基于FPGA的多道脉冲幅度分析器设计
第３ ３卷
２ ０ １ ３年
第２ 期
２月
核 电子学 与探 测技 术
Ｎｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ２
Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ｌ ３
数字化处理 。设计 了数字 比较器 、 数字滞 回比较器 ， 采用多级缓存的流水模式 实现脉 冲幅度 的提取 。采
用拉格 朗 １ ３ 插值实现脉 冲峰值 的拟合 ， 提高 了能量分辨率 。 关键词 ： 现场可编程 门阵列 ； 脉 冲幅度分 析器 ； Ｘ射 线能谱 ； 能量分辨率 ； 拉格 朗 １ ３插值
声和宽频带。对毫伏级电压脉冲序列的线性化
传 输 与放 大 处 理 有 一定 的难 度 ， 但 关 键 是 放 大
器的稳定问题 。只有放大器稳定 了才可以通过 各种补偿措施实现在动态范 围内的线性。由于
是毫伏级 电压脉 冲序列 ， 序列 的脉宽在微秒数 量级 ， 脉冲序列的幅度 和脉 冲数量包含了被测 样本 的定量信息… 。多道 脉 冲幅度分析 的 目 的就是从脉冲序列中提取脉 冲幅度和脉 冲数量 信息， 将具有相 同幅度的脉冲进行分类求和， 然 后将脉冲幅度信息和与其对应的脉 冲数量信息
２ ３ ０
的程控放大。按采样速 率 ２ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ ， 分辨率 为
ｌ ２ ｂ ｊ ｔ 的设计要求 ， 可以选用美国 Ａ ｎ ａ ｌ ｏ ｇ Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ
公司 的 Ａ Ｄ ９ ２ ２ ４模数转换 器。Ａ Ｄ ９ ２ ２ ４采样速
率为 ４ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ ， 分辨率 为 １ ２ ｂ ｉ ｔ ， 具有 片内高性
接影 响着 检 测的精 度 。放 大 器选 择美 国 Ａ ｎ ａ ｌ ｏ ｇ
Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ 公司的 Ａ Ｄ ８ ０ ４ ５低 噪 声 高速 运算 放 大 器， 其一 ３ ｄ Ｂ带宽达到 ｌ Ｇ Ｈ ｚ 。模拟开关选择
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２— ０ ５—２ ７
Ｄ Ｇ ５ ０ ８ ， Ｄ Ｇ ５ ０ ８由 Ｍ Ｃ Ｕ输 出信号控制实现 ８挡
一
４分频后输 出作 为 Ａ ／ Ｄ的工作 时钟。当 Ｆ Ｐ Ｃ Ａ 检测到脉冲峰后开始读取 Ａ ／ Ｄ数据 ， 高速数据 流进入脉 冲幅度检测单元进行 比较运算 ， 提取 出最大值及最大值前后两点 的数据。数据处理 单元协同 Ｍ Ｃ Ｕ对数据进行处理 ， 最后将数据上 传 到 上 位 机。Ｍ Ｃ Ｕ 接 口单 元 实 现 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 和
发送到上位机进行进一步的数据处理。
Ａ Ｄ Ｃ采样速率为 ２ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ ， 可 以依采样定 理反 推出前级放大器的通频带应不低于 １ ０ Ｍ Ｈ ｚ ， 考
虑 到通 频 带 内的线 性 要 求 ， 设计 时应 尽 量 拓 展
通频带以达到设计要求。 程控放大器是检测的关键 ， 其稳定 与否直
首先对 电压脉冲序列信号进行 ２ Ｏ一１ ０ ０ ０ 倍 的程控放大 ， 然后进行 ２ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ 高速 Ａ Ｄ Ｃ转 换。由于信号的幅度小频带 宽 ， 所 以对 放大器
的要求比较高 ， 在选择放大器时主要考虑低噪
子激发待测物质 中的原子 ， 使之产生次级 的特
征 ｘ射线 （ ｘ光荧光） ， 从 而进行物质成分分析 和化学态研究 。ｘ射线荧光分析根据分光方式
基金项目： 科技部公益基金项 目： 全自 动数字化岩芯
扫描仪的研 制与开发（ ２ ０ ０ ９ １ １ ０ １ ７ － ０ ６ ） 。 作者简介 ： 郑宝华 （ １ ９ ６ ３ 一） ， 男， 吉林人 ， 吉林 化工学 院教授 ， 博士， 主要 从 事测 控技 术 及 仪 器方 面 的研
究。
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｌ ８ ２ ２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ２ ５ ８ ． － ０ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ ． － ０ ２ ３ ０ － ． ０ ４
ｘ射线荧光分析又称 ｘ射线次级发射 光 谱分析 ， 系利用原级 ｘ射线光子或其它微观粒
１ 脉冲信号 的采集
Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 的时 钟 由 ８ ０ ＭＨｚ 的 有源 晶振 提供 ，
２ 脉冲幅度检测
脉 冲幅度 检测 是 多道 脉 冲 幅度 分析器 的核
心， 采用 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ设计 。Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 的设计 分为 ： Ａ ／ Ｄ 接 口单元、 Ｍ Ｃ Ｕ接 口单元、 时序控制单元 、 脉 冲 峰值检测单元等 ， 其顶层 电路原理如图 １ 所示。 Ａ Ｄ Ｃ采样 的数 据 进入 第一 级 锁存 器 （ Ｓ Ｃ ． ３ ） ， 第
的不 同分 为 能量 色 散 型 （ Ｅ Ｄ Ｘ Ｒ Ｆ） 和 波 长 色 散 型（ ＷＤ Ｘ Ｒ Ｆ ） 两 种 。其 中 ， 能 量 色 散 型 的 优 点 是 Ｘ 射线 利 用 率 高 、 仪 器结构简单 、 便 于 小 型 化设 计 而被广 泛应 用 。Ｘ射线 能 谱 的前 端数 据
能采样保持放大器和 电压参考 ＿ ２ Ｊ ， 可 以充分满
足设计要求。
据替换。Ｃ Ｏ Ｍ是滞洄比较器 ， 完成脉冲检测 的 任务 ， 当脉冲到来后 ， 该 比较器输出有效。Ｃ Ｈ ６ 是Ｍ Ｃ Ｕ的接 口， 实现低速数据交由 Ｍ Ｃ Ｕ处理。 Ｃ Ｏ Ｎ Ｔ Ｒ Ｏ Ｌ为时钟发生器 ， 产生 Ａ Ｄ Ｃ转 换时钟 及 两级 锁存 器 的 时钟 Ｊ 。
基于 Ｆ Ｐ ＧＡ 的 多 道 脉 冲 幅 度 分 析 器 设 计
郑 宝华 ， 修连存
（ １ ． 吉林化工学 院 ， 吉林 １ ３ ２ ０ ２ ２ ； ２ ． 南京地质矿产研究所 ， 南京 ２ １ ０ ０ １ ６）
摘要 ： 由于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ具有高速 和并行处理特 性 ， 使其广 泛应用 在高 速信息 处理 系统 中。论 文 以 ｘ射 线能谱数据处理为对象 ， 设计 了基于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的脉 冲幅度分 析器 ， 实现 了脉 冲成形 、 基 线恢 复 、 修 正补偿 等
２ ０ １ ３年
第２ 期
２月
核 电子学 与探 测技 术
Ｎｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ２
Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ｌ ３
数字化处理 。设计 了数字 比较器 、 数字滞 回比较器 ， 采用多级缓存的流水模式 实现脉 冲幅度 的提取 。采
用拉格 朗 １ ３ 插值实现脉 冲峰值 的拟合 ， 提高 了能量分辨率 。 关键词 ： 现场可编程 门阵列 ； 脉 冲幅度分 析器 ； Ｘ射 线能谱 ； 能量分辨率 ； 拉格 朗 １ ３插值
声和宽频带。对毫伏级电压脉冲序列的线性化
传 输 与放 大 处 理 有 一定 的难 度 ， 但 关 键 是 放 大
器的稳定问题 。只有放大器稳定 了才可以通过 各种补偿措施实现在动态范 围内的线性。由于
是毫伏级 电压脉 冲序列 ， 序列 的脉宽在微秒数 量级 ， 脉冲序列的幅度 和脉 冲数量包含了被测 样本 的定量信息… 。多道 脉 冲幅度分析 的 目 的就是从脉冲序列中提取脉 冲幅度和脉 冲数量 信息， 将具有相 同幅度的脉冲进行分类求和， 然 后将脉冲幅度信息和与其对应的脉 冲数量信息
２ ３ ０
的程控放大。按采样速 率 ２ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ ， 分辨率 为
ｌ ２ ｂ ｊ ｔ 的设计要求 ， 可以选用美国 Ａ ｎ ａ ｌ ｏ ｇ Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ
公司 的 Ａ Ｄ ９ ２ ２ ４模数转换 器。Ａ Ｄ ９ ２ ２ ４采样速
率为 ４ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ ， 分辨率 为 １ ２ ｂ ｉ ｔ ， 具有 片内高性
接影 响着 检 测的精 度 。放 大 器选 择美 国 Ａ ｎ ａ ｌ ｏ ｇ
Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ 公司的 Ａ Ｄ ８ ０ ４ ５低 噪 声 高速 运算 放 大 器， 其一 ３ ｄ Ｂ带宽达到 ｌ Ｇ Ｈ ｚ 。模拟开关选择
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２— ０ ５—２ ７
Ｄ Ｇ ５ ０ ８ ， Ｄ Ｇ ５ ０ ８由 Ｍ Ｃ Ｕ输 出信号控制实现 ８挡
一
４分频后输 出作 为 Ａ ／ Ｄ的工作 时钟。当 Ｆ Ｐ Ｃ Ａ 检测到脉冲峰后开始读取 Ａ ／ Ｄ数据 ， 高速数据 流进入脉 冲幅度检测单元进行 比较运算 ， 提取 出最大值及最大值前后两点 的数据。数据处理 单元协同 Ｍ Ｃ Ｕ对数据进行处理 ， 最后将数据上 传 到 上 位 机。Ｍ Ｃ Ｕ 接 口单 元 实 现 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 和
发送到上位机进行进一步的数据处理。
Ａ Ｄ Ｃ采样速率为 ２ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ ， 可 以依采样定 理反 推出前级放大器的通频带应不低于 １ ０ Ｍ Ｈ ｚ ， 考
虑 到通 频 带 内的线 性 要 求 ， 设计 时应 尽 量 拓 展
通频带以达到设计要求。 程控放大器是检测的关键 ， 其稳定 与否直
首先对 电压脉冲序列信号进行 ２ Ｏ一１ ０ ０ ０ 倍 的程控放大 ， 然后进行 ２ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ 高速 Ａ Ｄ Ｃ转 换。由于信号的幅度小频带 宽 ， 所 以对 放大器
的要求比较高 ， 在选择放大器时主要考虑低噪
子激发待测物质 中的原子 ， 使之产生次级 的特
征 ｘ射线 （ ｘ光荧光） ， 从 而进行物质成分分析 和化学态研究 。ｘ射线荧光分析根据分光方式
基金项目： 科技部公益基金项 目： 全自 动数字化岩芯
扫描仪的研 制与开发（ ２ ０ ０ ９ １ １ ０ １ ７ － ０ ６ ） 。 作者简介 ： 郑宝华 （ １ ９ ６ ３ 一） ， 男， 吉林人 ， 吉林 化工学 院教授 ， 博士， 主要 从 事测 控技 术 及 仪 器方 面 的研
究。
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｌ ８ ２ ２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ２ ５ ８ ． － ０ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ ． － ０ ２ ３ ０ － ． ０ ４
ｘ射线荧光分析又称 ｘ射线次级发射 光 谱分析 ， 系利用原级 ｘ射线光子或其它微观粒
１ 脉冲信号 的采集
Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 的时 钟 由 ８ ０ ＭＨｚ 的 有源 晶振 提供 ，
２ 脉冲幅度检测
脉 冲幅度 检测 是 多道 脉 冲 幅度 分析器 的核
心， 采用 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ设计 。Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 的设计 分为 ： Ａ ／ Ｄ 接 口单元、 Ｍ Ｃ Ｕ接 口单元、 时序控制单元 、 脉 冲 峰值检测单元等 ， 其顶层 电路原理如图 １ 所示。 Ａ Ｄ Ｃ采样 的数 据 进入 第一 级 锁存 器 （ Ｓ Ｃ ． ３ ） ， 第
的不 同分 为 能量 色 散 型 （ Ｅ Ｄ Ｘ Ｒ Ｆ） 和 波 长 色 散 型（ ＷＤ Ｘ Ｒ Ｆ ） 两 种 。其 中 ， 能 量 色 散 型 的 优 点 是 Ｘ 射线 利 用 率 高 、 仪 器结构简单 、 便 于 小 型 化设 计 而被广 泛应 用 。Ｘ射线 能 谱 的前 端数 据
能采样保持放大器和 电压参考 ＿ ２ Ｊ ， 可 以充分满
足设计要求。
据替换。Ｃ Ｏ Ｍ是滞洄比较器 ， 完成脉冲检测 的 任务 ， 当脉冲到来后 ， 该 比较器输出有效。Ｃ Ｈ ６ 是Ｍ Ｃ Ｕ的接 口， 实现低速数据交由 Ｍ Ｃ Ｕ处理。 Ｃ Ｏ Ｎ Ｔ Ｒ Ｏ Ｌ为时钟发生器 ， 产生 Ａ Ｄ Ｃ转 换时钟 及 两级 锁存 器 的 时钟 Ｊ 。
基于 Ｆ Ｐ ＧＡ 的 多 道 脉 冲 幅 度 分 析 器 设 计
郑 宝华 ， 修连存
（ １ ． 吉林化工学 院 ， 吉林 １ ３ ２ ０ ２ ２ ； ２ ． 南京地质矿产研究所 ， 南京 ２ １ ０ ０ １ ６）
摘要 ： 由于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ具有高速 和并行处理特 性 ， 使其广 泛应用 在高 速信息 处理 系统 中。论 文 以 ｘ射 线能谱数据处理为对象 ， 设计 了基于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的脉 冲幅度分 析器 ， 实现 了脉 冲成形 、 基 线恢 复 、 修 正补偿 等
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基于FPGA的多通道ADC采集及DAC回放设计
基于FPGA的多通道ADC采集及DAC回放设计苏宁馨【摘要】在电子通信以及自动化等应用领域中,系统终端信号多以模拟量的形式直观存在并使用,因此模拟量采集和回放电路的设计尤为重要。
由于各系统对采集数据的速度、精度和可靠性指标的要求不同,现提出一种基于FPGA的多通道ADC模拟量采集及DAC回放电路的设计。
重点介绍了以5CEFA2F23CB规格的FPGA作为核心处理器,以VerilogHDL语言实现的采集和回放电路的设计过程,并分别采用SignalTap逻辑分析仪和示波器对数据进行捕获、分析和验证。
系统运行稳定可靠,功能完整实现,效率和精度高,可扩展性强。
【期刊名称】《太原学院学报：自然科学版》【年(卷),期】2019(037)001【总页数】6页(P60-65)【关键词】FPGA;ADC模拟量采集;DAC回放;SignalTap逻辑分析仪【作者】苏宁馨【作者单位】[1]安徽新华学院,安徽合肥230088【正文语种】中文【中图分类】TP2740 引言电子通信行业的蓬勃发展,带动了自动化、航天航空、电子制造等产业的革新。
在各产业系统终端数据的观察中,信号多以模拟量的形式直观存在并应用。
围绕系统终端模拟量采集的工作,行业上和技术上也提出了很多种方法和尝试,近年来模拟量采集电路的设计多以数模转换集成电路的形式出现,在机载系统和航天航空领域也逐渐提出了基于PLC、STM32的方式方法和尝试[1]。
由于不同系统存在环境的差异性,对多通道模拟信号采集数据的速度、精度、系统的稳定性的衡量和要求都有所不同,这就使得对采集系统提出了更高的要求。
为满足数据采集存储的可靠指标以及不同环境下的采集要求,现提出一种基于FPGA的多通道ADC模拟量采集及DAC回放电路的设计。
该电路可通过软件算法提高采集精度,并保证系统硬件电路运行的稳定性和可靠性,应用领域也得到了很好的扩展[2]。
1 系统开发工具及总体设计基于FPGA的多通道ADC模拟量采集及DAC回放设计,系统硬件部分采用Altera 公司现下最为流行的一款FPGA(Cyclone Ⅴ系列的5CEFA2F23CB核心处理器);模拟量采集部分选择ADC084S021 作为主要元件;回放部分则采用 DAC084S085 作为模拟信号回放输出。
基于DSP技术的多道核脉冲幅度分析器的设计
基 于 ＤＳ Ｐ技 术 的 多道 核脉 冲 幅度 分 析 器 的设 计
任 家 富 ， 建斌 ， 克 亮 ， 娟 周 穆 林
（ 成都理工大学 ， 四川成都 ６０ ５ ） １０ ９
摘要 ： 介绍 以 ＤＳ ２ ０ 芯 片为核 心 ， Ｐ４７ 采用专用峰值幅度采样保持 电路 ， 根据输 入信号上升沿及 峰 值 信息进 行分析 的多道 核脉 冲幅度 分析器 系统 的原理和 硬件 结构 。在合金 分折 及 同 位素 密度 成像 系统 中， 采用本 脉冲幅度分析器进 行高速数据采集 ， 取得 了满意 的效果 也可适 用于其 他核脉 冲 信号 峰值幅
：
Ｉ
Ｉ． Ｉ
Ｉ
Ｉ
Ｉ
Ｉ
Ｉ
测并保持峰值脉冲信号 ， 直至发送 Ｒ Ｔ复位信 Ｓ
号进行清除为止 。峰值保持 电路将脉冲转换峰 值 幅度相等 的直 流电平输 出， Ｐ Ｄ １比较 在 Ｋ ０ 器上用 直流 电平 与 原始 信 号进 行 比较 产 生过 峰
信号 。过峰信号为脉冲信号的后沿 。用这个信
的计数率 ， 由此可以得到一条核辐射谱线。
对模拟信号 的分类工作 。
１ 系统原理
核脉冲幅度分析器的原理如 图 １ 所示。当
信号输入时 ， 首先进入 峰值保持 电路 ， 将脉 冲
变成与峰值等值的直流电平 。该直流电平与原
始输入信号一起在过峰检测电路 中产生过峰信
号， 控制 电路得到该信号后启动模数变换器进
行Ａ ／Ｄ转换 ， 转换 的结果 送 入地址 寄存器 。
图 １ 多道 脉 冲幅度分 析器的原理 图
控制 电路 给出读命令 ， 选通对应地址 的存储单 元， 将该单元 的已有 内容读 入数据 运算 寄存
基于ARM处理器的多通道脉冲幅度分析系统设计
度 分 析 器 的 控 制 核 心 ，其 主 要 任 务 要 完 成 ：启 动 Ａ Ｄ转 换 ；处 理 Ａ Ｄ 换 的 ／ ／转
ｌ 断【 入ｊ 中＂ ｛ 务 Ｉｆ
Ｉ
态 ，从 而使得 峰值 得 以保持 。
＋ｌ Ｖ ２
ｌ女 Ａ 转 ｆ 取 ／ 搬， ｉ Ｄ 【 ＿
Ｉ
以Ａ Ｄ￣ 换 ／ ＃ 为 地』： 《 ｒ １， Ｉ １ ｊ 该 地 址 的 数村 仃 ｆ 儿 数 她 ｌ ｔ ｝
结 果 。在整 个 软件 的 设计 中 ，采 用嵌
入 式 操 作 系 统 ￣ ／ Ｓ Ｉ和 Ｌ Ｃ ２ ０ Ｃ Ｏ —Ｉ Ｐ ２ １ 结
合 进 行软 件 设计 。应 用 ￣ ／ Ｓ Ｉ进 行 ＣＯ —Ｉ 开 发 ，具 有 提 高 系 统 的 实 时 响 应 速
Ｕ
－ － ，－
泛使 用 ，给 用 户现 场测 试 带来 了很 大
的方 便 。而 多 道脉 冲 幅度 分 析 器 是 Ｘ 荧光 仪最 关 键 的组 成 部分 ，它可 以根 据Ａ Ｄ转 换 的原 理 ，把 探测 到 的 脉 冲 ／ 信号 转换 成 对 应其 峰 值 幅度 的 数字 信 息 ，然后 由后 续 电路 完 成 分 类 工 作 。 它 的准 确性 和 灵敏 度 直接 影 响 到仪 器 的测 量精 度 。本 文介 绍 以Ａ ＲＭ７ Ｄ Ｔ ＭＩ 处理 器 为核 心 的 多道 脉 冲幅 度分 析 器 的设 计方 法 。
１
图１ 多通 道 脉 冲 幅 度 分 析 器 的基 本 构 成 图
峰值 宽度 ，如 图２ 所示 。 中Ｂ
峰 值 幅
度 ，最 后 通 过 ＡＤ转 换 和３ 位 微 处 理 ／ ２ 器Ｌ Ｃ ２ ０ 其模 拟量 转换 成数字 量 。 Ｐ ２ １将
ｌ 断【 入ｊ 中＂ ｛ 务 Ｉｆ
Ｉ
态 ，从 而使得 峰值 得 以保持 。
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以Ａ Ｄ￣ 换 ／ ＃ 为 地』： 《 ｒ １， Ｉ １ ｊ 该 地 址 的 数村 仃 ｆ 儿 数 她 ｌ ｔ ｝
结 果 。在整 个 软件 的 设计 中 ，采 用嵌
入 式 操 作 系 统 ￣ ／ Ｓ Ｉ和 Ｌ Ｃ ２ ０ Ｃ Ｏ —Ｉ Ｐ ２ １ 结
合 进 行软 件 设计 。应 用 ￣ ／ Ｓ Ｉ进 行 ＣＯ —Ｉ 开 发 ，具 有 提 高 系 统 的 实 时 响 应 速
Ｕ
－ － ，－
泛使 用 ，给 用 户现 场测 试 带来 了很 大
的方 便 。而 多 道脉 冲 幅度 分 析 器 是 Ｘ 荧光 仪最 关 键 的组 成 部分 ，它可 以根 据Ａ Ｄ转 换 的原 理 ，把 探测 到 的 脉 冲 ／ 信号 转换 成 对 应其 峰 值 幅度 的 数字 信 息 ，然后 由后 续 电路 完 成 分 类 工 作 。 它 的准 确性 和 灵敏 度 直接 影 响 到仪 器 的测 量精 度 。本 文介 绍 以Ａ ＲＭ７ Ｄ Ｔ ＭＩ 处理 器 为核 心 的 多道 脉 冲幅 度分 析 器 的设 计方 法 。
１
图１ 多通 道 脉 冲 幅 度 分 析 器 的基 本 构 成 图
峰值 宽度 ，如 图２ 所示 。 中Ｂ
峰 值 幅
度 ，最 后 通 过 ＡＤ转 换 和３ 位 微 处 理 ／ ２ 器Ｌ Ｃ ２ ０ 其模 拟量 转换 成数字 量 。 Ｐ ２ １将
基于USB2.0新型分时多道脉冲幅度分析系统研制
的能 谱 变化 进 行 实 时测 量 ， 得 一 系列 短 时间 获 段 内 的分 时能 谱 ， 而 了解 和 掌握 核 反应 过 程 从
在时间轴上的变化关系。 与传统多道相 比， 分时多道在设计上有了 巨大的改进 ， 集成度更高， 速度更快 ， 体积更小 ， 其 结构 为一个 单宽 ＮＩ 插件 ， 用 ＮＩ 电源 ， Ｍ 使 Ｍ
究工 作 的认 识 。
’
１ 系统设计
１ １ 工作原 理 ．
分 时多道 原理 框 图如 图 １所 示 ， 时 多道 分
使 用分 时 多道 系 统 ， 对 聚 变 反应 过 程 中 可
需要硬件 和软件协 同工作 ， 硬件部分主要完成 数据 的实时采集 、 处理和传输 。软件主要完成 多道 参 数 设 置 、 采集 定 时 以及 数 据 的实 时显 示 和后续处理。图中主要是硬件部分原理框图。
并 且把 加一后 的数据存 储 在 双 口 Ｍ 中 。当
首次实现分时谱测量、 传输和多窗 口显示
同时进 行 ， 测谱 时 间不丢失 ； 首 次采 用 双 口 Ｒ ＡＭ 构 造 乒 乓 结 构 ， 现 实
上位机发出的“ 分时时间到” 信号， 分时多道通
过 ＵＳ ２０ 口把双 口Ｒ Ｍ 中存储的数据传 Ｂ． 接 Ａ 给 上位 机 ， 由上 位 机完 成 数 据 的显 示 和后续 处
第３ Ｏ卷
２１ ００年
第６ 期
６ 月
核 电子 学与探 测 技术
Ｎｕ ｌ ｒＥ ｅｔｏ ｉ ｃｅ ｌｃｒｎｃ ａ ｓ＆ Ｄｅｅｔ ｎＴｅｈ ｏｏ ｙ ｔｃｉ ｃ ｎ ｌｇ ｏ
Ｖ０． Ｏ Ｎ０ ６ １３ ．
Ｊｎ ２ ０ ｕ已 ０１
基 于 ＵＳ ２ ０新 型 分 时 多道 脉 冲 Ｂ． 幅 度 分 析 系统 研 制
基于USB的虚拟多道脉冲幅度分析系统的设计
非常适合现代智能仪器的通信接 口。
进行 ＵＳ Ｂ系统 的设计一般有两种方案 ： 一
语言 有 一 个 显 著 不 同之 处 ： 、 Ａ Ｉ 、 Ｃ Ｂ ＳＣ Ｆ Ｒ Ｒ Ｎ 等语言是基于文字编程 的语言， Ｏ Ｔ Ａ 而
Ｌ ｂ Ｆ 语 言是一种基 于图形编程 的语言 。 ａⅥ 它的所有编程过程都是通过图形标记和它们之
程十分简单 。Ｌ ｂ Ｅ 语 言同时有和其他语 ａＶＩＷ 言如 Ｃ语言的接 口， 这使得它能调用其他语 言
的库函数 ， 能完成更多的编程任务 。Ｌ ｂ Ｉ Ｗ ａＶ Ｅ
峰 值检 输 脉 信
实际仪器控制面板类似 的图形组件 ， 这使得界 面编程极其简单 ， 并且在计算机上操作这些 图
析处理 ， 可称为 虚拟多道 脉冲 幅度分 析系统。
种是采用 片内集成了 Ｕ Ｂ接 口电路的单片机， Ｓ
例如 Ｅ － Ｂ系列 的 Ｃ １ 片机 、 ｔｒｌ 的 ＺＵＳ ５单 Ｍｏｏｏａ
ＭＣ ８ ９ ８Ｂ 芯片等； ６ ＨＣ ０Ｊ ８ 另一种则是采用通用
单 片 机 外 加 ＵＳ Ｂ接 口芯 片， ｈ ｉｓ 司 的 Ｐ ｉｐ 公 ｌ Ｐ Ｉ Ｂ１ Ｄ ＵＳ Ｄ ２是典 型的 Ｕ Ｂ接 口芯 片。本 设 Ｓ 计 即采用 Ｍｏｏｏ 的 ＭＣ ８ ９８ Ｐ ２下文 ｔ ｌ ｒａ ６ ＨＣ ０Ｇ ３ （ 称 Ｇ ３） Ｐ ２ 单片机 外加 Ｐ ｉｐ 公司 的 Ｐ Ｉ － ｈｌ ｓ ｉ Ｄ ＵＳ
基 于 ＵＳ Ｂ的 虚 拟 多道 脉 冲 幅 度 分 析 系统 的设 计
夏文 明， 贾铭 椿 ， 军 军 龚
（ 海军工程 大学船舶与动力工程学 院 ， 湖北武汉 ４ ０ ３ ） ３ ０ ３
摘要 ： Ｂ接 口已经成 为一种流行的计算机外设 接 口， ａＶＩ Ｗ 是一种 图形化 编程语言 。对 ＵＳ ＵＳ Ｌｂ Ｅ Ｂ 接 口和 Ｌ ｂ Ｅ 语言应用于 多道 脉冲幅度 分析 系统 的可行 性进 行 了分析 ， ａ ＶＩ Ｗ 并重 点介绍 了它 的设计 方
基于FPGA的核辐射脉冲信号发生器研究
基于FPGA的核辐射脉冲信号发生器研究摘要本文研究了一种基于FPGA的核辐射脉冲信号发生器。
首先，本文介绍了核辐射脉冲信号的基本概念和特点，包括脉冲宽度、幅度、频率等。
接着，本文阐述了基于FPGA的核辐射脉冲信号发生器的设计方法，包括硬件设计和软件设计。
硬件设计包括FPGA芯片的选择、电路设计和调试等；软件设计包括VHDL语言编写、模块设计和功能仿真等。
最后，本文通过实验验证了该发生器的性能和可靠性，并指出了未来研究的方向和挑战。
引言核辐射脉冲信号发生器是一种能够产生核辐射脉冲信号的仪器，广泛应用于核物理、医学、安全等领域。
传统的核辐射脉冲信号发生器通常采用模拟电路实现，存在着电路复杂、调试困难、稳定性差等问题。
随着FPGA技术的不断发展，基于FPGA的核辐射脉冲信号发生器逐渐成为研究的热点。
FPGA具有高度的可编程性和可重复性，能够实现复杂的逻辑电路，具有体积小、重量轻、可靠性高等优点。
因此，研究基于FPGA的核辐射脉冲信号发生器具有重要的理论意义和实际应用价值。
基于FPGA的核辐射脉冲信号发生器设计基于FPGA的核辐射脉冲信号发生器主要包括硬件设计和软件设计两部分。
硬件设计主要包括FPGA芯片的选择、电路设计和调试等；软件设计主要包括VHDL语言编写、模块设计和功能仿真等。
2.1 硬件设计硬件设计是实现基于FPGA的核辐射脉冲信号发生器的基础。
在硬件设计中，我们选择了Xilinx公司的Virtex-5 FPGA 芯片，该芯片具有高度集成、高性能、低功耗等优点，能够满足我们的设计要求。
同时，我们设计了包括电源电路、时钟电路、复位电路、数据采集电路等外围电路，实现了完整的硬件系统。
2.2 软件设计软件设计是实现基于FPGA的核辐射脉冲信号发生器的核心。
在软件设计中，我们采用了VHDL语言编写程序，实现了包括脉冲宽度调整、幅度调整、频率调整等模块。
同时，我们采用了MATLAB软件对生成的核辐射脉冲信号进行了仿真和验证。
基于LABVIEW和数字多道脉冲幅度分析器的γ能谱分析软件的开发
具， 涵盖线性代数 、 概率统计 、 最优化 曲线拟合 等方面， 用户只需调用相应 图形模块并连线便
可实现功能， 这为编程提供 了极大的方便 ， 还为 数字信号处理提供有力的支持 ， 包括 了滤波、 去 噪等模块 ， 特别适用于处理复杂数 学运算的程 序编 制中。Ｉ Ｂ Ｗ 同时具有 和其 它语 言 ⅥＥ Ａ 如 Ｃ语言的接 口， 这使得它能调用其他语言 的 库函数 ， 完成更多 的编程任务 。Ｌ Ｂ ＩＷ 能 Ａ ＶＥ
工程学 院 ， 硕士研究生 ， 专业为信号与信 息处理 。
９ ６ ３
的一个特色之处就是提供 了大量的和实际仪器
维普资讯
控制面板类似的图形组件， 这使得界面编程极 其 简 单 ， 且在 计 算机 上 操 作这 些 图形 界 面 和 并 在现 实 中 操 作 实 际 仪 器 几 乎 完 全 一 致Ｌ 。 ２ 』
图 １ 系统框 图
壶 ３ －２ （ｙ ｔｙ＋ 一 － 卜 １
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１ 系统构成
如图 １ 所示 ， ａ 探测器获得的核脉 冲信 ＮＩ 号经过放大、 滤波等处理后送入 Ｄ Ｃ Ｍ Ｉ Ａ模 块 ， 进 行模 数转 换 、 波 、 零 相消 、 形 成 形 和 峰 滤 极 梯 值检 测 等 处 理 ， 到 峰 值 数 据 ， 后 通 过 得 然
谱数据采集 系统是一个重要的研究课题。传统
的模 拟分 析技 术 方 法 中 ， ） Ｃ的速 度 、 辑 控 逻
传统的能谱分析软件 中， 多采用 Ｖ Ｃ语 言
编译 而成 ， 在程 序实 现过程 中 ， 有 的信号处 理 所
制、 高速信号处理 一直是 ＭＣ 数字化 的 ” Ａ 瓶 颈” 。随着高速 Ａ Ｃ Ｄ Ｉ Ｆ Ｇ Ｄ 、 Ｓ 、 Ｐ Ａ等新器 件 、 Ｐ 新技术的出现和发展 ， 解决以上提 出的” 瓶颈 ” 问题 已不再困难 。用全数字化技术来处理和分 析核脉冲信号能够较方便地实现一些模拟技术 难以实现 的功能。脉冲信号放大后 ， 不再通 过 阈值甄别 电路和峰值检测 电路展宽脉冲峰值 ， 而是 由高速 ） Ｃ实时采样， Ｆ Ｇ 和 Ｄ Ｐ 经 ＰＡ Ｓ 处理后得到精确的数字峰值。同时获得核脉冲 信号的波形信息、 时间信息和能量信息 ， 并将数 字峰值送入计算机中利用谱分析软件对信号进 行定性和定量分析 。其分析精度、 灵活性都优 于模拟分析。因此， ＭＣ Ｄ Ａ可有效地提升仪器
基于CPLD+ARM的多道脉冲幅度分析器设计
１ 系统组成原理
本文设计 的多道脉冲幅度分析器主要由如
能谱采集系统 中。３ ２位 Ｃ ｒｘ Ｍ Ｒ ｏ ｅ — ３Ａ Ｍ嵌入 ｔ
式微处理器具有高性能 、 低功耗的特性 ， 并且提 供 了大量 的软件参考库 ， 能有效降低软件编程
和调 试难 度 ； 一 代 Ｃ Ｌ 新 Ｐ Ｄ芯 片 具 有 逻 辑 资 源
第３ ２卷
２１ ０ ２年
第１ 期
１ 月
核电子学与探测技术
Ｎｕ ｌａ ｌ ｃｒ ｎ ｃ ｃ ｅ ｒ Ｅ ｅ ｔｏ ｉ ｓ＆ Ｄｅｅ ｔ ｎ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｔ ｃｉ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｏ
Ｖ０． ２ Ｎ ． １３ ｏ １
Ｊｎ． ２ １ ａ ０２
基于 Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ＋ＡＲ 的 多道 脉 冲 幅 度 分 析 器 设 计 Ｍ
来 自模拟处理前端的核脉冲信号经甄别 电 路进行过峰检测后送入峰值保 持电路 ， 核脉 冲
收稿 日期 ：０ １ １ ０ ２ １ —１ — ９
峰值信号 经其 展 宽后 送至 模数 转换 电路 ， 由 ＣＬ Ｐ Ｄ芯 片控 制 Ａ Ｄ转换 过 程 ， 将 ＡＤ转 换 结 并
果 送 人 Ｃ Ｌ 内 的 ＦＦ 队 列 中 缓 存 ， ＰＤ ＩＯ Ｓ Ｍ ２ １３ Ｅ微处理器通过 １ Ｔ ３ Ｆ０ Ｚ ６位并行总线 以 中断方式读取 Ａ Ｄ转换结果 ，Ｔ ３ Ｆ０ Ｚ Ｓ Ｍ ２ １３ Ｅ对 量化后的核脉 冲数据进行分析处理 ， 一个输 对 入核脉 冲峰值 分析完 以后 ， Ｐ Ｄ控制逻辑恢 ＣＬ
９】
基金项 目： 中央高校基 本科 研业 务费 专项 资金 项 目 资助 （ ３ ０９ ９２ 。 ５ ２ ０ ５ １４） 作者 简介 ： 曾卫华 （９ ８一）男 ， １７ ． 江西上犹人 ， 中国地 质 大学 （ 京 ） 北 地球 物理 与 信 息 技 术学 院讲 师 ， 博 士， 从事 地球 物理新仪器 的研 究。
脉冲幅度甄别和分析
若分别调节上、下甄别器的阈值，不仅不方便，而且很容易 使道宽不均匀，造成幅度谱畸变
微分甄别器
阈值与道宽的调节方法
微分甄别器
阈值与道宽的调节方法
利用GH和反馈网络F组成上甄别器，GL和F为下甄别器，则：
VTH VA VB VA VC VBC VTL VA VC VA VC VK VTH VTL | VBC |
定状态
积分甄别器
直流施米特甄别器
在放大器与反馈回路为直流耦合情况下，输入输出的特性曲 线为：
积分甄别器
直流施米特甄别器
此时放大器线性区只有一定范围，当Vo=VoL或Vo=VoH 时均会进 入截止状态，因而在M>1时Vo只可能有二种值，任何中间状态 不可能保持稳定
当Vo=VoL时，稳定条件为：Vi ≤ VD1 = V1 - FVoL 当Vo=VoH时，稳定条件为：Vi ≥ VD2 = V2 - FVoH 当Vi > VD1或Vi < VD2时，放大器的状态发生跳变
微分甄别器
时间移动问题
使用延迟电路将Dt输出信号延迟，从而解决了时间移动带来的 问题
微分甄别器
时间移动问题
加入延时电路后，输出与输入在时间上有较好的固定关系 假定输入信号前沿近似用线性上升的规律来表达：
ui t Vit / tm
甄别器Dt的阈值为Vt0，Dt被触发后输出信号出现的时间为：
0
积分甄别器
触发器的翻转过程
设VT=Vg+Vs0为甄别阈，则当输入信号Vi<Vg时，为未触发状态， 当Vi>VT时为真触发，而当Vg<Vi<VT时，为模糊触发
模糊触发区域大小为Vs0，其随着Tw的增大或τ的减小而增加 对与非矩形信号输入，在脉冲宽度一定的条件下，信号前沿
微分甄别器
阈值与道宽的调节方法
微分甄别器
阈值与道宽的调节方法
利用GH和反馈网络F组成上甄别器，GL和F为下甄别器，则：
VTH VA VB VA VC VBC VTL VA VC VA VC VK VTH VTL | VBC |
定状态
积分甄别器
直流施米特甄别器
在放大器与反馈回路为直流耦合情况下，输入输出的特性曲 线为：
积分甄别器
直流施米特甄别器
此时放大器线性区只有一定范围，当Vo=VoL或Vo=VoH 时均会进 入截止状态，因而在M>1时Vo只可能有二种值，任何中间状态 不可能保持稳定
当Vo=VoL时，稳定条件为：Vi ≤ VD1 = V1 - FVoL 当Vo=VoH时，稳定条件为：Vi ≥ VD2 = V2 - FVoH 当Vi > VD1或Vi < VD2时，放大器的状态发生跳变
微分甄别器
时间移动问题
使用延迟电路将Dt输出信号延迟，从而解决了时间移动带来的 问题
微分甄别器
时间移动问题
加入延时电路后，输出与输入在时间上有较好的固定关系 假定输入信号前沿近似用线性上升的规律来表达：
ui t Vit / tm
甄别器Dt的阈值为Vt0，Dt被触发后输出信号出现的时间为：
0
积分甄别器
触发器的翻转过程
设VT=Vg+Vs0为甄别阈，则当输入信号Vi<Vg时，为未触发状态， 当Vi>VT时为真触发，而当Vg<Vi<VT时，为模糊触发
模糊触发区域大小为Vs0，其随着Tw的增大或τ的减小而增加 对与非矩形信号输入，在脉冲宽度一定的条件下，信号前沿
基于S3C2410的多道脉冲幅度分析器硬件设计
３ ００ ３３ ０）
摘 要 ： 文介绍 ＿ 道脉 冲幅度分 析器 各组成部 分 ， 该 『 多 重点 阐述 了脉 冲检 测 电路 、 峰检测 电路 、 样保持 电路 过 采
的］ 作原理 及 以 ￥ Ｃ ４ ０微处理 器作 为中心 的接 ［ 控制 电路。 ３２１ ｊ
关键词 ： 多道脉 冲； 过峰 检测 ； 采样 保持 ； ３ ２ １ ￥ Ｃ４ ０
张玉 辉 ， 冬 霞 （ 德 镇 高 等专 科 学 校 ， 两 景 德 镇 ３ ３０ ） 王 景 江 ３ ０ ０
Ｚ ａ ｕ ｕ ， ａ ｇ Ｄｏ 一 【 （ ｈ ｎｇ Ｙ －ｈ ｉ Ｗ ｎ ｎｇ ）ａ Ｊ １ｚｌ Ｃ ｍ ｐ ｅ ｅ ｓ ｅＣ ｌ ｇ ， ｇ ｉ ｉ ｇ ｅ ｈ ｎ ｉ ｝ ｔ ￣ｒ ｈ ｎ ｉ ｏｌ ｅ ｊ ｘ Ｊ ｄ ｚ ｅ ｖ ｅ Ｊ ｎ
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文献 标 识 码 ： Ａ
文 章 编 号 ：０ ３０１７２ １） —０ ６． １０ — ０（０ ｔ ３ ０ １－３ ０ ０
Ａｂｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｉ ｐ ｎ ｒ ｕ ｅｄ ０ ｅ ｈ ｒ ｔ ａ ｔ ｈｓ ｐａ ｅｒｉｔ ｏｄ ｃ ａ ｄｗａ ｅ ｄｅ ｉ ｆ ｈ ｕｔ— ａ ｎ ｌ ｌｅ ａｍｐｌｕ ｎ ｙ ｅｒ ｏ ｕ ｅ ｏ ｈ ｅ ａ ｉｇ ｐ ｉ — ｒ ｓｇｎ ｏ ｅ ｍ ｌ ｃｈ ｎ ｅ ｓ ｔ ｉ ｐｕ ｉ ｄｅ ａ ａｌ ｔ ｚ ／ ｃ ｓ ｄ ｎ ｔ ｅ ｏｐ ｒ ｔ ｒｎ ￣ ｎ ｃｐｌ ｆｔ ｅ ｐ ｓ ｅｔｃｔ ｎ ｃｒ ｕｔｏ ｅ ａ ｅ ｅ ｔ ｎ ｃ ｒ ｉｓ ｉ ｅ ｏ ｈ ｕｌ ｄ ｅ ｉ ｉ ｉ ｖ ｐｅ ｋ ｄ ｔ ｃ ｉ ｉ ｅ ｏ ｃ ， ｒ ｏ ｃｕｔ ａｍｐｌ－ｈ ｄ ｎ ｉ ｕｉａ ｅ ａ ｈ ｛Ｉ ｒ￡ ｅ ｃ ｎ ｒ ｉ ｕｔ ｗｈｃ ， ｅ ｏｌｉ ｇ ｃｒ ｔ ｓ ｗ ¨ ｓ ｅ ｎ ｅ ｝ ｃ ． ｏ ｔ ｏｌｃｒ ｉ ｃ Ｉｈ
摘 要 ： 文介绍 ＿ 道脉 冲幅度分 析器 各组成部 分 ， 该 『 多 重点 阐述 了脉 冲检 测 电路 、 峰检测 电路 、 样保持 电路 过 采
的］ 作原理 及 以 ￥ Ｃ ４ ０微处理 器作 为中心 的接 ［ 控制 电路。 ３２１ ｊ
关键词 ： 多道脉 冲； 过峰 检测 ； 采样 保持 ； ３ ２ １ ￥ Ｃ４ ０
张玉 辉 ， 冬 霞 （ 德 镇 高 等专 科 学 校 ， 两 景 德 镇 ３ ３０ ） 王 景 江 ３ ０ ０
Ｚ ａ ｕ ｕ ， ａ ｇ Ｄｏ 一 【 （ ｈ ｎｇ Ｙ －ｈ ｉ Ｗ ｎ ｎｇ ）ａ Ｊ １ｚｌ Ｃ ｍ ｐ ｅ ｅ ｓ ｅＣ ｌ ｇ ， ｇ ｉ ｉ ｇ ｅ ｈ ｎ ｉ ｝ ｔ ￣ｒ ｈ ｎ ｉ ｏｌ ｅ ｊ ｘ Ｊ ｄ ｚ ｅ ｖ ｅ Ｊ ｎ
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文献 标 识 码 ： Ａ
文 章 编 号 ：０ ３０１７２ １） —０ ６． １０ — ０（０ ｔ ３ ０ １－３ ０ ０
Ａｂｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｉ ｐ ｎ ｒ ｕ ｅｄ ０ ｅ ｈ ｒ ｔ ａ ｔ ｈｓ ｐａ ｅｒｉｔ ｏｄ ｃ ａ ｄｗａ ｅ ｄｅ ｉ ｆ ｈ ｕｔ— ａ ｎ ｌ ｌｅ ａｍｐｌｕ ｎ ｙ ｅｒ ｏ ｕ ｅ ｏ ｈ ｅ ａ ｉｇ ｐ ｉ — ｒ ｓｇｎ ｏ ｅ ｍ ｌ ｃｈ ｎ ｅ ｓ ｔ ｉ ｐｕ ｉ ｄｅ ａ ａｌ ｔ ｚ ／ ｃ ｓ ｄ ｎ ｔ ｅ ｏｐ ｒ ｔ ｒｎ ￣ ｎ ｃｐｌ ｆｔ ｅ ｐ ｓ ｅｔｃｔ ｎ ｃｒ ｕｔｏ ｅ ａ ｅ ｅ ｔ ｎ ｃ ｒ ｉｓ ｉ ｅ ｏ ｈ ｕｌ ｄ ｅ ｉ ｉ ｉ ｖ ｐｅ ｋ ｄ ｔ ｃ ｉ ｉ ｅ ｏ ｃ ， ｒ ｏ ｃｕｔ ａｍｐｌ－ｈ ｄ ｎ ｉ ｕｉａ ｅ ａ ｈ ｛Ｉ ｒ￡ ｅ ｃ ｎ ｒ ｉ ｕｔ ｗｈｃ ， ｅ ｏｌｉ ｇ ｃｒ ｔ ｓ ｗ ¨ ｓ ｅ ｎ ｅ ｝ ｃ ． ｏ ｔ ｏｌｃｒ ｉ ｃ Ｉｈ