瞬變光輻射采集系統(tǒng)設計

摘要：介紹一種針對瞬變光輻射信號探測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該方案以FPGA為控制處理核心，實現(xiàn)了高性能的數(shù)據(jù)采集。針對特定目標信號，采用變頻采樣技術，在電路上以變頻存儲的方式實現(xiàn)，降低了設計難度。采用Altera公司的EPF10K20為設計載體，使用VHDL語言對該采集系統(tǒng)的控制邏輯和時序進行了硬件語言描述。該設計方案占用的FPGA資源少，具有實時性好、可靠性高、集成度高和易于移植等特點。
關鍵詞：瞬變光；變頻采樣；數(shù)據(jù)采集；FPGA；先進先出存儲器

0 引言
在瞬變光輻射探測系統(tǒng)中，目標信號波形的實時采集至關重要。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，可以對目標信號的光能量以及頻譜分布等各種特征參數(shù)進行估計。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常采用單片機或DSP作為控制器來控制ADC、存儲器和其他外圍電路工作。而單片機和DSP的各種功能要靠軟件的運行來實現(xiàn)，其執(zhí)行的效率受到很大限制，軟件的運行時間在整個采樣時間中占很大的比重。近年來，隨著FPGA性能的不斷提升，以FPGA為控制核心進行數(shù)據(jù)采集和存儲的應用系統(tǒng)方案得到廣泛采納。FPGA具有單片機和DSP無法比擬優(yōu)勢：FPGA時鐘頻率高，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)瞬變光輻射探測中強背景、弱目標的特點，設計出以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雙重濾波通道，二級程控放大，有效地保證了信號采集質量；同時對目標信號采用變頻存儲，大大降低了對數(shù)據(jù)存儲與傳輸?shù)囊?，保證了采集過程中有較一致的測量精度。

1 系統(tǒng)組成及工作原理
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大致可分為三個部分：前級預處理模塊，采樣存儲模塊，F(xiàn)PGA控制模塊，其中前級預處理模塊包括光電轉換器件，有源濾波器組，程控放大電路等。整個系統(tǒng)框圖如圖1所示，光電轉換電路將進入系統(tǒng)的光信號通過探測器轉化為電流信號，然后經跨阻運算放大器轉換為電壓信號。系統(tǒng)設計兩個濾波通道：背景采用低通濾波，信號采用高通濾波。在起始狀態(tài)，模擬開關默認選通背景通道，程控放大器設置為背景模式。背景信號經A／D采樣后送入FPGA，進行閾值比較。當檢測到大于閾值的情況時，F(xiàn)PGA對模擬開關進行通道切換，高通濾波器通道選通，同時程控放大器工作模式選擇為信號模式。根據(jù)信號前陡后緩的特點，F(xiàn)PGA通過對A／D與FIFO的協(xié)同控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)先密后疏地采集存儲。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計
2．1 前級預處理電路
光電檢測電路中，光電探測器直接關系著系統(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，探測器的感光面積不能過大，否則會導致暗電流、節(jié)電容、上升時間等參數(shù)增大，影響探測效果。設計中采用日本濱松公司的S2387硅光二極管，該探測器具有靈敏度高，時間響應快，動態(tài)范圍大等特點。電路設計采用零偏置模式，無暗電流，二極管噪聲主要是分流電阻產生的熱噪聲，同時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，反應速度快，濾除諧波效果好，可以動態(tài)的補償無功功率。程控放大器由集成運放與模擬開關組成，通過FPGA控制模擬開關，在運放的輸入端接入不同的電阻實現(xiàn)增益的調整。