基于FPGA的数字延时/脉冲发生器的研制

发布时间：2023-12-10 09:19

　　数字延时/脉冲发生器又称作延时器或同步装置。在飞行时间二次离子质谱(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry,TOF-SIMS)仪器中,延时/脉冲发生器为一次离子光学系统、激光后电离模块、二次离子提取系统、质量分析器和数据采集系统等提供高精度的同步信号,延时/脉冲发生器作为TOF-SIMS测控系统核心部件之一,其性能将直接影响整机仪器指标。本文依托国家重大仪器设备开发专项:同位素地质学专用TOF-SIMS科学装置,旨在研制无冗余功能、结构简单能够满足整机仪器要求的同步装置。本文根据TOF-SIMS仪器对延时/脉冲发生器延时输出抖动、延时分辨率和输出脉冲上升沿等指标的要求,分析影响延时/脉冲发生器性能的因素,通过对三种技术方案对比,选择了基于电容二次充电技术的设计方案。该方案采用FPGA内部计数器实现10ns以上的数字延时,用斜坡电路实现10ns以下的模拟延时并对随机晃动进行补偿。开发了延时/脉冲发生器的硬件电路,包括触发整形电路、FPGA模块、通讯模块、模拟延时电路模块、基于STM32单片机的人机交互模块、驱动模块和供电模块。其中,F...

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 主要研究内容
第2章 延时/脉冲发生器总体方案设计
    2.1 需求分析
    2.2 设计方案论证
        2.2.1 FPGA延时链技术方案
        2.2.2 电流积分技术方案
        2.2.3 电容二次充电技术方案
    2.3 延时/脉冲发生器总体设计
    2.4 本章小结
第3章 延时/脉冲发生器硬件设计
    3.1 触发信号整形电路设计
    3.2 数字延时电路设计
        3.2.1 FPGA芯片选型
        3.2.2 Flash存储电路及下载调试电路
        3.2.3 时钟电路及复位电路
        3.2.4 自触发模式逻辑电路
        3.2.5 外触发模式逻辑电路
    3.3 模拟延时电路设计
        3.3.1 D/A电路
        3.3.2 斜坡电路
    3.4 串口通讯电路与输出驱动电路设计
    3.5 NiosII软核单片机设计
        3.5.1 NiosII介绍
        3.5.2 NiosII软核构建
    3.6 人机交互电路设计
        3.6.1 主控芯片选型
        3.6.2 下载调试电路
        3.6.3 功能按键、旋钮及蜂鸣器电路
        3.6.4 液晶显示电路
    3.7 电源设计
    3.8 硬件制作
        3.8.1 主控板PCB制作
        3.8.2 人机交互电路PCB制作
        3.8.3 整机实物展示
    3.9 本章小结
第4章 延时/脉冲发生器软件设计
    4.1 NiosII程序总体设计
    4.2 NiosII子程序设计
        4.2.1 Flash控制程序
        4.2.2 PIO控制程序
        4.2.3 DAC7565控制程序
        4.2.4 NiosII串口控制程序
    4.3 人机交互程序总体设计
    4.4 人机交互子程序设计
        4.4.1 液晶控制程序
        4.4.2 菜单程序设计
        4.4.3 旋钮程序设计
    4.5 本章小结
第5章 校准及测试应用
    5.1 校准方法设计
    5.2 延时/脉冲发生器参数测试
        5.2.1 测试平台
        5.2.2 外触发抖动测试
        5.2.3 自触发抖动测试
        5.2.4 上升沿与延时分辨率测试
        5.2.5 其它参数测试
    5.3 在飞行时间二次离子质谱仪中的应用
    5.4 在激光诱导击穿光谱仪器中的应用
    5.5 本章小结
第6章 全文总结
    6.1 主要工作总结
    6.2 下一步工作建议
参考文献
作者简介及科研成果
致谢



本文编号：3872224