Protel99 仿真軟件在《核電子學技術》教學中的應用

摘要：本文通過Protel 99仿真軟件在核電子學教學中理論和實踐教學中的應用進行探討，并以前置放大器為例，通過驗證，實際輸出波形和仿真結果一致。

關鍵詞：Protel 99 仿真 核電子學 教學 應用

中圖分類號： G712 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)12(c)-0000-00

核電子學是核科學與電子學相結合的產物，是一門用電子學方法來獲取和處理核信息的學科。鑒于核輻射信息獲取的特殊性，要求測量系統測量精度高、性能穩定、造價適中、器件容易購得等，所以在核電子學教學中傳統的方法無論是理論還是實踐都不能滿足教學要求，本文采用Protel99仿真軟件，對核電子學課程虛擬仿真教學和核儀器模擬處理局部仿真進行探討。

1 Protel 99 仿真軟件在理論教學中應用

核電子學為核相關專業的核心課程，對以后從事核儀器操作、核儀器制備和維修都起

到一個關鍵作用。核電子學教學又不同于普通的電子技術，從概念的理解到運用，都比普通的電子技術課難度要大，一些內容更加的抽象、枯燥，學生學起來感到困難，特別是對于高職高專學生來說，更是難上加難。為了幫助學生理解，往往采用實驗的方法來驗證。而采用軟件對、電路進行模擬仿真，更能省時、省財、省力。

以前置放大器為例進行仿真，說明仿真軟件在理論教學中的應用。前置放大器在整個核測量系統中，是連接在探測器和主放大器之間的電子設備，在仿真的過程中，前放的輸入端接能模擬探測器的輸出信號，使仿真更符合實際。

1.2 仿真信號源和探測器的等效電路

用于脈沖事件的輻射探測器從大類分：一類是氣體脈沖電離室；一類是閃爍探測器；

一類是半導體探測器。從仿真的角度看都可歸結為脈沖電流源，根據不同的具體探測器的特點選用不同的脈沖上升時間和下降時間、脈沖寬度等參數，輸出電荷量可根據脈沖參數計算出來，并根據仿真需要選擇脈沖重復時間。

這是一個接在半導體探測器后面的電荷靈敏放大器，半導體探測器的電荷收集時間很短，可認為是一種持續時間極短的電流沖擊脈沖，單個電流沖擊脈沖可以表示為：

(1)

式(1)中，Q表示電荷量，t0為電流脈沖出現時刻，半導體探測器的電荷收集時間小于100ns，上升時間小于10ns。因而可以用上升下降時間為5ns，脈寬為50ns，脈沖幅度為4uA的矩形脈沖作為仿真信號源，其對應的脈沖電荷為2.2×10－13C或5MeV的α粒子入射到半導體探測所產生的電荷。金硅面壘探測器等效電路如圖1所示。

V1為探測器的偏壓，R1為限流電阻，I1為等效脈沖電流源，I2為仿真信號源，C1為探測器的電容和線路分布電容之和，一般在30-300pF之間，主要與所加偏壓、探測器面積和半導體材料有關，分布電容一般只有幾PF。通過查相關資料，50V偏壓，直徑20mm的金硅面壘半導體探測器的結電容約200pF。

1.2 電路仿真分析

前置放大器在整個核測量系統中的作用：對信號進行初步放大，提高系統信噪比、實

現阻抗轉換和匹配。所以一般在進行前放設計時，都會選用高速、低噪聲的JFET作為運放的輸入級，在這里我們選用LF357作為電路的仿真主芯片。仿真的主要目的是為考察電路的脈沖響應和輸出脈沖的主要參數，為后續電路提供依據，仿真電路和仿真結果如圖2所示。

從圖2 的仿真結果可以看出，輸出最大脈沖幅度約為了180mv，理論上輸出應為

Q/Cf=220mV，幅度減少了，主要由于電容的充放電和電流脈沖持續一段時間造成的，上升時間只有2us左右，不斷改變C1的值，信號脈沖寬度均小于30us，變化不大。

通過仿真，可以幫助同學們很好理解探測器的等效電路、電荷前置放大器輸入輸出之

間的脈沖響應，電阻、電容、導線等的分布參數對輸出信號的影響。

2 protel 99 仿真軟件在實踐教學中的應用

在核電子學技術實踐教學中，應用Protel99軟件可以極大的提高學生學習興趣，提高學生的動手能力和獨立思考能力，同時也為迎合市場和社會發展的需求，現在核儀器的相關產品電路的設計，基本上都采用EDA技術代替傳統的電路設計。也有助于我們使用任務驅動法進行教學。

（1）根據理論課程內容，給學生布置電路設計任務，讓學生查閱相關資料，選取合適的芯片進行原理圖的繪制。

（2）利用Protel 99 軟件進行對電子線路的仿真測試，檢查結果是否滿足電路要求。

（3）設計完成后，再把設計好的印制板線路圖進行實際的制作。同樣也以前置放大器為例，仿真完成后，將上述電路設計加工出印制電路板，然后安裝上相關元器件和半導體探測器，組裝出一個完整的α粒子測量探頭。接好半導體探測器，使用239Pu 源照射探測器，并用數字示波器觀察前放的輸出，經驗證輸出的結果和仿真接近。

只不過是圖3和圖2相比，實際的輸出包含噪聲成份，而仿真結果是理想的積分波形。

參考文獻

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[2] 張秀. Protel 99 在電子學專業教學中的應用.教育與研究.2005(3)

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