基于FPGA 的X 射线光谱数据采集系统设计

孟 源，唐 琳，2

（1.成都大学 信息科学与工程学院，四川 成都 610106；2.成都理工大学 数学地质四川省重点实验室，四川 成都 610059）

0 引 言

核技术应用的快速发展已成为推进新技术、新材料、新工艺不断取得创新发展的动力之一，而X 射线光谱测量技术是利用X 射线荧光进行物质中元素定性、半定量分析的重要手段。X 射线荧光光谱法广泛应用于工业水泥生产、矿区矿产元素测量、大气重金属含量检测、药品成分分析、地质研究、测井等方面[1⁃3]。随着电子制作工艺的发展，探测器的能量分辨率到达更高水平，与之相对应的后端电子学测量系统的优化研究也取得了一些研究成果[4⁃6]。

X 射线产生的根源是高能粒子与待测样品中的原子发生相互作用，原子由激发态退激到基态的过程中外层电子向内跃迁填补空穴，多余的能量就会以特征X 射线的形式放出[7⁃8]。X 射线探测从本质上来说是根据探测器接收到穿透物质后射线的强度来实现的[9]。本文采用高性能硅漂移探测器（Fast SDD）用于X 射线的探测，探测器输出的弱电流信号强度与透射的射线强度成正比，因此在X 射线光谱数据采集系统中对脉冲信号幅度的分析也就为介质材料成分的识别以及含量的计算提供了理论依据。本文提出的X 射线光谱数据采集系统以FPGA 作为数据处理核心单元完成对数字脉冲信号的甄别和成形处理。

1 系统总体框架设计

X 射线光谱数据采集系统主要包括测量装置和数字脉冲信号处理器（DPP）两部分，其总体框图见图1。

图1 系统总体框图

首先，X 光管发出X 射线照射待测样品，激发样品产生X 荧光，随后探测器接收荧光，入射光子与探测器相互作用产生电子⁃空穴对，施加在探测器两端的电压使得电子⁃空穴向相反方向运动，到达两极进行收集，进而产生弱电流信号。探测器输出的弱电流信号幅度小，抗干扰能力也不强，不适合传输，因此绝大部分半导体探测器都在探测器后端集成了相应的前置放大器，弱电流信号经前置放大器进行放大并转换成更加适合在DPP 中传输的电压信号[10]。

2 系统硬件设计

2.1 前端调理电路

前放输出的电压信号是一系列不断堆积上升的周期性阶跃信号，每个阶跃信号的脉冲幅度只有几百毫伏，在进行数字化之前需要经过主放电路将幅度放大到高精度ADC 的处理范围内。但前放输出的阶跃信号是堆积上升的，每个阶跃脉冲上都叠加了一定的直流成分，如果直接对这样的信号进行放大处理很容易导致信号溢出，损失掉部分脉冲信息。因此，在进行模拟信号数字化之前阶跃信号必须经过前端电路进行信号整形与放大[11⁃12]。前端电路如图2 所示，前端调理电路包括了CR 微分整形电路、主放电路、偏置调节电路以及程控增益放大电路四个部分[13]。CR 微分整形电路不仅能够滤除周期性阶跃信号中的直流成分，还可以将阶跃脉冲整形为如图2 所示的负指数脉冲。为了提高测量精度，本文系统将通过三级放大电路将负指数脉冲的幅度放大到ADC 芯片的输入电压区间内。在三级放大电路中，第一级主放电路采用AD829 线性放大芯片，该芯片能够对信号进行±1～±20 倍放大。为了对主放输出信号进行偏置调节，二级放大电路采用AD8005 芯片作为偏置调节器，反相端连接主放电路的输出信号，正向端接偏置电压。偏置电压由单片机（MCU）通过外部串行总线（SPI）发送给模数转换器（DAC）转换成相应的模拟信号提供。

第三级放大电路采用程控增益放大，如图3所示，虽然也是通过DAC 和放大器来实现增益放大，但它区别于主放电路和偏置调节电路。该电路选用了一款低功耗、电流输出型可编程ADC 来进行增益控制，采用SPI 总线与MCU 进行通信，其外部基准电压管脚（VREF）由偏置调节电路的输出电压提供，该电压信号的幅度决定了AD5543的最大输出电流。电流输出管脚接入高速、低噪声运算放大器AD829芯片的反向输入端。

图2 前端电路

图3 程控增益放大电路

2.2 ADC 电路

探测器输出信号经前端调理电路整形、放大之后幅度范围为0～2 V，本文系统选用高精度ADC 芯片AD9235⁃20，该芯片分辨率为12 位，采样频率最高可达20 MSPS，采用单端3.3 V 的供电方式，输入信号幅度范围为0～2 V 与前端调理电路的输出范围一致，在X 射线光谱数据采集系统中起到了模拟信号数字化的作用。AD9235⁃20 芯片能够支持差分输入和单端输入两种方式，为了抑制共模干扰，提高测量系统性能，本系统采用的是差分输入模式，ADC 配置电路如图4 所示。

2.3 FPGA 算法处理单元

本 文 系 统 采 用Xilinx 公 司Spartan ⁃ 3 系 列 的XC3S400 型FPGA，其内部资源包括多电压多标准的Select I/O 口、充足灵活的逻辑资源、层级Select RAM 存储构架、4 个数字时钟管理器。在X 射线光谱数据采集系统中FPGA 的主要职责是对ADC 数字化的离散负指数脉冲序列进行实时缓存、数字梯形成形、脉冲幅度甄别，并将甄别出的脉冲幅度信息存入双口RAM 中等待MCU 读取。FPGA 内部功能结构图如图5 所示。

图4 ADC 配置电路

图5 FPGA 内部功能结构图

3 系统调试结果

3.1 系统功能测试

X 射线光谱数据采集系统的功能测试环节中其测量装置包含的源、样、探分别选择的是科颐维KYW2000A 型X 光管、自制铁矿样品以及AMPTEK 公司的Fast SDD。其中，X 光管的额定管压为50 kV，额定管流为0～1 mA；探测器的有效探测面积为25 mm2，厚度为500 µm，铍窗为0.5 mil，阳极靶材选用Ag 靶[13⁃14]；铁矿样品中元素成分较为复杂，既包含镁、硅等轻元素，也包含锶、锡等重元素。在进行功能测试时，多道谱分析的道址为2 048，采用重元素模式和轻元素模式切换的方式进行连续测量。重元素模式下设置管压为49.0 kV，管流196.1 µA，轻元素模式下设置管压为15.7 kV，管流39.2 µA。铁矿样品在不同模式下得到的谱图如图6所示。

3.2 系统稳定性测试

在确保数据采集系统实现了基本功能的基础上，系统的稳定性就成了关注的另一个重要指标。在进行系统稳定性测试时，测量对象依旧采用自制的铁矿样品，如前文所述该样品中既包含重元素Se、Sn 等，也包含轻元素Mg、Si、Ti、Fe 等，因此在做稳定性测试时依然采用重元素模式和轻元素模式切换测量的方式，每种元素每次测量时间为100 s，两种模式切换完成一次测量的时间大约是5 min，如此连续测量5 个工作日，获取到1 359 组数据。

图6 不同模式下的谱图对比

受统计涨落和测量系统本身存在的干扰影响，在测量得到的谱图6 中，每种元素的特征峰都存在一定的宽度，因此在元素含量分析中，往往会取一定道址范围内的计数率之和来计算样品中的元素含量，而这个计数率之和也被称为峰面积。在X 射线光谱数据采集系统的稳定性测试环节中，以每种元素的峰面积作为分析对象对测量得到的1 359 组数据进行分析，系统的稳定性由每种元素被测量得到的含量的稳定性决定，而元素含量的稳定性也就等价于元素特征峰峰面积的稳定性，下面取铁元素和锶元素的测量结果进行详细分析，其结果如下。

图7 是铁矿样品测量1 359 次得到的铁元素含量正态分布结果。由图7 中可以看出，铁元素含量的平均值μ约为14.617，其正态分布的标准差σ约为0.014 642。由此可以计算出在1 倍标准差μ±σ范围内的分布测量数据个数为924，占总测量数据的比例为67.99%；在2 倍标准差μ±2σ范围内的测量数据个数为1 301，占总测量数据的比例为95.73%；在3 倍标准差μ±3σ范围内的测量数据个数为1 356，占总测量数据的比例为99.78%。

图7 Fe 元素含量正态分布

图8 是铁矿样品测量1 359 次得到的锶元素含量正态分布结果。由图8 中可以看出，锶元素含量的平均值μ约为5.704 5，其正态分布的标准差σ约为0.009 089。由此可以计算出在1 倍标准差μ±σ范围内的分布测量数据个数为925，占总测量数据的比例为68.06%；在2 倍标准差μ±2σ范围内的测量数据个数为1 309，占总测量数据的比例为96.32%；在3 倍标准差μ±3σ范围内的测量数据个数为1 355，占总测量数据的比例为99.71%。

图8 Sr 元素含量正态分布

根据正态分布的3σ原则可知，样本落在1σ区间内的概率约为68%，落在2σ区间内的概率约为96%，落在3σ区间内的概率约为99%。通过铁元素和锶元素含量正态分布结果的分析可知，每种元素在各个置信区间内的分布概率都近似等于该区间的理论概论，这就说明测量结果是符合正态分布的，同时也可以得出，整个数据采集系统是稳定可靠的。

4 结 论

本文设计的基于FPGA 的X 射线光谱数据采集系统性能好、速度快、结构简单且具有较强的数据处理能力，用于Fast SDD 后端取得了良好的测量效果。此外，本文系统还具有体积小、噪声小、功耗低、输出信号稳定可靠的优点，最重要的是该系统不仅可用于Fast SDD输出信号的处理，也可以很好地兼容其他探测器，具有一定的应用价值。