基于数字电位计的X射线探测器偏压调节

倪建军，董 龙，郑先国，王建宇

（北京空间机电研究所 北京 100094）

某X射线探测器内部结构为Si雪崩二极管（Avalanche Photo－diode，APD）[1]，其利用光电效应将入射光信号转变为半导体器件内的光电子，在此基础上，利用反向偏压产生的雪崩击穿原理对光电子进行雪崩式放大，从而激发很强的雪崩电流[2]。由于探测器实际中要工作于临界雪崩状态，所以需要对探测器的反向偏置电压进行精细调节，另一方面也需要对每个探测器进行单独调整。

文章采用数子电位计进行偏压的精细调节，数字电位计是一种利用数字信号控制输出电阻值变化的元器件，较传统的机械式电位计有耐冲击、尺寸封装小、调节准确方便、性能稳定、可编程、接口丰富、应用领域广等优点[3－7]，文章选用数字电位计AD5141可实现输出端电阻60Ω～100 kΩ调节，从而调整外部DC－DC模块输出电压在80～200 V变化。

1 数字电位计AD5141简介

AD5141数字电位计[8]为256档可编程电阻器，如图1所示，内部结构由串行接口电路、RDAC电路、EEPROM存储电路构成。其中，RDAC电路是数字电位计的重要组成部分，由电阻数模转换电路构成，RDAC位数越高、相应的电阻相对分辨率就越高，系统选用8bit，可实现256档的电阻调节。主要参数如下：

1）电阻调节范围：60 Ω～100 kΩ；

2）输出电阻容差：8%（最大值）；

3）最小可调节电阻：390Ω；

4）当 VSS=0V，VDD 供电范围为 2.3～5.5 V，

当 VSS=2.25～2.75 V 时，VDD=2.25～2.75 V；

5）VLOIGC 供电范围为 1.8～5.5 V；

6）低功耗、工作温度范围宽、封装小（3 mm×3 mm）；

7）与微处理器接口方式灵活：I2C接口、SPI接口；

8）兼容多个同系列产品，可级联使用等。

其中，表1为AD5141主要引脚功能说明，

2 设计方案

图2为某型号X射线探测器增益与偏压的关系图。

由图2可知，同一温度下，随着探测器反向偏压的升高，增益也不断增大，为获得工程设计所需增益，反向偏置电压需要精细的调节。

图1 AD5141功能框图Fig.1 Functional block diagram

表1 主要引脚功能描述Tab.1 Main pin function descriptions

基于数字电位计的X射线探测器偏压调节原理如图3所示，DC/DC电源模块与高压电源模块将接收的外部一次电源（+28 V）转变为采集电路与探测器工作电压。其中，DC/DC模块为FPGA、数字电位计等提供电路板上必要的工作电源以及探测器外围电路的驱动电压，高压电源模块为探测器提供反向偏置电压，最后探测器将放大后的信号给采集电路进行后续的信号处理识别。

图2 某X射线探测器增益与偏压的关系示意图Fig.2 Gain vs.reverse bias voltage characteristics of an X-ray detector

采集电路中，FPGA与数字电位计AD5141的接口均有引出，根据实际使用方便采取相应的配置方式实现数字电位计寄存器的配置更改，图中虚线连接线及星号电阻、电容为调试用，为硬件设计的灵活性。W为数字电位计的游标端，具体输出电阻分为 3 中情形，及 RAB、RAW、RWB，其中 RAB=100 kΩ，而RAW与RWB由于工作模式不同，计算方法有异，当数字电位计工作于可变电阻器模式时，计算公式如下

其中，RW为游标电阻，RAB为端到端电阻，D为载入8位RDAC寄存器的二进制代码的十进制等效值。

当工作于线性增益设置模式时，RAW与RWB的计算公式恰好相反，即

3 实验测试

图4中为FPGA与数字电位计AD5141互联的部分PCB图，文章中，AD5141采用SPI的配置方式对其寄存器进行配置，未上电时，器件输出为断路，上电后，滑动游标W依据EEPROM的存储值停留在相应的位置，出厂时默认在中间端。SPI串行接口时序如图5所示。

按照图4的时序，可以配置RDAC寄存器、输入寄存器、EEPROM等，表2中仅给出常用的几个命令。

在底部量程时，实测RWB=60Ω，之后如果需要调节电阻变化，首先需要退出底部量程模式再进行其他命令操作。根据游标滑动的变化，具体可分为线性增益模式与可变电阻器模式，通过相应命令可以更改，具体可参考数据手册中的高级命令[6]。在可变电阻器模式下，当数据写入00时，即游标W滑动到B端，可测得游标电阻RW，RWB=RW=160Ω。

图3 系统原理图Fig.3 System interconnect diagram

图4 部分采集电路PCB图Fig.4 Part of acquisition circuit PCB

RDAC寄存器与输入寄存器均为在线可编程寄存器，掉电再上电或复位后，其值将从EEPROM加载，在线时，EEPROM的值也可以通过RDAC与输入寄存器更新。文章中采用可变电阻器模式，并选取40个典型值，测试结果如图6所示。

从图中可以看出输出电阻RWB随输入数值的变化具有良好的线性关系，按照一元线性相关回归理论可知，假设回归方程为：

利用最小二乘法求得：

图5 SPI串行接口时序图，CPOL=0，CPHA=1Fig.5 SPISerial Interface Timing Diagram，CPOL=0，CPHA=1

利用相关系数检验输出电阻随输入数值的线性相关性，两者的相关系数为：

综上可知，输出电阻与输入数值为完全线性关系，输出电阻可按照R^=384.425D^+71.45计算。

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

图6 输出电阻RWB随输入数值D变化关系图Fig.6 Output resistance （RWB）versainput values（D） diagram

4 结 论

文章采用FPGA与数字电位计AD5141互联，可以通过I2C或SPI通信方式实现寄存器的配置，设计灵活、易于实现。实际测试中AD5141线性度良好、可靠性高、输出电阻容差小、256档调节，为某型号X射线探测器的偏压调节提供便利，特别是为最终确定探测器增益提供参考。

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