论文部分内容阅读
摘要：本文通过Protel 99仿真软件在核电子学教学中理论和实践教学中的应用进行探讨，并以前置放大器为例，通过验证，实际输出波形和仿真结果一致。
关键词：Protel 99 仿真 核电子学 教学 应用
中图分类号： G712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2011)12(c)-0000-00
核电子学是核科学与电子学相结合的产物，是一门用电子学方法来获取和处理核信息的学科。鉴于核辐射信息获取的特殊性，要求测量系统测量精度高、性能稳定、造价适中、器件容易购得等，所以在核电子学教学中传统的方法无论是理论还是实践都不能满足教学要求，本文采用Protel99仿真软件，对核电子学课程虚拟仿真教学和核仪器模拟处理局部仿真进行探讨。
1 Protel 99 仿真软件在理论教学中应用
核电子学为核相关专业的核心课程，对以后从事核仪器操作、核仪器制备和维修都起
到一个关键作用。核电子学教学又不同于普通的电子技术，从概念的理解到运用，都比普通的电子技术课难度要大，一些内容更加的抽象、枯燥，学生学起来感到困难，特别是对于高职高专学生来说，更是难上加难。为了帮助学生理解，往往采用实验的方法来验证。而采用软件对、电路进行模拟仿真，更能省时、省财、省力。
以前置放大器为例进行仿真，说明仿真软件在理论教学中的应用。前置放大器在整个核测量系统中，是连接在探测器和主放大器之间的电子设备，在仿真的过程中，前放的输入端接能模拟探测器的输出信号，使仿真更符合实际。
1.2 仿真信号源和探测器的等效电路
用于脉冲事件的辐射探测器从大类分：一类是气体脉冲电离室；一类是闪烁探测器；
一类是半导体探测器。从仿真的角度看都可归结为脉冲电流源，根据不同的具体探测器的特点选用不同的脉冲上升时间和下降时间、脉冲宽度等参数，输出电荷量可根据脉冲参数计算出来，并根据仿真需要选择脉冲重复时间。
这是一个接在半导体探测器后面的电荷灵敏放大器，半导体探测器的电荷收集时间很短，可认为是一种持续时间极短的电流冲击脉冲，单个电流冲击脉冲可以表示为：
(1)
式(1)中，Q表示电荷量，t0为电流脉冲出现时刻，半导体探测器的电荷收集时间小于100ns,上升时间小于10ns。因而可以用上升下降时间为5ns，脉宽为50ns，脉冲幅度为4uA的矩形脉冲作为仿真信号源，其对应的脉冲电荷为2.2×10－13C或5MeV的α粒子入射到半导体探测所产生的电荷。金硅面垒探测器等效电路如图1所示。
V1为探测器的偏压，R1为限流电阻，I1为等效脉冲电流源，I2为仿真信号源，C1为探测器的电容和线路分布电容之和，一般在30-300pF之间，主要与所加偏压、探测器面积和半导体材料有关，分布电容一般只有几PF。通过查相关资料，50V偏压，直径20mm的金硅面垒半导体探测器的结电容约200pF。
1.2 电路仿真分析
前置放大器在整个核测量系统中的作用：对信号进行初步放大，提高系统信噪比、实
现阻抗转换和匹配。所以一般在进行前放设计时，都会选用高速、低噪声的JFET作为运放的输入级，在这里我们选用LF357作为电路的仿真主芯片。仿真的主要目的是为考察电路的脉冲响应和输出脉冲的主要参数，为后续电路提供依据，仿真电路和仿真结果如图2所示。
从图2 的仿真结果可以看出，输出最大脉冲幅度约为了180mv，理论上输出应为
Q/Cf=220mV,幅度减少了，主要由于电容的充放电和电流脉冲持续一段时间造成的，上升时间只有2us左右，不断改变C1的值，信号脉冲宽度均小于30us，变化不大。
通过仿真，可以帮助同学们很好理解探测器的等效电路、电荷前置放大器输入输出之
间的脉冲响应，电阻、电容、导线等的分布参数对输出信号的影响。
2 protel 99 仿真软件在实践教学中的应用
在核电子学技术实践教学中，应用Protel99软件可以极大的提高学生学习兴趣，提高学生的动手能力和独立思考能力，同时也为迎合市场和社会发展的需求，现在核仪器的相关产品电路的设计，基本上都采用EDA技术代替传统的电路设计。也有助于我们使用任务驱动法进行教学。
（1）根据理论课程内容，给学生布置电路设计任务，让学生查阅相关资料，选取合适的芯片进行原理图的绘制。
（2）利用Protel 99 软件进行对电子线路的仿真测试，检查结果是否满足电路要求。
（3）设计完成后，再把设计好的印制板线路图进行实际的制作。同样也以前置放大器为例，仿真完成后，将上述电路设计加工出印制电路板，然后安装上相关元器件和半导体探测器，组装出一个完整的α粒子测量探头。接好半导体探测器，使用239Pu 源照射探测器，并用数字示波器观察前放的输出，经验证输出的结果和仿真接近。
只不过是图3和图2相比，实际的输出包含噪声成份，而仿真结果是理想的积分波形。
参考文献
[1] 邱寄帆.Protel 99 印制电路板设计与仿真.人民邮电出版社.
[2] 张秀. Protel 99 在电子学专业教学中的应用.教育与研究.2005(3)
[3] 赵修良.EWB软件仿真分析探测器-电流灵敏前置放大器.核电子学与探测技术.2005(2).
关键词：Protel 99 仿真 核电子学 教学 应用
中图分类号： G712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2011)12(c)-0000-00
核电子学是核科学与电子学相结合的产物，是一门用电子学方法来获取和处理核信息的学科。鉴于核辐射信息获取的特殊性，要求测量系统测量精度高、性能稳定、造价适中、器件容易购得等，所以在核电子学教学中传统的方法无论是理论还是实践都不能满足教学要求，本文采用Protel99仿真软件，对核电子学课程虚拟仿真教学和核仪器模拟处理局部仿真进行探讨。
1 Protel 99 仿真软件在理论教学中应用
核电子学为核相关专业的核心课程，对以后从事核仪器操作、核仪器制备和维修都起
到一个关键作用。核电子学教学又不同于普通的电子技术，从概念的理解到运用，都比普通的电子技术课难度要大，一些内容更加的抽象、枯燥，学生学起来感到困难，特别是对于高职高专学生来说，更是难上加难。为了帮助学生理解，往往采用实验的方法来验证。而采用软件对、电路进行模拟仿真，更能省时、省财、省力。
以前置放大器为例进行仿真，说明仿真软件在理论教学中的应用。前置放大器在整个核测量系统中，是连接在探测器和主放大器之间的电子设备，在仿真的过程中，前放的输入端接能模拟探测器的输出信号，使仿真更符合实际。
1.2 仿真信号源和探测器的等效电路
用于脉冲事件的辐射探测器从大类分：一类是气体脉冲电离室；一类是闪烁探测器；
一类是半导体探测器。从仿真的角度看都可归结为脉冲电流源，根据不同的具体探测器的特点选用不同的脉冲上升时间和下降时间、脉冲宽度等参数，输出电荷量可根据脉冲参数计算出来，并根据仿真需要选择脉冲重复时间。
这是一个接在半导体探测器后面的电荷灵敏放大器，半导体探测器的电荷收集时间很短，可认为是一种持续时间极短的电流冲击脉冲，单个电流冲击脉冲可以表示为：
(1)
式(1)中，Q表示电荷量，t0为电流脉冲出现时刻，半导体探测器的电荷收集时间小于100ns,上升时间小于10ns。因而可以用上升下降时间为5ns，脉宽为50ns，脉冲幅度为4uA的矩形脉冲作为仿真信号源，其对应的脉冲电荷为2.2×10－13C或5MeV的α粒子入射到半导体探测所产生的电荷。金硅面垒探测器等效电路如图1所示。
V1为探测器的偏压，R1为限流电阻，I1为等效脉冲电流源，I2为仿真信号源，C1为探测器的电容和线路分布电容之和，一般在30-300pF之间，主要与所加偏压、探测器面积和半导体材料有关，分布电容一般只有几PF。通过查相关资料，50V偏压，直径20mm的金硅面垒半导体探测器的结电容约200pF。
1.2 电路仿真分析
前置放大器在整个核测量系统中的作用：对信号进行初步放大，提高系统信噪比、实
现阻抗转换和匹配。所以一般在进行前放设计时，都会选用高速、低噪声的JFET作为运放的输入级，在这里我们选用LF357作为电路的仿真主芯片。仿真的主要目的是为考察电路的脉冲响应和输出脉冲的主要参数，为后续电路提供依据，仿真电路和仿真结果如图2所示。
从图2 的仿真结果可以看出，输出最大脉冲幅度约为了180mv，理论上输出应为
Q/Cf=220mV,幅度减少了，主要由于电容的充放电和电流脉冲持续一段时间造成的，上升时间只有2us左右，不断改变C1的值，信号脉冲宽度均小于30us，变化不大。
通过仿真，可以帮助同学们很好理解探测器的等效电路、电荷前置放大器输入输出之
间的脉冲响应，电阻、电容、导线等的分布参数对输出信号的影响。
2 protel 99 仿真软件在实践教学中的应用
在核电子学技术实践教学中，应用Protel99软件可以极大的提高学生学习兴趣，提高学生的动手能力和独立思考能力，同时也为迎合市场和社会发展的需求，现在核仪器的相关产品电路的设计，基本上都采用EDA技术代替传统的电路设计。也有助于我们使用任务驱动法进行教学。
（1）根据理论课程内容，给学生布置电路设计任务，让学生查阅相关资料，选取合适的芯片进行原理图的绘制。
（2）利用Protel 99 软件进行对电子线路的仿真测试，检查结果是否满足电路要求。
（3）设计完成后，再把设计好的印制板线路图进行实际的制作。同样也以前置放大器为例，仿真完成后，将上述电路设计加工出印制电路板，然后安装上相关元器件和半导体探测器，组装出一个完整的α粒子测量探头。接好半导体探测器，使用239Pu 源照射探测器，并用数字示波器观察前放的输出，经验证输出的结果和仿真接近。
只不过是图3和图2相比，实际的输出包含噪声成份，而仿真结果是理想的积分波形。
参考文献
[1] 邱寄帆.Protel 99 印制电路板设计与仿真.人民邮电出版社.
[2] 张秀. Protel 99 在电子学专业教学中的应用.教育与研究.2005(3)
[3] 赵修良.EWB软件仿真分析探测器-电流灵敏前置放大器.核电子学与探测技术.2005(2).