基于數字電位計的X射線(xiàn)探測器偏壓調節

某X射線(xiàn)探測器內部結構為Si雪崩二極管(AvalanchePhoto—diode，APD)，其利用光電效應將入射光信號轉變?yōu)榘雽w器件內的光電子，在此基礎上，利用反向偏壓產(chǎn)生的雪崩擊穿原理對光電子進(jìn)行雪崩式放大，從而激發(fā)很強的雪崩電流。由于探測器實(shí)際中要工作于臨界雪崩狀態(tài)，所以需要對探測器的反向偏置電壓進(jìn)行精細調節，另一方面也需要對每個(gè)探測器進(jìn)行單獨調整。

文章采用數子電位計進(jìn)行偏壓的精細調節，數字電位計是一種利用數字信號控制輸出電阻值變化的元器件，較傳統的機械式電位計有耐沖擊、尺寸封裝小、調節準確方便、性能穩定、可編程、接口豐富、應用領(lǐng)域廣等優(yōu)點(diǎn)，文章選用數字電位計AD5141可實(shí)現輸出端電阻60 Ω～100 kΩ調節，從而調整外部DC—DC模塊輸出電壓在80～200 V變化。

1 數字電位計AD5141簡(jiǎn)介

AD5141數字電位計為256檔可編程電阻器，如圖1所示，內部結構由串行接口電路、RDAC電路、EEPROM存儲電路構成。其中，RDAC電路是數字電位計的重要組成部分，由電阻數模轉換電路構成，RDAC位數越高、相應的電阻相對分辨率就越高，系統選用8bit，可實(shí)現256檔的電阻調節。主要參數如下：

1)電阻調節范圍：60 Ω～100 kΩ;

2)輸出電阻容差：8%(最大值);

3)最小可調節電阻：390 Ω;

4)當VSS=0V，VDD供電范圍為2.3～5.5 V，

當VSS=2.25～2.75 V時(shí)，VDD=2.25～2.75 V;

5)VLOIGC供電范圍為1.8～5.5 V;

6)低功耗、工作溫度范圍寬、封裝小(3 mm×3 mm);

7)與微處理器接口方式靈活：I2C接口、SPI接口;

8)兼容多個(gè)同系列產(chǎn)品，可級聯(lián)使用等。

其中，表1為AD5141主要引腳功能說(shuō)明。

2 設計方案

圖2為某型號X射線(xiàn)探測器增益與偏壓的關(guān)系圖。

由圖2可知，同一溫度下，隨著(zhù)探測器反向偏壓的升高，增益也不斷增大，為獲得工程設計所需增益，反向偏置電壓需要精細的調節。

基于數字電位計的X射線(xiàn)探測器偏壓調節原理如圖3所示，DC/DC電源模塊與高壓電源模塊將接收的外部一次電源(+28 V)轉變?yōu)椴杉娐放c探測器工作電壓。其中，DC/DC

模塊為FPGA、數字電位計等提供電路板上必要的工作電源以及探測器外圍電路的驅動(dòng)電壓，高壓電源模塊為探測器提供反向偏置電壓，最后探測器將放大后的信號給采集電路進(jìn)行后續的信號處理識別。

采集電路中，FPGA與數字電位計AD5141的接口均有引出，根據實(shí)際使用方便采取相應的配置方式實(shí)現數字電位計寄存器的配置更改，圖中虛線(xiàn)連接線(xiàn)及星號電阻、電容為調試用，為硬件設計的靈活性。W為數字電位計的游標端，具體輸出電阻分為3中情形，及RAB、RAW、RWB，其中RAB=100 kΩ，而RAW與RWB由于工作模式不同，計算方法有異，當數字電位計工作于可變電阻器模式時(shí)，計算公式如下

其中，RW為游標電阻，RAB為端到端電阻，D為載入8位RDAC寄存器的二進(jìn)制代碼的十進(jìn)制等效值。

當工作于線(xiàn)性增益設置模式時(shí)，RAW與RWB的計算公式恰好相反，即

3 實(shí)驗測試

圖4中為FPGA與數字電位計AD5141互聯(lián)的部分PCB圖，文章中，AD5141采用SPI的配置方式對其寄存器進(jìn)行配置，未上電時(shí)，器件輸出為斷路，上電后，滑動(dòng)游標W依據EEPROM的存儲值停留在相應的位置，出廠(chǎng)時(shí)默認在中間端。SPI串行接口時(shí)序如圖5所示。

按照圖5的時(shí)序，可以配置RDAC寄存器、輸入寄存器、EEPROM等，表2中僅給出常用的幾個(gè)命令。

在底部量程時(shí)，實(shí)測RWB=60 Ω，之后如果需要調節電阻變化，首先需要退出底部量程模式再進(jìn)行其他命令操作。根據游標滑動(dòng)的變化，具體可分為線(xiàn)性增益模式與可變電阻器模式，通過(guò)相應命令可以更改，具體可參考數據手冊中的高級命令。在可變電阻器模式下，當數據寫(xiě)入00時(shí)，即游標W滑動(dòng)到B端，可測得游標電阻RW，RWB=RW=160 Ω。

RDAC寄存器與輸入寄存器均為在線(xiàn)可編程寄存器，掉電再上電或復位后，其值將從EEPROM加載，在線(xiàn)時(shí)，EEPROM的值也可以通過(guò)RDAC與輸入寄存器更新。文章中采用可變電阻器模式，并選取40個(gè)典型值，測試結果如圖6所示。

從圖中可以看出輸出電阻RWB隨輸入數值的變化具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，按照一元線(xiàn)性相關(guān)回歸理論可知，假設回歸方程為：

利用相關(guān)系數檢驗輸出電阻隨輸入數值的線(xiàn)性相關(guān)性，兩者的相關(guān)系數為：

4 結論

文章采用FPGA與數字電位計AD5141互聯(lián)，可以通過(guò)I2C或SPI通信方式實(shí)現寄存器的配置，設計靈活、易于實(shí)現。實(shí)際測試中AD5141線(xiàn)性度良好、可靠性高、輸出電阻容差小、256檔調節，為某型號X射線(xiàn)探測器的偏壓調節提供便利，特別是為最終確定探測器增益提供參考。