System akwizycji danych do wykrywania przejściowego sygnału promieniowania optycznego
Zgodnie z charakterystyką silnego tła i słabego celu w detekcji przejściowego promieniowania optycznego, w artykule zaprojektowano schemat akwizycji danych z układem FPGA jako rdzeniem sterowania i przetwarzania. Schemat przyjmuje kanały z podwójnym filtrem tła i sygnału, dwupoziomowe wzmocnienie sterowane programowo, co skutecznie gwarantuje jakość akwizycji sygnału; jednocześnie przyjmuje przechowywanie konwersji częstotliwości dla sygnałów docelowych, co znacznie zmniejsza wymagania dotyczące przechowywania i transmisji danych oraz zapewnia bardziej spójny proces akwizycji. dokładność pomiaru.
1 Skład systemu i zasada działania
System akwizycji danych można z grubsza podzielić na trzy części: moduł wstępnego przetwarzania, moduł przechowywania próbek i moduł sterujący FPGA. Moduł przetwarzania wstępnego obejmuje urządzenia do konwersji fotoelektrycznej, aktywne banki filtrów i sterowane programowo obwody wzmacniające. Schemat blokowy całego układu przedstawiono na rysunku 1. Obwód konwersji fotoelektrycznej przetwarza sygnał optyczny wchodzący do układu na sygnał prądowy przez detektor, a następnie przetwarza go na sygnał napięciowy przez transimpedancyjny wzmacniacz operacyjny. System projektuje dwa kanały filtrujące: tło przyjmuje filtrowanie dolnoprzepustowe, a sygnał przyjmuje filtrowanie górnoprzepustowe. W stanie początkowym przełącznik analogowy domyślnie wybiera kanał tła, a programowalny wzmacniacz jest ustawiony na tryb tła. Po próbkowaniu sygnału tła przez A/D jest on wysyłany do FPGA w celu porównania wartości progowych. W przypadku wykrycia sytuacji większej niż próg FPGA przełącza kanał przełącznika analogowego, wybierany jest kanał filtra górnoprzepustowego, a jako tryb sygnału wybierany jest tryb pracy wzmacniacza sterowanego programowo. Zgodnie z charakterystyką sygnału, który jest stromy na początku i powolny na końcu, FPGA realizuje gromadzenie i przechowywanie danych gęsto, a następnie rzadko, poprzez skoordynowane sterowanie A/D i FIFO.
2. Projektowanie sprzętowe systemu akwizycji danych
2.1 Obwód wstępnego przetwarzania stopnia przedniego
W obwodzie detekcji fotoelektrycznej fotodetektor jest bezpośrednio związany z jakością działania systemu. W celu ograniczenia wpływu prądu indukowanego wywołanego środowiskowym promieniowaniem elektromagnetycznym urządzenie nadaje się do opakowań ceramicznych. Ponadto światłoczuły obszar detektora nie powinien być zbyt duży, w przeciwnym razie parametry takie jak prąd ciemny, pojemność złącza i czas narastania wzrosną, co wpłynie na efekt detekcji. W konstrukcji zastosowano krzemową fotodiodę S2387 japońskiej firmy Hamamatsu. Detektor charakteryzuje się wysoką czułością, szybkim czasem reakcji oraz dużym zakresem dynamicznym. Konstrukcja obwodu przyjmuje tryb zerowego polaryzacji, brak ciemnego prądu, szum diody to głównie szum termiczny generowany przez rezystor bocznikowy i ma najlepszą precyzję i liniowość. Filtr górnoprzepustowy i dolnoprzepustowy przyjmuje filtr aktywny, który ma szybką reakcję, dobry efekt filtrowania harmonicznych i może dynamicznie kompensować moc bierną. Wzmacniacz sterowany programowo składa się ze zintegrowanego wzmacniacza operacyjnego i przełącznika analogowego. Przełącznik analogowy jest kontrolowany przez FPGA, a różne rezystory są podłączone do zacisku wejściowego wzmacniacza operacyjnego w celu regulacji wzmocnienia.
2.2 Obwód przechowywania próbek
Ponieważ zakres dynamiczny sygnału docelowego jest bardzo duży (około 80 dB), konieczne jest wybranie przetwornika ADC o szerokim zakresie dynamicznym, aby zrealizować akwizycję sygnału. Przyjęcie 14 b ADC do próbkowania sygnałów o zakresie dynamicznym, którego amplituda zmienia się do 4 rzędów wielkości, może spełnić wymagania stawiane systemowi w zakresie wysokiej czułości detekcji. Ponieważ jednak wszystkie urządzenia do konwersji A/D mają błędy precyzji, użycie precyzyjnych komponentów do konwersji A/D jako komponentów do konwersji A/D o niskiej precyzji może zmniejszyć błędy precyzji. Ten projekt wykorzystuje 16 bAD976A firmy ADI. AD976A niskie zużycie energii 16 b kolejne przybliżenie konwerter A/D, prędkość konwersji wynosi 200 KSPS, można wybrać wewnętrzne lub zewnętrzne zasilanie referencyjne 2.5 V. AD976 pozwala 16 b na wyjście równoległe w jednym czasie i może wyprowadzać w postaci dwóch 8 b. Aby zaoszczędzić piny w projekcie, zastosowano podwójne wyjścia 8 b.
W celu zapewnienia dokładnej transmisji danych między różnymi domenami zegara, pamięć podręczna danych wykorzystuje asynchroniczne FIFO. Asynchroniczny FIFO charakteryzuje się dużą szybkością i dobrą niezawodnością oraz pozwala uniknąć błędnego próbkowania danych z powodu różnic fazowych między różnymi zegarami. IDT7204 przyjęty w projekcie to dwuportowy układ pamięci podręcznej CMOS 4 096 × 9 b z serii IDT72XX. Wewnętrzne wskaźniki odczytu i zapisu są odczytywane i zapisywane na zasadzie pierwsze weszło, pierwsze wyszło, a zegary zapisu W i zegary odczytu R są dostarczane z zewnątrz; pełna flaga () i pusta flaga () kontrolują przepełnienie danych i pusty odczyt oraz zapis, gdy pamięć symulacji jest pełna. Może z łatwością rozszerzyć dowolną głębokość i długość słowa.
