數字電位器在核功率測量儀表中的應用研究

葛　源,陸　星,周治江（中國核動力研究設計院,成都　610005）

數字電位器在核功率測量儀表中的應用研究

葛源,陸星,周治江
（中國核動力研究設計院,成都610005）

數字電位器是傳統機械電位器的理想替代器件，有廣闊的應用前景。本文主要探索數字電位器在反應堆核功率測量儀表前置放大電路中的應用。

數字電位器;核功率測量儀表;反應堆

1　引言

典型的反應堆核功率測量儀的前置放大電路通常由量程轉換電路和定值電路組成，主要用于對來自核探測器的微弱電流信號進行轉換放大。前置放大器主的量程轉換電路和定值電路通常采用機械式電位器作為增益反饋電阻，以調整放大器的增益。機械電位器受固有缺陷的限制，容易引起核測儀表誤觸發停堆保護信號，影響反應堆正常運行。因此，研究在核功率測量儀表中使用數字電位器對提升儀表的測量性能有重要意義。

2　數字電位器的組成和原理

數字電位器一般由數字控制電路、存儲器和RDAC電路組成。數字控制電路主要包括加/減計數器、譯碼電路、保存與恢復控制電路等，用于將輸入的控制信號進行處理后控制RDAC電路。存儲器主要用來存儲控制信號和電位器的抽頭位置，具有記憶功能。RDAC電路主要包括CMOS管開關電路和電阻網絡，是一種特殊的數/模轉換電路，轉換后的模擬量是電阻值。

3　量程轉換電路中數字電位器的應用

在測量中，核測儀表需對不同大小范圍的探測器微弱電流信號進行識別和放大處理，因此在前置放大電路中需要對不同的量程進行轉換，調整相應放大電路的增益，以適應多個量級內變化的電流（通常為10-11A～10-4A）信號測量。

前置放大器的量程轉換電路原理圖見圖1。圖中，虛線③左邊為采用機械電位器方式，右邊為采用數字電位器方式的T型網絡電路；兩種電位器構成的運算放大器反饋網絡分別為虛線框①部分和虛線框②部分。其中，數字電位器采用總阻值1MΩ、2路輸入三線接口型的AD 5222集成塊，支持按鍵控制和單片機控制，并具有較高的分辨率0.39%（1/255），可以滿足各量程檔位的精度要求。利用數字電位器可使前置放大器的增益在0Ω～109Ω范圍內變化，從而滿足微弱電流信號測量的要求。而且電路結構簡單，占用空間小，功耗也較小。

通過數字控制RDAC電路中的CMOS管開關按照先連接后斷開的工作方式，即新的脈沖計數到達時，下一個CMOS管開關會立即響應該計數，原來的CMOS開關會保持到新開關閉合穩定之后才斷開，從而保證了換擋時相鄰擋位的銜接，防止前置放大器因輸出飽和而產生的誤觸發。

4　細調定值電路中數字電位器的應用

核功率測量儀通過細調定值電路和粗調定值電路實現反應堆功率的監測與報警，其中，細條定值電路的變換范圍相當于粗調定值電路的相鄰檔位的轉換倍率。比如，為保證換檔時的量程覆蓋，HFETR某核測儀表的相鄰兩個粗調檔位之間的轉換倍率為2.5，要求細調定值電路的增益調節范圍高于該數值。采用數字電位器的HFETR某核測儀表細調定值電路見圖2。

圖2中，虛線框內的②為采用按鍵控制的數字電位器AD 5220電路，其U/端由按鍵SET1控制，用于增/減計數。SET1的另兩端接電源或地，接地時，實現減計數，使數字電位器的輸出阻值減小；接電源時則相反。電位器AD 5220的CLK接收處理器或按鍵發出的脈沖控制信號，用于控制電位器的CMOS管開關。圖2中CLK為采用按鍵式控制，每按一次S1即輸出一個脈沖，由計數器選通開關后，該脈沖即觸發相應的CMOS管開關接通，從而使電位器輸出相應的電阻值。AD5220具有終端位限制功能，當電位器的電阻值到達最高值或最低值時，停止計數，避免因循環計數使電阻值在兩個終端之間跳變。

為了滿足量程覆蓋的要求，數字電位器AD5220的總電阻取10kΩ，其中A1為最小電阻端（0Ω），B1為最大電阻端（10kΩ）。

（1）當A1端口有效時，電位器不參與反饋，定值電路的反饋電路增益為：

A=R16/R15=115kΩ/10kΩ=11.5

（2）當B1端口有效時，反饋電路是由R16、數字電位器總電阻和接地電阻R18構成的T型網絡，反饋電阻為：

Rf=DCP+R16+DCP×R16/R18=(10 +115 +10×115/6.57)kΩ=300 kΩ

此時，定值電路的反饋電路增益為：A= Rf/R15=300//10=30。綜上，定值電路的增益調節范圍在11.5～30之間，檔間轉換倍率為2.6，從而保證了量程覆蓋。

4　結束語

在核功率測量儀表中研究應用數字電位器，以提升核功率測量儀表的性能，是核功率測量儀表實現全數字化的重要工作，從而更好地與反應堆數字化儀控系統相適配。