FPGA数字核脉冲分析器硬件电路

本文提出一种基于FPGA 的数字核脉冲分析器硬件设计方案，该方案采用现场可编程逻辑部件(FPGA)，完成数字多道脉冲幅度分析仪的硬件设计。用QuartusⅡ软件在FPGA 平台上完成了数字核脉冲的幅度提取并生成能谱。在此基础上通过电路设计建立了数字化能谱测量实验装置，实测了137Cs的能谱，测量结果与相同条件下的模拟能谱仪的实测谱完全吻合。由此证明基于FPGA 的数字多道脉冲幅度分析器硬件设计方案的正确可行，具有实用性。

多道脉冲幅度分析仪和射线能谱仪是核监测与和技术应用中常用的仪器。20世纪90年代国外就已经推出了基于高速核脉冲波形采样和数字滤波成型技术的新型多道能谱仪，使数字化成为脉冲能谱仪发展的重要方向。国内谱仪技术多年来一直停留在模拟技术水平上，数字化能谱测量技术仍处于方法研究阶段。为了满足不断增长的高性能能谱仪需求，迫切需要研制一种数字化&gamma($1082.5000);能谱仪。通过核脉冲分析仪显示在显示器上的核能谱帮助人们了解核物质的放射性的程度。

图1即为总体设计框图，探测器输出的核脉冲信号经前端电路简单调理后，经单端转差分，由采样率为65 MHz 的高速ADC 在FPGA 的控制下进行模/数转换，完成核脉冲的数字化，并通过数字核脉冲处理算法在FPGA 内形成核能谱，核能谱数据可通过16 位并行接口传输至其他谱数据处理终端， 也可通过LVDS/RS 485接口实现远程传输。特别需要注意的是，由于高速AD 前置，调理电路应该满足宽带、高速，且电路参数能够动态调整的需要，以适应不同类型探测器输出的信号，从而更好地发挥数字化技术的优势。

前端电路

前端电路由单端转差分和高速ADC 电路组成。差分电路由于其良好的抗共模干扰能力而应用广泛。由于调理电路输出的脉冲信号为单极性信号，若直接送入ADC，将损失一半的动态范围。设计中在运放中加入一个适当的偏置电压，将单极性信号转换成双极性信号后再送入ADC，以保证动态范围。将信号由单端转换成差分的同时，进行抗混叠滤波处理，完成带宽的调整。

本设计使用AD9649($14.7360) - 65 高速ADC 实现核脉冲的模/数转换，AD9649($14.7360)为14 位并行输出的高速模/数转换器，具有功耗低、尺寸小、动态特性好等优点。当信号从探测器通过调理电路，过差分转单端电路后，以差分信号的形式进入ADC， 在差分时钟的控制下，转换成14 位数据，进入FPGA.该高速A/D 在外部FPGA 的控制下对信号进行采样。然后将采样后的数字信号送入FPGA 中实现数字核脉冲的幅度提取。图2 为A/D 转换的原理图，AD9649($14.7360)在差分时钟的同步下完成A/D 转换，D0~D13为14个有效输出数据位。

FPGA

目前国内外多道脉冲幅度分析的数字化实现主要有2种方案：纯DSP 方案、DSP+可编程器件方案。本文将充分发挥FPGA 的并行处理优势，在单片FPGA芯片上实现核脉冲的采集与数字核脉冲处理算法，经Quar-tus-Ⅱ软件仿真与综合，本文选用EP3C40($78.5000) FPGA 芯片实现多道分析器的数字化功能。

接口电路设计采用了LVDS 和RS485($49.9800)两种长距离数据传输接口，用于实现核能谱数据的远程传输。LVDS 即低电压差分信号，是一种可以实现点对点或一点对多点的连接，具有低功耗，低误码率，低串扰，低噪声和低辐射等特点。LVDS 在对信号完整性、地抖动及共模特性要求较高的系统中得到了越来越广泛的应用。图3为低电压、最高数据传输速率为655 Mb/s 的LVDS 接口电路。

基于FPGA 的数字核脉冲分析器硬件设计方案。该方案在单片FPGA 中实现了多道脉冲幅度的数字分析功能，通过软件功能仿真和实际运行，说明了数字多道脉冲幅度分析器硬件设计的可行性，将FPGA 应用到数字能谱测量系统能充分发挥其并行处理优势，并能有效降低硬件电路设计的复杂度。