基于FPGA的多道脉冲幅度分析器设计
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第３ ３卷
２ ０ １ ３年
第２ 期
２月
核 电子学 与探 测技 术
Ｎｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ２
Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ｌ ３
数字化处理 。设计 了数字 比较器 、 数字滞 回比较器 ， 采用多级缓存的流水模式 实现脉 冲幅度 的提取 。采
用拉格 朗 １ ３ 插值实现脉 冲峰值 的拟合 ， 提高 了能量分辨率 。 关键词 ： 现场可编程 门阵列 ； 脉 冲幅度分 析器 ； Ｘ射 线能谱 ； 能量分辨率 ； 拉格 朗 １ ３插值
声和宽频带。对毫伏级电压脉冲序列的线性化
传 输 与放 大 处 理 有 一定 的难 度 ， 但 关 键 是 放 大
器的稳定问题 。只有放大器稳定 了才可以通过 各种补偿措施实现在动态范 围内的线性。由于
是毫伏级 电压脉 冲序列 ， 序列 的脉宽在微秒数 量级 ， 脉冲序列的幅度 和脉 冲数量包含了被测 样本 的定量信息… 。多道 脉 冲幅度分析 的 目 的就是从脉冲序列中提取脉 冲幅度和脉 冲数量 信息， 将具有相 同幅度的脉冲进行分类求和， 然 后将脉冲幅度信息和与其对应的脉 冲数量信息
２ ３ ０
的程控放大。按采样速 率 ２ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ ， 分辨率 为
ｌ ２ ｂ ｊ ｔ 的设计要求 ， 可以选用美国 Ａ ｎ ａ ｌ ｏ ｇ Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ
公司 的 Ａ Ｄ ９ ２ ２ ４模数转换 器。Ａ Ｄ ９ ２ ２ ４采样速
率为 ４ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ ， 分辨率 为 １ ２ ｂ ｉ ｔ ， 具有 片内高性
接影 响着 检 测的精 度 。放 大 器选 择美 国 Ａ ｎ ａ ｌ ｏ ｇ
Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ 公司的 Ａ Ｄ ８ ０ ４ ５低 噪 声 高速 运算 放 大 器， 其一 ３ ｄ Ｂ带宽达到 ｌ Ｇ Ｈ ｚ 。模拟开关选择
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２— ０ ５—２ ７
Ｄ Ｇ ５ ０ ８ ， Ｄ Ｇ ５ ０ ８由 Ｍ Ｃ Ｕ输 出信号控制实现 ８挡
一
４分频后输 出作 为 Ａ ／ Ｄ的工作 时钟。当 Ｆ Ｐ Ｃ Ａ 检测到脉冲峰后开始读取 Ａ ／ Ｄ数据 ， 高速数据 流进入脉 冲幅度检测单元进行 比较运算 ， 提取 出最大值及最大值前后两点 的数据。数据处理 单元协同 Ｍ Ｃ Ｕ对数据进行处理 ， 最后将数据上 传 到 上 位 机。Ｍ Ｃ Ｕ 接 口单 元 实 现 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 和
发送到上位机进行进一步的数据处理。
Ａ Ｄ Ｃ采样速率为 ２ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ ， 可 以依采样定 理反 推出前级放大器的通频带应不低于 １ ０ Ｍ Ｈ ｚ ， 考
虑 到通 频 带 内的线 性 要 求 ， 设计 时应 尽 量 拓 展
通频带以达到设计要求。 程控放大器是检测的关键 ， 其稳定 与否直
首先对 电压脉冲序列信号进行 ２ Ｏ一１ ０ ０ ０ 倍 的程控放大 ， 然后进行 ２ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ 高速 Ａ Ｄ Ｃ转 换。由于信号的幅度小频带 宽 ， 所 以对 放大器
的要求比较高 ， 在选择放大器时主要考虑低噪
子激发待测物质 中的原子 ， 使之产生次级 的特
征 ｘ射线 （ ｘ光荧光） ， 从 而进行物质成分分析 和化学态研究 。ｘ射线荧光分析根据分光方式
基金项目： 科技部公益基金项 目： 全自 动数字化岩芯
扫描仪的研 制与开发（ ２ ０ ０ ９ １ １ ０ １ ７ － ０ ６ ） 。 作者简介 ： 郑宝华 （ １ ９ ６ ３ 一） ， 男， 吉林人 ， 吉林 化工学 院教授 ， 博士， 主要 从 事测 控技 术 及 仪 器方 面 的研
究。
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｌ ８ ２ ２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ２ ５ ８ ． － ０ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ ． － ０ ２ ３ ０ － ． ０ ４
ｘ射线荧光分析又称 ｘ射线次级发射 光 谱分析 ， 系利用原级 ｘ射线光子或其它微观粒
１ 脉冲信号 的采集
Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 的时 钟 由 ８ ０ ＭＨｚ 的 有源 晶振 提供 ，
２ 脉冲幅度检测
脉 冲幅度 检测 是 多道 脉 冲 幅度 分析器 的核
心， 采用 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ设计 。Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 的设计 分为 ： Ａ ／ Ｄ 接 口单元、 Ｍ Ｃ Ｕ接 口单元、 时序控制单元 、 脉 冲 峰值检测单元等 ， 其顶层 电路原理如图 １ 所示。 Ａ Ｄ Ｃ采样 的数 据 进入 第一 级 锁存 器 （ Ｓ Ｃ ． ３ ） ， 第
的不 同分 为 能量 色 散 型 （ Ｅ Ｄ Ｘ Ｒ Ｆ） 和 波 长 色 散 型（ ＷＤ Ｘ Ｒ Ｆ ） 两 种 。其 中 ， 能 量 色 散 型 的 优 点 是 Ｘ 射线 利 用 率 高 、 仪 器结构简单 、 便 于 小 型 化设 计 而被广 泛应 用 。Ｘ射线 能 谱 的前 端数 据
能采样保持放大器和 电压参考 ＿ ２ Ｊ ， 可 以充分满
足设计要求。
据替换。Ｃ Ｏ Ｍ是滞洄比较器 ， 完成脉冲检测 的 任务 ， 当脉冲到来后 ， 该 比较器输出有效。Ｃ Ｈ ６ 是Ｍ Ｃ Ｕ的接 口， 实现低速数据交由 Ｍ Ｃ Ｕ处理。 Ｃ Ｏ Ｎ Ｔ Ｒ Ｏ Ｌ为时钟发生器 ， 产生 Ａ Ｄ Ｃ转 换时钟 及 两级 锁存 器 的 时钟 Ｊ 。
基于 Ｆ Ｐ ＧＡ 的 多 道 脉 冲 幅 度 分 析 器 设 计
郑 宝华 ， 修连存
（ １ ． 吉林化工学 院 ， 吉林 １ ３ ２ ０ ２ ２ ； ２ ． 南京地质矿产研究所 ， 南京 ２ １ ０ ０ １ ６）
摘要 ： 由于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ具有高速 和并行处理特 性 ， 使其广 泛应用 在高 速信息 处理 系统 中。论 文 以 ｘ射 线能谱数据处理为对象 ， 设计 了基于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的脉 冲幅度分 析器 ， 实现 了脉 冲成形 、 基 线恢 复 、 修 正补偿 等
２ ０ １ ３年
第２ 期
２月
核 电子学 与探 测技 术
Ｎｕ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ＆ Ｄｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｃ ２
Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ｌ ３
数字化处理 。设计 了数字 比较器 、 数字滞 回比较器 ， 采用多级缓存的流水模式 实现脉 冲幅度 的提取 。采
用拉格 朗 １ ３ 插值实现脉 冲峰值 的拟合 ， 提高 了能量分辨率 。 关键词 ： 现场可编程 门阵列 ； 脉 冲幅度分 析器 ； Ｘ射 线能谱 ； 能量分辨率 ； 拉格 朗 １ ３插值
声和宽频带。对毫伏级电压脉冲序列的线性化
传 输 与放 大 处 理 有 一定 的难 度 ， 但 关 键 是 放 大
器的稳定问题 。只有放大器稳定 了才可以通过 各种补偿措施实现在动态范 围内的线性。由于
是毫伏级 电压脉 冲序列 ， 序列 的脉宽在微秒数 量级 ， 脉冲序列的幅度 和脉 冲数量包含了被测 样本 的定量信息… 。多道 脉 冲幅度分析 的 目 的就是从脉冲序列中提取脉 冲幅度和脉 冲数量 信息， 将具有相 同幅度的脉冲进行分类求和， 然 后将脉冲幅度信息和与其对应的脉 冲数量信息
２ ３ ０
的程控放大。按采样速 率 ２ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ ， 分辨率 为
ｌ ２ ｂ ｊ ｔ 的设计要求 ， 可以选用美国 Ａ ｎ ａ ｌ ｏ ｇ Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ
公司 的 Ａ Ｄ ９ ２ ２ ４模数转换 器。Ａ Ｄ ９ ２ ２ ４采样速
率为 ４ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ ， 分辨率 为 １ ２ ｂ ｉ ｔ ， 具有 片内高性
接影 响着 检 测的精 度 。放 大 器选 择美 国 Ａ ｎ ａ ｌ ｏ ｇ
Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ 公司的 Ａ Ｄ ８ ０ ４ ５低 噪 声 高速 运算 放 大 器， 其一 ３ ｄ Ｂ带宽达到 ｌ Ｇ Ｈ ｚ 。模拟开关选择
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２— ０ ５—２ ７
Ｄ Ｇ ５ ０ ８ ， Ｄ Ｇ ５ ０ ８由 Ｍ Ｃ Ｕ输 出信号控制实现 ８挡
一
４分频后输 出作 为 Ａ ／ Ｄ的工作 时钟。当 Ｆ Ｐ Ｃ Ａ 检测到脉冲峰后开始读取 Ａ ／ Ｄ数据 ， 高速数据 流进入脉 冲幅度检测单元进行 比较运算 ， 提取 出最大值及最大值前后两点 的数据。数据处理 单元协同 Ｍ Ｃ Ｕ对数据进行处理 ， 最后将数据上 传 到 上 位 机。Ｍ Ｃ Ｕ 接 口单 元 实 现 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 和
发送到上位机进行进一步的数据处理。
Ａ Ｄ Ｃ采样速率为 ２ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ ， 可 以依采样定 理反 推出前级放大器的通频带应不低于 １ ０ Ｍ Ｈ ｚ ， 考
虑 到通 频 带 内的线 性 要 求 ， 设计 时应 尽 量 拓 展
通频带以达到设计要求。 程控放大器是检测的关键 ， 其稳定 与否直
首先对 电压脉冲序列信号进行 ２ Ｏ一１ ０ ０ ０ 倍 的程控放大 ， 然后进行 ２ ０ Ｍ Ｓ Ｐ Ｓ 高速 Ａ Ｄ Ｃ转 换。由于信号的幅度小频带 宽 ， 所 以对 放大器
的要求比较高 ， 在选择放大器时主要考虑低噪
子激发待测物质 中的原子 ， 使之产生次级 的特
征 ｘ射线 （ ｘ光荧光） ， 从 而进行物质成分分析 和化学态研究 。ｘ射线荧光分析根据分光方式
基金项目： 科技部公益基金项 目： 全自 动数字化岩芯
扫描仪的研 制与开发（ ２ ０ ０ ９ １ １ ０ １ ７ － ０ ６ ） 。 作者简介 ： 郑宝华 （ １ ９ ６ ３ 一） ， 男， 吉林人 ， 吉林 化工学 院教授 ， 博士， 主要 从 事测 控技 术 及 仪 器方 面 的研
究。
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｌ ８ ２ ２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： ０ ２ ５ ８ ． － ０ ９ ３ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ ． － ０ ２ ３ ０ － ． ０ ４
ｘ射线荧光分析又称 ｘ射线次级发射 光 谱分析 ， 系利用原级 ｘ射线光子或其它微观粒
１ 脉冲信号 的采集
Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 的时 钟 由 ８ ０ ＭＨｚ 的 有源 晶振 提供 ，
２ 脉冲幅度检测
脉 冲幅度 检测 是 多道 脉 冲 幅度 分析器 的核
心， 采用 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ设计 。Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 的设计 分为 ： Ａ ／ Ｄ 接 口单元、 Ｍ Ｃ Ｕ接 口单元、 时序控制单元 、 脉 冲 峰值检测单元等 ， 其顶层 电路原理如图 １ 所示。 Ａ Ｄ Ｃ采样 的数 据 进入 第一 级 锁存 器 （ Ｓ Ｃ ． ３ ） ， 第
的不 同分 为 能量 色 散 型 （ Ｅ Ｄ Ｘ Ｒ Ｆ） 和 波 长 色 散 型（ ＷＤ Ｘ Ｒ Ｆ ） 两 种 。其 中 ， 能 量 色 散 型 的 优 点 是 Ｘ 射线 利 用 率 高 、 仪 器结构简单 、 便 于 小 型 化设 计 而被广 泛应 用 。Ｘ射线 能 谱 的前 端数 据
能采样保持放大器和 电压参考 ＿ ２ Ｊ ， 可 以充分满
足设计要求。
据替换。Ｃ Ｏ Ｍ是滞洄比较器 ， 完成脉冲检测 的 任务 ， 当脉冲到来后 ， 该 比较器输出有效。Ｃ Ｈ ６ 是Ｍ Ｃ Ｕ的接 口， 实现低速数据交由 Ｍ Ｃ Ｕ处理。 Ｃ Ｏ Ｎ Ｔ Ｒ Ｏ Ｌ为时钟发生器 ， 产生 Ａ Ｄ Ｃ转 换时钟 及 两级 锁存 器 的 时钟 Ｊ 。
基于 Ｆ Ｐ ＧＡ 的 多 道 脉 冲 幅 度 分 析 器 设 计
郑 宝华 ， 修连存
（ １ ． 吉林化工学 院 ， 吉林 １ ３ ２ ０ ２ ２ ； ２ ． 南京地质矿产研究所 ， 南京 ２ １ ０ ０ １ ６）
摘要 ： 由于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ具有高速 和并行处理特 性 ， 使其广 泛应用 在高 速信息 处理 系统 中。论 文 以 ｘ射 线能谱数据处理为对象 ， 设计 了基于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的脉 冲幅度分 析器 ， 实现 了脉 冲成形 、 基 线恢 复 、 修 正补偿 等