辐射发生器的设计

凌涛

（东华理工大学机械与工程技术学院，江西南昌，330032）

0 引言

理想的通过核辐射探测器输出的核脉冲信号是一个负指数脉冲信号（射线本身可看作单位冲激信号）[1]，但是实际上，射线经过放射性探头自身（如晶体、半导体、气体等）及其配套部件（如光电倍增管等）的转化后，会成为双指数脉冲信号，如图1所示，相当于电子学里面对冲激响应的积分和微分过程。但不同类型的探测器输出核脉冲的前沿、后沿的衰减时间会各有不同，即可看作积分和微分时间常数各有不同。

图1 双指数型核脉冲信号

最早的辐射信号发生器有模拟电路产生[1]，后来又有单片机和FPCA为核心来设计[2]，分别采用函数法，余数法，中心极限定理法和Box-Muller变换法[3][4]。

因此一个简单的核脉冲发生器可设计成一个双指数信号发生器，其脉冲幅度、 前沿积分时间常数、后沿微分时间常数、脉冲发生频率均可在线调节即可。原理框图如图2所示。

图2 核脉冲发生器原理框图

在图2中，由PC机向便携式核脉冲发生器传送脉冲幅度、前沿积分时间常数、前沿积分时间常数、后沿微分时间常数、脉冲发生频率等命令，STM32将相关命令保存到数组中，同时利用STM32通过脉冲幅度和前/后沿时间常数调用指数函数计算各个点数据。STM32将所有点的幅度数据传递到FPGA的ram中，FPGA根据固定或指定的频率向高速DAC发送数据，请求将数字信号转换为模拟信号，并通过高速运放1将电流信号转换电压信号，并进行放大处理后由高频滤波网络消除掉DAC转换过程中出现的阶梯毛刺。

1 双指数信号算法

式（1）中，X表示信号的时间值，A表示双指数信号的前沿时间常数（可等效为前沿积分时间常数），B表示双指数信号的后延时间常数（等效为后延微分常数），Y表示信号随时间变化的幅值。

具体方法即通过在MDK5上函数产生呈双指数分布的一定个数的幅值数据，再将产生的数据保存在芯片本身的数组中，作为信号的原始数据；

2 SPI数据通信模块

STM32单片机与FPGA之间的数据通信采用SPI通信，其实物连接如图3；将单片机PA4,PA5,PA7依次连接到FPGA开发板J2的3，5，7口，作为数据通信接口进行数据传输。

图3 SPI通信连接图

同样，用MDK5编译软件编写SPI通信协议以及传输函数，主要设置SPI的通信模式，一次传输位数，传输速率，时钟特性和时钟相位等；这些参数设置好后就可以进行数据传输了。

3 FPGA设计模块

FPGA主要采用的是由上而下的设计思路，具体设计如图4所示。

图4 FPGA设计模块

如图4所示，其主要包括按键发送模块，SPI接收模块，双端口RAM存储发送模块，数据发送模块以及DA模块；数据以16位数据串的形式发送给FPGA芯片的缓存区，作为DA转换的固定的脉冲源，将缓存区的数据循环读出，经过AN9767芯片的数模转换，将双指数的幅值数据转换为电流输出，再经过一级运放将电流转换为电压输出，其次经过滤波器滤波，最后再用一个二级运放进行电压放大作为信号输出；以此得到一个简单的双指数型核脉冲信号，可以实现如图1的双指数信号输出；其前沿积分时间常数，后延微分常数，频率，幅值常数都可以根据现实需要进行设置调节。

4 高速DA转换

DA转换模块采用的是AN9767，其主要参数包括：DA转换芯片：AD9767；通道数：2通道；DA转换位数：14bit；DA更新速率：125MSPS；输出电压范围：-5V～+5V；完全能满足本设计需要。FPGA开发板与AN9767实物连接如图5所示。

图5 FPGA开发板与AN9767连接图

5 辐射信号发生器平台的实现与测试

FPGA芯片采用Altera公司的FPGA芯片飓风，四代EP4CE6F17C8N；STM32芯片采用STM32F 103ZET6。搭建的实验平台实物如图6所示。

图6 完整系统实物图

实验步骤如下:将各个模块通过杜邦线正确的连接起来，接通电路的电源，将程序下载到开发板中，然后将FPGA产生波形信号输入到DAC电路模块，经过DA转换后的结果将在TDS3032上显示。

在MDK5上将信号的初始幅值设置为4，前后延常数设置为8，然后频率设置为50MHz，再将通信模式设置为主模式，数据传输为16位，时钟相位为高，时钟极性为0；同时用quartus 软件将FPGA程序用JTAG下载到FPGA开发板，可以得到其RTL视图；仿真软件用的是Modelsim 10.1,其仿真如图7所示，是一段将一个16位数据以此写入ram内核里，同时其地址依次增加；然后进行引脚分配；最后是用TDS3032示波器观察DA通过BNC线观察转换输出双指数脉冲波形，如图8所示，其脉宽约为8μs幅值约为4v，基本符合设计要求。

图7 Modelsim仿真图

图8 示波器输出测试图

6 结论

通过STM32单片机和FPGA开发板为核心设计，以C和Verilog HDL语言进行软件编程，可以设计出一个简易的辐射信号发生器，为以后复杂的辐射信号发生器的设计提供了思路。