随机仿核脉冲信号发生器设计
发布时间：2020-04-03 01:01
【摘要】：核辐射对现代科学发展具有十分重大的作用,在医学核磁共振、宇宙空间探测、工业无损检测、国家安防等方面应用广泛。虽然核辐射无处不在,但是人类无法直接感知。目前实验室用的核脉冲信号主要是利用放射源加探测器来得到。但核辐射具有放射性,在实验过程中可能因为不小心接触造成人员健康伤害。而且核探测器成本高昂,容易损坏。同时现有的仿核脉冲信号发生器还处于前期研究阶段,相应的产品较少。为从根本上解决上述问题,本课题设计了一种基于FPGA+C#的仿核脉冲信号发生器。系统能够产生9种仿核脉冲信号,且实现方法比较简单,使用资源较少,成本较低。该系统为后续性能更加强大,功能更加完善的仿核脉冲信号发生器设计打下一定基础。仿核脉冲幅度系统设计方法是:首先利用C#和MATLAB混合编程产生基于函数表达式的标准高斯脉冲波形数据。然后通过Cypress公司的cy7c68013a芯片实现计算机与现场可编程门阵列(FPGA)的通信,将标准高斯脉冲波形数据和核素选择参数发送给FPGA。USB芯片工作除了需要芯片本身、USB驱动程序还需要USB固件程序。要实现USB数据传输控制就需要在USB固件程序中配置USB寄存器。FPGA是采用Altera公司飓风4代系列芯片EP4CE10F17C8N。FPGA部分电路设计主要有USB通信控制模块、高斯脉冲波形数据存储模块、随机数产生模块、特征谱高斯脉冲生成模块。所有的FPGA模块都用Quartus II 13.1软件内嵌的逻辑分析仪进行了时序验证。仿核脉冲宽度系统设计方法是:该系统是直接基于FPGA实现的,不涉及上位机和USB通信,核脉冲选择是通过矩阵按键实现的。系统FPGA数字电路主要包含随机数产生模块、按键扫描模块、特征谱高斯脉冲生成模块、脉冲宽度转换模块。时序验证方法与仿核脉冲幅度系统相同。实验部分,首先仿核脉冲幅度系统采用~(22)Na、~(133)Ba、~(241)Am、~(137)Cs四种核素进行性能测试。通过示波器观察高斯脉冲形状,利用多道脉冲信号分析仪测试能谱特征谱线能量分辨率、稳定性,结果表明该仿核脉冲信号系统能够产生模拟核素特征谱线的标准高斯脉冲,且稳定性良好。仿核脉冲宽度系统也是采用~(22)Na、~(133)Ba、~(241)Am、~(137)Cs四种核素进行性能测试,结果表明输出脉冲宽度与对应的核素主要光子能量成比例,各种核素输出脉冲宽度个数与对应的核素特征谱线对应。
【图文】：
a b图 1.1 先进信号发生器 a： AWG70000 信号发生器 b：M8190A 信号发生器Fig.1.1 Diagram of advanced signal generatora：AWG70000 signal generator b：M8190A signal generator虽然目前市场上已有性能极好的 DDS 芯片和信号发生器，但是它们价格都十分昂贵，因此目前国内普遍的信号发生器设计并没有直接以 DDS 芯片为基础来制作而是采用成本较低的设计方案来实现。随着数字信号处理（DSP）、高级精简指令集计算机（ARM）、FPGA 等微处理器功能逐渐强大，工作频率高达几百兆赫兹，也可以实现高速 DDS。因此可以使用这些微处理器来替代高成本的 DDS 芯片来实现数字信号发生器。如使用增量总和调制信号的直接数字合成[16]，基于 Labview 和FPGA 的 DDS 信号发生器的实现[17]，基于 Labview+Nios II 架构的任意波形发生器的实现[18]，基于 MATLAB GUI、DSP 等脉冲信号发生器实现[19-21]等等。1.2.2 专用信号发生器随着数字信号发生器的迅猛发展，根据应用领域的不同，信号发生器也开始向
图 1.2 仪器框图Fig. 1.2 Block diagram of the instrument工业方面，由于自然能源对电力生产的限制，包括对可再生能源的大量利用，为了保证配电系统有效运行，设计了电能质量信号发生器来产生配电系统中各种电能质量（PQ）扰动的实验测试信号[24]。如图 1.3 所示，该系统是按照欧洲标准EN50160 产生电能质量扰动。系统分为两个部分： LabView 软件设计的上位机用于产生电压波形，，硬件电路部分实现数据采集和信号放大。其中，软件部分用于制定信号幅值和频率值，最终测试序列采样率和持续时间，高斯噪声，标称信号频率和慢幅波动等一系列参数设置。还有用于运动控制系统的参考脉冲发生器[25]。该信号发生器主要用于控制数控机床的运动。实现方式是在 DSP 中进行插值运算，在 FPGA 中实现独立的脉冲发生器模块，这样能够产生精确的参考速率从而消除参考脉冲的路径误差。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL81
本文编号：2612702
【图文】：
a b图 1.1 先进信号发生器 a： AWG70000 信号发生器 b：M8190A 信号发生器Fig.1.1 Diagram of advanced signal generatora：AWG70000 signal generator b：M8190A signal generator虽然目前市场上已有性能极好的 DDS 芯片和信号发生器，但是它们价格都十分昂贵，因此目前国内普遍的信号发生器设计并没有直接以 DDS 芯片为基础来制作而是采用成本较低的设计方案来实现。随着数字信号处理（DSP）、高级精简指令集计算机（ARM）、FPGA 等微处理器功能逐渐强大，工作频率高达几百兆赫兹，也可以实现高速 DDS。因此可以使用这些微处理器来替代高成本的 DDS 芯片来实现数字信号发生器。如使用增量总和调制信号的直接数字合成[16]，基于 Labview 和FPGA 的 DDS 信号发生器的实现[17]，基于 Labview+Nios II 架构的任意波形发生器的实现[18]，基于 MATLAB GUI、DSP 等脉冲信号发生器实现[19-21]等等。1.2.2 专用信号发生器随着数字信号发生器的迅猛发展，根据应用领域的不同，信号发生器也开始向
图 1.2 仪器框图Fig. 1.2 Block diagram of the instrument工业方面，由于自然能源对电力生产的限制，包括对可再生能源的大量利用，为了保证配电系统有效运行，设计了电能质量信号发生器来产生配电系统中各种电能质量（PQ）扰动的实验测试信号[24]。如图 1.3 所示，该系统是按照欧洲标准EN50160 产生电能质量扰动。系统分为两个部分： LabView 软件设计的上位机用于产生电压波形，，硬件电路部分实现数据采集和信号放大。其中，软件部分用于制定信号幅值和频率值，最终测试序列采样率和持续时间，高斯噪声，标称信号频率和慢幅波动等一系列参数设置。还有用于运动控制系统的参考脉冲发生器[25]。该信号发生器主要用于控制数控机床的运动。实现方式是在 DSP 中进行插值运算，在 FPGA 中实现独立的脉冲发生器模块，这样能够产生精确的参考速率从而消除参考脉冲的路径误差。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL81
【参考文献】
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本文编号：2612702
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