基于SDD的太陽X射線探測器智能測控系統的建立和完善,電力論文衛星在運行過中隨時受空間環境影響，空間環境劇烈變化可能導致默寫元器件失效甚至整個衛星無法工作。空間環境變化的源頭是太陽，太陽耀斑引起的質子事件是影響空間環境的重要因素。為了盡可能減少太陽質子事件對空間飛行器的儀表和人員的影響與損害，減少損失，準確預報太陽質子事件的發生、強度、時間等因子就顯得特別必要[1].科學研究表示清楚，以太陽X射線某些物理特征警報太陽質子事件是一種特別有效的手段。本文建立和完善基于SDD的太陽X射線探測器智能測控系統，構成高可靠性安全性的地面測控支撐系統，對應用于航天任務的太陽X射線探測器上天前進行嚴格、精到準確的檢驗和考核，為星上設備的研制提供重要支持。該X射線探測器采用德國Ketek公司生產的硅漂移傳感器〔SiliconDriftDetector,SDD〕，SDD是一種新型的、獨具優勢的核輻射探測器。采用雙面并行的平面工藝技術，通過在硅片兩外表制造特殊的電極，在適當的偏壓下，使硅片體處于全耗盡狀態，并構成一個平行于上下兩外表、均勻的漂移電場。電荷收集極位于探測器，面積非常小，因而收集極電容也非常小，這樣減小了串聯噪聲分量，降低了整個電子學噪聲，小于同樣面積和厚度的Si-PIN探測器，只需采用簡單的半導體制冷就能夠到達甚至超過需用液氮制冷的Si〔Li〕探測器的能量分辨率,并使最佳成型時間變快[2-3].SDD中的電子漂移時間與位置有關，當多個光子同時入射時，硅漂移室能夠加以分辨，進而獲得十分高的計數率。總的來講，當X射線光子穿過耗盡層時，會損失能量并產生電子-空穴對，華而不實空穴被附近的電極吸收，而電子則被漂移電場強迫向硅片的一端漂移，到達電荷收集極，電荷收集極的點電極進行電荷收集，每個X射線光子產生的電荷信號都在收集電極構成與光子能量成正比的增量電荷[4],電荷的變化反映在外電路中，即產生電流。本文采用的SDD其特性如下：整機狀態下對X射線探測器的能量分辨率可達189eV@5.9keV,探測能量范圍1.5~24.8keV,峰本比15000,計數率可達1000kcps,可工作在-60~-20℃,消耗功率小,高效的集成Pilter元件,易于使用,體積小等優點.為了將該傳感器良好的特性充分發揮,需要完備的電子學測控系統.以下為參考文獻[5],探測器能夠看做是一個恒流源.這樣,采用電荷靈敏前置放大器對電流脈沖積分,構成電壓脈沖信號(10mV),再經過脈沖成形放大電路對電壓脈沖信號進行濾波整形放大(10V),以知足后端幅度分析系統.因而,首先盡量減少測控系統的輸入噪聲,除此之外,在一定的脈沖處理時間下,脈沖濾波成形電路的性能,直接影響著整個儀器的能量分辨率.欲保證傳感器的能量分辨率最優化,除了要獲得較高的信噪比之外,脈沖濾波成形電路還應知足下面技術指標要求:1)半導體探測器輸出幅度和成形電路輸出幅度應嚴格保持線性關系,成形輸出幅度最高10V;2)通過調節電路參數,減少堆積和基線的變化,提高電路的計數率響應;3)成形后的輸出波形應符合后續電路分析測量參數要求,脈沖寬度為1s,成形時間為3~5s.4)濾波成形電路應盡可能簡單,增益可調.1濾波成形原理脈沖成形電路的總體設計包括電荷靈敏前置放大電路和濾波成形電路,SDD輸出的電脈沖信號,經過電荷靈敏前置放大電路,變換為以3s為時間常數衰減的指數脈沖信號,經過成形濾波電路,消除噪聲,整形放大,輸出知足后端幅度分析的波形信號.1.1電荷靈敏前置放大電路電荷靈敏前置放大器就是帶有電容負反應的電流積分器.變換增益ACQ=1/Cf,它表示單位電荷量輸入該前放得到的輸出幅度,又叫做電荷靈敏度.對于SDD而言,使用電荷靈敏放大器,能夠消除結電容的影響.假設電壓放大器的放大倍數為K,那么該放大器的等效輸入電容為C+KCf.只要K足夠大,有KCf〕C,那么輸出脈沖幅度VO=KV0=KQ/KCf=Q/Cf,僅與反應小電容Cf有關,與探測器的結電容無關.本文選用的SDD已包含前放輸入級FET,后端前放電路原理圖如此圖1所示.作為電荷靈敏前置放大電路的的主要性能指標之一,變換增益ACQ越大越好,這里可定義為ACQ=VO/Cf.因而,前置放大器設計時采用高穩定度的反應電容,便能夠得到穩定的電荷變換增益.1.2濾波成形電圖2所示的濾波成形電路由兩級二階有源帶通濾波器和一級電壓跟隨器組成.在濾波成形電路的運算放大器選擇上,本文采用的是AD829運算放大器,它有750MHz的增益帶寬積,低噪音,適用于高速電路.C1、C4為耦合電容,濾去低頻的信號.C3和C7為補償電容(實驗分別優化為100pF,10pF),C2、C5為AD829的外部并聯補償電容,用以保證帶寬并具有閉環工作的穩定性.C2、R2并聯,C5、R4并聯,分別用于補償U1、U2反相輸入端的電容,另外C2、C5選用較小值,可提高電路響應速度.C8是濾波電容.U1、U2兩級有源帶通濾波器,級聯后相當于無源的(CR)-(RC)電路.整個電路實現對輸入10mV下面的電壓脈沖信號的濾波成形放大,經過該電路輸出為最高10V電壓的準高斯波形.因兩級濾波器構造一樣，下面就第一級電路分析，計算傳遞函數。由圖2可知，令Z1=〔R1C1s+1〕/sC1,Z2=R2/〔R2C2s+1〕，得到H〔s〕=-Z2/Z1,將Z1和Z2代入上式可得閉環傳遞函數能夠看出，傳遞函數包括一個在原點的零點和兩個分別在-1/〔R1C1〕和-1/〔R2C2〕的實極點，在原點的零點使得在原波形的峰位處出現過零點，輸出Vo〔t〕呈雙極性脈沖,在高計數率時宜采用雙極性成形并適當減小脈寬。令s=jw得華而不實，H0=-R2R1稱為中頻增益，wL=2fL=1/〔R1C1〕，H=2fH=1/〔R2C2〕，wHwL.圖3所示單級成形濾波的幅頻特性和相頻特性，代入參數得到，增益最高點的頻率f0=1/[2〔R1C1R2C2〕],fL=1/2R1C1,fH=1/2R2C2,相位則在頻率最高點發生反轉。2電路的仿真Multisim12.0是一個最新版本基于SPICE模型、NI和行業標準硬件連接器、模擬和數字協同仿真和電路分析工具.本文利用Multisim12.0對二階有源帶通濾波器的性能參數進行仿真.2.1參數選擇經過信號源設置為指數時間衰減信號,上升時間常數為100ns,下降時間常數為3s,周期10s,脈沖幅度可調.如今脈沖幅度固定為5mV,改變電路參數值,對不通參數值的濾波放大效果進行仿真,圖4(a)為3種不同參數下的仿真波形,當R1=300,R2=6k時,A為C1=1000pF,C2=10pF,中心頻率f0=1.19MHz的波形曲線;B為C1=500pF,C2=5pF,中心頻率f0=2.37MHz的波形曲線;C為C1=250pF,C2=2.5pF,中心頻率f0=4.75MHz的波形曲線.由圖4(a)看出,隨著中心頻率的不斷變大,脈沖幅度減小,脈沖寬度變小,震蕩變大.原因是中心頻率增大,響應頻率范圍內的干擾信號沒有能有效濾除,濾波效果變差.保持信號源參數不變,在一樣的中心頻率下,對不同的電容電阻值的濾波效果進行仿真.在中心頻率f0=1.19MHz時,A為R1=300,R2=6k,C1=1000pF,C2=10pF的波形曲線;B為R1=600,R2=12k,C1=500pF,C2=5pF的波形曲線;C為R1=150,R2=3k,C1=2000pF,C2=20pF的波形曲線.圖4(b)中能夠看出,只要中心頻率不發生變化,該級濾波成形效果不變.同理,第二級電路的參數選擇R3=1k,R4=50k,C4=1000pF,C5=1pF.綜合上面兩組仿真的結果,較為理想的波形參數是R1=300,R2=6k,C1=1000pF,C2=10pF;R3=1k,R4=50k,C4=1000pF,C5=1pF.2.2線性關系驗證為了驗證輸入輸出幅度呈線性關系,利用單級濾波成形放大電路觀測,使得信號源電壓線性變化,即曲線A為1.2mV,曲線B為2.4mV,曲線C為4.8mV,曲線D為9.6mV,如此圖5(a)所示.圖5(b)則為輸出線性變化的輸出電壓.由圖5(a)和圖5(b)能夠看出,不同輸入最大幅度呈線性遞增的關系,對應的不同輸出峰值也保持線性關系,圖6是應用詳細的實驗數據描繪出的線性關系圖.所以,該實驗驗證了半導體探測器輸出幅度和成形電路輸出幅度應嚴格保持線性關系.2.3準高斯波形產生由最佳濾波器理論可知:當成形后的波形為無限寬尖頂脈沖時,能夠到達最佳信噪比.高斯波形是具有無限寬的脈沖,而頂部也保持一定的寬度.在實際應用中,為了提高計數率,還應減小脈沖寬度,所以采用接近高斯型波形的準高斯型(也稱半高斯).試驗證明積分的級數越多,半高斯就越對稱,電路的噪聲越低[2].保持信號源參數不變,即上升時間常數為100ns,下降時間常數為3s,周期10s,脈沖峰值設定為5mV,圖7(a)是單級成形電路輸出波形,Vm105mV,-Vm-26mV;圖7(b)是兩級成形電路輸出波形,Vm5V,-Vm-2.6V.圖7的(a)和(b)比擬能夠看出,兩級有源濾波器比一級有源濾波器的輸出波形達峰時間增加,更接近高斯波形了,固然相應的峰值持續時間也增加了,但是在允許范圍之內.圖7(c)是信號經過跟隨器后輸出波形,達峰時間0.5s,峰持續時間5s.由此看出,電路的濾波效果良好,噪聲較小,在一定范圍內得到了準高斯波形,因而整個電路符合設計要求.3結論.通過分析有源濾波成形電路的工作原理,利用軟件Multisim12.0進行電路最佳參數的選擇,結果顯示采用兩級有源濾波電路濾波成形,能夠輸出脈寬約為1s的準高斯波形,利于后端的脈沖幅度分析電路利用.該脈沖成形電路適用于便攜式小型化探測系統中的信號獲取以及濾波成形處理中.以下為參考文獻:[1]朱光武,李保權,王世金,等.風云二號衛星空間環境監測器[J].中國科學G輯,2004,34(3):354-360.ZHUGuang-wu,LIBao-quan,WANGShi-jin,etal.FY-2Geostationarymeteorologicalsatellitespaceenvironmentmonitor[J].ScienceinChinaSeriesG,2004,34(3):354-360.[2]吳廣國,黃勇,賈彬,等.硅漂移探測器的制作工藝及特性研究[J].核電子學與探測技術,2018,29(2):436-440.WUGuang-guo,HUANGYong,JIABing,etal.Fabricationandcharacterizingofsillicondriftdetectors[J].NuclearElectronicsDetectionTechnology,2018,29(2):436-440.[3]譚繼廉,靳根明.硅漂移探測器(SDD)及其在空間探測中的潛在應用[C]//中國空間科學學會第七次學術年會論文集,122.[4]韋飛,王世金,梁金寶,等.風云二號03批衛星空間環境監測器[J].地球物理學報,2020,56(1):1-11.WEIFei,WANGShi-jin,LIANGJin-bao,etal.Nextgennerationspaceenvironmentmonitor(SEM)forFY-2satelliteseries[J].ChineseJournalofGeophysics,2020,56(1):1-11.[5]王經瑾,范天民,錢永庚,等.核電子學上冊[M].北京:原子能出版社,1985:104-204.[6]王芝英,樓濱喬,朱豪杰,等.核電子技術原理[M].北京:原子能出版社,1983:35-36.[7]盧霞.基于可編程邏輯陣列的SMT檢測步進電機脈沖分配器的設計與實現[J].工業儀表與自動化裝置,2018(5):20-22.LUXia.Designandrealizationofsteppingmotorpulsedistributorthatapplied