發(fā)布時間：2020-04-03 01:01

【摘要】：核輻射對現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展具有十分重大的作用,在醫(yī)學(xué)核磁共振、宇宙空間探測、工業(yè)無損檢測、國家安防等方面應(yīng)用廣泛。雖然核輻射無處不在,但是人類無法直接感知。目前實(shí)驗(yàn)室用的核脈沖信號主要是利用放射源加探測器來得到。但核輻射具有放射性,在實(shí)驗(yàn)過程中可能因?yàn)椴恍⌒慕佑|造成人員健康傷害。而且核探測器成本高昂,容易損壞。同時現(xiàn)有的仿核脈沖信號發(fā)生器還處于前期研究階段,相應(yīng)的產(chǎn)品較少。為從根本上解決上述問題,本課題設(shè)計(jì)了一種基于FPGA+C#的仿核脈沖信號發(fā)生器。系統(tǒng)能夠產(chǎn)生9種仿核脈沖信號,且實(shí)現(xiàn)方法比較簡單,使用資源較少,成本較低。該系統(tǒng)為后續(xù)性能更加強(qiáng)大,功能更加完善的仿核脈沖信號發(fā)生器設(shè)計(jì)打下一定基礎(chǔ)。仿核脈沖幅度系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是:首先利用C#和MATLAB混合編程產(chǎn)生基于函數(shù)表達(dá)式的標(biāo)準(zhǔn)高斯脈沖波形數(shù)據(jù)。然后通過Cypress公司的cy7c68013a芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的通信,將標(biāo)準(zhǔn)高斯脈沖波形數(shù)據(jù)和核素選擇參數(shù)發(fā)送給FPGA。USB芯片工作除了需要芯片本身、USB驅(qū)動程序還需要USB固件程序。要實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)傳輸控制就需要在USB固件程序中配置USB寄存器。FPGA是采用Altera公司颶風(fēng)4代系列芯片EP4CE10F17C8N。FPGA部分電路設(shè)計(jì)主要有USB通信控制模塊、高斯脈沖波形數(shù)據(jù)存儲模塊、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊、特征譜高斯脈沖生成模塊。所有的FPGA模塊都用Quartus II 13.1軟件內(nèi)嵌的邏輯分析儀進(jìn)行了時序驗(yàn)證。仿核脈沖寬度系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是:該系統(tǒng)是直接基于FPGA實(shí)現(xiàn)的,不涉及上位機(jī)和USB通信,核脈沖選擇是通過矩陣按鍵實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)FPGA數(shù)字電路主要包含隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生模塊、按鍵掃描模塊、特征譜高斯脈沖生成模塊、脈沖寬度轉(zhuǎn)換模塊。時序驗(yàn)證方法與仿核脈沖幅度系統(tǒng)相同。實(shí)驗(yàn)部分,首先仿核脈沖幅度系統(tǒng)采用~(22)Na、~(133)Ba、~(241)Am、~(137)Cs四種核素進(jìn)行性能測試。通過示波器觀察高斯脈沖形狀,利用多道脈沖信號分析儀測試能譜特征譜線能量分辨率、穩(wěn)定性,結(jié)果表明該仿核脈沖信號系統(tǒng)能夠產(chǎn)生模擬核素特征譜線的標(biāo)準(zhǔn)高斯脈沖,且穩(wěn)定性良好。仿核脈沖寬度系統(tǒng)也是采用~(22)Na、~(133)Ba、~(241)Am、~(137)Cs四種核素進(jìn)行性能測試,結(jié)果表明輸出脈沖寬度與對應(yīng)的核素主要光子能量成比例,各種核素輸出脈沖寬度個數(shù)與對應(yīng)的核素特征譜線對應(yīng)。
【圖文】：

a b圖 1.1 先進(jìn)信號發(fā)生器 a： AWG70000 信號發(fā)生器 b：M8190A 信號發(fā)生器Fig.1.1 Diagram of advanced signal generatora：AWG70000 signal generator b：M8190A signal generator雖然目前市場上已有性能極好的 DDS 芯片和信號發(fā)生器，但是它們價格都十分昂貴，因此目前國內(nèi)普遍的信號發(fā)生器設(shè)計(jì)并沒有直接以 DDS 芯片為基礎(chǔ)來制作而是采用成本較低的設(shè)計(jì)方案來實(shí)現(xiàn)。隨著數(shù)字信號處理（DSP）、高級精簡指令集計(jì)算機(jī)（ARM）、FPGA 等微處理器功能逐漸強(qiáng)大，工作頻率高達(dá)幾百兆赫茲，也可以實(shí)現(xiàn)高速 DDS。因此可以使用這些微處理器來替代高成本的 DDS 芯片來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號發(fā)生器。如使用增量總和調(diào)制信號的直接數(shù)字合成[16]，基于 Labview 和FPGA 的 DDS 信號發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)[17]，基于 Labview+Nios II 架構(gòu)的任意波形發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)[18]，基于 MATLAB GUI、DSP 等脈沖信號發(fā)生器實(shí)現(xiàn)[19-21]等等。1.2.2 專用信號發(fā)生器隨著數(shù)字信號發(fā)生器的迅猛發(fā)展，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，信號發(fā)生器也開始向

圖 1.2 儀器框圖Fig. 1.2 Block diagram of the instrument工業(yè)方面，由于自然能源對電力生產(chǎn)的限制，包括對可再生能源的大量利用，為了保證配電系統(tǒng)有效運(yùn)行，設(shè)計(jì)了電能質(zhì)量信號發(fā)生器來產(chǎn)生配電系統(tǒng)中各種電能質(zhì)量（PQ）擾動的實(shí)驗(yàn)測試信號[24]。如圖 1.3 所示，該系統(tǒng)是按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50160 產(chǎn)生電能質(zhì)量擾動。系統(tǒng)分為兩個部分： LabView 軟件設(shè)計(jì)的上位機(jī)用于產(chǎn)生電壓波形，，硬件電路部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和信號放大。其中，軟件部分用于制定信號幅值和頻率值，最終測試序列采樣率和持續(xù)時間，高斯噪聲，標(biāo)稱信號頻率和慢幅波動等一系列參數(shù)設(shè)置。還有用于運(yùn)動控制系統(tǒng)的參考脈沖發(fā)生器[25]。該信號發(fā)生器主要用于控制數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)方式是在 DSP 中進(jìn)行插值運(yùn)算，在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的脈沖發(fā)生器模塊，這樣能夠產(chǎn)生精確的參考速率從而消除參考脈沖的路徑誤差。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TL81

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2612702