一种基于FPGA的γ脉冲信号发生器

技术领域

本发明属于脉冲信号发生器技术领域，更具体的说是涉及一种基于FPGA的γ脉冲信号发生器。

背景技术

在核辐射探测应用中，核辐射探测器探测核辐射，输出一系列幅度大小不一、波形不尽一致、前后间隔疏密不匀的时间随机分布的离散脉冲信号，由放大器及信号处理电路处理分析。且单个离散的信号的波形也因辐射源不同、探测器不同而呈现独特的波形；同时幅度的分布也因辐射源、探测器的不同有着显著的差异，时间分布更是根据辐射强度变化而变化。

通常在设计调试放大器及信号处理电路时，可以使用探测器探测辐射源得到的真实脉冲信号，也可以使用通用信号源模拟脉冲信号。但使用放射源操作相对复杂危险,需要操作放射源，需要放置探测器及相应高压电源，前置放大器等附属装置，甚至需要液氮等低温装置，有时还需考虑屏蔽设施或装置，连接调节的组件、参数多；通用信号源的输出相对单调，三角波，正弦波方波等都和真实的辐射信号存在差异，即使应用设备采集抓取相应的脉冲，使用通用信号源输出，也不能得到类似放射源的幅度分布和时间分布序列脉冲信号。

因此，如何提供一种基于FPGA的γ脉冲信号发生器是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于FPGA的γ脉冲信号发生器，能够实现γ脉冲信号的波形的编程，脉冲幅度的编程以及计数率的调节。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于FPGA的γ脉冲信号发生器，包括：箱体和主体模块，所述主体模块设置于所述箱体内部，所述主体模块包括脉冲波形发生器、脉冲幅度控制器、脉冲间隔控制器和DA转换器，其中，所述脉冲幅度控制器和所述脉冲间隔控制器均与所述脉冲波形发生器相连，所述脉冲波形发生器与所述DA转换器相连。

优选的，所述脉冲波形发生器、所述脉冲幅度控制器和脉冲间隔控制器均由FPGA系统实现。

优选的，将FPEG的50M时钟5分频作为主控时钟，频率为10M，并将时间间隔数值乘10做为波形启动间隔计数值；每次启动间隔计数时，控制时序，将波形文件每个采样点的12位2进制数值，同当前幅度控制数值相乘，取高12位，送至FPGA相应的12位数字输出口交由DAC部分转换为模拟值，20个主控时钟周期可输出一个完整的、幅度受控的脉冲信号，待时间间隔计数到达当前时间间隔值时，开始读取新的幅度控制值和时间间隔值，进行新的脉冲信号的波形输出，依次循环，持续输出脉冲信号序列。

优选的，波形发生器按照存储的数字波形文件提供相应的脉冲信号波形，由示波器采集相应核辐射脉冲信号，形成数字波形文件。

优选的，所述脉冲幅度控制器按照存储的能谱数据输出相应幅度数值，能谱数据存储的是构成γ能谱的各脉冲幅度值，γ能谱的光电峰为高斯分布。

优选的，所述脉冲间隔控制器按照存储的时间间隔数组，控制脉冲信号发生的时间间隔，γ射线的时间分布为泊松分布。

优选的，所述DA转换器由12位2R-R电阻网络实现。

优选的，所述箱体顶端设置有BNC母座和MicroUSB电源插座，所述箱体的正面设置有JTAG接口、电源开关和运行指示灯。

本发明的有益效果在于：

本发明实现了符合核辐射探测器输出特性、波形可编程、能谱可编程、计数率可调节的的脉冲信号序列输出，方便了同位素仪表等的放大器及信号处理电路的调试、检验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明箱体的结构示意图。

图2附图为本发明主体模块的结构示意图。

图3附图为本发明的信号波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图1-2，针对目前同位素仪表研制调试过程中对核辐射信号获取不方便的实际需求，本发明提供了一种基于FPGA的γ脉冲信号发生器，用于同位素仪表等的放大器及信号处理电路的调试。包括：箱体1和主体模块，主体模块设置于箱体内部，主体模块包括脉冲波形发生器、脉冲幅度控制器、脉冲间隔控制器和DA转换器，其中，脉冲幅度控制器和脉冲间隔控制器均与脉冲波形发生器相连，脉冲波形发生器与DA转换器相连。由时间间隔控制器控制波形发生部分生成单个脉冲波形，由脉冲幅度控制器控制每个脉冲的幅度，最终由DA转换器将数字波形信号转化为模拟脉冲信号。脉冲波形发生器、脉冲幅度控制器和脉冲间隔控制器均由FPGA系统实现。FPGA基于硬件数字电路，稳定可靠，I/O口丰富，配置灵活，编程方便。

将FPEG的50M时钟5分频作为主控时钟，频率为10M，并将时间间隔数值乘10做为波形启动间隔计数值；每次启动间隔计数时，控制时序，将波形文件每个采样点的12位2进制数值，同当前幅度控制数值相乘，取高12位，送至FPGA相应的12位数字输出口交由DAC部分转换为模拟值，20个主控时钟周期可输出一个完整的、幅度受控的脉冲信号，待时间间隔计数到达当前时间间隔值时，开始读取新的幅度控制值和时间间隔值，进行新的脉冲信号的波形输出，依次循环，持续输出脉冲信号序列。

方案验证实验中能谱数组数量和时间分布数组数量互质，是为了模拟γ射线脉冲的随机性。实际应用中可随意选取。

波形发生器按照存储的数字波形文件提供相应的脉冲信号波形，由示波器采集相应核辐射脉冲信号，形成数字波形文件，核探测器脉冲信号波形不尽相同，应用数字示波器采集相应脉冲信号，并进行处理，得到相应的波形数字文件供信号发生器使用，可最大程度还原原始信号波形。本发明验证中采集常用的NaI(Tl)闪烁体+光电倍增管探测器输出的γ射线脉冲信号，采用20点采样，和DA转换一致的12位2进制位深。波形如图3所示，上升沿约0.4μs，脉冲宽度约2μs。

脉冲幅度控制器按照存储的能谱数据输出相应幅度数值，能谱数据存储的是构成γ能谱的各脉冲幅度值，γ能谱的光电峰为高斯分布。可采用MATLAB或Excel等工具生成相应数组，本方案验证时采用Python中Numpy模块生成数量6500，峰值在满幅0.7位置，δ为0.05的高斯分布数组,数组为随机生成，每次具体数值可能略有不同，本次数组最大值0.9393，最小值0.5698。再加上1500个0-0.5满幅的均匀分布及由0.5-0.55满幅递减分布的数组模拟康普顿电子连续谱。合并两数组后使用乱序命令，模拟γ射线脉冲幅度的随机性，合计8000个脉冲幅值。生成的数组也规划为满幅12位2进制数。

核辐射的能量分布通常为正态分布：

其中：μ为中心值，δ为标准差，其曲线f(x)为关于x＝μ对称，宽度由δ决定的钟形曲线。由Python Numpy模块生成能谱数组，如峰位在a处，FWHM＝b，数量为5000的正态分布数组的生成命令为np.random.normal(loc＝a，scale＝b/2.36，size＝5000)。还可以多个能量峰叠加。如导入多道分析仪采集的能谱数据，则可更加真实的模拟核辐射探测器的信号输出序列。

脉冲间隔控制器按照存储的时间间隔数组，控制脉冲信号发生的时间间隔，γ射线的时间分布为泊松分布。本发明同样由Python生成数量359，均值25的泊松数组，模拟γ射线40K计数的时间分布。本次数组最大值40，最小值14，平均25.2，单位为微秒，实际计数率39.7K(不是准确的40K是因为数组的生成是随机的，每次都有差异)。

核辐射的时间分布为泊松分布：

泊松分布的参数λ是单位时间(或单位面积)内随机事件的平均发生次数，k＝0,1,2……泊松分布P(λ)描述单位时间内随机事件发生的次数，泊松分布的期望和方差均为λ。由Python Numpy模块生成时间间隔数组，Python中生成时间间隔数组的命令为random.poisson(lam，size)，lam即预期时间间隔值(单位为微秒，在生成数组后，可求数组平均数，其倒数即为每微秒的计数率。随机生成的数组，计数值和预期可能略有偏差，但偏差值可知)。如生成40k计数率的时间间隔数组，命令为random.poisson(25，size)。

本发明电源部分采用标准MicroUSB接口5V供电。

DA转换器由12位2R-R电阻网络实现。在Quartus平台中分配输出信号I/O，将最终的12位波形数据输出到FPGA的12个同组管脚，直接连接电阻网络，再加一级跟随输出及分压电位器实现输出幅度调节，模拟探测器的输出信号。设计中选用同组管脚连接电阻网络，以保证电源精度，并挑选阻值一致的电阻，满足12位DA转换的精度要求。

本方案验证实验中，γ脉冲信号发生器可给出幅度参差不齐，间隔疏密不匀的随机性质负脉冲信号序列，符合闪烁体探测器输出的γ脉冲信号的幅度特性和时间特性，可用于探测器后续电路的调试、检测和数据处理。对应本实验数据，利用多道分析器检测可得出明显的光电峰和康普顿电子连续谱，表明实验信号发生器模拟效果良好。

本发明箱体1顶端设置有BNC母座2和MicroUSB电源插座3，箱体1的正面设置有JTAG接口4、电源开关5和运行指示灯6。

本发明在全数字处理方式形成符合核探测器信号脉冲信号波形，符合核探测器信号幅度分布、时间时间分布特征的离散脉冲信号序列，并实现了符合核辐射探测器输出特性、波形可编程、能谱可编程、计数率可调节的的脉冲信号序列输出，方便了同位素仪表等的放大器及信号处理电路的调试、检验。

本发明具备波形可编程，脉冲幅度(即能谱)可编程，计数率可调节的特点。修改波形文件可以改变脉冲的波形，或重新采集需要的相应信号波形。修改时间间隔数组可调整计数率。能谱数组也可根据实际需求灵活设置，数组确定后，可统计大于某阈值或处于某区间内的脉冲数量，结合计数率，对于核辐射探测设备的探测器后续信号放大、信号处理等部分的调试、检验带来很大的方便。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。