瞬变光辐射采集系统设计

摘要：介绍一种针对瞬变光辐射信号探测的数据采集系统。该方案以FPGA为控制处理核心，实现了高性能的数据采集。针对特定目标信号，采用变频采样技术，在电路上以变频存储的方式实现，降低了设计难度。采用Altera公司的EPF10K20为设计载体，使用VHDL语言对该采集系统的控制逻辑和时序进行了硬件语言描述。该设计方案占用的FPGA资源少，具有实时性好、可靠性高、集成度高和易于移植等特点。
关键词：瞬变光；变频采样；数据采集；FPGA；先进先出存储器

0 引言
在瞬变光辐射探测系统中，目标信号波形的实时采集至关重要。根据采集到的数据，可以对目标信号的光能量以及频谱分布等各种特征参数进行估计。在传统数据采集系统中，通常采用单片机或DSP作为控制器来控制A工型电感DC、存储器和其他外围电路工作。而单片机和DSP的各种功能要靠软件的运行来实现，其执行的效率受到很大限制，软件的运行时间在整个采样时间中占很大的比重。近年来，随着FPGA性能的不断提升，以FPGA为控制核心进行数据采集和存储的应用系统方案得到广泛采纳。FPGA具有单片机和DSP无法比拟优势：FPGA时钟频率高，全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高；形式灵活，易于移植，可以集成外围控制、译码和接口电路。
本文根据瞬变光辐射探测中强背景、弱目标的特点，设计出以FPGA为控制和处理的核心的数据采集方案。该方案采用背景与信号双重滤波通道，二级程控放大，有效地保证了信号采集质量；同时对目标信号采用变频存储，大大降低了对数据存储与传输的要求，保证了采集过程中有较一致的测量精度。

1 系统组成及工作原理
数据采集系统大致可分为三个部分：前级预处理模块，采样存储模块，FPGA控制模块，其中前级预处理模块包括光电转换器件，有源滤波器组，程控放大电路等。整个系统框图如图1所示，光电转换电路将进入系统的光信号通过探测器转化为电流信号，然后经跨阻运算放大器转换为电压信号。系统设计两个滤波通道：背景采用低通滤波，信号采用高通滤波。在起始状态，模拟开关默认选通背景通道，程控放大器设置为背景模式。背景信号经A／D采样后送入FPGA，进行阈值比较。当检测到大于阈值的情况时，FPGA对模拟开关进行通道切换，高通滤波器通道选通，同时程控放大器工作模式选择为信号模式。根据信号前陡后缓的特点，FPGA通过对A／D与FIFO的协同控制，实现数据先密后疏地采集存储。

2 数据采集系统硬件设计
2．1 前级预处理电路
光电检测电路中，光电探测器直接关系着系统性能的优劣。为了减小由环境电磁辐射所引起的感生电流的影响，器件适宜选择陶瓷封装。另外，探测器的感光面积不能过大，否则会导致暗电流、节电容、上升时间等参数增大，影响探测效果。设计中采用日本滨松公司的S2387硅光二共模电感器极管，该探测器具有灵敏度高，时间响应快，动态范围大等特点。电路设计采用零偏置模式，无暗电流，二极管噪声主要是分流电阻产生的热噪声，同时具有最佳的精密度和线性度。高低通滤波器采用有源滤波器，反应速度快，滤除谐波效果好，可以动态的补偿无功功率。程控放大器由集成运放与模拟开关组成，通过FPGA控制模拟开关，在运放的输入端接入不同的电阻实现增益的调整一体成型电感器。
2．2 采样存储电路
由于目标信号动态范围很大(约为80 dB)，因此需要选择宽动态范围的ADC来实现对信号的采集。采用14 b ADC采样幅度变化达4个数量级的动态范围的信号，能满足系统所要求的高探测灵敏度要求。但是由于A／D转换器件都存在精度误差，用高精度的A／D转换元器件当作低精度的A／D转换元器件使用可以减小精度误差。本设计采用ADI公司的16 bAD976A。AD976A低功耗16 b逐次逼近式A／D转换器，转换速度为200 KSPS，可选用内部或是外部的2．5 V参考电源。AD976允许16 b一次并行输出，又可以以两个8 b的形式输出。设计中为节省管脚采用双8 b输出。
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