FPGA数字核脉冲分析器硬件设计解析

国内谱仪技术多年来一直停留在模拟技术水平上，数字化能谱测量技术仍处于方法研究阶段。为了满足不断增长的高性能能谱仪需求，迫切需要研制一种数字化γ能谱仪。通过核脉冲分析仪显示在显示器上的核能谱帮助人们了解核物质的放射性的程度。

1数字多道分析仪的优势

国内很大一部分学者采用核谱仪模拟电路的方式实现脉冲堆积的处理。由于整个过程都是由模拟电路来实现，所以一直受到多种不利因素的困扰：模拟滤波成形电路有限的处理能力达不到最佳滤波的要求；模拟系统在高计数率下能量分辨率显着下降，脉冲通过率低；模拟电路固有的温漂和不易调整等特点，导致系统的稳定性、线性及对不同应用的适应性不高；在脉冲波形识别、电荷俘获效应校正等更复杂的应用场合模拟系统无法胜任。

相比来看，数字脉冲幅度分析系统的性能显着优于模拟脉冲分析器。数字分析器有以下几点优点：通过软件实现，提高了系统的稳定性与可靠性；可以利用数字信号处理方法针对输入噪声特点实现优化设计，达到最佳或准最佳滤波效果；处理速度快，反堆积能力强，相同能量分辨率下脉冲通过率更高；参数由程序控制，调整方便、简单。

2总体设计

本方案设计了一种基于可编程门阵列的多道脉冲幅度分析器的硬件平台。图1即为总体设计框图，探测器输出的核脉冲信号经前端电路简单调理后，经单端转差分，由采样率为65 MHz的高速ADC在FPGA的控制下进行模/数转换，完成核脉冲的数字化，并通过数字核脉冲处理算法在FPGA内形成核能谱，核能谱数据可通过16位并行接口传输至其他谱数据处理终端，也可通过LVDS/RS 485接口实现远程传输。特别需要注意的是，由于高速AD前置，调理电路应该满足宽带、高速，且电路参数能够动态调整的需要，以适应不同类型探测器输出的信号，从而更好地发挥数字化技术的优势。