基于FPGA的監(jiān)測(cè)數(shù)字示波器設(shè)計(jì)

2.4 數(shù)字波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及波形輸出

FPGA雙口RAM(Dual RAM)數(shù)據(jù)輸出控制可采用多種模式：存滿輸出模式、定時(shí)輸出模式和波形參數(shù)觸發(fā)模式，可用串口指令控制各模式間切換。存儲(chǔ)滿模式工作原理為Dual RAM存儲(chǔ)1 024點(diǎn)數(shù)據(jù)和串口輸出數(shù)據(jù)交替工作，每存儲(chǔ)滿一次數(shù)據(jù)就通過(guò)串口輸出數(shù)據(jù)，串口輸出完數(shù)據(jù)后重新采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù);定時(shí)輸出為Dual RAM存儲(chǔ)1 024采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)滿后待定時(shí)信號(hào)，設(shè)定每幾秒輸出一次波形數(shù)據(jù);脈沖波形參數(shù)觸發(fā)模式類(lèi)似于通用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的輸出觸發(fā)模式，在波形數(shù)據(jù)寫(xiě)入RAM前對(duì)波形參數(shù)(如脈沖幅值、脈沖形狀、脈沖寬度等)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，當(dāng)波形參數(shù)在需要的范圍時(shí)，FPGA輸出數(shù)字波形，該模式可以采集并輸出指定參數(shù)的脈沖信號(hào)，可以對(duì)核爆炸的光輻射、電磁脈沖、沖擊波、放射線沾染等各種效應(yīng)信號(hào)波形進(jìn)行錄制、回放和精確分析，從而實(shí)現(xiàn)核爆的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和識(shí)別。

3 對(duì)核脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)試分析

利用示波器可對(duì)核爆炸γ射線、光輻射、沖擊波等傳感器信號(hào)進(jìn)行波形存儲(chǔ)，通過(guò)存儲(chǔ)信號(hào)特征參數(shù)判斷核爆炸方式。示波器采集的NaI(T1)探測(cè)器經(jīng)成形后的近高斯核脈沖信號(hào)如圖5所示。將脈沖數(shù)字波形用OREC譜分析軟件進(jìn)行分析，由于輸出的值是數(shù)字多道工作的實(shí)際值，比用通用示波器更準(zhǔn)確，可進(jìn)行更準(zhǔn)確的分析。

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脈沖波形形狀：圖5所示波形和通用數(shù)字示波器輸出波形一致，為近高斯波形，圖像更清晰，是判斷成形電路信號(hào)成形質(zhì)量的重要依據(jù)。該波形測(cè)量方法是在強(qiáng)輻射環(huán)境下觀察和分析脈沖堆積的很有效方法及堆積判棄處理的重要依據(jù)。從圖5還可看出，脈沖波形下沖偏大，需對(duì)探頭放大成形電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，減小高斯成形電路的下沖?？筛鶕?jù)脈沖的形狀(混疊情況)初步判斷放射源的強(qiáng)弱。圖5所示，波形為示波器連續(xù)采得兩個(gè)核脈沖信號(hào)。波形圖中若測(cè)得脈沖波形密集，或出現(xiàn)脈沖重疊，則說(shuō)明源較強(qiáng);若脈沖稀疏，則源較弱。

基線值測(cè)量：該數(shù)值是探頭放大成形電路調(diào)節(jié)和數(shù)字多道基線扣除的重要依據(jù)。圖5中可讀出基線均值為1 072，基線值的范圍是1 069～1 074，波動(dòng)大小為5，本次測(cè)量波形基線值偏大，需要對(duì)探頭進(jìn)行調(diào)節(jié)或在數(shù)字多道中對(duì)基線值進(jìn)行扣除。

脈沖寬度測(cè)量：該值是抗干擾設(shè)計(jì)和基于脈寬測(cè)量反堆積的重要依據(jù)?？勺x出正脈沖(高于基線均值的取樣點(diǎn))共約125左右個(gè)取樣點(diǎn)，脈寬為2.5μs，可以計(jì)算出核脈沖成形的寬度。如果脈沖寬度過(guò)小，則可能是干擾信號(hào);過(guò)大可能是脈沖堆積信號(hào)。

脈沖幅值測(cè)量：該值是數(shù)字多道脈沖幅度分析器設(shè)計(jì)最重要的數(shù)據(jù)。可讀出兩個(gè)脈沖數(shù)字波形的最大值分別為1 384和1 381，扣除基線值后幅值為312和309;最大值左、右兩個(gè)采樣點(diǎn)的值與峰值差值也小于基線波動(dòng)值，說(shuō)明在該采樣頻率下，用逐點(diǎn)比較冒泡法提取幅度值是可靠的。脈沖幅度大小可基本看出射線的能量，從測(cè)量看出，幅值為312，對(duì)應(yīng)為312道，通過(guò)數(shù)字多道能譜分析，其能量約660 keV，和波形測(cè)試用的放射源一致。所以從波形的幅度規(guī)律，可大致看出放射源主要是什么核素。

脈沖幅值時(shí)間測(cè)量：可讀出在脈沖到來(lái)后的第66個(gè)采樣點(diǎn)獲取最大值。

噪聲測(cè)量及抗噪處理：從圖5波形還可看出，信號(hào)中存在一定的噪聲，所以在數(shù)字多道處理時(shí)，可用DSPIP核對(duì)脈沖波形進(jìn)行數(shù)字平滑處理，同時(shí)可通過(guò)設(shè)定一定的噪聲容限，幅值低于噪聲容限的都看作噪聲，高于噪聲容限的信號(hào)才可能是有效信號(hào)，對(duì)數(shù)字多道進(jìn)行抗干擾處理。

脈沖波形和幅度譜比較分析：由圖5信號(hào)源高斯波形代替核脈沖信號(hào)，可用該示波器的波形圖和幅度譜圖對(duì)比，比較脈沖幅度和幅度譜數(shù)據(jù)，可以對(duì)數(shù)字多道能譜儀的準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，利用基于FPGA的數(shù)字示波器，能很好地顯示、存儲(chǔ)和分析核信號(hào)，是核儀器的重要技術(shù)之一，有較大的使用價(jià)值。該設(shè)計(jì)利用VHDL對(duì)FPGA進(jìn)行編程，并在編程中廣泛采用并行和流水線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)高速處理;利用Block RAM定制雙口RAM存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)，大大節(jié)約了邏輯資源的使用。