瞬變光輻射采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種針對(duì)瞬變光輻射信號(hào)探測(cè)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該方案以FPGA為控制處理核心，實(shí)現(xiàn)了高性能的數(shù)據(jù)采集。針對(duì)特定目標(biāo)信號(hào)，采用變頻采樣技術(shù)，在電路上以變頻存儲(chǔ)的方式實(shí)現(xiàn)，降低了設(shè)計(jì)難度。采用Altera公司的EPF10K20為設(shè)計(jì)載體，使用VHDL語(yǔ)言對(duì)該采集系統(tǒng)的控制邏輯和時(shí)序進(jìn)行了硬件語(yǔ)言描述。該設(shè)計(jì)方案占用的FPGA資源少，具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、集成度高和易于移植等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：瞬變光；變頻采樣；數(shù)據(jù)采集；FPGA；先進(jìn)先出存儲(chǔ)器

0 引言
在瞬變光輻射探測(cè)系統(tǒng)中，目標(biāo)信號(hào)波形的實(shí)時(shí)采集至關(guān)重要。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，可以對(duì)目標(biāo)信號(hào)的光能量以及頻譜分布等各種特征參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常采用單片機(jī)或DSP作為控制器來(lái)控制ADC、存儲(chǔ)器和其他外圍電路工作。而單片機(jī)和DSP的各種功能要靠軟件的運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)，其執(zhí)行的效率受到很大限制，軟件的運(yùn)行時(shí)間在整個(gè)采樣時(shí)間中占很大的比重。近年來(lái)，隨著FPGA性能的不斷提升，以FPGA為控制核心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的應(yīng)用系統(tǒng)方案得到廣泛采納。FPGA具有單片機(jī)和DSP無(wú)法比擬優(yōu)勢(shì)：FPGA時(shí)鐘頻率高，全部控制邏輯由硬件完成，速度快，效率高；形式靈活，易于移植，可以集成外圍控制、譯碼和接口電路。
本文根據(jù)瞬變光輻射探測(cè)中強(qiáng)背景、弱目標(biāo)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出以FPGA為控制和處理的核心的數(shù)據(jù)采集方案。該方案采用背景與信號(hào)雙重濾波通道，二級(jí)程控放大，有效地保證了信號(hào)采集質(zhì)量；同時(shí)對(duì)目標(biāo)信號(hào)采用變頻存儲(chǔ)，大大降低了對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)囊?，保證了采集過(guò)程中有較一致的測(cè)量精度。

1 系統(tǒng)組成及工作原理
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大致可分為三個(gè)部分：前級(jí)預(yù)處理模塊，采樣存儲(chǔ)模塊，F(xiàn)PGA控制模塊，其中前級(jí)預(yù)處理模塊包括光電轉(zhuǎn)換器件，有源濾波器組，程控放大電路等。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示，光電轉(zhuǎn)換電路將進(jìn)入系統(tǒng)的光信號(hào)通過(guò)探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，然后經(jīng)跨阻運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)濾波通道：背景采用低通濾波，信號(hào)采用高通濾波。在起始狀態(tài)，模擬開(kāi)關(guān)默認(rèn)選通背景通道，程控放大器設(shè)置為背景模式。背景信號(hào)經(jīng)A／D采樣后送入FPGA，進(jìn)行閾值比較。當(dāng)檢測(cè)到大于閾值的情況時(shí)，F(xiàn)PGA對(duì)模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行通道切換，高通濾波器通道選通，同時(shí)程控放大器工作模式選擇為信號(hào)模式。根據(jù)信號(hào)前陡后緩的特點(diǎn)，F(xiàn)PGA通過(guò)對(duì)A／D與FIFO的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)先密后疏地采集存儲(chǔ)。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 前級(jí)預(yù)處理電路
光電檢測(cè)電路中，光電探測(cè)器直接關(guān)系著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。為了減小由環(huán)境電磁輻射所引起的感生電流的影響，器件適宜選擇陶瓷封裝。另外，探測(cè)器的感光面積不能過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致暗電流、節(jié)電容、上升時(shí)間等參數(shù)增大，影響探測(cè)效果。設(shè)計(jì)中采用日本濱松公司的S2387硅光二極管，該探測(cè)器具有靈敏度高，時(shí)間響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)。電路設(shè)計(jì)采用零偏置模式，無(wú)暗電流，二極管噪聲主要是分流電阻產(chǎn)生的熱噪聲，同時(shí)具有最佳的精密度和線性度。高低通濾波器采用有源濾波器，反應(yīng)速度快，濾除諧波效果好，可以動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償無(wú)功功率。程控放大器由集成運(yùn)放與模擬開(kāi)關(guān)組成，通過(guò)FPGA控制模擬開(kāi)關(guān)，在運(yùn)放的輸入端接入不同的電阻實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)整。