基于实时数字恒比定时技术的数字时间谱仪研究

摘要

核事件的许多信息以时间信息的方式存在于核辐射探测器输出信号中，例如粒子激发态寿命表现为相继两信号的时间间隔分布，中子能量可以表现为中子飞越一定距离所需的飞行时间，粒子入射的空间位置可表现为位置灵敏探测器输出信号的时间信息，入射粒子的种类也可反映在信号电荷的时间分布。为了探测核事件的性质、发生时间和位置，需要获取核脉冲信号的时间信息并进行处理。
　　 恒比定时(ConstantFractionTiming，CFD)是核物理和粒子物理实验中用于准确确定粒子入射时间的一种重要定时技术。恒比定时的原理是采用恒定幅度触发比来检测核脉冲前沿到达的时刻，能够修正脉冲幅度变化对定时的影响。传统的恒比定时方法采用模拟定时甄别电路给出定时信号，再由时间数字化芯片TDC量化，通过计算机对时间信息进行统计，可以获得所需要的时间谱波形。其模拟电路结构较为复杂，系统设备庞大。
　　 数字恒比定时(digitalConstantFractionTiming，dCFD)方法是采用数字信号处理技术分析和处理核脉冲信号，由模数转换芯片ADC直接对脉冲信号全波形采样，以数值计算取代模拟定时电路。此设计方法优点在于以全数字化手段完整保留核事件的全部现场信息，能够一次测量从脉冲序列中获取幅度、时间、粒子类型等整套信息，系统结构简单，算法调整方便。
　　 基于数字恒比定时原理，本论文设计了一套通用硬件电路系统来完成实时核脉冲数字恒比定时计算。该系统的设计主要采用如下的技术路线：使用高速ADC数字量化，使用MATLAB信号模型并设计合适的滤波、定时算法，利用高性能的FPGA(FieldPrograrmmableGateArray)和DSP(DigitalSignalProcessor)器件硬件实时处理，实现高精度的幅度和时间测量，使用USB2.0高速数据接口与主机通信。
　　 本论文的主要工作和创新点如下：
　　 1、采用MATLAB进行信号建模和算法设计，实现数字滤波器设计、定时算法优化、离线数据处理、系统性能ENOB/SNR和DNL/INL测试、物理数据统计等系统功能，并集成到一个GUI工程。
　　 2、基于数字恒比定时原理，研制了国内首台以FPGA和DSP为并行处理核心的双通道数字恒比定时电子学系统原型机，系统的主要功能集成在NIM插件电路上实现，能够实现两路信号实时量化、滤波、幅度计算、时间计算工作；
　　 目前，本论文所设计的电子学系统原型机已经完成，并经过了一系列电子学测试，测试结果表明数字恒比定时电子学系统接近模拟定时的精度，在功能集成和算法灵活上有较突出优点。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1.1 核辐射探测器简介

1.2 核电子学信号处理系统

1.3 国内外的核电子学信号处理系统发展

1.3.1 国内外的数字能谱系统

1.3.2 国内外的数字时间谱系统

1.4 本论文的主要工作及特点

1.5 本论文的内容组织

第2章 定时技术

2.1 前沿定时

2.1.1 信号幅度变化引起的时间游动

2.1.2 信号上升时间变化引起的时间游动

2.1.3 噪声引起的时间晃动

2.1.4 信号统计涨落引起的时间晃动

2.1.5 前沿定时的修正

2.2 过零定时

2.3 恒比定时

2.4 幅度上升沿补偿定时

2.5 模拟时间检出方式的比较

2.6 数字恒比定时

2.6.1 波形数字化

2.6.2 数字信号处理

第3章 dCFD数字时间谱仪的硬件电路设计

3.1 dCFD数字时间谱仪的方案概述

3.2 成形模块

3.2.1 极零相消

3.2.2 抗混叠滤波

3.2.3 单端转差分

3.2.4 成形电路结构

3.3 ADC模块

3.4 FPGA(Field-Programmable Gate Array)模块

3.4.1 Altera公司Cyclone III系列FPGA

3.4.2 FPGA时钟设计

3.4.3 FPGA电源设计

3.4.4 FPGA配置

3.5 DSP(Digital Signal Processor)模块

3.5.1 DSP芯片结构特点

3.5.2 TMS320VC5416 DSP主要特性

3.5.3 DSP数据接口

3.5.4 DSP配置方式

3.6 USB模块

3.6.1 USB总线介绍

3.6.2 Cypress公司CY7C68013A USB芯片

3.6.3 CY7C68013A接口方式

3.6.4 CY7C68013A固件、驱动与配置方式

3.7 其他部分设计

3.7.1 信号布线设计

3.7.2 板级电源设计

第4章 dCFD算法方案及算法设计

4.1 dCFD算法方案

4.2 FPGA逻辑设计

4.2.1 全局时钟模块

4.2.2 FIFO缓存模块

4.2.3 TRIG触发模块

4.2.4 FIR滤波模块

4.2.5 去基线模块

4.2.6 粗计数模块

4.2.7 MUX分配模块

4.2.8 DSP接口与控制模块

4.2.9 USB接口与控制模块

4.3 DSP逻辑设计

4.3.1 DSP设计环境

4.3.2 DSP初始化

4.3.3 DSP接口函数

4.3.4 DSP数字信号处理

4.3.5 程序设计深入考虑

4.4 USB逻辑设计

4.4.1 USB固件(Firmware)设计

4.4.2 USB驱动(Driver)设计

4.4.3 USB用户程序(Borland C++)设计

4.5 MATLAB算法设计

4.5.1 信号建模

4.5.2 FIR滤波器设计与仿真

4.5.3 定时与分析算法设计

4.5.4 GUI界面工程设计

第5章 系统测试

5.1 ADC线性测试

5.1.1 ADC静态非线性测试

5.1.2 ADC动态非线性测试

5.2 ADC动态性能指标测试

5.3 电子学平台测试

5.4 22Na正电子测试

5.5 测试结果与国内外实验结果对照

5.5.1 CFD实验对照

5.5.2 dCFD实验对照

5.6 dCFD系统误差分析

5.6.1 电子学系统误差

5.6.2数值插值系统误差

第6章 总结和展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

附录 时间测量系统电路设计

致谢

攻读学位期间发表文章