窄脉冲信号的高速数字化直接采样成谱研究

摘要

在粒子物理、高能物理及核辐射环境监测领域，能谱分析是获取核辐射场能量信息、位置信息及时间信息的一种重要手段。在中子闪烁测器应用中，为了实现中子伽马甄别，需要对窄电流脉冲信号进行形状甄别，其关键在于对窄脉冲信号的高速数字化;在高放射性环境下获取辐射场的剂量分布、核素信息从而准确定位放射源物质，识别出放射源类型，是目前研究的热点，其设计难点在于将探测器输出信号成形为窄脉冲，从而减小脉冲堆积，并在此基础上实现高计数率多道脉冲幅度分析。为此开发针对窄脉冲信号的高速数字多道脉冲幅度分析器具有重要的实用价值与学术意义。目前的多道脉冲幅度分析主流采用的是全数字化技术，因此也使得高计数率能谱分析成为了可能。随着高速集成芯片制造水平的飞速发展，超高速模数转换器、高频放大器及大规模快速现场可编程门阵列芯片也日益涌现，使得核脉冲信号的高速数字化离散与能谱采集具备了实现可能。针对目前多道脉冲幅度分析器技术通过率较低，模拟带宽窄的问题开展研究工作，设计了增益可数控调节的高速模拟前端电路、高速模拟数字转换电路及基于高速FPGA的直接数字采样的成谱。
　　本研究主要内容包括：⑴采用直接耦合方式设计模拟信号调理电路，并加入了高速硬件增益调节、极性转换和直流偏移调节等功能，实现高频脉冲信号调节。本系统针对高计数率窄脉冲信号，设计了高速模拟前端，保证信号不失真通过。经测试，大信号-3dB带宽为110MHz，小信号带宽可达200MHz。⑵低抖动采样时钟、高速模数转换(ADC)及高速数据传输是系统的关键所在，也是本系统的难点。采用ADI公司的高速、低功耗模数转换芯片AD9434-500，实现500 MSPS高速离散采样，全速工作时功耗为690mW。⑶采用Xilinx公司的现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片XC4VFX20，实现645MHz的LVDS通信速度，根据信号完整性理论实现FPGA与ADC之间的高速LVDS走线。在FPGA内完成高速窄脉冲离散数据的获取、滤波、幅度提取、存储等操作。⑷系统设计了FPGA+SOPC(PowerPC)架构，实现高性能的嵌入式控制系统，简化了硬件设计。将USB外设挂接到PowerPC的PLB总线上，与PC端软件实现数据的高速传输。⑸从电源拓扑结构、PCB布局、芯片选型、电路参数选择等方面考虑实现了低噪声、高效率、大电流、快速动态性电源系统，整体噪声水平控制在5mV，且只需一个DC-2.5接口的单电源即可实现复杂电源系统的供电，电源供电范围为6.8V to20V。⑹开发了基于D2XX、SQLite库和Visual C++6.0的MFC平台，完成PC端软件设计，通过该软件平台完成软、硬件的实验测试，验证了系统的性能稳定性、可靠性。⑺采用信号源实际测试，系统通过率可达到10Mcps，线性度为0.9998;应用本文的高速数字多道连接了NaI(T1)闪烁体、掺硼塑料闪烁体、LaBr3(Ce)闪烁体等探测器，采用直接采样方法实测了能谱曲线，验证了高速数字多道的实用性。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景与意义

1．2 本课题研究进展

1．3 本文主要研究内容

第2章 HDMCA硬件系统设计

2．1 HDMCA模型与工作原理

2．2 HDMCA硬件系统设计

2．2．1 前端保护电路

2．2．2 硬件增益调节电路

2．2．3 极性转换电路

2．2．4 直流偏移调节电路

2．2．5 ADC差分驱动电路

2．3 高速模拟前端测试

2．4 高速采样系统

2．4．1 高速ADC电路

2．4．2 高性能FPGA电路

2．4．3 高速USB电路

2．5 电源系统

2．5．1 电源芯片选择

2．5．2 低噪声、高效率开关电源设计

2．5．3 上电时序控制

第3章 信号完整性分析与高速PCB设计

3．1 硬件系统信号完整性分析

3．2 其他PCB布局规则

3．3 系统PCB设计

3．4 PCB制板实物

第4章 系统软件设计

4．1 板级软件设计

4．1．1 PowerPC 405硬核结构介绍

4．1．2 HDMCA IP核设计

4．1．3 HUSB驱动编写

4．1．4 下位机主控程序

4．2 PC端软件设计

4．2．1 上位机驱动库

4．2．2 上位机设计

第5章 系统性能评估

5．1 ADC性能评估

5．2 幅度提取性能评估

5．3 谱线测量

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果