由于加在陰極上的脈沖信號的脈寬變化范圍大（從μs～ms級），電壓幅值變化大（高低電平差240V），平頂波動范圍小(<0.5%),采用傳統(tǒng)的變壓器方法無法實現(xiàn)，而基于FPGA的電源電路不僅可以解決上述問題，而且還能精確地控制脈寬大小，使其與輸入光的強度保持良好的線性對應(yīng)關(guān)系。
熒光屏上微電流的變化反映了輸出圖像亮度的變化，取熒光屏電流作為反饋信號。由于弱光下熒光屏反饋電流變化很小，為了精確反映入射光的變化需要對反饋電流放大。放大電路實質(zhì)上是進行電流-電壓轉(zhuǎn)化，輸出后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出給FPGA進行處理，F(xiàn)PGA按特定的算法把數(shù)字量生成相應(yīng)的PWM脈沖，最后經(jīng)由MOSFET組成的功率驅(qū)動模塊輸出陰極所需的脈沖信號。電路原理如圖4所示。
2.1 電流放大電路設(shè)計
熒光屏的取樣電流極其微弱，一般在102nA數(shù)量級[1]，為了提高電路靈敏度，必須將微弱的電流信號放大、去噪并轉(zhuǎn)換為電壓輸出。另外，由于需要放大的信號不但極其微弱而且變化極其緩慢，近似于直流信號，而一般集成運算放大器會把這種信號作為溫漂給抑制掉。因此，采用德州儀器公司的LinCMOS工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩(wěn)零運算放大器TLC2652。斬波穩(wěn)零的工作方式使其具有優(yōu)異的直流特性，并且失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對運算放大器的影響被降低到了最小，因此TLC2652非常適合用于微弱的直流信號或緩慢變化信號的放大。由于使用了LinCMOS工藝和低噪聲的MOSFET，輸入噪聲大大減小。為了獲得大的輸入阻抗和小的輸出阻抗，采用TLC2652的正相輸入接法。放大電路的電壓增益K為1.785 22，輸入阻抗為241.238 55GΩ，輸出阻抗為31.755 43mΩ，帶寬為200Hz。
2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路
A/D轉(zhuǎn)換器的作用是把模擬電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號以便FPGA處理。為了實現(xiàn)對輸入光強的精確控制，采用德州儀器公司生產(chǎn)的2MSps采樣速率的16位逐次逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8411B，這是一款48引腳TQFP封裝的高速、高精度A/D轉(zhuǎn)換器。具有16位無代碼丟失性能、內(nèi)部時鐘和基準電壓源,2MHz的功耗為175mW,SNR分別為86dB和90dB，單極單端輸入,線性誤差為±0.8LSB，有16位和8位可選擇接口,零等待時間，高速并行接口,8位/16位總線傳輸,允許輸入的模擬信號電壓范圍為0～4.096V。
電流放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成一個一階線性系統(tǒng)，其數(shù)學模型為：
式中，y為系統(tǒng)輸出，x為系統(tǒng)輸入，N為計數(shù)值(在此N=65535)，R為取樣電阻，A為放大電路的電壓增益，VREF為A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部參考電壓。
2.3 FPGA邏輯功能的實現(xiàn)
采用FPGA實現(xiàn)電路功能，不僅可以精確地控制脈寬大小，使其與輸入光的強度保持良好的線性對應(yīng)關(guān)系，而且可以使系統(tǒng)體積減小、重量減輕且功耗降低；同時還可使系統(tǒng)的可靠性大大提高；由于采用可編程邏輯器件和硬件描述語言，VHDL同時利用其供應(yīng)商提供的開發(fā)工具，可大大縮短數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計時間，節(jié)約新產(chǎn)品的開發(fā)成本。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA輸出控制信號控制A/D轉(zhuǎn)換，并輸出PWM信號，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的值決定脈沖信號的脈寬。FPGA采用Xilinx公司的Virtex系列的xcv400芯片。其邏輯功能及與外部接口如圖5所示。
(1)A/D轉(zhuǎn)換控制信號
取外部時鐘為5MHz作為系統(tǒng)時鐘，經(jīng)分頻后產(chǎn)生
信號用以對ADS8411B進行控制。得到A/D采樣、轉(zhuǎn)換控制信號的頻率為152.6Hz。應(yīng)用FPGA設(shè)計工具Xilinx ISE7.1i，調(diào)用ModelSim SE6.1c對其進行仿真，可得一個周期即13107 000ns的波形，如圖6所示。
(2)數(shù)值轉(zhuǎn)換及比較輸出
A/D轉(zhuǎn)換器輸入的模擬信號的電壓值范圍為2.50～2.86V，對應(yīng)輸出的十六進制數(shù)為9C3D～B28D，十進制數(shù)為39 995～45 709。A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號的變化范圍還比較小，通過數(shù)值變換器按照特定的算法對其進行一定的數(shù)值轉(zhuǎn)換，使輸入的最小值對應(yīng)0，最大值對應(yīng)1016=65535，這樣輸出的脈沖的占空比可以在近似于0～100%范圍內(nèi)變化。計數(shù)器從0計數(shù)到1016=65535，也就是一個周期。當取值比計數(shù)值大時，輸出為1;反之輸出為0。該部分的邏輯功能可用如下數(shù)學表達式描述：
脈沖輸出：
式中，temp為鎖存器，PWM為脈沖輸出。仿真結(jié)果如圖7（輸入為43 157）所示。
2.4 功率驅(qū)動
FPGA輸出的PWM信號的脈寬雖然隨反饋電流大小的變化而變化，但是電壓幅值太小(高電平3.3V)，而且像增強器正常工作時陰極上所加電壓為負壓，因此還必須對PWM信號進行進一步的處理。本設(shè)計選用IR公司的MOSFET管IRF840作為開關(guān)器件對PWM信號電壓進行提升。IRF840功率MOSFET是一種多子導(dǎo)電的單極型電壓控制器件，是電力電子器件中開關(guān)頻率最高的器件，它不但具有自關(guān)斷能力，而且具有輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、驅(qū)動電路簡單、安全工作區(qū)寬、無二次擊穿問題等優(yōu)點[4]。
使用MOSFET，最基本的是柵極驅(qū)動電路的設(shè)計。MOS管的驅(qū)動電路必須具備二個功能：一是實現(xiàn)控制電路與被驅(qū)動MOS管柵極的電隔離；二是提供合適的柵極驅(qū)動脈沖。選用日本東芝公司(Toshiba)生產(chǎn)的帶光電隔離的MOSFFT驅(qū)動芯片TLP250完成柵板驅(qū)動電路的設(shè)計。功率驅(qū)動電路原理圖如圖8所示。
3 電源的技術(shù)參數(shù)
(1)陰極脈沖信號:頻率76.3Hz，平頂波動范圍<0.5%,輸出脈寬范圍為5μs～13.11ms。占空比變化范圍為：0.038～100%。高電平電壓值40V，低電平電壓值-200V。
(2)MCP電壓VMCP：輸入端接地，0V;輸出端800～1000V可調(diào)。
(3)熒光屏電壓VS:5000～6000V。
本文設(shè)計的X射線像增強器選通電源電路具有控制精度高、現(xiàn)場可編程、響應(yīng)快、脈寬調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點，能夠根據(jù)輸入光的變化自動調(diào)整加在陰極上的脈沖信號的脈寬，從而使熒光屏上輸出亮度保持不變。與傳統(tǒng)的直流高壓電源相比，采用自動脈沖門控電源給像增強器陰極供電可以減小強光下到達MCP 的電子流, 防止因電流飽和生成的沖蝕圖像,從而有助于降低強光產(chǎn)生的光暈或圖像模糊效應(yīng)，使像增強器在強光照射下仍能產(chǎn)生對比度良好的高分辨率圖像。采用這種電源大幅度提高了像增強器的動態(tài)范圍，實現(xiàn)了X射線的自適應(yīng)增強。另外，采用這種電源，由于是間歇式供電，還可以延長X射線像增強器的使用壽命。經(jīng)計算機仿真調(diào)試，此電源可實現(xiàn)很好地選通控制，為提高X射線成像系統(tǒng)的性能以及X射線檢測和醫(yī)學成像技術(shù)的發(fā)展提供了重要依據(jù)。
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