瞬變光輻射采集系統設計

摘要：介紹一種針對瞬變光輻射信號探測的數據采集系統。該方案以FPGA為控制處理核心，實(shí)現了高性能的數據采集。針對特定目標信號，采用變頻采樣技術(shù)，在電路上以變頻存儲的方式實(shí)現，降低了設計難度。采用Altera公司的EPF10K20為設計載體，使用VHDL語(yǔ)言對該采集系統的控制邏輯和時(shí)序進(jìn)行了硬件語(yǔ)言描述。該設計方案占用的FPGA資源少，具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、集成度高和易于移植等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：瞬變光；變頻采樣；數據采集；FPGA；先進(jìn)先出存儲器

0 引言
在瞬變光輻射探測系統中，目標信號波形的實(shí)時(shí)采集至關(guān)重要。根據采集到的數據，可以對目標信號的光能量以及頻譜分布等各種特征參數進(jìn)行估計。在傳統數據采集系統中，通常采用單片機或DSP作為控制器來(lái)控制ADC、存儲器和其他外圍電路工作。而單片機和DSP的各種功能要靠軟件的運行來(lái)實(shí)現，其執行的效率受到很大限制，軟件的運行時(shí)間在整個(gè)采樣時(shí)間中占很大的比重。近年來(lái)，隨著(zhù)FPGA性能的不斷提升，以FPGA為控制核心進(jìn)行數據采集和存儲的應用系統方案得到廣泛采納。FPGA具有單片機和DSP無(wú)法比擬優(yōu)勢：FPGA時(shí)鐘頻率高，全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高；形式靈活，易于移植，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。
本文根據瞬變光輻射探測中強背景、弱目標的特點(diǎn)，設計出以FPGA為控制和處理的核心的數據采集方案。該方案采用背景與信號雙重濾波通道，二級程控放大，有效地保證了信號采集質(zhì)量；同時(shí)對目標信號采用變頻存儲，大大降低了對數據存儲與傳輸的要求，保證了采集過(guò)程中有較一致的測量精度。

1 系統組成及工作原理
數據采集系統大致可分為三個(gè)部分：前級預處理模塊，采樣存儲模塊，FPGA控制模塊，其中前級預處理模塊包括光電轉換器件，有源濾波器組，程控放大電路等。整個(gè)系統框圖如圖1所示，光電轉換電路將進(jìn)入系統的光信號通過(guò)探測器轉化為電流信號，然后經(jīng)跨阻運算放大器轉換為電壓信號。系統設計兩個(gè)濾波通道：背景采用低通濾波，信號采用高通濾波。在起始狀態(tài)，模擬開(kāi)關(guān)默認選通背景通道，程控放大器設置為背景模式。背景信號經(jīng)A／D采樣后送入FPGA，進(jìn)行閾值比較。當檢測到大于閾值的情況時(shí)，FPGA對模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行通道切換，高通濾波器通道選通，同時(shí)程控放大器工作模式選擇為信號模式。根據信號前陡后緩的特點(diǎn)，FPGA通過(guò)對A／D與FIFO的協(xié)同控制，實(shí)現數據先密后疏地采集存儲。

2 數據采集系統硬件設計
2．1 前級預處理電路
光電檢測電路中，光電探測器直接關(guān)系著(zhù)系統性能的優(yōu)劣。為了減小由環(huán)境電磁輻射所引起的感生電流的影響，器件適宜選擇陶瓷封裝。另外，探測器的感光面積不能過(guò)大，否則會(huì )導致暗電流、節電容、上升時(shí)間等參數增大，影響探測效果。設計中采用日本濱松公司的S2387硅光二極管，該探測器具有靈敏度高，時(shí)間響應快，動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)。電路設計采用零偏置模式，無(wú)暗電流，二極管噪聲主要是分流電阻產(chǎn)生的熱噪聲，同時(shí)具有最佳的精密度和線(xiàn)性度。高低通濾波器采用有源濾波器，反應速度快，濾除諧波效果好，可以動(dòng)態(tài)的補償無(wú)功功率。程控放大器由集成運放與模擬開(kāi)關(guān)組成，通過(guò)FPGA控制模擬開(kāi)關(guān)，在運放的輸入端接入不同的電阻實(shí)現增益的調整。