基于FPGA的核辐射脉冲信号发生器研究_杨大战.pdf

第 14 卷 第 4 期2023 年 2 月黑龙江科学HEILONGJIANG SCIENCEVol.14Feb.2023基于 FPGA 的核辐射脉冲信号发生器研究杨大战，闫海霞，周冬亮，李钢(黑龙江省原子能研究院，哈尔滨 150086)摘要:针对同位素仪表电路调试、测试所需探测器输出的核辐射信号获取不便情况，试制了一种以 FPGA 为核心的核辐射脉冲信号发生装置，以全数字化方式模拟真实脉冲信号波形及分布情况。实验模拟了闪烁体探测器输出的 射线脉冲信号，实现了波形可编程、能谱可编程、计数率可调节，减少了对放射源的操作，便于信号处理部分电路的调试，探讨了更加复杂的脉冲信号实现方法及调整方案。关键词:脉冲信号;信号发生器;FPGA中图分类号:TL822文献标志码:A文章编号:1674 8646(2023)04 0084 03Research of Nuclear Radiation Pulse Signal Generator Based on FPGAYang Dazhan，Yan Haixia，Zhou Dongliang，Li Gang(Heilongjiang Institute of Atomic Energy，Harbin 150086，China)Abstract:In view of the inconvenience for the debugging of the isotope instrument，nuclear radiation signal output bythe detector，a kind of nuclear radiation pulse signal generator with FPGA as the core is developed，and actual pulsesignal waveform and distribution are stimulated with full digitalization mode.The experiment stimulates the pulse signaloutput by scintillant detector.Waveform programmable，energy spectrum programmable and count rate adjustable areachieved;the operation of radioactive source is reduced;and debugging of some circuits can be realized with signals.More complicated pulse signal realization method and adjustment scheme are discussed.Key words:pulse signal;Signal generator;FPGA收稿日期:2022 12 10基金项目:高寒环境下放射性物质探测及核信息获取系统中试与熟化;高寒环境下核安保放射性物质检测系统(GA20C011)作者简介:杨大战(1969 )，男，助理研究员。核辐射探测器探测核辐射时会输出一系列幅度大小不一、波形不同、前后间隔疏密不均的时间随机分布脉冲信号1，由放大器及信号处理电路处理分析。通常在设计调试放大器及信号处理电路时可使用探测器探测辐射源，得到真实的脉冲信号，也可使用信号源模拟脉冲信号。但使用放射源操作相对复杂危险，需要考虑安全屏蔽、剂量、计数率和环境等因素。而信号源输出相对单调，很难得到类似放射源信号在时间特性或幅度特性上的随机、非周期或非等值的序列脉冲信号。基于此，实验了一种基于 FPGA 的简易 脉冲信号发生器，用于同位素仪表的放大器及信号处理电路的调试与测试。1需求分析核辐射测量具有统计特性，在核辐射探测器中，射线和物质相互作用所产生的电离、激发、转换和倍增过程都是随机的，且核衰变过程以一定的概率性来表现2。信号发生器应尽可能模拟真实的核辐射探测器输出信号，模拟信号的波形、幅度分布和时间分布。每个脉冲信号的幅度与入射核辐射在探测器中沉积的能量成正比，幅度大小的分布可反映入射核辐射的能谱。由于作用方式不同，单一能量核辐射的能谱基本由光电峰、康普顿坪区、反散射峰等组成，其中代表核辐射能量的光电峰(又称全能峰)最为重要。由于探测过程的统计涨落和噪声，探测器输出得到的光电峰计数率与能量的关系不是一个竖线，而是一个分布曲线，常用所测曲线的半高全宽(指曲线上最大值一半处的宽度，记为 FWHM)和 1/10 高全宽(指曲线最大值 1/10 处的宽度，记为 FWTM)来表示探测器的分辨率特性。测量数目足够大时，该几率曲线由泊松分布过渡到接近高斯分布。单一核辐射能量光电峰对应计数的能谱曲线数学表达式为:(1)(N)=e(N N02N)2(1)其中，N为标志涨落大小的标准偏差，即当 N=N0 N时，=0.61，若以 FWHM 来衡量，因 =0.5，可算出 FWHM=2.36N。常定义探测器固有的相对分辨率 RD为:48RD=(FWHM)/N0100%=2.36N/N0100%因此，信号发生器模拟分辨率为 4%的电离室核辐射信号光电峰时，70%满幅处的高斯曲线 N为0.028，模拟分辨率为 20%的闪烁体探测器核辐射信号时，70%满幅处的高斯曲线 N为 0.14;模拟分辨率为 0.14%的高纯锗探测器核辐射信号时，70%满幅处的高斯曲线 N为 0.001，此时，高斯曲线接近一条竖线，显示探测器的能量分辨率优秀。探测器每秒输出的核辐射信号数为核辐射信号的计数率，与单位时间内平均入射的粒子数成正比，因此可反映入射粒子强度。但每两个信号之间的间隔并不固定，核辐射信号的时间分布为泊松分布，同时由概率性体现出固定的计数率。信号发生器输出信号脉冲时，单位时间产生的脉冲信号个数基本一致，但脉冲的时间间隔不一致且满足泊松分布。有些探测器输出脉冲波形的某些参量，如脉冲上升时间和入射粒子类型有关，通过这种波形参量的测量，识别入射粒子类型，如分辨中子和 射线，因此信号发生器应输出尽量真实的波形，不应用简单的方波、三角波或正弦波来代替。2系统构成信号发生器由脉冲波形发生、幅度控制、间隔控制、DAC 输出 4 部分组成(如图 1 所示)。由时间间隔控制波形发生来生成单个脉冲波形，由幅度控制每个脉冲的幅度，由 DAC 将数字波形信号转化为模拟脉冲信号，前 3 部分由 FPGA 系统实现。图 1结构框图Fig.1Structure diagram波形发生由示波器采集相应的核辐射脉冲信号，形成数字波形文件。实验采集常用 NaI(Tl)闪烁体+光电倍增管探测器输出 射线脉冲信号，形成数字波形文件。采用 20 点采样，数据转化为和 DA 转换一致的 12 位位深，即最大值接近4 095，波形如图 2，上升沿约0.4 s，脉冲宽度约2 s。实际应用中，既可直接采集真实的核辐射信号进行数字化，也可直接编辑数字波形文件，使之接近需模拟的信号波形。幅度控制的核心是一个数组，存储构成能谱的各脉冲幅度值，可采用 MATLAB 或 Excel 等工具生成相应的数组，实验中采用 Python 中 Numpy 模块生成数量3 000、峰值在满幅 0.7 位置、为 0.14 的高斯分布数组，模拟闪烁探测器输出的脉冲信号。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0.939 3，最小值0.569 8。生成的数组也规划为满幅 12位，即数组值乘以4 096后再取整。数字波形文件的每一位与一个幅度值相乘，调用 FPGA 芯片中的硬件乘法器模块，实现单周期乘法，即可得到相应幅值的数字脉冲波形文件。间隔控制的核心是一个数组，控制脉冲信号发生的时间间隔，核辐射信号的时间分布为泊松分布，实验由 Python 生成数量 359、均值 250 的泊松数组，模拟 射线 40 K 计数的时间分布。本次数组最大值 402，最小值 144，平均 252，实际计数率 39.7 K。总时序控制将 FPEG 系统的 50 MHZ 时钟 5 分频作为主控时钟，将时间间隔数值作为波形启动间隔计数，主控时钟 10 MHz，平均 252 的时间间隔数即为25.2 s，对应 39.7 K 的计数率，同时对应 20 点采样的数字波形数据，单个脉冲信号的脉宽为 2 s。按幅值指针位置逐个取脉冲幅度控制时序，使波形发生文件的每一个采样点依次与当前脉冲幅度值相乘，取高12 位，形成幅度符合能谱要求的脉冲波形，送 DAC 部分。间隔时间计数完毕，波形文件指针复位，取下一个幅度数值及间隔数值，依次循环，即输出波形受波形数据控制、幅度受幅度数组控制、间隔受间隔数组控制的持续脉冲信号序列，实现了波形、计数率和能谱的可编程。DA 转换部分没有使用 DAC 芯片，而是由简单、高速，精度尚可的 12 位 2R R 电阻网络来实现。将数字波形输出到 FPGA 的 12 个同组管脚，直接连接电阻网络，转换为模拟波形，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。图 2波形Fig.2Waveform3能谱数据的扩充实验中有3 000个能谱数据数组，谱形数据较单调，相对于 10 k/S 的计数率来说，每隔 0.33 s 即重复1 次，间隔较短，能谱曲线不够光滑。增加数组长度可58改善这种状况，但 FPGA 芯片资源有限，外加存储器电路复杂、读取速度较低且增加成本，故而应用了一种高斯数组的扩充方法。两个已知高斯数组的分布函数公式为:fx(x)=121e(x 1)2/21(2)fy(y)=122e(y 2)2/22(3)则 Z=fx+fy依然服从正态分布，由卷积公式可得出 Z 的分布函数公式为:fz(z)=12(1+2)e(y 1 2)2/2(1+2)(4)实际中可取同一数组，应用两个指针控制数组数据两两依次相加，即可得到数量为原数组平方、参数可设置的正态分布数组，如实验中能谱数组数据个数为3 000个，扩充后则为9 000 000个，数据量大为丰富，且并不多占用 FPGA 资源。4探讨实验采用 Cyclone II EP2C5 芯片，主频50 MHz，上述功能约占用 90%资源，如升级 FPGA 芯片，可增加能谱数组长度，使能谱更加平滑，如 EP2C8 EP2C20 EP2C32 资源数分别是 EP2C5 的 2、4、8 倍。如主控时钟分频数不小于 3，也可将能谱数组例化于 FPGA 的RAM 中，节省 LE 资源而不必升级 EPGA 芯片。实验仅添加了一个光电峰，可根据实际需求添加，如再增加一个光电峰模拟双能 射线探测情况，可由FWHM 需求确定 值。能谱数组数量和时间分布数组数量互质，是为了模拟核辐射脉冲的随机性，实际中可随意选取。波形幅度受能谱数组控制，但波形宽度不变，如需改变脉冲宽度需调整设计。未使用专用的 DAC 芯片，仅设计使用 FPGA 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，也可选用排阻进一步提高 DA 转换精度。如使用专用的 DAC 芯片，可提升精度至 14 16 位。如对单个波形平滑度较高要求，可增加至 50 个采样点，将主控时钟改为 2 分频或由例化芯片中的 PLL 模块生成更高频率的时钟信号。如需减少脉宽，可调整采样数据。实验中，波形数据、能谱及时间分布数组都由 JTAG 接口写入芯片。实际应用中，可增加串口通信或 TF 卡，这样修改波形、能谱及计数率更为方便。为更加真实地模拟实际情况，设计加入噪声模块，产生噪声数据与 DAC 前数据相加，再送入 DAC 部分，系统框图如图 3 所示。如需同时模拟多种波形，如粒子甄别，只要在 FPGA 芯片资源足够的情况下，可添加新的波形发生控制等部分，模拟多种粒子的信号波形，以设定的计数率和设定的幅值分布输出给后续电路，进行测试、调试。各部分的功能模块可并行运行，FP-GA 系统的性能不受影响，系统框图如图 4