает порядок их следования, поскольку GreenPAK SPI отправляет данные старшим битом вперед MSB, а нам требуется формат LSB. После этого полученные данные преобразуются в целочисленное значение и выводятся на экран. Когда нажата кнопка останова, программа выходит из цикла ожидания и соединение закрывается.

Заключение

В статье показано, как использовать аналоговые и цифровые блоки микросхем Silego GreenPAK для реализации стандартной связи по UART. Были промоделированы и проанализированы многие сложные особенности данного устройства. Также был предложен точный обратноходовой преобразователь, состоящий всего из нескольких компонентов. Эта комбинация элементов позволила нам создать счетчик Гейгера с интерфейсом Lab-View, который измеряет радиацию в реальном времени.

Посмотреть более подробно технические характеристики программируемых матриц смешанных сигналов от Silego Technology