核物理從各種入射粒子帶有的特征的測量來進行各種實驗研究。傳統(tǒng)的核物理都采用模擬方式來處理探測器輸出的電信號,數(shù)字化技術(shù)主要用在數(shù)據(jù)的最后獲取和存儲當(dāng)中。 在核物理或者是高能物理等實驗研究中,粒子的動量,能量,時間量和空間位置一直是大家比較關(guān)心的物理參量,通過分析和處理探測器的輸出電信號,從而分析出核反應(yīng)核信號的信息。其中,能量和時間是實驗所需最基本也是最重要的信息,如何快速獲得高精度的能譜和時間譜也是核測量領(lǐng)域非常重要的課題之一。 隨著高速ADC和數(shù)字化微處理器的迅速發(fā)展,數(shù)字處理技術(shù)在粒子物理與核物理領(lǐng)域得到了廣泛的運用。核輻射探測器輸出的電信號經(jīng)過數(shù)字化之后,經(jīng)過數(shù)字處理分析得到實驗所需的信息。相比傳統(tǒng)的模擬方法,數(shù)字化處理方法具有更高的靈活性,可以方便處理系統(tǒng)的重構(gòu)以適應(yīng)不同信號的需求,降低了系統(tǒng)設(shè)計的難度簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該技術(shù)將探測器出來的信號盡可能早的將信號數(shù)字化,增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。這些優(yōu)勢都推進了數(shù)字處理技術(shù)的不斷發(fā)展。 一套通用的數(shù)字化核譜儀系統(tǒng)包括波形模擬成形、波形數(shù)字化、數(shù)字化信息處理與數(shù)據(jù)獲取幾個模塊。本文設(shè)計的數(shù)字化核譜儀系統(tǒng)將輸入的探測器信號經(jīng)過放大、極零相消、Bessel濾波和單端轉(zhuǎn)差分的模擬成形處理后,盡早的將波形數(shù)字化,在FPGA中進行FIR濾波、觸發(fā)判選、去基線、求幅值與時間差算法的一系列數(shù)字處理,最終通過上位機控制將結(jié)果由USB或以太網(wǎng)上傳至主機當(dāng)中。 其中數(shù)字部分算法中時間差計算采用的是數(shù)字恒比定時方法,它的實現(xiàn)是由DSP builder設(shè)計完成,DSP builder是Altera公司推出的便于數(shù)字算法實現(xiàn)的設(shè)計工具,是一個系統(tǒng)級的設(shè)計工具,它將系統(tǒng)級和RTL級兩個設(shè)計領(lǐng)域的設(shè)計工具連接起來,在MATLAB/Simulink中進行算法設(shè)計,最終轉(zhuǎn)換成硬件描述語言在FPGA中并行處理,速度快,結(jié)構(gòu)簡化,所以我們采用二者相結(jié)合的方法。 由于網(wǎng)絡(luò)很大的方便了離散數(shù)據(jù)的采集和處理數(shù)據(jù),給數(shù)據(jù)傳輸節(jié)省了許多資源。所以本文數(shù)據(jù)上傳部分不僅使用傳統(tǒng)USB方式上傳,還設(shè)計了以太網(wǎng)傳輸接口,采用Wiznet公司的W5300芯片,使用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。 本論文主要的工作和創(chuàng)新點如下： 1.設(shè)計了一個數(shù)字化核譜儀系統(tǒng),用FPGA實現(xiàn)了在線觸發(fā)、FIR濾波等處理過程,由DSP builder設(shè)計峰值提取和時間差計算的算法,轉(zhuǎn)換成硬件描述語言后在FPGA中并行處理。 2.簡化了硬件結(jié)構(gòu),使模擬電路變得簡單,充分利用了數(shù)字域中處理信號的靈活性,針對不同的輸入信號給出不同的參數(shù)設(shè)置,根據(jù)需求可分別進行能譜和時間譜的測量,實現(xiàn)了系統(tǒng)的在線調(diào)節(jié)功能,系統(tǒng)的通用性增強,使同一個硬件設(shè)備系統(tǒng)可以用于不同場合不同信號的能譜和時間譜的測量。 目前,本論文所設(shè)計的數(shù)字化核譜儀系統(tǒng)進行了電子學(xué)測試,并用閃爍探測器和高純鍺探測器進行了物理測試,與傳統(tǒng)的多道幅度譜儀和TDC進行比較,在同樣的測試條件下,能量和時間分辨均分別高于多道幅度譜儀和TDC測量結(jié)果。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TL817
【部分圖文】：

信號進行放大，并對幅度、和頻譜等諷別，同時抑制電路噪聲，從而可以精確地獲得信號能量、核事件時間信息和徑跡軌道信息[8]。流程如圖2.1所示：線性放大 I .…一一一-1—..........一-一一. 濾波成形 P 巾娘翻 ^；探測器前端放大器—— ^ ~ 堆積判棄 模數(shù)變換 ?一——羞線恢 5；. 能量信息 幅度分析 數(shù)據(jù)獲取吋間信息 …；：丨Tr+T- 與處理系位置信息 時.■析 ：——J 錄 ‘ 1—H時幅變換 ? 一允-一..- -.... 時間檢出 ：探測器前端放大器 >" —H時數(shù)妄換I ? 快放大器 ‘ ~間郵別] ?圖2.1核電子學(xué)信號處理框圖1、在盡可能近的地方探測器的地方放置前置放大器，把探測器探測轉(zhuǎn)化的電荷經(jīng)過一級放大后使其能適用于后續(xù)電路的需求；1、前端放大器出來的信號接著進入主放大器，主放大器主要將信號再放大，兩次放大的放大倍數(shù)是由所測脈沖的幅度大小和郵別器的閾值決定的。在進行能量分析時，主放大器要求非常穩(wěn)定，以提高測量結(jié)果的能量分辨。同時為了讓輸出端的信噪比增大，主放大器還應(yīng)有合適的頻率響應(yīng)。3、我們通常利用諷別器來判斷信號是否處在我們想要的范圍內(nèi)，較常使用的是幅度題別器來蹄選掉幅度不適合的脈沖事例，同樣還可以利用形狀■別器來排除無關(guān)的脈沖事例。4，、核物理實驗主要是對大量實驗事例進行分析計算，最后得出某些物理量的統(tǒng)計結(jié)果

閾值作比較，當(dāng)事例信號的前沿大于預(yù)設(shè)閾值時，規(guī)別電路輸出一個邏輯脈沖，這個脈沖就是前沿定時信號。我們通常采用比較器來實現(xiàn)前沿定時。如圖2.2所示：V隨 I ； ： I"1 I2<^ Tth圖2.2前沿觸發(fā)定時示意圖前沿定時雖然電路簡單，引入的噪聲較小，但由于信號幅度以及上升時間都會引起時間游動，噪聲會引起時間晃動，所以實際應(yīng)用的定時系統(tǒng)中，閾值電壓Vth的選擇要考慮信號脈沖的幅度、波形以便得到較好Vth范圍。我們可以選擇更復(fù)雜的定時方法來獲得更好效果的定時輸出。過零定時過零定時可以消除由于信號幅度不同引起的時間游動，設(shè)輸入信號7

只有當(dāng)V?=0時，tth的值才不受到與幅度A無關(guān)。因此釆用過零定時，信號幅度變化不會對定時時間產(chǎn)生影響。它的過程示意圖如圖2.3所示：I⑴A 一ft h 貪V/《c ) 1<■?——?o^i mill III! Ill ■! ■ ■■■■■> . J 圖2.3過零定時原理圖恒比定時恒比定時相比過零定時可以避免由于前沿變化和斜率噪聲比不是最好時而產(chǎn)生的誤差。設(shè)輸入信號Vi?=Afa), A是幅度，Vp=p*A。為觸發(fā)閾值，那么過閾值時刻Tp可?由下式得出：Aof (t) -pAo=0可以看出，T；的值與A。無關(guān)。它的實現(xiàn)方法如圖2. 4所示：8
【參考文獻】

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1 雷能芳;;基于DSP Builder數(shù)字信號處理器的FPGA設(shè)計[J];電子設(shè)計工程;2010年11期

2 馬俊濤;李振宇;;SlaveFIFO模式下CY7C68013和FPGA的數(shù)據(jù)通信[J];中國傳媒大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2009年02期

3 喬立巖;梁宇;趙浩然;朱建平;;基于W5300的以太網(wǎng)接口設(shè)計[J];電子測量技術(shù);2012年07期

4 李玉英;梁昊;曾雅丹;劉漢超;;基于DSP builder與FPGA的數(shù)字脈沖處理算法研究[J];核電子學(xué)與探測技術(shù);2014年02期

5 ;A fast digital timing and analysis system based on real-time dCFD technique for nuclear physics experiments[J];Science China(Technological Sciences);2012年09期

6 張禮紅;成斌;張杰;張麗娟;郭衛(wèi)鋒;劉建黨;張禮楠;葉邦角;;正電子譜學(xué)技術(shù)在功能材料微結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用[J];中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué);2012年11期

7 安琪;;精密時間間隔測量及其在大科學(xué)工程中的應(yīng)用[J];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報;2008年07期

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1 孫劍;基于實時數(shù)字恒比定時技術(shù)的數(shù)字時間譜儀研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

本文編號：2861287