Adatgyűjtő rendszer tranziens optikai sugárzási jelek észlelésére
Az erős háttér és a gyenge célpont jellemzőinek megfelelően a tranziens optikai sugárzás észlelésében, ez a cikk olyan adatgyűjtési sémát tervez, amelyben az FPGA a vezérlés és feldolgozás magja. A séma háttér- és jelkettős szűrőcsatornákat, kétszintű programvezérelt erősítést alkalmaz, amely hatékonyan garantálja a jelgyűjtés minőségét; ugyanakkor frekvenciakonverziós tárolást alkalmaz a céljelekhez, ami nagymértékben csökkenti az adattárolás és -átvitel követelményeit, és konzisztensebb adatgyűjtési folyamatot biztosít. mérési pontosság.
1 A rendszer összetétele és működési elve
Az adatgyűjtő rendszer nagyjából három részre osztható: az előfeldolgozó modulra, a mintavételi tároló modulra és az FPGA vezérlő modulra. Az előfeldolgozó modul fotoelektromos átalakító eszközöket, aktív szűrő bankokat és programvezérelt erősítő áramköröket tartalmaz. A teljes rendszer blokkvázlata az 1. ábrán látható. A fotoelektromos átalakító áramkör a rendszerbe belépő optikai jelet egy detektoron keresztül áramjellé alakítja, majd egy transzimpedanciás műveleti erősítőn keresztül feszültségjellé alakítja. A rendszer két szűrőcsatornát tervez: a háttér aluláteresztő szűrést, a jel pedig felüláteresztő szűrést alkalmaz. A kezdeti állapotban az analóg kapcsoló alapértelmezés szerint a háttércsatornát választja, a programozható erősítő pedig háttérmódra van állítva. Miután a háttérjelet A/D mintavételezte, elküldi az FPGA-nak a küszöbértékek összehasonlítására. A küszöbértéknél nagyobb helyzet észlelésekor az FPGA átkapcsolja az analóg kapcsoló csatornáját, kiválasztja a felüláteresztő szűrő csatornáját, és jelmódként a programvezérelt erősítő működési módját választja. Az elején meredek, a végén lassú jel jellemzői szerint az FPGA sűrűn, majd ritkábban valósítja meg az adatok gyűjtését és tárolását az A/D és FIFO összehangolt vezérlésével.
2. Adatgyűjtő rendszer hardveres tervezése
2.1 Elülső szakasz előfeldolgozó áramkör
A fotoelektromos érzékelő áramkörben a fotodetektor közvetlenül kapcsolódik a rendszer teljesítményének minőségéhez. A környezeti elektromágneses sugárzás okozta indukált áram hatásának csökkentése érdekében a készülék kerámia csomagolásra alkalmas. Ezenkívül a detektor fényérzékeny területe nem lehet túl nagy, különben az olyan paraméterek, mint a sötétáram, a csomóponti kapacitás és a felfutási idő megnőnek, ami befolyásolja az észlelési hatást. A tervezésben a Japan Hamamatsu Company S2387 szilícium fotodiódáját használták. Az érzékelő jellemzői a nagy érzékenység, a gyors reakcióidő és a nagy dinamika tartomány. Az áramkör kialakítása nulla előfeszítést alkalmaz, nincs sötét áram, a diódazaj főként a söntellenállás által keltett hőzaj, és ez a legjobb pontossággal és linearitással rendelkezik. A felül- és aluláteresztő szűrő aktív szűrőt alkalmaz, amely gyors reakciósebességgel rendelkezik, jó hatással van a harmonikusok szűrésére, és dinamikusan kompenzálja a meddőteljesítményt. A programvezérelt erősítő egy integrált műveleti erősítőből és egy analóg kapcsolóból áll. Az analóg kapcsolót FPGA vezérli, és a műveleti erősítő bemeneti csatlakozójára különböző ellenállások vannak csatlakoztatva az erősítés beállításához.
2.2 Mintavételi tároló áramkör
Mivel a céljel dinamikus tartománya nagyon nagy (kb. 80 dB), a jel felvételéhez széles dinamikatartománnyal rendelkező ADC-t kell választani. Ha 14 b ADC-t alkalmazunk a jelek olyan dinamikus tartományú mintavételére, amelynek amplitúdója akár 4 nagyságrendig is változik, akkor ez megfelel a rendszer által megkövetelt magas érzékelési érzékenység követelményeinek. Mivel azonban minden A/D konverziós eszközben vannak precíziós hibák, a nagy pontosságú A/D konverziós komponensek kis pontosságú A/D konverziós komponensek használata csökkentheti a precíziós hibákat. Ez a kialakítás az ADI Company 16 bAD976A-ját használja. AD976A alacsony fogyasztású 16 b egymást követő közelítésű A/D konverter, az átalakítási sebesség 200 KSPS, választhat belső vagy külső 2,5 V-os referencia tápegységet. Az AD976 lehetővé teszi a 16 b párhuzamos kimenetet egyszerre, és két 8 b formájában is kiadható. A tervezés során a tűk megtakarítása érdekében kettős 8 b kimenetet alkalmaznak.
A különböző óratartományok közötti pontos adatátvitel érdekében az adatgyorsítótár aszinkron FIFO-t használ. Az aszinkron FIFO nagy sebességgel és jó megbízhatósággal rendelkezik, és elkerülheti az adatok hibás mintavételét a különböző órajelek közötti fáziskülönbségek miatt. A tervezésben alkalmazott IDT7204 egy 4 096 × 9 b CMOS kétportos memória-gyorsítótár chip az IDT72XX sorozatban. A belső olvasási és írási mutatók olvasása és írása a first-in first-out alapján történik, a W írási óra és az R olvasási óra pedig kívülről biztosított; a teljes jelző () és az üres jelző () vezérli az adattúlcsordulást és az üres olvasást, és ír, ha a szimulációs memória megtelt. Könnyen bővíthető bármilyen szómélység és szóhossz.
