Tiedonhankintajärjestelmä transienttisen optisen säteilyn signaalin havaitsemiseen
Ohimenevän optisen säteilyn tunnistuksen vahvan taustan ja heikon kohteen ominaisuuksien mukaan tässä artikkelissa suunnitellaan tiedonkeruumenetelmä, jossa FPGA on ohjauksen ja käsittelyn ydin. Järjestelmä ottaa käyttöön tausta- ja signaalin kaksoissuodatinkanavat, kaksitasoisen ohjelmaohjatun vahvistuksen, mikä takaa tehokkaasti signaalin hankinnan laadun; samalla se ottaa käyttöön kohdesignaalien taajuusmuunnostallennustilan, mikä vähentää huomattavasti tiedon tallennuksen ja siirron vaatimuksia ja varmistaa johdonmukaisemman hankintaprosessin. mittaustarkkuus.
1 Järjestelmän kokoonpano ja toimintaperiaate
Tiedonkeruujärjestelmä voidaan karkeasti jakaa kolmeen osaan: esikäsittelymoduuli, näytteenottomuistimoduuli ja FPGA-ohjausmoduuli. Esikäsittelymoduuli sisältää valosähköisiä muunnoslaitteita, aktiivisia suodatinpankkeja ja ohjelmaohjattuja vahvistinpiirejä. Koko järjestelmän lohkokaavio on esitetty kuvassa 1. Valosähköinen muunnospiiri muuntaa järjestelmään tulevan optisen signaalin ilmaisimen kautta virtasignaaliksi ja sitten muuntaa sen jännitesignaaliksi transimpedanssioperaatiovahvistimen kautta. Järjestelmä suunnittelee kaksi suodatuskanavaa: tausta käyttää alipäästösuodatusta ja signaali ylipäästösuodatusta. Alkutilassa analoginen kytkin valitsee taustakanavan oletusarvoisesti ja ohjelmoitava vahvistin on asetettu taustatilaan. Kun taustasignaali on näytteitetty A/D:llä, se lähetetään FPGA:lle kynnyksen vertailua varten. Kun kynnysarvoa suurempi tilanne havaitaan, FPGA vaihtaa analogisen kytkimen kanavaa, valitaan ylipäästösuodattimen kanava ja signaalimoodiksi valitaan ohjelmaohjatun vahvistimen toimintatila. Alussa jyrkän ja lopussa hitaan signaalin ominaisuuksien mukaan FPGA toteuttaa tiedon keräämisen ja tallennuksen tiheästi ja sitten harvakseltaan A/D:n ja FIFO:n koordinoidun ohjauksen avulla.
2. Tiedonhankintajärjestelmän laitteistosuunnittelu
2.1 Etuvaiheen esikäsittelypiiri
Valosähköisessä tunnistuspiirissä valoilmaisin liittyy suoraan järjestelmän suorituskyvyn laatuun. Ympäristön sähkömagneettisen säteilyn aiheuttaman indusoidun virran vaikutuksen vähentämiseksi laite soveltuu keraamiseen pakkaukseen. Lisäksi ilmaisimen valoherkän alueen ei tulisi olla liian suuri, muuten parametrit, kuten tumma virta, liitoskapasitanssi ja nousuaika kasvavat, mikä vaikuttaa tunnistusvaikutukseen. Suunnittelussa on käytetty Japan Hamamatsu Companyn S2387-piivalodiodia. Ilmaisimen ominaisuudet ovat korkea herkkyys, nopea aikavaste ja suuri dynaaminen alue. Piirisuunnittelussa käytetään nollabias-tilaa, ei tummaa virtaa, diodikohina on pääasiassa shunttivastuksen synnyttämää lämpökohinaa, ja sillä on paras tarkkuus ja lineaarisuus. Yli- ja alipäästösuodatin ottaa käyttöön aktiivisen suodattimen, jolla on nopea vastenopeus, hyvä harmonisten suodatusvaikutus ja joka voi dynaamisesti kompensoida loistehoa. Ohjelmaohjattu vahvistin koostuu integroidusta operaatiovahvistimesta ja analogisesta kytkimestä. Analogista kytkintä ohjataan FPGA:lla, ja operaatiovahvistimen tuloliittimeen on kytketty erilaisia vastuksia vahvistuksen säätämiseksi.
2.2 Näytteenottomuistipiiri
Koska kohdesignaalin dynaaminen alue on erittäin suuri (noin 80 dB), on tarpeen valita ADC, jolla on laaja dynaaminen alue signaalin hankinnan toteuttamiseksi. 14 b ADC:n käyttöönotto dynaamisen alueen signaalien näytteenottoon, jonka amplitudi vaihtelee jopa 4 suuruusluokkaa, voi täyttää järjestelmän vaatimat korkean tunnistusherkkyyden vaatimukset. Koska kaikissa A/D-muunnoslaitteissa on kuitenkin tarkkuusvirheitä, erittäin tarkkojen A/D-muunnoskomponenttien käyttäminen matalan tarkkuuden A/D-muunnoskomponentteina voi vähentää tarkkuusvirheitä. Tämä malli käyttää ADI Companyn 16 bAD976A:ta. AD976A alhainen virrankulutus 16 b peräkkäinen approksimaatio A/D-muunnin, muunnosnopeus on 200 KSPS, voi valita sisäisen tai ulkoisen 2,5 V referenssivirtalähteen. AD976 sallii 16 b:n tulostamisen rinnakkain kerralla ja voi tulostaa kahden 8 b:n muodossa. Nastajen säästämiseksi suunnittelussa käytetään kahta 8 b -lähtöä.
Tarkan tiedonsiirron varmistamiseksi eri kelloalueiden välillä datavälimuisti käyttää asynkronista FIFO:ta. Asynkronisella FIFO:lla on suuri nopeus ja hyvä luotettavuus, ja se voi välttää datan virheellisen näytteistyksen, joka johtuu eri kellojen välisistä vaihe-eroista. Suunnittelussa käytetty IDT7204 on 4 096 × 9 b CMOS-kaksiporttinen välimuistisiru IDT72XX-sarjassa. Sisäiset luku- ja kirjoitusosoittimet luetaan ja kirjoitetaan first-in first-out -periaatteella, ja kirjoituskello W ja lukukello R tarjotaan ulkoisesti; täysi lippu () ja tyhjä lippu () ohjaavat tietojen ylivuotoa ja tyhjää lukemista ja kirjoittavat, kun simulaatiomuisti on täynnä Se voi helposti laajentaa mitä tahansa sanan syvyyttä ja sanan pituutta.
