Система сбора данных для обнаружения переходного сигнала оптического излучения
В соответствии с характеристиками сильного фона и слабой цели при обнаружении нестационарного оптического излучения в этой статье разработана схема сбора данных с FPGA в качестве ядра управления и обработки. В схеме используются каналы двойного фильтра фона и сигнала, двухуровневое усиление с программным управлением, что эффективно гарантирует качество приема сигнала; в то же время он использует хранилище с преобразованием частоты для целевых сигналов, что значительно снижает требования к хранению и передаче данных и обеспечивает более последовательный процесс сбора данных. точность измерения.
1 Состав системы и принцип работы
Систему сбора данных можно условно разделить на три части: модуль предварительной обработки, модуль хранения выборки и модуль управления ПЛИС. Модуль предварительной обработки включает в себя устройства фотоэлектрического преобразования, блоки активных фильтров и схемы программно-управляемых усилителей. Блок-схема всей системы показана на рис. 1. Схема фотоэлектрического преобразования преобразует оптический сигнал, поступающий в систему, в сигнал тока через детектор, а затем преобразует его в сигнал напряжения через трансимпедансный операционный усилитель. В системе предусмотрены два канала фильтрации: для фона применяется фильтрация нижних частот, а для сигнала используется фильтрация верхних частот. В исходном состоянии аналоговый переключатель по умолчанию выбирает фоновый канал, а программируемый усилитель устанавливается в фоновый режим. После того, как фоновый сигнал оцифрован аналого-цифровым преобразователем, он отправляется в FPGA для сравнения порогов. При обнаружении ситуации большей пороговой ПЛИС переключает канал аналогового переключателя, выбирается канал ФВЧ и в качестве режима сигнала выбирается режим работы программно-управляемого усилителя. В соответствии с характеристиками сигнала, являющегося крутым в начале и медленным в конце, ПЛИС реализует сбор и хранение данных плотно, а затем разреженно посредством скоординированного управления аналого-цифровым преобразователем и FIFO.
2. Аппаратный дизайн системы сбора данных
2.1 Схема предварительной обработки передней ступени
В схеме фотоэлектрического обнаружения фотодетектор напрямую связан с качеством работы системы. Чтобы уменьшить влияние наведенного тока, вызванного электромагнитным излучением окружающей среды, устройство подходит для керамической упаковки. Кроме того, светочувствительная площадь детектора не должна быть слишком большой, иначе увеличатся такие параметры, как темновой ток, емкость перехода и время нарастания, что повлияет на эффект обнаружения. В конструкции использован кремниевый фотодиод S2387 японской компании Hamamatsu. Детектор имеет характеристики высокой чувствительности, быстрого отклика и большого динамического диапазона. Схема использует режим нулевого смещения, отсутствие темнового тока, шум диода в основном является тепловым шумом, создаваемым шунтирующим резистором, и имеет наилучшую точность и линейность. Фильтр верхних и нижних частот использует активный фильтр, который имеет высокую скорость отклика, хороший эффект фильтрации гармоник и может динамически компенсировать реактивную мощность. Усилитель с программным управлением состоит из интегрированного операционного усилителя и аналогового переключателя. Аналоговый переключатель управляется FPGA, а различные резисторы подключены к входной клемме операционного усилителя для регулировки усиления.
2.2 Схема хранения проб
Поскольку динамический диапазон целевого сигнала очень велик (около 80 дБ), необходимо выбрать АЦП с широким динамическим диапазоном для реализации захвата сигнала. Принятие 14-разрядного АЦП для выборки сигналов с динамическим диапазоном, амплитуда которого варьируется до 4 порядков, может удовлетворить требования высокой чувствительности обнаружения, требуемой системой. Однако, поскольку все устройства аналого-цифрового преобразования имеют ошибки точности, использование компонентов аналого-цифрового преобразования высокой точности в качестве компонентов аналого-цифрового преобразования низкой точности может уменьшить ошибки точности. В этой конструкции используются 16 bAD976A компании ADI. AD976A низкое энергопотребление 16 b аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения, скорость преобразования 200 KSPS, можно выбрать внутренний или внешний опорный источник питания 2,5 В. AD976 позволяет одновременно выводить 16 бит параллельно и может выводить в виде двух 8 бит. Для экономии контактов в конструкции приняты двойные 8-битные выходы.
Чтобы обеспечить точную передачу данных между разными тактовыми доменами, кэш данных использует асинхронный FIFO. Асинхронный FIFO обладает характеристиками высокой скорости и хорошей надежности и позволяет избежать неправильной выборки данных из-за разности фаз между разными тактовыми импульсами. IDT7204, принятый в проекте, представляет собой двухпортовую микросхему кэш-памяти CMOS 4 096 × 9 бит из серии IDT72XX. Внутренние указатели чтения и записи считываются и записываются по принципу «первым поступил — первым обслужен», а часы записи W и часы чтения R предоставляются извне; полный флаг () и пустой флаг () контролируют переполнение данных и пустое чтение, а также записывают, когда память моделирования заполнена. Он может легко увеличить любую глубину слова и длину слова.
