基于FPGA的核脉冲信号数字化处理过程关键技术研究

作     者：韦家军 

作者单位：西南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：印茂伟

授予年度：2020年

学科分类：0711[理学-系统科学] 080902[工学-电路与系统] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：FPGA 梯形成形 峰值提取 重峰判弃 

摘      要：数字多道脉冲幅度分析技术是核脉冲信号进行数字化处理过程的关键技术,具有稳定、分辨率高、信号处理速度快等优点,随着计算机技术和半导体技术的不断发展,数字多道脉冲幅度分析技术因其优点逐渐成为核能谱测量系统数字化研究的热门内容,备受领域内科研人员的关注。基于此,本文基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA,Field Programmable Gate Array）对核脉冲信号数字化处理过程中的关键技术展开研究,主要工作如下:首先研究核能谱数字化系统的原理与组成结构,并介绍了其中各个模块的作用与工作原理;其次,对核脉冲信号数字化处理方法做了简单描述,从中分析出核脉冲信号在数字化处理过程中产生对核能谱数字系统能量分辨率造成影响的两个因素为幅度亏损和量化误差,并提出了改变高速模/数转换器（ADC,Analog to Digital Converter）的采样频率与精度的思路来减小这两个因素所造成的影响。在研究核脉冲信号成形算法方面,主要研究基于Sallen-Key滤波电路的高斯成形算法与基于Z变换的梯形成形算法。通过将两种算法仿真结果对比,得出梯形成形算法性能优于高斯成形算法的结论。最终采用滤波器级联的方案实现梯形成形算法基于FPGA的模块化设计。在FPGA上实现梯形成形算法过程中,采用Altera公司CycloneⅣ系列EP4CE10F17C8型FPGA主控芯片驱动AD9237对核脉冲信号进行高速模数转换,利用VHDL硬件描述语言对算法进行逻辑功能描述,在Libero SoC v11.8编程环境中对核脉冲信号进行梯形成形、峰值提取、重峰判弃等算法的模块化设计以及功能仿真。仿真结果表明,利用FPGA设计的梯形成形算法不仅能将输入的负指数脉冲信号输出为梯形脉冲信号,同时还能够快速地识别出梯形脉冲的峰值以及对出现重峰进行判弃处理。最后将算法移植到外接核辐射探测器的算法测试硬件平台上进行,测试结果表明,算法能够有效地将核脉冲信号成形为规则的梯形脉冲并提取相应的峰值。