凌濤

（東華理工大學(xué)機械與工程技術(shù)學(xué)院，江西南昌，330032）

0 引言

理想的通過核輻射探測器輸出的核脈沖信號是一個負指數(shù)脈沖信號（射線本身可看作單位沖激信號）[1]，但是實際上，射線經(jīng)過放射性探頭自身（如晶體、半導(dǎo)體、氣體等）及其配套部件（如光電倍增管等）的轉(zhuǎn)化后，會成為雙指數(shù)脈沖信號，如圖1所示，相當(dāng)于電子學(xué)里面對沖激響應(yīng)的積分和微分過程。但不同類型的探測器輸出核脈沖的前沿、后沿的衰減時間會各有不同，即可看作積分和微分時間常數(shù)各有不同。

圖1 雙指數(shù)型核脈沖信號

最早的輻射信號發(fā)生器有模擬電路產(chǎn)生[1]，后來又有單片機和FPCA為核心來設(shè)計[2]，分別采用函數(shù)法，余數(shù)法，中心極限定理法和Box-Muller變換法[3][4]。

因此一個簡單的核脈沖發(fā)生器可設(shè)計成一個雙指數(shù)信號發(fā)生器，其脈沖幅度、 前沿積分時間常數(shù)、后沿微分時間常數(shù)、脈沖發(fā)生頻率均可在線調(diào)節(jié)即可。原理框圖如圖2所示。

圖2 核脈沖發(fā)生器原理框圖

在圖2中，由PC機向便攜式核脈沖發(fā)生器傳送脈沖幅度、前沿積分時間常數(shù)、前沿積分時間常數(shù)、后沿微分時間常數(shù)、脈沖發(fā)生頻率等命令，STM32將相關(guān)命令保存到數(shù)組中，同時利用STM32通過脈沖幅度和前/后沿時間常數(shù)調(diào)用指數(shù)函數(shù)計算各個點數(shù)據(jù)。STM32將所有點的幅度數(shù)據(jù)傳遞到FPGA的ram中，F(xiàn)PGA根據(jù)固定或指定的頻率向高速DAC發(fā)送數(shù)據(jù)，請求將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，并通過高速運放1將電流信號轉(zhuǎn)換電壓信號，并進行放大處理后由高頻濾波網(wǎng)絡(luò)消除掉DAC轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的階梯毛刺。

1 雙指數(shù)信號算法

式（1）中，X表示信號的時間值，A表示雙指數(shù)信號的前沿時間常數(shù)（可等效為前沿積分時間常數(shù)），B表示雙指數(shù)信號的后延時間常數(shù)（等效為后延微分常數(shù)），Y表示信號隨時間變化的幅值。

具體方法即通過在MDK5上函數(shù)產(chǎn)生呈雙指數(shù)分布的一定個數(shù)的幅值數(shù)據(jù)，再將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)保存在芯片本身的數(shù)組中，作為信號的原始數(shù)據(jù)；

2 SPI數(shù)據(jù)通信模塊

STM32單片機與FPGA之間的數(shù)據(jù)通信采用SPI通信，其實物連接如圖3；將單片機PA4,PA5,PA7依次連接到FPGA開發(fā)板J2的3，5，7口，作為數(shù)據(jù)通信接口進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 SPI通信連接圖

同樣，用MDK5編譯軟件編寫SPI通信協(xié)議以及傳輸函數(shù)，主要設(shè)置SPI的通信模式，一次傳輸位數(shù)，傳輸速率，時鐘特性和時鐘相位等；這些參數(shù)設(shè)置好后就可以進行數(shù)據(jù)傳輸了。

3 FPGA設(shè)計模塊

FPGA主要采用的是由上而下的設(shè)計思路，具體設(shè)計如圖4所示。

圖4 FPGA設(shè)計模塊

如圖4所示，其主要包括按鍵發(fā)送模塊，SPI接收模塊，雙端口RAM存儲發(fā)送模塊，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊以及DA模塊；數(shù)據(jù)以16位數(shù)據(jù)串的形式發(fā)送給FPGA芯片的緩存區(qū)，作為DA轉(zhuǎn)換的固定的脈沖源，將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)循環(huán)讀出，經(jīng)過AN9767芯片的數(shù)模轉(zhuǎn)換，將雙指數(shù)的幅值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電流輸出，再經(jīng)過一級運放將電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出，其次經(jīng)過濾波器濾波，最后再用一個二級運放進行電壓放大作為信號輸出；以此得到一個簡單的雙指數(shù)型核脈沖信號，可以實現(xiàn)如圖1的雙指數(shù)信號輸出；其前沿積分時間常數(shù)，后延微分常數(shù)，頻率，幅值常數(shù)都可以根據(jù)現(xiàn)實需要進行設(shè)置調(diào)節(jié)。

4 高速DA轉(zhuǎn)換

DA轉(zhuǎn)換模塊采用的是AN9767，其主要參數(shù)包括：DA轉(zhuǎn)換芯片：AD9767；通道數(shù)：2通道；DA轉(zhuǎn)換位數(shù)：14bit；DA更新速率：125MSPS；輸出電壓范圍：-5V～+5V；完全能滿足本設(shè)計需要。FPGA開發(fā)板與AN9767實物連接如圖5所示。

圖5 FPGA開發(fā)板與AN9767連接圖

5 輻射信號發(fā)生器平臺的實現(xiàn)與測試

FPGA芯片采用Altera公司的FPGA芯片颶風(fēng)，四代EP4CE6F17C8N；STM32芯片采用STM32F 103ZET6。搭建的實驗平臺實物如圖6所示。

圖6 完整系統(tǒng)實物圖

實驗步驟如下:將各個模塊通過杜邦線正確的連接起來，接通電路的電源，將程序下載到開發(fā)板中，然后將FPGA產(chǎn)生波形信號輸入到DAC電路模塊，經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換后的結(jié)果將在TDS3032上顯示。

在MDK5上將信號的初始幅值設(shè)置為4，前后延常數(shù)設(shè)置為8，然后頻率設(shè)置為50MHz，再將通信模式設(shè)置為主模式，數(shù)據(jù)傳輸為16位，時鐘相位為高，時鐘極性為0；同時用quartus 軟件將FPGA程序用JTAG下載到FPGA開發(fā)板，可以得到其RTL視圖；仿真軟件用的是Modelsim 10.1,其仿真如圖7所示，是一段將一個16位數(shù)據(jù)以此寫入ram內(nèi)核里，同時其地址依次增加；然后進行引腳分配；最后是用TDS3032示波器觀察DA通過BNC線觀察轉(zhuǎn)換輸出雙指數(shù)脈沖波形，如圖8所示，其脈寬約為8μs幅值約為4v，基本符合設(shè)計要求。

圖7 Modelsim仿真圖

圖8 示波器輸出測試圖

6 結(jié)論

通過STM32單片機和FPGA開發(fā)板為核心設(shè)計，以C和Verilog HDL語言進行軟件編程，可以設(shè)計出一個簡易的輻射信號發(fā)生器，為以后復(fù)雜的輻射信號發(fā)生器的設(shè)計提供了思路。