《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于FPGA的全數(shù)字雙通道符合多普勒展寬系統(tǒng)
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
錢(qián)秋妃,，王 柱，黃啟俊，鄒風(fēng)華，廖 遠(yuǎn)，張夢(mèng)新
武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430072
摘要： 針對(duì)核輻射能譜、正電子湮沒(méi)符合多普勒展寬譜測(cè)量的需求,，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的全數(shù)字雙通道符合多普勒展寬系統(tǒng)。該系統(tǒng)以16 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9269-80為前端,，將高純鍺探測(cè)器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),，該數(shù)字信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)后端的FPGA芯片中進(jìn)行數(shù)字處理。FPGA通過(guò)滑動(dòng)平均窗口、乒乓操作,、自定義IP核等實(shí)現(xiàn)對(duì)核脈沖信號(hào)的處理,，包括波形降噪、梯形濾波,、基線恢復(fù),、堆積識(shí)別、閾值判斷,、數(shù)據(jù)緩存等,，從而得到核脈沖的幅度信息和時(shí)間信息。再由網(wǎng)口模塊與上位機(jī)之間進(jìn)行通信,，采用UDP協(xié)議進(jìn)行幅度,、時(shí)間信息的傳輸，得到核信號(hào)的能譜,。系統(tǒng)采用雙通道對(duì)正電子符合多普勒展寬譜測(cè)量,，得到二維符合圖譜。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.7,；TP274.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191339
中文引用格式： 錢(qián)秋妃,，王柱，黃啟俊,，等. 基于FPGA的全數(shù)字雙通道符合多普勒展寬系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2020，46(3)：97-100.
英文引用格式： Qian Qiufei,，Wang Zhu，Huang Qijun,，et al. Full digital dual channel coincidence Doppler broadening system based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique,，2020，46(3)：97-100.
Full digital dual channel coincidence Doppler broadening system based on FPGA
Qian Qiufei,，Wang Zhu,，Huang Qijun，Zou Fenghua,，Liao Yuan,，Zhang Mengxin
School of Physics and Technology，Wuhan University,，Wuhan 430072,，China
Abstract： Aiming at the requirement of nuclear radiation spectrum and positron annihilation coincidence Doppler broadening spectrum measurement, an all digital dual channel coincidence Doppler broadening system based on FPGA is designed. In this system, the analog signal collected by the high purity germanium detector is converted into digital signal by the front-end of 16 bit analog-to-digital conversion chip AD9269-80. The digital signal enters the FPGA chip at the back-end of the system for digital processing. FPGA realizes the processing of nuclear pulse signal through moving average window, ping-pong operation, custom IP core, etc., including waveform noise reduction, trapezoid filtering, baseline recovery, stack recognition, threshold judgment, data cache, etc., so as to obtain the amplitude information and time information of nuclear pulse. Then, the communication between the network port module and the upper computer is carried out, and the amplitude and time information are transmitted by UDP protocol to obtain the energy spectrum of the nuclear signal. The system uses two channels to measure the broadening spectrum of positron coincidence Doppler and obtains two-dimensional coincidence spectrum.
Key words : positron annihilation radiation Doppler broadening；FPGA,；dual channel,；trapezoid filtering

0 引言

    作為一種新興的核技術(shù), 正電子湮沒(méi)譜學(xué)用于缺陷研究，取得了不少成果。正電子湮沒(méi)譜學(xué)研究空位型缺陷是基于湮沒(méi)輻射所帶出的電子密度和電子動(dòng)量密度的信息,。多普勒展寬譜的低動(dòng)量部分對(duì)應(yīng)于正電子與傳導(dǎo)電子或價(jià)電子湮沒(méi)的動(dòng)量信息,，而高動(dòng)量部分則主要反映了核心電子的動(dòng)量分布信息。

    高純鍺探測(cè)器是核技術(shù)測(cè)量中的一種常用的探測(cè)器,，可以將探測(cè)到的核射線轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖信號(hào),，有很高的能量分辨率[1]。傳統(tǒng)的模擬脈沖幅度分析器由核探測(cè)器輸出的電脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)電荷放大器后在前置放大器中調(diào)節(jié)幅度,，之后分別在脈沖成型電路,、峰值保持電路中分別處理以得到脈沖信號(hào)的峰值，最后通過(guò)低速ADC的采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)[2],。這樣的模擬脈沖幅度分析儀增加了系統(tǒng)的死時(shí)間,，降低了脈沖計(jì)數(shù)率，堆積識(shí)別難度較大,，使得能量分辨率降低,。因此本文提出了一種直接由高速ADC采樣，在FPGA中進(jìn)行數(shù)字信號(hào)算法處理的全數(shù)字雙通道符合多普勒展寬系統(tǒng),。

    本文通過(guò)全數(shù)字方法,，設(shè)計(jì)硬件電路、嵌入式軟件和上位機(jī)軟件,，開(kāi)發(fā)符合多普勒展寬譜系統(tǒng),。采用了80 M、16 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9269,，保證了系統(tǒng)的速度和精度,。FPGA選擇了Altera公司的Cyclone III 的EP3C40Q240C8芯片，其運(yùn)算處理能力強(qiáng),，可以實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理,。通過(guò)Quartus II軟件與系統(tǒng)電路協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了原始波形降噪,、快慢梯形濾波,、基線恢復(fù)、堆積識(shí)別,、幅度提取,、閾值判斷等算法。在與上位機(jī)通信方面,，選擇了以太網(wǎng)物理層芯片KSZ902RN,，傳輸速度達(dá)到125 MB/s，采用UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)包,。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    基于FPGA的全數(shù)字雙通道符合多普勒展寬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,，兩個(gè)探測(cè)器探測(cè)到的脈沖信號(hào)分別進(jìn)入兩個(gè)通道,，經(jīng)過(guò)放大器后進(jìn)入ADC，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),。數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)入FPGA進(jìn)行處理,，獲得的時(shí)間信息和幅度信息通過(guò)千兆以太網(wǎng)模塊發(fā)送至上位機(jī)軟件，進(jìn)行能譜顯示和符合譜分析,。同時(shí)上位機(jī)可設(shè)置參數(shù)發(fā)送至FPGA進(jìn)行一些參數(shù)的調(diào)節(jié)[3-5],。

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2 系統(tǒng)各模塊原理及設(shè)計(jì)

2.1 脈沖信號(hào)采集模塊

    從探測(cè)器出來(lái)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)可編程放大器放大后,，進(jìn)入高速ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)化,，從而得到相對(duì)應(yīng)的數(shù)字脈沖信號(hào)。為了充分發(fā)揮高純鍺探測(cè)器的高分辨率的性能,，需要設(shè)計(jì)低噪聲的模擬信號(hào)調(diào)節(jié)電路,，以及使用高分辨率的ADC。本次設(shè)計(jì)選擇了ADI公司推出的80 M,、16 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9269,，使得譜線道數(shù)能夠達(dá)到32 768道，從而獲得高能量分辨率的能譜圖,。

2.2 FPGA數(shù)據(jù)處理模塊

2.2.1 波形降噪

    為了提高系統(tǒng)的能量分辨率,，考慮了對(duì)原始脈沖信號(hào)的降噪平滑處理。從ADC輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)五點(diǎn)平滑處理后,，獲得了更加平滑的信號(hào),，噪聲明顯減弱。波形降噪前后波形如圖2所示,，圖中數(shù)據(jù)為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用SignalTap II Logic Analyzer實(shí)時(shí)采集到的脈沖信號(hào)以及降噪后的信號(hào),。

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2.2.2 幅度提取

    脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)慢速梯形濾波算法后，得到了幅度相等的等腰梯形,。梯形濾波成型公式如下：

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其中,，Vi是經(jīng)過(guò)ADC采樣后的輸入信號(hào)，na是梯形濾波器的上升時(shí)間,，nc是梯形濾波器的上升與平頂時(shí)間之和。τ是指數(shù)脈沖的下降沿時(shí)間常數(shù),。該算法在FPGA中的實(shí)現(xiàn)方法如圖3所示,。

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    經(jīng)過(guò)梯形濾波后的波形如圖4所示，圖中數(shù)據(jù)為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用SignalTap II Logic Analyzer實(shí)時(shí)采集到的降噪后的脈沖信號(hào)以及該信號(hào)經(jīng)過(guò)梯形濾波成型之后的信號(hào),。

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    從圖4可以看出,，濾波以后，梯形的基線一般不在0的位置,，對(duì)幅度的提取有影響,，所以需要使基線恢復(fù)。使用滑動(dòng)平均窗口，在梯形到來(lái)前的K個(gè)點(diǎn)取平均值,，得到的數(shù)值就是該梯形的基線值,。將滑動(dòng)平均窗口模塊再對(duì)梯形從到來(lái)到結(jié)束的時(shí)刻取平均值，得到的最大值扣除基線值即是該梯形的修正幅度,。

    基線值的計(jì)算公式如下：

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    由于有些脈沖相互之間的距離較近,，可能引起梯形堆積，使系統(tǒng)計(jì)算出錯(cuò)誤的幅度值,，從而導(dǎo)致系統(tǒng)能量分辨率下降,。所以本系統(tǒng)采取了堆積識(shí)別的方式，將堆積的梯形識(shí)別出來(lái),，并將之剔除,，不算入幅度提取中，減小了堆積對(duì)能量分辨率的影響,。具體方法是使用閾值判斷定位兩個(gè)脈沖之間的距離,，距離小于梯形寬度時(shí)，即認(rèn)為這兩個(gè)脈沖產(chǎn)生堆積,，不對(duì)這兩個(gè)脈沖的幅度進(jìn)行記錄和傳輸,。

2.2.3 時(shí)間定標(biāo)

    對(duì)脈沖到來(lái)的時(shí)間定位，采取的是閾值判斷的方法,。使用快速梯形成型法對(duì)原始脈沖進(jìn)行處理,，再對(duì)寬度極小的梯形信號(hào)進(jìn)行閾值判斷，當(dāng)某時(shí)刻的梯形數(shù)值大于閾值,，就認(rèn)為該時(shí)刻為脈沖到來(lái)的時(shí)刻,。使用計(jì)數(shù)器來(lái)記錄時(shí)間，將脈沖到來(lái)的時(shí)刻與幅度信息一起打包發(fā)送給上位機(jī),。時(shí)間信息精確到一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期,，即33 ns。

2.2.4 千兆以太網(wǎng)模塊

    系統(tǒng)采用千兆以太網(wǎng)來(lái)傳輸數(shù)據(jù),，MAC芯片為KSZ902RN,。FPGA將脈沖信號(hào)的幅度和時(shí)間信息傳送給上位機(jī)，上位機(jī)顯示能譜和符合譜,；上位機(jī)給FPGA發(fā)送指令,，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益。

    考慮到傳輸速度以及在FPGA上的實(shí)現(xiàn)難度,，本次設(shè)計(jì)選擇了在FPGA上移植了UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊,。

3 驗(yàn)證和評(píng)價(jià)

3.1 FPGA資源占用情況

    系統(tǒng)采樣率為30 MHz，采用Altera公司的FPGA芯片EP3C40Q240C8,，F(xiàn)PGA的資源占用情況如表1所示,，占用資源在系統(tǒng)限度之內(nèi)[6],。

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3.2 系統(tǒng)能譜的能量分辨率

    系統(tǒng)能量分辨率的計(jì)算公式為：

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其中，F(xiàn)WHM(Full Width at Half Maximum)為半高寬,，即能譜上全能峰峰位計(jì)數(shù)值一半處的寬度,；CH是能譜全能峰峰位對(duì)應(yīng)的脈沖幅度。

    本次系統(tǒng)測(cè)試的雙通道能譜如圖5和圖6所示,。系統(tǒng)放射源為Na22,，高純鍺探測(cè)器使用ORTEC公司的 GEM-10175，在25 ℃恒定室溫條件下,，來(lái)探測(cè)系統(tǒng)的能量分辨率,。低能處(5 612道和5 628道)譜峰對(duì)應(yīng)能量為511 KeV的γ光子全能峰，高能處(13 660道和13 923道)譜峰對(duì)應(yīng)能量為1.275 MeV的γ光子全能峰,。通道A的半高寬為2.924 KeV,，通道B的半高寬為2.642 KeV，根據(jù)公式計(jì)算能得出,，通道A的能量分辨率為0.21%,，通道B的能量分辨率為0.19%。兩個(gè)通道的差異較小,，且能量分辨率較高,，基本達(dá)到預(yù)先設(shè)定的能量分辨率0.2%的目標(biāo)。

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3.3 符合多普勒展寬譜

    正電子湮沒(méi)符合多普勒展寬譜在核物理探測(cè)和物質(zhì)缺陷中有非常重要的意義,。通過(guò)兩個(gè)湮沒(méi)γ的能量符合,，可以消除探測(cè)器能量收集不全和堆積效應(yīng)，大大降低湮沒(méi)γ全能峰的本底,，從而通過(guò)湮沒(méi)γ的多普勒展寬得到電子的動(dòng)量分布[7],。系統(tǒng)測(cè)得二維的符合多普勒展寬譜如圖7所示。圖中橢圓長(zhǎng)軸方向?qū)?yīng)于兩個(gè)湮沒(méi)γ能量之和為2m0c2(m0為電子靜止質(zhì)量,，c為真空中的光速),，因而對(duì)角線上的點(diǎn)代表兩個(gè)探測(cè)器探測(cè)到的湮沒(méi)γ的能量基本沒(méi)有誤差，即,，既沒(méi)有堆積,，電荷收集也很完全。所以,，只要在這條對(duì)角線上取一條帶,，投影到對(duì)角線上，就得到正負(fù)電子對(duì)的動(dòng)量在探測(cè)方向的分量的分布,，如圖8所示。圖8中心點(diǎn)是兩個(gè)γ的能量都是511 keV,，電子動(dòng)量為零時(shí)的湮沒(méi)事件計(jì)數(shù),。圖8的橫軸乘以道寬則為cPL(c為真空中的光速,，PL為電子動(dòng)量在出射γ方向的分量)。而旁邊的點(diǎn)代表電子動(dòng)量為PL的計(jì)數(shù),?？傊瑘D8實(shí)際上就是代表電子動(dòng)量的分布[7],。

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    從收譜軟件的符合譜計(jì)算結(jié)果可以看出,，峰本比為2.7×105:1，達(dá)到了設(shè)定的初始指標(biāo)105:1,。

4 結(jié)論

    本文提出了一種基于FPGA的全數(shù)字雙通道符合多普勒展寬系統(tǒng)設(shè)計(jì),，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)和脈沖信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，并且實(shí)現(xiàn)了在FPGA上編寫(xiě)程序以進(jìn)行脈沖幅度提取,、時(shí)間定位,、與上位機(jī)通信等功能。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,，系統(tǒng)采集到的能譜具有較高的能量分辨率,，二維符合圖譜正常展寬，能量分辨率和符合譜峰本比達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo),。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

錢(qián)秋妃，王  柱,，黃啟俊,，鄒風(fēng)華,，廖  遠(yuǎn)，張夢(mèng)新

(武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,，湖北 武漢430072)

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