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基于FPGA的核物理实验定标器的设计与实现

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:介绍使用现代EDA手段设计核物理实验常用仪器——定标器的原理和实现方法。新的定标器利用FPGA技术对系统中大量电路进行集成,结合AT89C51单片机进行控制和处理,并增加数据存储功能和RS232接口,实现与PC机通信,进行实验数据处理。本文给出详细新定标器设计原理图和FPGA具体设计方案。

    关键词:G-M计数器 定标器 现场可编程逻辑门阵列器件(FPGA)

定标器在大学实验中有很广泛的应用,其中近代物理实验中的核物理实验里就有2个实验(G-M计数管和β吸收)要用到高压电源和定标器,(范文先生网www.fwsir.com收集整理)而目前现有的设备一般使用的是分立元器件,已严重老化,高压极不稳定,维护也较为困难;另一方面在许多常用功能上明显欠缺,使得学生的实验课难以维持。为此我们提出了一种新的设计方案:采用EDA进行结构设计,充分发挥FPGA(Field Programmable Gate Array)技术的集成特性,抛弃原电路中众多晶体管,成功地对系统中的大量处理电路进行了简化和集约,提高了仪器的可靠性和稳定性,有利于电路的测试和检修。改进方案后的定标器不仅完善了原有的功能,还增加了数据存储、RS232接口等功能,可以方便地与PC机接口通信,进行数据处理、图像显示和打印等。

1 G-M计数器原理

G-M计数管是一种低压气体放电管,基于FPGA的核物理实验定标器的设计与实现作用是将入射粒子(射线)转换成电压脉冲输出。原子核心物理实验中常用它作为计数装置的“探头”探测射线及射线强度。G-M计数管有2种:用于探测β射线的钟罩型和主要用于探测γ射线的长圆柱型。其中钟罩型β计数管的工作电压为千V(伏)左右,圆柱型工作电压接近千V(伏)。

射线粒子在计数管中引起气体“雪崩”放电,使得计数管导通;电流通过负载电阻R形成一个负脉冲,此脉冲信号通过电容C,经前置放大器送至定标器计数,如图1所示。由于计数管在放电终止后会形成连续放电现象,此现对计数管极其有害,故一发现计数突然增加时,就应立即降低高压。改进后的定标器会自动控制高压源,将其电压降低。这些改进。即可避免以前实验中出现的计数管损坏问题。

2 定标系统原理及硬件实现

定标器系统由电源部分、输入电路部分和脉冲计数显示部分3个模块组成,原理框图如图2所示。
基于FPGA的核物理实验定标器的设计与实现
    G-M计数管产生的负脉冲经过输入整形电路,进行整形、放大处理,产生标准TTL信号,再由计数测量电路进行计数。定时脉宽门控电路控制计数的脉宽,分6个档:×10 -3、×10 -2、×10 -1、×10 0、×10 1、×10 2。时间倍乘档有4种选择:×1、×2、×4、×8。这样进行的一组测量数据即可以用来描述射线粒子产生的规律。

图2中,显示部分采用的是动态显示的方法,基于FPGA的核物理实验定标器的设计与实现利用单片机AT89C51来进行即时的控制和相应的显示数据。同时根据需要,选择部分测量数据(包括此次计数数据及对应的高压值)存储到RAM中,然后将所选取的RAM中的数据通过RS232串行端口发送到PC机上,经过相应的处理软件进行描图,以及相应的实验数据处理。为了使系统更加集成化,特定时脉宽门控、计数测量电路、地址译码及数据锁存、总线的驱动等电路集成到1片FLEX10K的FPGA中。图3为系统详细电路原理框图。

3 FPGA芯片设计

3.1 FPGA逻辑功能结构及其总体设计

为了简化设计,实现系统大量逻辑电路的集成,在设计中使用了现场可编程逻辑门阵列器件(FPGA)。FPGA主要实现以下逻辑功能:定时脉宽门控、计数测量、地址锁存、译码、总线的驱动和扩展以及数码显示的控制等功能。其逻辑功能顶层结构如图4所示。FPGA器件选择Altera公司FLEX10K10系列的EPF10K10LC84-4芯片。该芯片集成有1万个等效逻辑门,含有572个逻辑单元(LEs)、72个逻辑阵列块(

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