基于FPGA的數字核脈沖分析器硬件設計方案

　　在此基礎上通過(guò)電路設計建立了數字化能譜測量實(shí)驗裝置，實(shí)測了137Cs的能譜，測量結果與相同條件下的模擬能譜儀的實(shí)測譜完全吻合。由此證明基于FPGA的數字多道脈沖幅度分析器硬件設計方案的正確可行，具有實(shí)用性。

　　0 引言

　　多道脈沖幅度分析儀和射線(xiàn)能譜儀是核監測與和技術(shù)應用中常用的儀器。20世紀90年代國外就已經(jīng)推 出了基于高速核脈沖波形采樣和數字濾波成型技術(shù)的新型多道能譜儀，使數字化成為脈沖能譜儀發(fā)展的重要方向。國內譜儀技術(shù)多年來(lái)一直停留在模擬技術(shù)水平上， 數字化能譜測量技術(shù)仍處于方法研究階段。為了滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的高性能能譜儀需求，迫切需要研制一種數字化γ能譜儀。通過(guò)核脈沖分析儀顯示在顯示器上的核能譜 幫助人們了解核物質(zhì)的放射性的程度。

　　1 數字多道分析儀的優(yōu)勢

　　國內很大一部分學(xué)者采用核譜儀模擬電路的方式實(shí)現脈沖堆積的處理。由于整個(gè)過(guò)程都是由模擬電路來(lái)實(shí) 現，所以一直受到多種不利因素的困擾：模擬濾波成形電路有限的處理能力達不到最佳濾波的要求;模擬系統在高計數率下能量分辨率顯著(zhù)下降，脈沖通過(guò)率低;模 擬電路固有的溫漂和不易調整等特點(diǎn)，導致系統的穩定性、線(xiàn)性及對不同應用的適應性不高;在脈沖波形識別、電荷俘獲效應校正等更復雜的應用場(chǎng)合模擬系統無(wú)法 勝任。

　　相比來(lái)看，數字脈沖幅度分析系統的性能顯著(zhù)優(yōu)于模擬脈沖分析器。數字分析器有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)軟 件實(shí)現，提高了系統的穩定性與可靠性;可以利用數字信號處理方法針對輸入噪聲特點(diǎn)實(shí)現優(yōu)化設計，達到最佳或準最佳濾波效果;處理速度快，反堆積能力強，相 同能量分辨率下脈沖通過(guò)率更高;參數由程序控制，調整方便、簡(jiǎn)單。

　　2 總體設計

　　本方案設計了一種基于可編程門(mén)陣列的多道脈沖幅度分析器的硬件平臺。圖1即為總體設計框圖，探測器 輸出的核脈沖信號經(jīng)前端電路簡(jiǎn)單調理后，經(jīng)單端轉差分，由采樣率為65 MHz的高速ADC 在FPGA 的控制下進(jìn)行模/數轉換，完成核脈沖的數字化，并通過(guò)數字核脈沖處理算法在FPGA內形成核能譜，核能譜數據可通過(guò)16 位并行接口傳輸至其他譜數據處理終端，也可通過(guò)LVDS/RS 485接口實(shí)現遠程傳輸。特別需要注意的是，由于高速AD前置，調理電路應該滿(mǎn)足寬帶、高速，且電路參數能夠動(dòng)態(tài)調整的需要，以適應不同類(lèi)型探測器輸出的 信號，從而更好地發(fā)揮數字化技術(shù)的優(yōu)勢。

　　3 具體硬件設計

　　3.1 前端電路

　　前端電路由單端轉差分和高速ADC電路組成。差分電路由于其良好的抗共模干擾能力而應用廣泛。由于 調理電路輸出的脈沖信號為單極性信號，若直接送入ADC，將損失一半的動(dòng)態(tài)范圍。設計中在運放中加入一個(gè)適當的偏置電壓，將單極性信號轉換成雙極性信號后 再送入ADC，以保證動(dòng)態(tài)范圍。將信號由單端轉換成差分的同時(shí)，進(jìn)行抗混疊濾波處理，完成帶寬的調整 。

　　本設計使用AD9649 - 65 高速ADC 實(shí)現核脈沖的模/數轉換，AD9649 為14 位并行輸出的高速模/數轉換器，具有功耗低、尺寸小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)。當信號從探測器通過(guò)調理電路，過(guò)差分轉單端電路后，以差分信號的形式進(jìn)入ADC， 在差分時(shí)鐘的控制下，轉換成14 位數據，進(jìn)入FPGA.該高速A/D 在外部FPGA 的控制下對信號進(jìn)行采樣。然后將采樣后的數字信號送入FPGA 中實(shí)現數字核脈沖的幅度提取。圖2 為A/D 轉換的原理圖，AD9649在差分時(shí)鐘的同步下完成A/D轉換，D0~D13為14個(gè)有效輸出數據位。

　　3.2 FPGA

　　目前國內外多道脈沖幅度分析的數字化實(shí)現主要有2種方案：純DSP方案、DSP+可編程器件方案。本文將充分發(fā)揮FPGA 的并行處理優(yōu)勢，在單片FPGA 芯片上實(shí)現核脈沖的采集與數字核脈沖處理算法，經(jīng)Quar-tus-Ⅱ軟件仿真與綜合，本文選用EP3C40 FPGA芯片實(shí)現多道分析器的數字化功能。