核物理從各種入射粒子帶有的特征的測(cè)量來(lái)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)研究。傳統(tǒng)的核物理都采用模擬方式來(lái)處理探測(cè)器輸出的電信號(hào),數(shù)字化技術(shù)主要用在數(shù)據(jù)的最后獲取和存儲(chǔ)當(dāng)中。 在核物理或者是高能物理等實(shí)驗(yàn)研究中,粒子的動(dòng)量,能量,時(shí)間量和空間位置一直是大家比較關(guān)心的物理參量,通過(guò)分析和處理探測(cè)器的輸出電信號(hào),從而分析出核反應(yīng)核信號(hào)的信息。其中,能量和時(shí)間是實(shí)驗(yàn)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(shí)間譜也是核測(cè)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(yùn)用。核輻射探測(cè)器輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化之后,經(jīng)過(guò)數(shù)字處理分析得到實(shí)驗(yàn)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(hào)的需求,降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該技術(shù)將探測(cè)器出來(lái)的信號(hào)盡可能早的將信號(hào)數(shù)字化,增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。這些優(yōu)勢(shì)都推進(jìn)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(gè)模塊。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字化核譜儀系統(tǒng)將輸入的探測(cè)器信號(hào)經(jīng)過(guò)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(jìn)行FIR濾波、觸發(fā)判選、去基線、求幅值與時(shí)間差算法的一系列數(shù)字處理,最終通過(guò)上位機(jī)控制將結(jié)果由USB或以太網(wǎng)上傳至主機(jī)當(dāng)中。 其中數(shù)字部分算法中時(shí)間差計(jì)算采用的是數(shù)字恒比定時(shí)方法,它的實(shí)現(xiàn)是由DSP builder設(shè)計(jì)完成,DSP builder是Altera公司推出的便于數(shù)字算法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)工具,是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)工具,它將系統(tǒng)級(jí)和RTL級(jí)兩個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工具連接起來(lái),在MATLAB/Simulink中進(jìn)行算法設(shè)計(jì),最終轉(zhuǎn)換成硬件描述語(yǔ)言在FPGA中并行處理,速度快,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 本論文主要的工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1.設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)字化核譜儀系統(tǒng),用FPGA實(shí)現(xiàn)了在線觸發(fā)、FIR濾波等處理過(guò)程,由DSP builder設(shè)計(jì)峰值提取和時(shí)間差計(jì)算的算法,轉(zhuǎn)換成硬件描述語(yǔ)言后在FPGA中并行處理。 2.簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu),使模擬電路變得簡(jiǎn)單,充分利用了數(shù)字域中處理信號(hào)的靈活性,針對(duì)不同的輸入信號(hào)給出不同的參數(shù)設(shè)置,根據(jù)需求可分別進(jìn)行能譜和時(shí)間譜的測(cè)量,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的在線調(diào)節(jié)功能,系統(tǒng)的通用性增強(qiáng),使同一個(gè)硬件設(shè)備系統(tǒng)可以用于不同場(chǎng)合不同信號(hào)的能譜和時(shí)間譜的測(cè)量。 目前,本論文所設(shè)計(jì)的數(shù)字化核譜儀系統(tǒng)進(jìn)行了電子學(xué)測(cè)試,并用閃爍探測(cè)器和高純鍺探測(cè)器進(jìn)行了物理測(cè)試,與傳統(tǒng)的多道幅度譜儀和TDC進(jìn)行比較,在同樣的測(cè)試條件下,能量和時(shí)間分辨均分別高于多道幅度譜儀和TDC測(cè)量結(jié)果。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TL817
【部分圖文】：

信號(hào)進(jìn)行放大，并對(duì)幅度、和頻譜等諷別，同時(shí)抑制電路噪聲，從而可以精確地獲得信號(hào)能量、核事件時(shí)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(cè)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(shí).■析 ：——J 錄 ‘ 1—H時(shí)幅變換 ? 一允-一..- -.... 時(shí)間檢出 ：探測(cè)器前端放大器 >" —H時(shí)數(shù)妄換I ? 快放大器 ‘ ~間郵別] ?圖2.1核電子學(xué)信號(hào)處理框圖1、在盡可能近的地方探測(cè)器的地方放置前置放大器，把探測(cè)器探測(cè)轉(zhuǎn)化的電荷經(jīng)過(guò)一級(jí)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(lái)的信號(hào)接著進(jìn)入主放大器，主放大器主要將信號(hào)再放大，兩次放大的放大倍數(shù)是由所測(cè)脈沖的幅度大小和郵別器的閾值決定的。在進(jìn)行能量分析時(shí)，主放大器要求非常穩(wěn)定，以提高測(cè)量結(jié)果的能量分辨。同時(shí)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(lái)判斷信號(hào)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(lái)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(lái)排除無(wú)關(guān)的脈沖事例。4，、核物理實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)大量實(shí)驗(yàn)事例進(jìn)行分析計(jì)算，最后得出某些物理量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

閾值作比較，當(dāng)事例信號(hào)的前沿大于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，規(guī)別電路輸出一個(gè)邏輯脈沖，這個(gè)脈沖就是前沿定時(shí)信號(hào)。我們通常采用比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)前沿定時(shí)。如圖2.2所示：V隨 I ； ： I"1 I2<^ Tth圖2.2前沿觸發(fā)定時(shí)示意圖前沿定時(shí)雖然電路簡(jiǎn)單，引入的噪聲較小，但由于信號(hào)幅度以及上升時(shí)間都會(huì)引起時(shí)間游動(dòng)，噪聲會(huì)引起時(shí)間晃動(dòng)，所以實(shí)際應(yīng)用的定時(shí)系統(tǒng)中，閾值電壓Vth的選擇要考慮信號(hào)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(shí)方法來(lái)獲得更好效果的定時(shí)輸出。過(guò)零定時(shí)過(guò)零定時(shí)可以消除由于信號(hào)幅度不同引起的時(shí)間游動(dòng)，設(shè)輸入信號(hào)7

只有當(dāng)V?=0時(shí)，tth的值才不受到與幅度A無(wú)關(guān)。因此釆用過(guò)零定時(shí)，信號(hào)幅度變化不會(huì)對(duì)定時(shí)時(shí)間產(chǎn)生影響。它的過(guò)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(guò)零定時(shí)原理圖恒比定時(shí)恒比定時(shí)相比過(guò)零定時(shí)可以避免由于前沿變化和斜率噪聲比不是最好時(shí)而產(chǎn)生的誤差。設(shè)輸入信號(hào)Vi?=Afa), A是幅度，Vp=p*A。為觸發(fā)閾值，那么過(guò)閾值時(shí)刻Tp可?由下式得出：Aof (t) -pAo=0可以看出，T；的值與A。無(wú)關(guān)。它的實(shí)現(xiàn)方法如圖2. 4所示：8
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2861287