基于數字電位計的X射線探測器偏壓調節

倪建軍，董 龍，鄭先國，王建宇

（北京空間機電研究所 北京 100094）

某X射線探測器內部結構為Si雪崩二極管（Avalanche Photo－diode，APD）[1]，其利用光電效應將入射光信號轉變為半導體器件內的光電子，在此基礎上，利用反向偏壓產生的雪崩擊穿原理對光電子進行雪崩式放大，從而激發很強的雪崩電流[2]。由于探測器實際中要工作于臨界雪崩狀態，所以需要對探測器的反向偏置電壓進行精細調節，另一方面也需要對每個探測器進行單獨調整。

文章采用數子電位計進行偏壓的精細調節，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、應用領域廣等優點[3－7]，文章選用數字電位計AD5141可實現輸出端電阻60Ω～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簡介

AD5141數字電位計[8]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：390Ω；

4）當 VSS=0V，VDD 供電范圍為 2.3～5.5 V，

當 VSS=2.25～2.75 V 時，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）兼容多個同系列產品，可級聯使用等。

其中，表1為AD5141主要引腳功能說明，

2 設計方案

圖2為某型號X射線探測器增益與偏壓的關系圖。

由圖2可知，同一溫度下，隨著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。

圖1 AD5141功能框圖Fig.1 Functional block diagram

表1 主要引腳功能描述Tab.1 Main pin function descriptions

基于數字電位計的X射線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）轉變為采集電路與探測器工作電壓。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行后續的信號處理識別。

圖2 某X射線探測器增益與偏壓的關系示意圖Fig.2 Gain vs.reverse bias voltage characteristics of an X-ray detector

采集電路中，FPGA與數字電位計AD5141的接口均有引出，根據實際使用方便采取相應的配置方式實現數字電位計寄存器的配置更改，圖中虛線連接線及星號電阻、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，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寄存器的二進制代碼的十進制等效值。

當工作于線性增益設置模式時，RAW與RWB的計算公式恰好相反，即

3 實驗測試

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

按照圖4的時序，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命令。

在底部量程時，實測RWB=60Ω，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行其他命令操作。根據游標滑動的變化，具體可分為線性增益模式與可變電阻器模式，通過相應命令可以更改，具體可參考數據手冊中的高級命令[6]。在可變電阻器模式下，當數據寫入00時，即游標W滑動到B端，可測得游標電阻RW，RWB=RW=160Ω。

圖3 系統原理圖Fig.3 System interconnect diagram

圖4 部分采集電路PCB圖Fig.4 Part of acquisition circuit PCB

RDAC寄存器與輸入寄存器均為在線可編程寄存器，掉電再上電或復位后，其值將從EEPROM加載，在線時，EEPROM的值也可以通過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性關系，按照一元線性相關回歸理論可知，假設回歸方程為：

利用最小二乘法求得：

圖5 SPI串行接口時序圖，CPOL=0，CPHA=1Fig.5 SPISerial Interface Timing Diagram，CPOL=0，CPHA=1

利用相關系數檢驗輸出電阻隨輸入數值的線性相關性，兩者的相關系數為：

綜上可知，輸出電阻與輸入數值為完全線性關系，輸出電阻可按照R^=384.425D^+71.45計算。

表2 操作命令真值表Tab.2 Operation commands truth table

圖6 輸出電阻RWB隨輸入數值D變化關系圖Fig.6 Output resistance （RWB）versainput values（D） diagram

4 結 論

文章采用FPGA與數字電位計AD5141互聯，可以通過I2C或SPI通信方式實現寄存器的配置，設計靈活、易于實現。實際測試中AD5141線性度良好、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。

[1]Laforce F.Low noise optical receiver using Si APD，Optical Components and Materials VI （Proceedings Volume）， Proc.of SPIE，2009（7212）:10-12.

[3]屈志磊.理解和應用數字電位器[J].電子設計工程，2012，20（7）:181-183.QU Zhi-lei.Understanding and application of digital potentionmeter[J].Electronic Design Engineering，2012，20（7）:181-183.

[4]Bretislav S.Modeling and signal integrity testing of digital potentiometers，Mixed Design of Integrated Circuits and Systems （MIXDES） [C]//2010 Proceedings of the 17th International Conference.

[5]莫振棟.AD523x系列數字電位器在煤礦電器電磁兼容性檢測中的應用[J].煤炭技術，2013，32（4）:44-45.MO Zhen-dong.AD523x series digital potentiometer in coal mine electrical equipment electromagnetic compatibility detection application[J].Coal Technology，2013，32（4）:44-45.

[6]杜雙育，袁紅波，王先培.基于BP神經網絡和氣象統計的絕緣子污閃預警研究[J].陜西電力，2012（11）：8-11.DU Shuang-yu，YUAN Hong-bo，Wang Xian-pei.Early warning of insulator pollution flashover based on BPnetwork and meteorological statistics[J].Shaanxi Electric Power，2012（11）：8-11.

[7]郭季璞,郭家驊,呂平海,等.用于污水處理的纖維素納米顆粒表面改性實驗研究[J].陜西電力，2014（12）：82-85.GUO Ji-pu， GUO Jia-hua， LYU Ping-hai， et al.Cellulose nanoparticles surface modification experiments for sewage treatment[J].Shaanxi Electric Power，2014（12）：82-85.

[8]AD5121/AD5141， Single Channel， 128-/256-Position，I2C/SPI Nonvolatile Digital Potentiometer Datasheet（12/2012， Rev A）[EB/OL].http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD5121_AD5141.pdf