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)
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)。
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。
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
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。
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。