過渡光放射信号検出用データ収集システム
過渡光放射検出における強いバックグラウンドと弱いターゲットの特性に従って,本論文は制御と処理の中核としてFPGAを使用したデータ収集スキームを設計した。 この方式は、バックグラウンドと信号のダブルフィルターチャンネル、2レベルのプログラム制御増幅を採用しており、信号取得の品質を効果的に保証します。 同時に、ターゲット信号の周波数変換ストレージを採用し、データのストレージと送信の要件を大幅に軽減し、より一貫した取得プロセスを保証します。 測定精度。
1 システム構成と動作原理
データ収集システムは、前処理モジュール、サンプリング保存モジュール、FPGA 制御モジュールの 3 つの部分に大別できます。 前処理モジュールには、光電変換デバイス、アクティブ フィルター バンク、およびプログラム制御された増幅回路が含まれます。 システム全体のブロック図を図1に示します。光電変換回路は、システムに入った光信号を検波器で電流信号に変換し、トランスインピーダンスオペアンプで電圧信号に変換します。 システムは 2 つのフィルタリング チャネルを設計します。背景にはローパス フィルタリングが採用され、信号にはハイパス フィルタリングが採用されます。 初期状態ではアナログスイッチはデフォルトでバックグラウンドチャンネルを選択しており、プログラマブルアンプはバックグラウンドモードに設定されています。 バックグラウンド信号が A/D によってサンプリングされた後、閾値比較のために FPGA に送信されます。 閾値を超える状況が検出されると、FPGA はアナログ スイッチのチャネルを切り替え、ハイパス フィルターのチャネルを選択し、信号モードとしてプログラム制御アンプの動作モードを選択します。 FPGAは、信号の最初が急峻で最後が遅いという特性に応じて、A/DとFIFOの協調制御によりデータを密集・疎に収集・保存することを実現します。
2. データ収集システムのハードウェア設計
2.1 前段前処理回路
光電検出回路では、光検出器はシステム性能の品質に直接関係します。 環境電磁放射による誘導電流の影響を軽減するため、デバイスはセラミックパッケージに適しています。 さらに、検出器の感光面積が大きすぎてはなりません。大きすぎると、暗電流、接合容量、立ち上がり時間などのパラメータが増加し、検出効果に影響を及ぼします。 設計には、日本浜松社の S2387 シリコンフォトダイオードが使用されています。 この検出器は、高感度、高速時間応答、および広いダイナミックレンジという特性を備えています。 回路設計はゼロバイアスモードを採用しており、暗電流がなく、ダイオードノイズは主にシャント抵抗によって生成される熱ノイズであり、最高の精度と直線性を備えています。 ハイパスフィルタとローパスフィルタはアクティブフィルタを採用しており、応答速度が速く、高調波フィルタリングの効果が高く、無効電力を動的に補償できます。 プログラム制御アンプは、オペアンプとアナログスイッチを統合して構成されています。 アナログスイッチはFPGAによって制御され、ゲインを調整するためにオペアンプの入力端子にさまざまな抵抗が接続されます。
2.2 サンプリング記憶回路
対象信号のダイナミックレンジは非常に大きい（約80dB）ため、信号の捕捉を実現するにはダイナミックレンジの広いADCを選択する必要があります。 14 b ADC を採用して、振幅が最大 4 桁変化するダイナミック レンジで信号をサンプリングすることで、システムに必要な高い検出感度の要件を満たすことができます。 ただし、A/D変換デバイスには精度誤差が存在するため、低精度A/D変換部品を高精度A/D変換部品として使用することで精度誤差を低減できます。 この設計では、ADI 社の bAD976A を 16 個使用しています。 AD976A は低消費電力の 16 b 逐次比較型 A/D コンバータで、変換速度は 200 KSPS で、内部または外部 2.5 V 基準電源を選択できます。 AD976 は一度に 16 b を並列出力できるほか、8 b を 2 つ出力することもできます。 設計上のピンを節約するために、デュアル 8 b 出力が採用されています。
異なるクロック ドメイン間でデータを正確に送信するために、データ キャッシュは非同期 FIFO を使用します。 非同期 FIFO は高速かつ信頼性が高いという特徴があり、異なるクロック間の位相差によるデータのサンプリングミスを回避できます。 設計に採用された IDT7204 は、IDT72XX シリーズの 4 096 × 9 b CMOS デュアルポート メモリ キャッシュ チップです。 内部のリードポインタとライトポインタは先入れ先出しに基づいて読み書きされ、ライトクロックWとリードクロックRは外部から供給されます。 フル フラグ () と空フラグ () は、データ オーバーフローと空の読み取りを制御し、シミュレーション メモリがフルになった場合に書き込みます。任意のワード深さとワード長を簡単に拡張できます。
