基于FPGA的監(jiān)測數(shù)字示波器設計

2.4 數(shù)字波形數(shù)據(jù)存儲及波形輸出

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。存儲滿模式工作原理為Dual RAM存儲1 024點數(shù)據(jù)和串口輸出數(shù)據(jù)交替工作，每存儲滿一次數(shù)據(jù)就通過串口輸出數(shù)據(jù)，串口輸出完數(shù)據(jù)后重新采集和存儲數(shù)據(jù);定時輸出為Dual RAM存儲1 024采樣點數(shù)據(jù)，存儲滿后待定時信號，設定每幾秒輸出一次波形數(shù)據(jù);脈沖波形參數(shù)觸發(fā)模式類似于通用數(shù)字存儲示波器的輸出觸發(fā)模式，在波形數(shù)據(jù)寫入RAM前對波形參數(shù)(如脈沖幅值、脈沖形狀、脈沖寬度等)數(shù)據(jù)進行提取，當波形參數(shù)在需要的范圍時，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，可以對核爆炸的光輻射、電磁脈沖、沖擊波、放射線沾染等各種效應信號波形進行錄制、回放和精確分析，從而實現(xiàn)核爆的自動監(jiān)測和識別。

3 對核脈沖信號進行測試分析

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

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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成形質(zhì)量的重要依據(jù)。該波形測量方法是在強輻射環(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，需對探頭放大成形電路進行調(diào)節(jié)，減小高斯成形電路的下沖。可根據(jù)脈沖的形狀(混疊情況)初步判斷放射源的強弱。圖5所示，波形為示波器連續(xù)采得兩個核脈沖信號。波形圖中若測得脈沖波形密集，或出現(xiàn)脈沖重疊，則說明源較強;若脈沖稀疏，則源較弱。

基線值測量：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，波動大小為5，本次測量波形基線值偏大，需要對探頭進行調(diào)節(jié)或在數(shù)字多道中對基線值進行扣除。

脈沖寬度測量：該值是抗干擾設計和基于脈寬測量反堆積的重要依據(jù)。可讀出正脈沖(高于基線均值的取樣點)共約125左右個取樣點，脈寬為2.5μs，可以計算出核脈沖成形的寬度。如果脈沖寬度過小，則可能是干擾信號;過大可能是脈沖堆積信號。

脈沖幅值測量：該值是數(shù)字多道脈沖幅度分析器設計最重要的數(shù)據(jù)。可讀出兩個脈沖數(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、右兩個采樣點的值與峰值差值也小于基線波動值，說明在該采樣頻率下，用逐點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，從測量看出，幅值為312，對應為312道，通過數(shù)字多道能譜分析，其能量約660 keV，和波形測試用的放射源一致。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。

脈沖幅值時間測量：可讀出在脈沖到來后的第66個采樣點獲取最大值。

噪聲測量及抗噪處理：從圖5波形還可看出，信號中存在一定的噪聲，所以在數(shù)字多道處理時，可用DSPIP核對脈沖波形進行數(shù)字平滑處理，同時可通過設定一定的噪聲容限，幅值低于噪聲容限的都看作噪聲，高于噪聲容限的信號才可能是有效信號，對數(shù)字多道進行抗干擾處理。

脈沖波形和幅度譜比較分析：由圖5信號源高斯波形代替核脈沖信號，可用該示波器的波形圖和幅度譜圖對比，比較脈沖幅度和幅度譜數(shù)據(jù)，可以對數(shù)字多道能譜儀的準確性進行測試驗證。

4 結(jié)語

總之，利用基于FPGA的數(shù)字示波器，能很好地顯示、存儲和分析核信號，是核儀器的重要技術之一，有較大的使用價值。該設計利用VHDL對FPGA進行編程，并在編程中廣泛采用并行和流水線技術，實現(xiàn)了信號高速處理;利用Block RAM定制雙口RAM存儲波形數(shù)據(jù)，大大節(jié)約了邏輯資源的使用。