Sustav za prikupljanje podataka za detekciju prolaznog signala optičkog zračenja
Prema karakteristikama jake pozadine i slabe mete u prijelaznoj detekciji optičkog zračenja, ovaj rad dizajnira shemu prikupljanja podataka s FPGA kao jezgrom upravljanja i obrade. Shema usvaja kanale dvostrukog filtera pozadine i signala, programski kontrolirano pojačanje na dvije razine, što učinkovito jamči kvalitetu akvizicije signala; u isto vrijeme, usvaja pohranjivanje frekvencijske konverzije za ciljane signale, što uvelike smanjuje zahtjeve za pohranjivanje i prijenos podataka i osigurava dosljedniji proces akvizicije. točnost mjerenja.
1 Sastav sustava i princip rada
Sustav za prikupljanje podataka može se grubo podijeliti u tri dijela: modul za pretprocesiranje, modul za pohranjivanje uzoraka i FPGA kontrolni modul. Modul predprocesiranja uključuje uređaje za fotoelektričnu pretvorbu, aktivne skupine filtara i programski kontrolirane krugove pojačala. Blok dijagram cijelog sustava prikazan je na slici 1. Fotoelektrični krug za pretvorbu pretvara optički signal koji ulazi u sustav u strujni signal kroz detektor, a zatim ga pretvara u naponski signal preko transimpedancijskog operacijskog pojačala. Sustav dizajnira dva kanala za filtriranje: pozadina koristi niskopropusno filtriranje, a signal usvaja visokopropusno filtriranje. U početnom stanju, analogni prekidač odabire pozadinski kanal prema zadanim postavkama, a programabilno pojačalo je postavljeno na pozadinski način rada. Nakon što A/D uzorkuje pozadinski signal, on se šalje FPGA-u za usporedbu pragova. Kada se detektira situacija veća od praga, FPGA prebacuje kanal analognog prekidača, odabire se kanal visokopropusnog filtra, a način rada programski upravljanog pojačala odabire se kao način signala. Prema karakteristikama signala koji je strm na početku i spor na kraju, FPGA ostvaruje prikupljanje i pohranu podataka gusto, a zatim rijetko kroz koordinirano upravljanje A/D i FIFO.
2. Hardverski dizajn sustava za prikupljanje podataka
2.1 Krug predprocesiranja prednjeg stupnja
U krugu fotoelektrične detekcije, fotodetektor je izravno povezan s kvalitetom izvedbe sustava. Kako bi se smanjio utjecaj inducirane struje uzrokovane elektromagnetskim zračenjem okoline, uređaj je prikladan za keramičko pakiranje. Osim toga, fotoosjetljivo područje detektora ne bi trebalo biti preveliko, inače će se parametri kao što su tamna struja, kapacitet spoja i vrijeme porasta povećati, što će utjecati na učinak detekcije. U dizajnu se koristi silicijska fotodioda S2387 japanske tvrtke Hamamatsu. Detektor ima karakteristike visoke osjetljivosti, brzog odziva i velikog dinamičkog raspona. Dizajn strujnog kruga prihvaća način nulte pristranosti, nema tamne struje, šum diode je uglavnom toplinski šum koji stvara shunt otpornik, i ima najbolju preciznost i linearnost. Visokopropusni i niskopropusni filtar usvaja aktivni filtar, koji ima brzu brzinu odziva, dobar učinak filtriranja harmonika i može dinamički kompenzirati jalovu snagu. Programski upravljano pojačalo sastoji se od integriranog operacijskog pojačala i analogne sklopke. Analognom sklopkom upravlja FPGA, a različiti otpornici spojeni su na ulazni terminal operacijskog pojačala za podešavanje pojačanja.
2.2 Krug za pohranjivanje uzoraka
Budući da je dinamički raspon ciljanog signala vrlo velik (oko 80 dB), potrebno je odabrati ADC sa širokim dinamičkim rasponom kako bi se realiziralo prikupljanje signala. Usvajanje 14 b ADC za uzorkovanje signala s dinamičkim rasponom čija amplituda varira do 4 reda veličine može zadovoljiti zahtjeve visoke osjetljivosti detekcije koju zahtijeva sustav. Međutim, budući da svi uređaji za A/D pretvorbu imaju pogreške u preciznosti, upotreba komponenti za A/D pretvorbu visoke preciznosti kao komponenti za A/D pretvorbu niske preciznosti može smanjiti pogreške u preciznosti. Ovaj dizajn koristi 16 bAD976A tvrtke ADI. AD976A niska potrošnja energije 16 b A/D pretvarač uzastopne aproksimacije, brzina pretvorbe je 200 KSPS, može se odabrati unutarnje ili vanjsko referentno napajanje od 2,5 V. AD976 omogućuje paralelni izlaz 16 b u jednom trenutku, a može izlaziti u obliku dva 8 b. Kako bi se uštedjeli pinovi u dizajnu, usvojeni su dvostruki 8 b izlazi.
Kako bi se osigurao točan prijenos podataka između različitih domena takta, predmemorija podataka koristi asinkroni FIFO. Asinkroni FIFO ima značajke velike brzine i dobre pouzdanosti te može izbjeći pogrešno uzorkovanje podataka zbog faznih razlika između različitih taktova. IDT7204 usvojen u dizajnu je 4 096 × 9 b CMOS memorijski čip predmemorije s dva ulaza u seriji IDT72XX. Unutarnji pokazivači za čitanje i pisanje čitaju se i zapisuju na temelju prvi-ušao-prvi-izlaz, a sat za pisanje W i sat za čitanje R osigurani su izvana; puna zastavica () i prazna zastavica () kontroliraju preljev podataka i prazno čitanje, te pišu kada je simulacijska memorija puna. Lako može proširiti bilo koju dubinu i duljinu riječi.
