Data-acquisitiesysteem voor detectie van tijdelijk optisch stralingssignaal
Op basis van de kenmerken van een sterke achtergrond en een zwak doelwit bij de detectie van voorbijgaande optische straling, ontwerpt dit document een data-acquisitieschema met FPGA als de kern van controle en verwerking. Het schema maakt gebruik van achtergrond- en signaaldubbele filterkanalen, programmagestuurde versterking op twee niveaus, die de kwaliteit van signaalverwerving effectief garandeert; tegelijkertijd gebruikt het frequentieomzettingsopslag voor doelsignalen, wat de vereisten voor gegevensopslag en -overdracht aanzienlijk vermindert, en zorgt voor een consistenter acquisitieproces. meetnauwkeurigheid.
1 Systeemsamenstelling en werkingsprincipe
Het data-acquisitiesysteem kan grofweg in drie delen worden verdeeld: de voorverwerkingsmodule, de bemonsteringsopslagmodule en de FPGA-besturingsmodule. De voorverwerkingsmodule omvat foto-elektrische conversieapparaten, actieve filterbanken en programmagestuurde versterkerschakelingen. Het blokschema van het hele systeem wordt getoond in figuur 1. Het foto-elektrische conversiecircuit zet het optische signaal dat het systeem binnenkomt om in een stroomsignaal via een detector en zet het vervolgens om in een spanningssignaal via een operationele transimpedantieversterker. Het systeem ontwerpt twee filterkanalen: de achtergrond gebruikt laagdoorlaatfiltering en het signaal gebruikt hoogdoorlaatfiltering. In de begintoestand selecteert de analoge schakelaar standaard het achtergrondkanaal en wordt de programmeerbare versterker ingesteld op de achtergrondmodus. Nadat het achtergrondsignaal is bemonsterd door A/D, wordt het naar FPGA gestuurd voor drempelvergelijking. Wanneer een situatie groter dan de drempel wordt gedetecteerd, schakelt de FPGA het kanaal van de analoge schakelaar, wordt het kanaal van het hoogdoorlaatfilter geselecteerd en wordt de bedrijfsmodus van de programmagestuurde versterker geselecteerd als de signaalmodus. Volgens de kenmerken van het signaal dat aan het begin steil is en aan het einde traag, realiseert de FPGA de verzameling en opslag van gegevens dicht en vervolgens spaarzaam door de gecoördineerde besturing van A/D en FIFO.
2. Hardware-ontwerp van data-acquisitiesysteem
2.1 Voorbewerkingscircuit voortrap
In het foto-elektrische detectiecircuit is de fotodetector direct gerelateerd aan de kwaliteit van de systeemprestaties. Om de invloed van geïnduceerde stroom veroorzaakt door elektromagnetische straling uit de omgeving te verminderen, is het apparaat geschikt voor keramische verpakkingen. Bovendien mag het lichtgevoelige gebied van de detector niet te groot zijn, anders zullen parameters zoals donkerstroom, junctiecapaciteit en stijgtijd toenemen, wat het detectie-effect zal beïnvloeden. In het ontwerp is de S2387 silicium fotodiode van Japan Hamamatsu Company gebruikt. De detector heeft de kenmerken van hoge gevoeligheid, snelle reactietijd en groot dynamisch bereik. Het ontwerp van het circuit maakt gebruik van de zero bias-modus, geen donkere stroom, de dioderuis is voornamelijk de thermische ruis die wordt gegenereerd door de shuntweerstand en heeft de beste precisie en lineariteit. Het hoog- en laagdoorlaatfilter maakt gebruik van een actief filter, dat een hoge reactiesnelheid heeft, een goed effect heeft op het filteren van harmonischen en reactief vermogen dynamisch kan compenseren. De programmagestuurde versterker bestaat uit een geïntegreerde operationele versterker en een analoge schakelaar. De analoge schakelaar wordt bestuurd door FPGA en verschillende weerstanden zijn aangesloten op de ingangsaansluiting van de operationele versterker om de versterking aan te passen.
2.2 Bemonstering opslagcircuit
Omdat het dynamische bereik van het doelsignaal erg groot is (ongeveer 80 dB), is het noodzakelijk om een ADC te selecteren met een breed dynamisch bereik om de acquisitie van het signaal te realiseren. Door 14 b ADC te gebruiken om de signalen te bemonsteren met een dynamisch bereik waarvan de amplitude varieert tot 4 ordes van grootte, kan worden voldaan aan de eisen van hoge detectiegevoeligheid die door het systeem worden vereist. Aangezien echter alle A/D-conversieapparaten precisiefouten hebben, kan het gebruik van zeer nauwkeurige A/D-conversiecomponenten als laagprecieze A/D-conversiecomponenten precisiefouten verminderen. Dit ontwerp gebruikt 16 bAD976A van ADI Company. AD976A laag stroomverbruik 16 b opeenvolgende benadering A / D-converter, de conversiesnelheid is 200 KSPS, kan interne of externe 2,5 V-referentievoeding kiezen. Met de AD976 kunnen 16 b tegelijkertijd parallel worden uitgevoerd, en kan worden uitgevoerd in de vorm van twee 8 b. Om pinnen in het ontwerp te sparen, worden dubbele 8b-uitgangen gebruikt.
Om een nauwkeurige overdracht van gegevens tussen verschillende klokdomeinen te garanderen, maakt de datacache gebruik van een asynchrone FIFO. De asynchrone FIFO heeft de kenmerken van hoge snelheid en goede betrouwbaarheid en kan verkeerde bemonstering van gegevens als gevolg van faseverschillen tussen verschillende klokken voorkomen. De IDT7204 die in het ontwerp is overgenomen, is een 4 096 × 9 b CMOS dual-port geheugencachechip in de IDT72XX-serie. De interne lees- en schrijfwijzers worden gelezen en geschreven op basis van first-in first-out, en de schrijfklok W en leesklok R worden extern verschaft; de volledige vlag () en de lege vlag () regelen de gegevensoverloop en leeg lezen, en schrijven wanneer het simulatiegeheugen vol is. Het kan gemakkelijk elke woorddiepte en woordlengte uitbreiden.
