周冬亮,閆海霞,楊斌,李鋼

（黑龍江省原子能研究院，黑龍江哈爾濱 150086）

1 引言

在核物理測量和自動控制中，經(jīng)常需要在一定的測量時間范圍內(nèi)測量出脈沖信號的數(shù)目，這一過程叫計數(shù)，單位時間的計數(shù)稱作計數(shù)率。

用來記錄和顯示脈沖數(shù)目的儀器或組件稱作定標(biāo)器。從功能來看，定標(biāo)器至少要由計數(shù)與顯示電路、定時電路和控制電路組成。計數(shù)與顯示電路用來記錄被測脈沖數(shù)目并顯示出來，這就需要控制電路來啟動開始計數(shù)和停止計數(shù)；定時電路用來給出精確的定時時間即測量時間，通過控制電路同步啟動開始計數(shù)和開始定時，當(dāng)定時時間一到又通過控制電路同步停止計數(shù)和停止計時；控制電路是定標(biāo)器的核心，起著協(xié)調(diào)和控制功能。為適應(yīng)不同的要求，定標(biāo)器的電路組成和結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，有簡有繁，可有很大不同。

當(dāng)前的定標(biāo)器幾乎都是加計數(shù)，沒有減計數(shù)。例如，F(xiàn)H463B型智能定標(biāo)器、BH1220型自動定標(biāo)器、FH1093B型三路定標(biāo)器以及各種類型的頻率計都只能進行加計數(shù)運算。既無預(yù)置功能又無減法計數(shù)功能。因此根據(jù)工作需要，研究和設(shè)計了一種可逆計數(shù)器的控制電路，實現(xiàn)對加減雙時鐘的控制與轉(zhuǎn)換，既可完成加計數(shù)又可完成減計數(shù)，并可實現(xiàn)減加的自動轉(zhuǎn)換。該控制電路與探測器、高壓電源、線性脈沖放大器以及定時電路等相組合可構(gòu)成一個完整的應(yīng)用電路系統(tǒng)。

2 可逆計數(shù)器的單元電路

圖1是一位的計數(shù)顯示電路，它由可逆計數(shù)器40192、BCD-7段鎖存/譯碼/驅(qū)動器4511、LED共陰顯示器LC5011和四輸入或非門4002組成。按照器件的功能表進行鏈接[1]。可逆計數(shù)器器件具有預(yù)置數(shù)設(shè)置、復(fù)位、加/減雙時鐘輸入和進位/錯位輸出的特點。

圖1 計數(shù)譯碼顯示電路

可逆計數(shù)器的四個預(yù)置輸入端A、B、C、D 通過電阻接地而處于0 電平。當(dāng)需要預(yù)置時通過二進制撥盤開關(guān)進行十進制數(shù)預(yù)置，按8、4、2、1編碼的四個輸入端中會有相應(yīng)的位端處于高電平。在(低電平有效）作用下，預(yù)置的十進制數(shù)會反映在可逆計數(shù)器的四個輸出端(Q）的狀態(tài)上，經(jīng)譯碼器也會出現(xiàn)在LED顯示器上。

加計數(shù)輸入端CPU(+）和減計數(shù)端CPD(-）由控制電路通過計數(shù)門來控制加計數(shù)或減計數(shù)。進位輸出端接下級的CPU，借位輸出端接下級的CPD。

可逆計數(shù)器的四個輸出端與譯碼器的對應(yīng)輸入端相連，7 段譯碼器的7 個輸出端a、b、c、d、e、f、g 通過限流電阻分別與LED顯示器的相應(yīng)筆畫相連。

可逆計數(shù)器的四個輸出端與四輸入或非門4002的輸入端相連。當(dāng)輸出為0 時產(chǎn)生加減控制的中間信號C1，C1=如果采用四位計數(shù)器，當(dāng)輸出為全0 時，再通過四輸入與非門4012，便可產(chǎn)生低電平的加減轉(zhuǎn)換控制信號，去控制輔助雙穩(wěn)態(tài)和計數(shù)門，式中C2、C3、C4分別為第二、三、四位的或非門輸出。

3 時序控制電路

控制系統(tǒng)用來協(xié)調(diào)計數(shù)顯示系統(tǒng)和定時系統(tǒng)的同步工作，可執(zhí)行手動操作和自動與半自動操作，它是定標(biāo)器的指揮控制的神經(jīng)中樞。

控制電路由主控與輔控RS 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、定時門、雙時鐘計數(shù)門、時序門、秒信號發(fā)生器、時序分配器和手動開關(guān)等組成。

控制系統(tǒng)的核心單元是RS 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，由兩個三輸入與非門交叉連接組成[2]。它的置位端S是手啟動和自動啟動的輸入端，對應(yīng)的輸出端為Q；它的復(fù)位端R 是手停止和自動停止的輸入端，對應(yīng)的輸出端為。置位和復(fù)位均為低電平有效。RS 觸發(fā)器的兩個輸出端Q 和的電位高低相反，有兩種狀態(tài)(圖2）。

圖2 時序控制簡圖

主控雙穩(wěn)態(tài)用于啟動和協(xié)調(diào)計數(shù)顯示系統(tǒng)和定時系統(tǒng)的工作。當(dāng)手啟動或自動啟動時，置位輸出端Q 為高電平，同時開啟計數(shù)門和定時門，使計數(shù)脈沖和定時時鐘CP通過，使計數(shù)和定時同步工作。當(dāng)設(shè)定的定時時間一到，定時系統(tǒng)便給出一個低電平的定時結(jié)束信號，并用來使主控雙穩(wěn)態(tài)復(fù)位，這時，Q 為低電平，關(guān)閉計數(shù)門和定時門，使計數(shù)和定時停止工作為高電平，開啟時序門，使秒信號通過，開始停止后的時序。

輔控雙穩(wěn)態(tài)用于控制雙時鐘，選通加減計數(shù)門，以執(zhí)行加計數(shù)或減計數(shù)。計數(shù)門受主控雙穩(wěn)態(tài)Q 和輔控雙穩(wěn)態(tài)和的雙重控制，主控雙穩(wěn)態(tài)Q 同時控制加計數(shù)門和減計數(shù)門，輔控雙穩(wěn)態(tài)的置位輸出端Q 控制減計數(shù)門，復(fù)位輸出端Q控制加計數(shù)門。當(dāng)可逆計數(shù)器沒有預(yù)置數(shù)時，輸出端全為0，啟動瞬間后由于加減轉(zhuǎn)換控制信號為低電平并使輔控雙穩(wěn)態(tài)復(fù)位為高電平，開啟加計數(shù)工作。當(dāng)有預(yù)置數(shù)時，為高電平，啟動后，主、輔雙穩(wěn)態(tài)之Q端均為高電平，開啟減計數(shù)。當(dāng)預(yù)置數(shù)減至0 時，為低電平，使輔控雙穩(wěn)態(tài)復(fù)位，開加計數(shù)門，自動轉(zhuǎn)至加計數(shù)。

計數(shù)定時停止后，按以下時序進行控制：

啟動→計數(shù)定時→停止→顯示→清零復(fù)位→預(yù)置→自動啟動

4 加減控制電路的應(yīng)用

如果用數(shù)字量來表示被測物理量，由于被測量與計數(shù)率具有一定的相關(guān)性，往往可通過累積計數(shù)率的方式來顯示被測量。當(dāng)被測物理量(P）和計數(shù)率(n）具有線性關(guān)系時，則線性函數(shù)的通式為：

P=B+nt

式中，B 和t 為標(biāo)定常數(shù)，可通過實驗標(biāo)定來確定，B 的幾何意義為截距，相當(dāng)于預(yù)置數(shù)或被減數(shù)；t的幾何意義是斜率，相當(dāng)于測量時間；n為自變量，物理意義為計數(shù)率。

對于負斜率和截距為正B＞0 時，P=nt-B，由于P＞0，則有B-nt＞0或B＞nt，所以，啟動測量時，可逆計數(shù)器一直作減計數(shù)[3]。當(dāng)定時結(jié)束時，預(yù)置數(shù)的剩余數(shù)即為所求(圖3a）。

對正斜率和截距為負B＜0 時，P=nt-B 并且nt-B＞0或nt＞B，所以啟動測量時，可逆計數(shù)器先做減計數(shù)，當(dāng)減至全零時，再自動轉(zhuǎn)為加計數(shù)。當(dāng)定時結(jié)束時，累加的數(shù)即為所求(圖3b）。

圖3 正負斜率的線性函數(shù)

以煤質(zhì)分析為例，包括灰分、水分、含碳量、揮發(fā)分、發(fā)熱量等，其中灰分和水分是在線控制指標(biāo)。煤炭的成分很復(fù)雜，可看成是二元組分，一元是有機可燃的輕物質(zhì)組分，有效原子序數(shù)Z≈6；另一元是不可燃燒的礦物質(zhì)重成分，有效原子序數(shù)Z≈14。煤燃燒后的剩余物叫灰分。如采用低能γ 射線反散射方法[4]，反散射強度與原子序數(shù)密切相關(guān)，反散射計數(shù)率與灰分負相關(guān)。通過實驗測量和化驗比對，擬合出標(biāo)定常數(shù)。當(dāng)灰分高時，在確定時間內(nèi)的累計計數(shù)就低，剩余數(shù)就高；當(dāng)有機質(zhì)高灰分低時，累計計數(shù)就高，剩余數(shù)就低。當(dāng)用中子慢化法測量水分時，慢中子的強度與含氫量成正比，慢中子計數(shù)率與水分正相關(guān)。但是煤炭水分僅指內(nèi)在水分和外在水分，不含結(jié)晶水，因此需扣除負截距的結(jié)構(gòu)氫的影響，再累加的計數(shù)才是煤炭水分。

5 結(jié)束語

本文采用了主輔兩個雙穩(wěn)態(tài)RS 觸發(fā)器，可同步控制計數(shù)和定時系統(tǒng)的啟動與停止，可自動進行加/減雙時鐘轉(zhuǎn)換，并用時序譯碼器自動控制工作時序。該控制電路工作穩(wěn)定可靠，使用方便靈活。該邏輯控制電路與其它單元組件相配組成的測量電路系統(tǒng)可用于線性函數(shù)的數(shù)字求解。