基于FPGA的監測數字示波器設計

2.4 數字波形數據存儲及波形輸出

FPGA雙口RAM(Dual RAM)數據輸出控制可采用多種模式：存滿(mǎn)輸出模式、定時(shí)輸出模式和波形參數觸發(fā)模式，可用串口指令控制各模式間切換。存儲滿(mǎn)模式工作原理為Dual RAM存儲1 024點(diǎn)數據和串口輸出數據交替工作，每存儲滿(mǎn)一次數據就通過(guò)串口輸出數據，串口輸出完數據后重新采集和存儲數據;定時(shí)輸出為Dual RAM存儲1 024采樣點(diǎn)數據，存儲滿(mǎn)后待定時(shí)信號，設定每幾秒輸出一次波形數據;脈沖波形參數觸發(fā)模式類(lèi)似于通用數字存儲示波器的輸出觸發(fā)模式，在波形數據寫(xiě)入RAM前對波形參數(如脈沖幅值、脈沖形狀、脈沖寬度等)數據進(jìn)行提取，當波形參數在需要的范圍時(shí)，FPGA輸出數字波形，該模式可以采集并輸出指定參數的脈沖信號，可以對核爆炸的光輻射、電磁脈沖、沖擊波、放射線(xiàn)沾染等各種效應信號波形進(jìn)行錄制、回放和精確分析，從而實(shí)現核爆的自動(dòng)監測和識別。

3 對核脈沖信號進(jìn)行測試分析

利用示波器可對核爆炸γ射線(xiàn)、光輻射、沖擊波等傳感器信號進(jìn)行波形存儲，通過(guò)存儲信號特征參數判斷核爆炸方式。示波器采集的NaI(T1)探測器經(jīng)成形后的近高斯核脈沖信號如圖5所示。將脈沖數字波形用OREC譜分析軟件進(jìn)行分析，由于輸出的值是數字多道工作的實(shí)際值，比用通用示波器更準確，可進(jìn)行更準確的分析。

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脈沖波形形狀：圖5所示波形和通用數字示波器輸出波形一致，為近高斯波形，圖像更清晰，是判斷成形電路信號成形質(zhì)量的重要依據。該波形測量方法是在強輻射環(huán)境下觀(guān)察和分析脈沖堆積的很有效方法及堆積判棄處理的重要依據。從圖5還可看出，脈沖波形下沖偏大，需對探頭放大成形電路進(jìn)行調節，減小高斯成形電路的下沖?？筛鶕}沖的形狀(混疊情況)初步判斷放射源的強弱。圖5所示，波形為示波器連續采得兩個(gè)核脈沖信號。波形圖中若測得脈沖波形密集，或出現脈沖重疊，則說(shuō)明源較強;若脈沖稀疏，則源較弱。

基線(xiàn)值測量：該數值是探頭放大成形電路調節和數字多道基線(xiàn)扣除的重要依據。圖5中可讀出基線(xiàn)均值為1 072，基線(xiàn)值的范圍是1 069～1 074，波動(dòng)大小為5，本次測量波形基線(xiàn)值偏大，需要對探頭進(jìn)行調節或在數字多道中對基線(xiàn)值進(jìn)行扣除。

脈沖寬度測量：該值是抗干擾設計和基于脈寬測量反堆積的重要依據?？勺x出正脈沖(高于基線(xiàn)均值的取樣點(diǎn))共約125左右個(gè)取樣點(diǎn)，脈寬為2.5μs，可以計算出核脈沖成形的寬度。如果脈沖寬度過(guò)小，則可能是干擾信號;過(guò)大可能是脈沖堆積信號。

脈沖幅值測量：該值是數字多道脈沖幅度分析器設計最重要的數據?？勺x出兩個(gè)脈沖數字波形的最大值分別為1 384和1 381，扣除基線(xiàn)值后幅值為312和309;最大值左、右兩個(gè)采樣點(diǎn)的值與峰值差值也小于基線(xiàn)波動(dòng)值，說(shuō)明在該采樣頻率下，用逐點(diǎn)比較冒泡法提取幅度值是可靠的。脈沖幅度大小可基本看出射線(xiàn)的能量，從測量看出，幅值為312，對應為312道，通過(guò)數字多道能譜分析，其能量約660 keV，和波形測試用的放射源一致。所以從波形的幅度規律，可大致看出放射源主要是什么核素。

脈沖幅值時(shí)間測量：可讀出在脈沖到來(lái)后的第66個(gè)采樣點(diǎn)獲取最大值。

噪聲測量及抗噪處理：從圖5波形還可看出，信號中存在一定的噪聲，所以在數字多道處理時(shí)，可用DSPIP核對脈沖波形進(jìn)行數字平滑處理，同時(shí)可通過(guò)設定一定的噪聲容限，幅值低于噪聲容限的都看作噪聲，高于噪聲容限的信號才可能是有效信號，對數字多道進(jìn)行抗干擾處理。

脈沖波形和幅度譜比較分析：由圖5信號源高斯波形代替核脈沖信號，可用該示波器的波形圖和幅度譜圖對比，比較脈沖幅度和幅度譜數據，可以對數字多道能譜儀的準確性進(jìn)行測試驗證。

4 結語(yǔ)

總之，利用基于FPGA的數字示波器，能很好地顯示、存儲和分析核信號，是核儀器的重要技術(shù)之一，有較大的使用價(jià)值。該設計利用VHDL對FPGA進(jìn)行編程，并在編程中廣泛采用并行和流水線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現了信號高速處理;利用Block RAM定制雙口RAM存儲波形數據，大大節約了邏輯資源的使用。