基于實(shí)時(shí)數(shù)字恒比定時(shí)技術(shù)的數(shù)字時(shí)間譜儀研究.pdf

1、核事件的許多信息以時(shí)間信息的方式存在于核輻射探測(cè)器輸出信號(hào)中，例如粒子激發(fā)態(tài)壽命表現(xiàn)為相繼兩信號(hào)的時(shí)間間隔分布，中子能量可以表現(xiàn)為中子飛越一定距離所需的飛行時(shí)間，粒子入射的空間位置可表現(xiàn)為位置靈敏探測(cè)器輸出信號(hào)的時(shí)間信息，入射粒子的種類也可反映在信號(hào)電荷的時(shí)間分布。為了探測(cè)核事件的性質(zhì)、發(fā)生時(shí)間和位置，需要獲取核脈沖信號(hào)的時(shí)間信息并進(jìn)行處理。
　　 恒比定時(shí)(ConstantFractionTiming，CFD)是核物理和粒子物

2、理實(shí)驗(yàn)中用于準(zhǔn)確確定粒子入射時(shí)間的一種重要定時(shí)技術(shù)。恒比定時(shí)的原理是采用恒定幅度觸發(fā)比來(lái)檢測(cè)核脈沖前沿到達(dá)的時(shí)刻，能夠修正脈沖幅度變化對(duì)定時(shí)的影響。傳統(tǒng)的恒比定時(shí)方法采用模擬定時(shí)甄別電路給出定時(shí)信號(hào)，再由時(shí)間數(shù)字化芯片TDC量化，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以獲得所需要的時(shí)間譜波形。其模擬電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)備龐大。
　　 數(shù)字恒比定時(shí)(digitalConstantFractionTiming，dCFD)方法是采用數(shù)字

3、信號(hào)處理技術(shù)分析和處理核脈沖信號(hào)，由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC直接對(duì)脈沖信號(hào)全波形采樣，以數(shù)值計(jì)算取代模擬定時(shí)電路。此設(shè)計(jì)方法優(yōu)點(diǎn)在于以全數(shù)字化手段完整保留核事件的全部現(xiàn)場(chǎng)信息，能夠一次測(cè)量從脈沖序列中獲取幅度、時(shí)間、粒子類型等整套信息，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，算法調(diào)整方便。
　　 基于數(shù)字恒比定時(shí)原理，本論文設(shè)計(jì)了一套通用硬件電路系統(tǒng)來(lái)完成實(shí)時(shí)核脈沖數(shù)字恒比定時(shí)計(jì)算。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用如下的技術(shù)路線：使用高速ADC數(shù)字量化，使用MATLAB信

4、號(hào)模型并設(shè)計(jì)合適的濾波、定時(shí)算法，利用高性能的FPGA(FieldPrograrmmableGateArray)和DSP(DigitalSignalProcessor)器件硬件實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)高精度的幅度和時(shí)間測(cè)量，使用USB2.0高速數(shù)據(jù)接口與主機(jī)通信。
　　 本論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1、采用MATLAB進(jìn)行信號(hào)建模和算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)、定時(shí)算法優(yōu)化、離線數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)性能ENOB/SNR和DNL

5、/INL測(cè)試、物理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等系統(tǒng)功能，并集成到一個(gè)GUI工程。
　　 2、基于數(shù)字恒比定時(shí)原理，研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)以FPGA和DSP為并行處理核心的雙通道數(shù)字恒比定時(shí)電子學(xué)系統(tǒng)原型機(jī)，系統(tǒng)的主要功能集成在NIM插件電路上實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩路信號(hào)實(shí)時(shí)量化、濾波、幅度計(jì)算、時(shí)間計(jì)算工作；
　　 目前，本論文所設(shè)計(jì)的電子學(xué)系統(tǒng)原型機(jī)已經(jīng)完成，并經(jīng)過(guò)了一系列電子學(xué)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明數(shù)字恒比定時(shí)電子學(xué)系統(tǒng)接近模擬定時(shí)的精度，在功能集成和